CC BY
0к.т.н. Сороканич С. В., Парамонова А. В.
(ИСА и ЖКХ ЛГУ им. В. Даля, г. Луганск, ЛНР, stas. sorokanich. 82@mail т, anastasia2405@inbox. ш)
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ (АЛЮМОШЛАКА И ОТРАБОТАННОГО ГОРЕЛОГО ПЕСКА) ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
В данной статье исследованы характеристики техногенных отходов алюмошлака (АШ) и отработанного горелого песка (ОГП), а именно: химический состав, гранулометрический состав, радиоактивность.
Ключевые слова: техногенные отходы, алюмошлак, отработанные формовочные смеси, отработанные горелые пески.
УДК 691.32
Донбасс — это крупнейший промышленный регион, который насчитывает сотни промышленных предприятий топливно-энергетического комплекса, горнодобывающей, металлургической, химической промышленности, строительной отрасли. В результате деятельности промышленности на данный момент на территории Луганской Народной Республики накопилось около 1,5 млрд т отходов [1].
Современная промышленность стремится к развитию безотходных технологических процессов, а также широкому применению в производстве всевозможных отходов и вторичных продуктов. Наиболее перспективным направлением по освоению и применению техногенных отходов в производстве является строительная индустрия.
Существуют экологические проблемы, связанные с размещением техногенных отходов, в частности с алюмосодержащи-ми отходами производства, в виде шламов, шлаков, минеральной части углей [2].
Одним из видов отходов, не утилизируемых сегодня, являются отходы алюминия. К ним относятся алюминиевая стружка, шлаки, образующиеся в процессе плавки вторичного алюминиевого сырья, и другие. При хранении этих отходов на открытых полигонах происходит выщелачивание ионов алюминия, повышенное со-
держание которого отрицательно сказывается на окружающей среде и наносит вред здоровью населения [3]. Однако они являются ценным сырьём для производства строительных материалов. Содержание большого количества оксида алюминия и других металлов в алюмошлаках позволяет использовать их в строительной индустрии, а именно при производстве цементных бетонов [4].
Основу алюмосодержащих шлаков составляет оксид алюминия Al2Oз — свыше 50 %. По своим физико-химическим и минералогическим свойствам шлаки близки к обогащенной бокситовой руде и могут служить сырьем при изготовлении цементов и бетонов [5]. На предприятиях металлургической и других отраслей промышленности образуются десятки тонн алюмо-содержащих отходов, которые, в большинстве своем, направляются в отвалы, значительно ухудшая экологическую обстановку.
Отходы литейного производства — отработанный горелый песок, шлак и пыль из фильтрующих устройств (классифицируется как «опасные отходы») — занимают большую часть поступающих на свалки промышленных отходов.
Одной из проблем литейного производства является сложность утилизации твердых отходов техногенного характера. Ре-
шением этой проблемы является использование промышленных отходов или частичная замена привычных сырьевых материалов в строительной индустрии. Отработанные формовочные смеси, а именно пески, представляют собой пористый материал, благодаря чему его возможно использовать при производстве композиционных материалов на основе портландцемента как агент внутреннего ухода. Внутренний уход за бетоном осуществляется благодаря введению в состав бетона пористых компонентов, которые выполняют функцию «водных резервуаров» в структуре твердеющей цементной системы. Введение водонасыщенного компонента снижает давление в обезвоженных порах, заполняя их жидкостью и предотвращая их появление в пределах гидратирующего цемента [6-7].
Существующие способы переработки этих отходов не позволяют в полной мере решить задачи их использования и устранить экологические проблемы, связанные с их хранением. Поэтому актуальностью темы исследования является возможность применения алюмосодержащих отходов и отработанного горелого песка в строительной индустрии.
Целью работы является установление возможности использования техногенных отходов (алюмошлака и отработанного горелого песка) в качестве добавки и мелкого заполнителя при изготовлении композиционных материалов на основе портландцемента.
Алюмосодержащий отход в исходном виде и в виде отсева представлен на рисунке 1.
В результате сушки и отсева алюмош-лака был получен порошок серого цвета, насыпная плотность которого составила 1150 кг/м3. Химический состав отсева алюмошлака представлен в таблице 1.
Зерновой (гранулометрический состав) отсева алюмошлака представлен в таблице 2.
В результате экспериментальных исследований был проведен сравнительный
анализ для установления необходимости предварительного измельчения алюмосо-держащей добавки. Для этого было отобрано две просушенные пробы алюмошла-ка, равные по массе. Первая проба предварительно измельчалась и просеивалась, вторая проба не измельчалась и просеивалась. В качестве контрольного был принят состав без добавления алюмошлака. Составы цементного камня были испытаны на прочность при сжатии по истечении двухсуточного возраста. Результаты испытаний приведены в таблице 3.
б
Рисунок 1 Алюмосодержащий отход — алюмошлак: а — в исходном состоянии; б — отсев алюмошлака
Строительство и архитектура
Таблица 1
Химический состав отсева алюмошлака
Оксиды Содержание, %
8x02 7,48
АЬОз 57,14
Fe20з 3,52
Т1О2 0,384
СаО 4,7
Mg0 2,56
^20 2,92
К2О 0,39
Р2О5 0,009
80з 0,08
Потеря массы при прокаливании 17,97
Таблица 2 Гранулометрический (зерновой) состав отсева алюмошлака
Алюмошлак Содержание фракций, %
0,10 мм 0,70
0,08 мм 1,40
0,071 мм 44,15
0,063 мм 3,60
0,050 мм 43,35
0,040 мм 0,80
Менее 0,040 мм 6,00
пользовать неизмельченную просеянную добавку алюмошлака.
Отработанный горелый песок представлен на рисунке 2.
Крупнотоннажные отходы литейного производства, представленные в виде отработанного горелого песка, включают в себя: SiO2 (80-85 масс. %), СаО (5-7 %), А1203 (4-6 %) [7]. Благодаря тщательному химическому и гранулометрическому контролю отработанные горелые пески характеризуются стабильностью состава.
Химический состав отработанного горелого песка представлен в таблице 4.
Гранулометрический (зерновой) состав отработанного горелого песка представлен в таблице 5.
Физико-механические показатели отработанного горелого песка представлены в таблице 6.
Так как результаты между измельченной и неизмельченной добавкой алюмош-лака разнятся незначительно, а на помол алюмошлака необходимы дополнительные ресурсы, для дальнейших экспериментальных исследований было принято ис-
Рисунок 2 Отработанный горелый песок (отход формовочной смеси)
Прочность цементного камня с неизмельченной добавкой алюмошлака и с предварительно измельченной добавкой алюмошлака
Таблица 3
Компоненты цементной пасты, гр. (%) Состав №
К 1 1'
Портландцемент (ПЦ) 400 400 400
Суперплатификатор(СП-1) 2,4 (0,6) 2,4 (0,6) 2,4 (0,6)
Алюмошлак (АШ) - 8 (2) 8 (2)
Вода (В, мл) 100 102 102
Водотвердое отношение (В/Т) 0,25 0,25 0,25
Прочность (Я.ик, МПа) 44 55 53
Строительство и архитектура
Таблица 4
Химический состав отработанного горелого песка
Формовочный горелый песок Норма Фактически
Определение массовой доли сульфидной серы, % Не более 0,05 0,046
Определение массовой доли диоксида кремния, % Не менее 99,0 99,44
Определение массовой доли оксида железа, % Не более 0,20 (очень низкое) 0,04
Потери массы при прокаливании, % Не более 0,2 (низкие) 0,14
Определение массовой доли влаги, % Не более 0,5 (сухое) 0,01
рН Свыше 7 (щелочные) 7,35
Таблица 5 Гранулометрический (зерновой) состав отработанного горелого песка
Размер отверстий сит, мм Частные остатки,% Полные остатки, %
2,5 0,0 0,0
1,25 0,04 0,04
0,63 0,28 0,32
0,315 71,51 71,89
0,16 26,77 98,66
<0,16 1,34 100
Таблица 6 Физико-механические показатели отработанного горелого песка
№ п/п Наименование показателей Ед. изм. Результаты
1 Насыпная плотность кг/м3 1294,1
2 Влажность % 0,1
3 Содержание пылевидно-глинистых частиц % 5,7
4 Содержание глины в комках % 0
5 Модуль крупности % 1,71
Исследованный материал — отработанный горелый песок (участок недр «Водоток», Краснодонский район, ЛНР) — относится к I классу использования по радиационному фактору согласно ГГН 6.6.1.-6.5.001-98 «Нормы радиационной безопасности Украины» и ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов».
Класс использования продукции отработанного горелого песка определялся с использованием метода гамма-спектрометрии, с помощью спектометрической установки МКС-01А «МУЛЬТИрАд» (зав. № 1630), представленной на рисунке 3 [8].
Результаты измерений представленной пробы ОГП приведены в таблице 7.
Погрешность определения 5 = ±10 %, удельная эффективная активность составила Аэфф.т. = 8,98±4,04.
Рисунок 3 Спектометрическая установка МКС-01А «МУЛЬТИРАД» (зав. № 1630)
Таблица 7 Результаты испытаний по определению удельной эффективной активности естественных радионуклидов в строительных материалах
№ навески Удельная активность БК/кг
Ra Th K
25/2 4,25±2,33 1,44±2,59 24,8±21,0
26/2 4,82±2,33 0,75±1,83 8,90±20,4
27/2 8,30±2,83 1,28±1,98 10,8±23,1
28/2 7,42±2,43 1,69±1,75 24,8±22,3
29/2 4,82±2,38 1,48±1,97 9,30±22,6
Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. В результате исследований определены исходные характеристики техногенных отходов алюмошлака и отработанного горелого песка, а именно: химический состав, гранулометрический состав.
2. Исследуемый материал — отработанный горелый песок — относится к I классу использования по радиационному фактору и может использоваться для всех видов строительства без ограничений.
3. Использование техногенных отходов алюмошлака и отработанного горелого
Библиографический список
песка при производстве строительных материалов позволит улучшить экологическую обстановку региона и снизить нагрузку на окружающую среду.
Результаты полученных исследований подтверждают возможность использования техногенных отходов при производстве композиционных материалов на основе портландцемента. Использование комплексной добавки алюмошлака и отработанного горелого песка позволит получить эффективные быстротвердеющие тяжелые цементные бетоны для ремонтно-восстановительных работ.
1. Дрозд, Г. Я. Экологическая безопасность Донбасса [Текст] : учебное пособие / Г. Я. Дрозд. — Луганск : Ноулидж, 2021. — 438 с.
2. Карпова, Н. Ю. Оценка использования алюмосодержащих отходов в производстве строительных материалов [Текст] / Н. Ю. Карпова, А. В. Шаманова, Г. М. Батракова // Вестник ПНИПУ. — 2016. — № 3. — С. 49-61.
3. Тужилин, А. С. Физико-химические и технологические исследования комплексной переработки алюминийсодержащих отходов: стружки, шлака, гидроксидного осадка [Текст] : автореф. ... дис. канд. техн. наук : 05.16.02 / Тужилин Алексей Сергеевич ; Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН. — М. : Интерконтакт Наука, 2012. — 21 с.
4. Степанов, С. В. Комплексный ускоритель твердения цементных бетонов на основе гальванического алюмошлама [Текст] : автореф. ... дис. канд. техн. наук : 05.23.05 / Степанов Сергей Викторович ; Казанский государственный архитектурно-строительный университет. — Казань : ПМО КГАСУ, 2012. — 20 с.
5. Волочко, А. Использование отходов переработки алюминиевых сплавов (стружка, шлаки) в производстве [Электронный ресурс] / А. Волочков, И. Белов // Архитектурно-строительный портал. — Режим доступа: https://ais.by/story/743.
6. Шалевская, И. А. Исследование возможности утилизации отходов формовочных смесей [Текст] / И. А. Шалевская, Ю. И. Гутько // Вестник Донбасской государственной машиностроительной академии : сборник научных трудов. — Краматорск : Изд-во ДГМА, 2011. — С. 169-173.
7. Лахтарина, С. В. Легкие высокопрочные бетоны с повышенным коэффициентом конструктивного качества [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.05 / Лахтарина Сергей Викторович ; Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. — Макеевка, 2016. — 163 с.
8. ТЦ Поиск [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://tcpoisk.ru/catalog/radiation-control/catalog/1539-spektrometricheskij-kompleks-mul-tirad-s-po-progress.
© Сороканич С. В.
© Парамонова А. В.
Рекомендована к печати к.т.н., доц., зав. каф. ПС ДонГТИ Псюком В. В.,
к.т.н., доц. каф. ПСОЛГАУ СкотаренкоВ. В.
Статья поступила в редакцию 29.09.2022.
PhD in Engineering Sorokanich S. V., Paramonova A. V. (IBA and HCS of LSU named after V. Dahl, Lugansk, LPR, stas.sorokanich.82@mail.ru, anastasia2405@inbox.ru) CHARACTERISTICS OF TECHNOGENIC WASTE (ALUMINUM SLAG AND SPENT BURNT SAND) FOR THE PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON PORTLAND CEMENT
In this article, the characteristics of technogenic waste of aluminum slag (AS) and spent burnt sand (SPS) are studied, namely: chemical composition, granulometric composition, radioactivity. Key words: technogenic waste, aluminum slag, spent molding mixtures, spent burnt sands.
