В статье рассмотрены вопросы рационального использования вяжущих свойств отходов обогащения при изготовлении бетонов. Приведены результаты лабораторного и опытно-промышленного эксперимента по приготовлению бетонных смесей на основе жидких хвостов обогащения руд с получением количественных характеристик бетонов на их основе. Доказано, что использование солесодержащих отходов улучшает свойства твердеющих смесей. Показано, что после извлечения металлов из пульпообразных отходов последние представляют собой перспективный материал для бетонного производства в горной промышленности и строительной индустрии.
УДК 504.55.054:622(470.6)
В.И. ГОЛИК, доктор техн. наук, профессор кафедры горного дела Северо-Кавказского государственного технологического университета, Владикавказ; Т.М. ТЕЗИЕВ, канд. техн. наук, доцент Северо-Кавказского горно-металлургического института, председатель Северо-Осетинского РК профсоюза
Ключевые слова: твердеющая смесь, выработанное пространство, подземная разработка, руда, месторождение, отходы обогащения, эксперимент, металл, прочность смесей, вяжущее
Keywords: hardening mixture, out space, underground mining, ore mine, tailings, experiment, metal, strength of mixtures, binder
Расширение диапазона применения природоохранных и ресурсосберегающих технологий с использованием бетонов требует надежного обеспечения сырьем для их изготовления. Добыча сырья для изготовления бетонов выводит из оборота ценную для землепользования землю.
Экономические показатели деятельности производящего бетон предприятия зависят от полноты использования свойств материалов [1]. Проблему сырья для приготовления бетонов решают, например, утилизацией отходов горного производства после извлечения из них металлов путем механохимической обработки с получением до 80% металлов от остаточного содержания [2].
Содержание фракций в хвостах обогащения металлических руд различно, как правило, в них частиц размером менее 0,1 мм содержится до 60%. Количество хвостов на складах горных предприятий намного превышает потребности в сырье для бетона всех отраслей хозяйства России. Только на предприятиях Курской магнитной аномалии их накоплено 320 млн т. Выход отходов составляет около 5 т на 1 т товарной руды в сухом весе.
Поэтому проблема уменьшения расхода дорогостоящих компонентов и стоимости бетонной продукции имеет и отраслевую, и федеральную, и глобальную значимость.
Решение проблем производства бетонной продукции способно создавать прибыль, предоставляя средства на решение социальных и экологических проблем.
Сдерживающим обстоятельством использования хвостов переработки руд является наличие в них не полностью извлеченных металлов, и простое использование хвостов обогащения не может быть признано корректным из-за потери попутных металлов, стоимость которых может даже превышать стоимость извлеченных титульных металлов [3]. Наличие в строительных материалах и конструкциях металлов, в т.ч. и весьма распространенных радиоактивных, опасно для жизни людей.
Исследование глобальной проблемы обеспечения бетонного производства включает в себя следующие аспекты: обеспечение местными компонентами для бетонных смесей; снижение стоимости бетонных изделий; уменьшение загрязнения окружающей среды отходами бетонного производства.
Целью исследований отходов гидрометаллургического завода было: изменение реологических свойств смеси, в т.ч. однородность, предельное напряжение сдвига, прочность при одноосном сжатии.
Базовый состав бетонной смеси, содержащей комплексное вяжущее, варьировали. Результаты лабораторных исследований проверены в ходе опытно-промышленных работ на бетоноизготавливающем комплексе предприятия.
В ходе опытно-промышленных работ опробовали тонкость помола добавок к товарному цементу в шаровой мельнице, состав бетонной смеси, отбираемой на сливе, и готовили контрольные кубы на различные сроки твердения. Из готового бетона отобрали пробы, исследования которых послужили основанием для оценки динамики прочности смесей и рекомендации составов бетонной смеси к промышленному использованию.
Объектом исследования являлись хвосты гидрометаллургического передела металлических руд с содержанием фосфогипса 30%, которые предназначались для приготовления тощих бетонов или твердеющих смесей для заполнения пустот при подземной разработке рудных месторождений.
Замена песчано-гравийной смеси хвостами ГМЗ – пульпой хвостового сгустителя при соотношении твердого к жидкому Т:Ж=I:3,5 улучшает реологические свойства смеси: бетонная смесь более однородна, предельное напряжение сдвига ниже.
Прочность бетона при одноосном сжатии по сравнению с базовым составом увеличивается в 1,5-4 раза, что объясняется присутствием в пульпе активизирующих солей. Чтобы использовать пульпу, ее сгущают до соотношения Т:Ж=1:0,5.
В хранилище хвостов обогащения происходит осаждение твердой фракции хвостов, а осветленная часть или дамбовая вода может быть использована в технологическом процессе, т.к. содержит в своем составе соли сульфата натрия, хлорида натрия и поверхностно-активное вещество – полиакриламид. Хлористый натрий и сернокислый натрий применяют в качестве добавки к строительным бетонам для повышения пластической прочности.
Исследовалось влияние солей на прочность твердеющей смеси.
Характеристики дамбовой воды: рН – 7,0-7,5; NH4 – 18-25; NO2 – 3-7; NO3 – нет; сумма катионов и анионов – 24000-40000 на 1 дм3.
Базовый состав твердеющих смесей содержал 460-480 кг/м3 комплексного вяжущего (шлакопортландцемент М-400 + мокромолотый гранулированный шлак). В опытах расход комплексного вяжущего снижали до 400 кг/м3 и определяли условия транспортабельности составов.
Полученные в лабораторных условиях результаты исследований проверены в ходе опытно-промышленных работ с использованием дамбовой воды на закладочном комплексе по схеме (рис. 1).
Состав закладочной смеси: цемент – 14 кг/м3; мокромолотый граншлак – 500 кг/м3; заполнитель – 1100 кг/м3; вода дамбовая – 400 л/м3.
Продолжительность опытно-промышленных работ – 2 ч. 30 мин. при производительности закладочного комплекса – 284 м3/час. Объем изготовленной твердеющей смеси – 710 м3.
В ходе опытно-промышленных работ произведены опробования состава твердеющей смеси через каждые 30 мин. в процессе подачи закладочной смеси, отбираемой на сливе смесителя, в закладочную скважину. Забито 24 контрольных куба на сроки твердения 28 и 90 дней. Произведены 3 опробования тонкости помола граншлака в шаровой мельнице, которая составила, соответственно, 10, 15, 15% выхода фракции 0,08 мм, что объясняется повышенным расходом шлака для улучшения пластичности смеси. В пробе дамбовой воды содержание солей составило 24 г/л, или в 2 раза меньше, чем в дамбовой воде, использованной при лабораторных исследованиях. При подаче смеси в камеру установлено выделение газа – аммиака (ПДК – 20 т/м3).
Прочность керновых образцов, испытанных в возрасте 60 сут., изменялась в пределах от σmin=0,7 МПа до σmax=6,2 МПа, а в возрасте 90 сут. оказалась равной 2,5-2,8 МПа.
Прочность контрольных образцов, отобранных на сливе смесителя в скважину, в возрасте 28 сут. оказалась равной 0,7 МПа, в возрасте 90 сут. = 2,2 МПа.
В нижней части исследуемой камеры при расходе цемента 83 кг/м3 σсред.28с=3,1 МПа, σсред.90с=3,7 МПа.
В верхней части камеры при расходе цемента 44 кг/м3 и использовании обычной воды прочность составила σсред.28с=1,2 МПа, σсред.90с=1,8 МПа. При использовании же дамбовой воды с содержанием солей 24 г/дм3 при расходе цемента 14 кг/м3 σсред.28с=0,7 МПа, σсред.90с=2,2 МПа.
Экспериментально установлено, что использование дамбовой воды позволяет получить равную с исходным составом прочность бетонной смеси при уменьшении расхода цемента в 3 раза.
Препятствием для широкого использования является наличие в солевых концентратах металлов. Как правило, технологические линии металлургических заводов не проектируют на попутные металлы, которые попадают в отходы.
Корректным является подход, при котором для изготовления бетонных смесей без очистки используют дамбовые воды с незначительным содержанием металлов, а обогащенные металлами воды проходят стадию извлечения металлов одним из способов (рис. 2) [4].
Полученные результаты хорошо согласуются с практикой добавки ингредиентов при изготовлении бетона и бетонных конструкций [5]. Использование дамбовых вод способствует решению стоящих перед бетонным производством задач:
− применение в качестве компонентов бетонных изделий отходов горного производства [6];
− уменьшение стоимости бетонных изделий за счет товарных продуктов очистки, в т.ч. металлов;
− уменьшение негативного воздействия на окружающую среду.
Утилизация жидких отходов горно-металлургического производства является важным шагом в направлении реализации гуманных принципов взаимодействия человека и природы [7].
Выводы:
Использование жидких отходов гидрометаллургического передела существенно улучшает прочность и реологические свойства бетонов на их основе.
Смесь более однородна, предельное напряжение сдвига уменьшается на 15-25%, прочность увеличивается в 2-3 раза из-за активирующего влияния солей – тем больше, чем меньше марка вяжущего.
Применение дамбовых вод в качестве затворителя обеспечивает снижение расхода цемента ориентировочно с 50 до 35 кг/м3, что составляет солидный экономический эффект в зависимости от объема использования. Дамбовые воды используют для затворения бетонов после извлечения из них металлов, что снижает затраты на приготовление твердеющих смесей.
Библиографический список
1. Шестаков В.А. Проектирование горных предприятий. – М. МГГУ, 1995, – 465 с.
2. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Innovative technologies of metal extraction from the ore processing mill tailings and their integrated use // Metallurgical and Mining Industry, 2015, № 3, pp. 49-52.
3. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Feasibility of using the mill tailings for preparation of self-hardening mixtures // Metallurgical and Mining Industry, 2015, № 3, pp. 38-41.
4. Шадрунова И.В., Орехова Н.Н. Исследование технологии извлечения цветных металлов из шахтных и подотвальных вод, 2013, № 9, с. 89-93.
5. Зоткин А.Г. Бетон и бетонные конструкции. – М.: Феникс, 2012, – 336 с.
6. Ермолович Е.А., Шок И.А. Техногенные отходы в составе закладочных композиционных материалов // Горный журнал, № 9, 2012, с. 56-62.
7. Грехнев Н.И. Минеральные отходы горных предприятий – экономические и экологические проблемы недропользования в Дальневосточном регионе. – М.: ГИАБ, № 8, 2014, с. 123-128.
