CC BY
80
Висновки. 1. З умови безперервносп потоку отримано залежносп значення критично! кутово! швидкост обертання шнекового iнтенсифiкатора вiд швидкост руху базово! машини при копанш грунту.
2. Отримано вираз для обчислення середнього значення осьового змщення грунту.
3. Розроблено баланс потужност шнекового iнтенсифiкатора при бiчному транспортуванш грунту.
ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА
1. Севастьянов К. М. Исследование энергоемкости процесса экскавации торфа из залежи горизонтальными шнек-фрезами: автореф. дис. ... на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук / К. М. Севастьянов. - Калинин : КПИ, 1973. - 23 с.
2. Зенков Р. Л. Машины непрерывного транспорта / Р. Л. Зенков - М. : Машиностроение, 1980. - 303 с.
3. Григорьев А. М. Винтовые конвейеры / А. М. Григорьев. - М. : Машиностроение, 1972.
- 182 с.
4. Баловнев В. И. Исследование работы отвалов с механической интенсификацией / В. И. Баловнев , В. Н. Шкрыль // Строительные и дорожные машины», 1978. - № 4. - С. 24 - 26.
5. Спиваковский А. О. Специальные транспортирующие устройства в горнодобывающей промышленности / А. О. Спиваковский, И. П. Гончаревич. - М. : Недра, 1985. - 129 с.
6. Сухоруков В. С. Снижение энергоемкости транспортирования грунта горизонтальным шнеком / В. С. Сухоруков, А. И. Долгих / В кн.: Проблемы сельскохозяйственной мелиорации в Поволжье. - Саратов, 1984. - С. 167 - 170.
7. Хмара Л. А. Методика расчета винтошнекового интенсификатора на рабочем оборудовании бульдозера / Л. А. Хмара, Р. Н. Кроль, И. А. Соколов, Е. И. Урих // Зб. наук. пр.: Галузеве машинобудування, бущвництво. Вип. 6. Ч. 1. - Полт. держ. техн. ун-т iм. Юрiя Кондратюка, 2000. - С. 75 - 77.
9. Хмара Л. А. Робочий орган бульдозера iз шнековим штенсифшатором / Л. А. Хмара, Р. М. Кроль // Вюник Придншр. держ. акад. бущвниц. та архггект. - Д. : ПДАБА, 2001. - № 12.
- С. 51 - 57.
10. Хмара Л. А. Теоретичш та експериментальш дослщження шнекового штенсифшатора на робочому обладнанш бульдозера / Л. А. Хмара, Р. М. Кроль, I. А. Соколов // Зб. наук. пр.: Вюник УДУВГП. - Рiвне, 2002. - Вип. 5 (18), Ч. 6.- С. 84 - 94.
11. Хмара Л. А. Призначення режимiв роботи шнекового штенсифшатора / Л. А. Хмара, Р. М. Кроль // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Серия: Стародубовские чтения. - Д. : ПГАСА, 2003. - С. 230 - 231.
12. Хмара Л. А. Визначення критично! частоти обертання та висоти зависання грунту для шнекового штенсифшатора на робочому обладнанш бульдозера при пошаровш розробщ грунту / Л. А. Хмара., Р. М. Кроль // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Серия: Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование. - Д. : ПГАСА, 2004. - Вып. 26. - С. 57 - 66.
13. Хмара Л. А. Теоретическое исследование режимов работы шнекового интенсификатора / Л. А. Хмара, Р. Н. Кроль // Интерстроймех - 2005: Тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Тюмень, 2005. - Ч. 1. - С. 262 - 266.
УДК 504.064.4:669.181.28
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ГРАНШЛАКОВ СИЛИКОМАРГАНЦА И ДОМЕННЫХ ГРАНШЛАКОВ
Н. В. Спильник, асп., С. А. Щербак, д. т. н., проф.
Ключевые слова: экологическая безопасность, эмиссия, тяжелые металлы, шлаки, заполнитель, мелкозернистый бетон
Постановка проблемы. Сегодня, в результате развития научно-технического прогресса, требуется значительный вклад науки в решение актуальных проблем, возникающих при изготовлении строительных материалов, а именно:
- уменьшение использования природных материалов;
- повышение использования вторичных материалов;
- изучение влияния вторичных материалов на окружающую среду для получения экологически безопасных строительных материалов.
Анализ литературных источников. В литературных источниках указывается, что одним из крупнотоннажных отходов промышленности являются металлургические шлаки [1]. На сегодняшний день металлургические шлаки широко используются для изготовления строительных материалов [2; 3]. Наиболее распространенными видами строительных материалов являются: щебень, песок, щебеночно-песчаная смесь, гранулированный шлак, шлаковая пемза и шлаколитые строительные изделия.
Цель статьи. Исследовать возможность использования гранулированных шлаков силикомарганца и доменного гранулированного шлака для изготовления экологически безопасных строительных материалов.
Основной материал. Накопление шлаков нарушает экологическое равновесие, что проявляется в загрязнении атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, а также почвы. Минимизировать экологические последствия от воздействия шлаков на окружающую среду можно путем их полной утилизации. Так, например, при современном уровне развития промышленности можно переработать в строительные материалы около 85 % отходов металлургии. Многолетняя деятельность ряда металлургических предприятий (ПАО «Никопольский завод ферросплавов», ОАО «Криворожский комбинат нерудных строительных материалов» и др.) свидетельствует о том, что использование шлаков не только расширяет сырьевую базу строительной отрасли на 15 - 20 %, но и обеспечивает повышение эффективности строительства [4].
Для снижения влияния терриконов гранулированных шлаков силикомарганца и доменных гранулированных шлаков на состояние окружающей среды и уменьшение площади плодородных земель, отводимых под данные терриконы, в настоящей работе предлагается использовать их для производства строительных материалов.
В настоящей работе изучены условия эффективного использования гранулированных шлаков силикомарганца и доменных гранулированных шлаков при производстве мелкозернистого бетона и проведены исследования влияния полученных материалов на окружающую среду. В качестве исходных материалов были выбраны гранулированные шлаки силикомарганца ПАО «Никопольский завод ферросплавов» и доменные гранулированные шлаки ПАО «ЕВРАЗ - ДМЗ им. Петровского». Химические составы шлаков представлены в таблице 1.
Таблица 1
Усредненный химический состав гранулированных шлаков
Вид шлака Содержание оксидов, %
8x02 СаО АЬОз Ре20з 8 Mg0 МпО примеси
граншлак - Мп 48,6 18 7 0,6 1,1 4,9 18,3 1,5
доменный граншлак 38,8 41,9 9,5 0,9 1,8 4,9 0,7 1,5
По результатам оценивания гранулированного шлака силикомарганца данный пррдукт относится к кислым шлакам; имеет стойкую структуру и не склонен к силикатному распаду; низкий гидравлический модуль указывает на недостаточную прочность шлака; глиноземный и силикатный модули указывают на замедленные сроки схватывания.
Доменный гранулированный шлак является основным шлаком, который относится ко 2-му сорту; имеет стойкую структуру и не склонен к силикатному распаду; низкий гидравлический модуль указывает на недостаточную прочность шлака; глиноземный и силикатный модули указывают на замедленные сроки схватывания.
Модуль крупности гранулированного шлака силикомарганца ПАО «Никопольский завод ферросплавов» составляет 3,6, доменного гранулированного шлака ПАО «ЕВРАЗ - ДМЗ им. Петровского» - 3,5. По соотношению зерновых составов шлаков и рекомендуемых зерновых составов заполнителей для бетонов видно, что данные шлаки можно использовать как заполнители для конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов (рис. 1).
Суммарная удельная активность природных радионуклидов шлаковой продукции ПАО «Никопольский завод ферросплавов» составляет 187 - 295 Бк/кг, что по ДБН В.1.4-1.01-
97 «Системи норм та правил зниження рiвня юшзуючих випромiнювань природних радiонуклiдiв в будiвництвi. Допустимi рiвш» отвечает 1-му классу материалов, которые могут быть использованы для всех видов строительства без ограничений.
Суммарная удельная активность природных радионуклидов шлаковой продукции ПАО «ЕВРАЗ - ДМЗ им. Петровского» составляет 93 - 104 Бк/кг, что также отвечает 1-му классу.
3?
100 .
_____
X - ' —»"" Г-—""
1
/ 1 / ^ \
/Ж \2_
//
1 \/, / / \3
1 / /
0,16 0,315 0,63
Ц5
V
Размер отверстий контрольных сит, мм
Рис. 1. Соотношение зерновых состав шлаков и рекомендуемого зернового состава заполнителей для бетонов: 1 - область рекомендованного зернового состава заполнителя для
тяжелого бетона; 2 - область рекомендованного зернового состава заполнителя для конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона; 3 - кривая зернового состава доменного гранулированного шлака ПАО «ЕВРАЗ-ДМЗ им.Петровского»; 4 - Кривая зернового состава гранулированного шлака силикомарганца ПАО «Никопольский завод ферросплавов»
Расчет класса опасности используемых металлургических отходов проводился согласно ДСанПЩ 2.2.7.029-99 и показал, что они относятся к IV классу - вещества (отходы) малоопасные.
В качестве вяжущего использовался портландцемент Криворожского цементного завода марки 400, который удовлетворяет требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия».
Для определения потенциальной экологической опасности гранулированных шлаков проведены исследования по определению эмиссий тяжелых металлов в модельные среды. В качестве модельных сред использовали дистиллированную воду и аммонийно-ацетатный буферный раствор (рН = 4,8). Выбор аммонийно-ацетатного буферного раствора обусловлен возможностью ионов тяжелых металлов образовывать аммонийные и ацетатные комплексные ионы, что способствует их максимальной экстракции из растворов. Результаты исследований сведены в таблицы 2 и 3.
В результате экспериментальных исследований установлено, что кривые выщелачивания тяжелых металлов имеют экстремальный характер, что можно объяснить следующим образом. В первые несколько суток вместе с ионами тяжелых металлов происходит выделение из образцов ионов Са и Mg, сульфидов, что приводит к повышению рН среды и образованию труднорастворимых гидроксидов и сульфидов тяжелых, которые оседают на поверхности частичек гранул шлака и предотвращают дальнейшее вымывание металлов в модельные среды.
Таблица 2
Усредненные результаты содержания тяжелых металлов при выщелачивании из гранулированного шлака силикомарганца, мг/л
Модельная среда Время отбора проб, сут
1 14 21 30
Марганец
Вода 1,51 ± 0,186 53,3 ± 5,654 53,3 ± 5,654 53,3 ± 5,654
Буфер (рН = 4,8) 365,14 ± 35,609 217,6 ± 23,858 54,2 ± 5,669 34 ± 3,273
Медь
Вода 0,31 ± 0,032 0,03 ± 0,003 0,03 ± 0,003 0,03 ± 0,003
Буфер (рН = 4,8) 0,01 ± 0,001 0,11 ± 0,014 0,09 ± 0,009 0,09 ± 0,009
Свинец
Вода 0,14 ± 0,017 0,13 ± 0,017 0,1 ± 0,015 0,13 ± 0,017
Буфер (рН = 4,8) 0,49 ± 0,048 0,99 ± 0,090 0,27 ± 0,027 0,27 ± 0,027
Кадмий
Вода 0,07 ± 0,006 0,07 ± 0,006 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007
Буфер (рН = 4,8) 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007
Коэффициент вариации находится в пределах 10 - 20 %.
Таблица 3
Усредненные результаты содержания тяжелых металлов при выщелачивании из доменного гранулированного шлака, мг/л
Модельная среда Время отбора проб, сут
1 14 21 30
Марганец
Вода 1,7 ± 0,16 0,13 ± 0,01 0,14 ± 0,02 0,01 ± 0,001
Буфер (рН = 4,8) 1019,66 ± 98,1 1907,91 ± 173,9 1230,11 ± 112,2 522,62 ± 48,1
Медь
Вода 0,01 ± 0,001 0,32 ± 0,032 0,11 ± 0,012 0,04 ± 0,004
Буфер (рН = 4,8) 0,01 ± 0,001 0,22 ± 0,039 0,012 ± 0,001 0,08 ± 0,007
Свинец
Вода 0,46 ± 0,043 3,43 ± 0,329 0,40 ± 0,037 0,01 ± 0,001
Буфер (рН = 4,8) 0,40 ± 0,042 0,50 ± 0,049 2,4 ± 0,229 0,01 ± 0,001
Кадмий
Вода 0,06 ± 0,005 0,03 ± 0,003 0,02 ± 0,004 0,0026 ± 0,0003
Буфер (рН=4,8) 0,01 ± 0,001 0,008 ± 0,001 0,02 ± 0,004 0,03 ± 0,003
Коэффициент вариации находится в пределах 10 - 20 %.
Результаты лабораторных исследований показали, что при использовании гранулированных шлаков силикомарганца в качестве заполнителя для мелкозернистого бетона возможна полная замена мелкого заполнителя (рис. 2). При этом прочностные показатели полученного бетона не сильно уступают стандартным образцам.
а
б
18
Возраст, сут
в
Рис. 2. Результаты лабораторных исследований мелкозернистого бетона на основе разных заполнителей: а - соотношение цемент /заполнитель = 1 : 3, В/Ц = 0,65; б - соотношение цемент /заполнитель = 1 : 2, В/Ц = 0,6; в - соотношение цемент /заполнитель = 1 : 1, В/Ц = 0,5
Для определения потенциальной экологической опасности мелкозернистых бетонов на основе гранулированных шлаков силикомарганца и доменных гранулированных шлаков, а также днепровского песка проведены исследования по определению эмиссий тяжелых металлов в модельные среды по той же методике, что и для гранулированных шлаков. Результаты исследований представлены в таблицах 4 - 6.
Таблица 4
Усредненные результаты содержания тяжелых металлов при выщелачивании из бетона на основе граншлака силикомарганца, мг/л
Модельная среда Время отбора проб, сут
1 14 21 30
Марганец
Вода 0,18 ± 0,019 3,4 ± 0,322 21,3 ± 2,269 31,31 ± 3,359
Буфер (рН = 4,8) 29,1 ± 2,999 138,4 ± 14,811 7,7 ± 0,942 20,5 ± 2,252
Медь
Вода 0,5 ± 0,049 0,3 ± 0,032 0,8 ± 0,070 0,9 ± 0,087
Буфер (рН = 4,8) 0,061 ± 0,007 0,25 ± 0,032 0,07 ± 0,009 0,05 ± 0,005
Свинец
Вода 0,12 ± 0,013 0,12 ± 0,013 0,21 ± 0,019 0,26 ± 0,034
Буфер (рН = 4,8) 0,46 ± 0,050 0,14 ± 0,015 0,08 ± 0,007 0,24 ± 0,031
Кадмий
Вода 0,04 ± 0,004 0,04 ± 0,004 0,1 ± 0,009 0,11 ± 0,015
Буфер (рН = 4,8) 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007 0,09 ± 0,009
Коэффициент вариации находится в пределах 10 - 20 %.
Таблица 5
Усредненные результаты содержания тяжелых металлов при выщелачивании из бетона
на основе доменного граншлака, мг/л
Модельная среда Время отбора проб, сут
1 14 21 30
Марганец
Вода 0 7,1 ± 0,823 1,06 ± 0,107 30,6 ± 2,747
Буфер (рН = 4,8) 3,7 ± 0,348 204,5 ± 20,009 36,2 ± 4,206 38,3 ± 3,732
Медь
Вода 0,1 ± 0,009 9,6 ± 0,962 0,04 ± 0,004 0,04 ± 0,004
Буфер (рН = 4,8) 0,19 ± 0,018 1,26 ± 0,112 1,03 ± 0,089 0,5 ± 0,049
Свинец
Вода 0 0 0,07 ± 0,009 0,1 ± 0,009
Буфер (рН = 4,8) 0,44 ± 0,047 0,28 ± 0,030 0,55 ± 0,037 0,44 ± 0,047
Кадмий
Вода 0,06 ± 0,008 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007 0,12 ± 0,013
Буфер (рН = 4,8) 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007
Коэффициент вариации находится в пределах 10 - 20 %.
Потенциальная экологическая безопасность мелкозернистых бетонов на основе гранулированных шлаков силикомарганца и доменных гранулированных шлаков сопоставлялась со стандартными образцами бетонов на природном заполнителе и установлено, что данные шлаки можно использовать в качестве заполнителя для мелкозернистого бетона без значительного влияния на окружающую среду.
Таблица 6
Усредненные результаты содержания тяжелых металлов при выщелачивании из бетона
на основе природного песка, мг/л
Модельная среда Время отбора проб, сут
1 14 21 30
Марганец
Вода 0,01 ± 0,001 0,01 ± 0,001 61,59 ± 6,590 0,01 ± 0,001
Буфер (рН = 4,8) 673,7 ± 70,2 630,0 ± 64,465 685,07 ± 75,254 165,16 ± 17,82
Медь
Вода 0,01 ± 0,001 0,01 ± 0,001 0,22 ± 0,026 0,08 ± 0,007
Буфер (рН = 4,8) 0,01 ± 0,001 0,12 ± 0,013 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007
Свинец
Вода 0,09 ± 0,009 0,77 ± 0,082 0,34 ± 0,034 1 ± 0,113
Буфер (рН = 4,8) 0,01 ± 0,001 1,77 ± 0,168 1,57 ± 0,103 0,28 ± 0,050
Кадмий
Вода 0,03 ± 0,003 0,03 ± 0,003 0,024 ± 0,003 0,03 ± 0,003
Буфер (рН = 4,8) 0,03 ± 0,003 0,03 ± 0,003 0,03 ± 0,003 0,06 ± 0,008
Коэффициент вариации находится в пределах 10 - 20 %.
Таким образом, использование гранулированного шлака силикомарганца и доменного гранулированного шлака экономически и экологически целесообразно, т. к. позволяет уменьшить использование природных материалов, а увеличением использования отходов промышленности - уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Выводы. Использование гранулированных шлаков как вторичных материальных ресурсов решает ряд важных народнохозяйственных задач, таких как экономия природного сырья, предотвращение загрязнения водоемов, почвы и атмосферы, а также позволяет увеличить объемы производства строительных материалов и изделий. Кроме того, себестоимость строительных материалов, которые изготовлены с использованием гранулированных шлаков, меньше, чем традиционных.
ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА
1. Дворкин Л. И. Строительные материалы из отходов промышленности : учеб.-справ. пособ. / Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин. - Ростов н/Д. : Феникс, 2007. - 368 с.
2. Металлургические шлаки в строительстве : для науч. работников, инженеров и студентов высших тех. учеб. заведений. / [В. И. Большаков, В. З. Борисовский, В. Д. Глуховский и др.]. - Д., 1999. - 114 с.
3. Напрямки i перспективи використання вiдходiв металургшно!, прничорудно! та хiмiчноl промисловост в будiвництвi. / [В. I. Большаков, Г. М. Бондаренко, А. I. Головко та ш.]. - Д. : Gaudeamus, 2000. - 140 с.
4. Никопольские ферросплавы / [М. И. Гасик, В. С. Куцин, Е. В. Лапин и др.]. - Д. : Системные технологии, 2004. - 272 с.
УДК 669.01:539.4;539.2
РОЛЬ ПРОЧНОСТИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ В ОЦЕНКЕ КОНСТРУКЦИОННОГО КАЧЕСТВА СТАЛЕЙ
Ю. Я. Мешков, д. т. н., член.-корр. НАНУ, С. А. Котречко, д. ф.-м. н., А. В. Шиян, к. ф.-м. н. Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, г. Киев
Ключевые слова: прочность, механическая стабильность, охрупчиваемость, стабильность прочности, конструкционное качество
Введение. Основным признаком пригодности стали для использования ее в конструкции есть качество этой стали, заключенное в комплексе ее важнейших механических
