Комплексное использование минерального сырья в производстве стеновых изделий Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

40° С. На границе сред с различной температурой, с повышением ее, при безоблачном небе значение боковой рефракции увеличивается. Радикальных мер, исключающих действие боковой рефракции, не существует. Поэтому при определении смещения инженерных сооружений на земной поверхности необходимо устанавливать «опасные» направления. Для этого достаточно выполнить наблюдения в течение дня, чтобы получить необходимые сведения о ходе боковой рефракции по интересующему направлению.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Белугин Д. Л. Теория обработки результатов геодезических и астрономических измерений. - М.: Недра, 1984.

2. Зимин В. М. О сопоставлении результатов оценки точности угловых измерений триангуляции // Геодезия и картография. - 2002. - №8. - С.9-16.

Колманов Юрий Андреевич, кандидат технических паук, окончил Новосибирский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и

картографии, доцент кафедры «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет статьи и учебные методические указания в области инженерной геодезии.

УДК 691.42/43 : 666.97.03 С. В. МАКСИМОВ

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТЕНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Рассмотрены принципы направления и эффективность применения попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий с позиции рационального ресурсопользования.

Проблема охраны природы - одна из важнейших задач современного общества. Ее решение немыслимо без рационального использования минерального и органического сырья. Динамика производства минеральных строительных материалов позволяет прогнозировать выпуск их в России в 2000-2010 г. в объеме 6-8 млрд т. Для обеспечения такого объема производства строительных материалов необходимо добыть и переработать минеральное сырье в количестве 15-20 млрд т, что приведет к образованию 9,0 млрд. т отходов промышленности.

Рыбьевым И.А. рекомендуется оценивать про1рессивность технологий по степени использования научно-теоретических, технических достижений, разновидности сырьевых материалов, экономии топлива, решения экологических проблем.

На транспортирование минеральных

строительных материалов приходиться около 25% железнодорожных, 50% речных и более 60% автомобильных перевозок; в целом - более 30% суммарного количества грузов, перевозимых всеми видами транспорта.

Для производства строительных материалов сырьевой кладовой является земная кора, твердая минеральная масса которой без учета воды состоит из сравнительно небольшого числа оксидов, причем на долю семи главных оксидов приходится 97% (табл. 1).

Таблица 1 Содержание главнейших оксидов (1)

Оксиды В земной коре, % В продуктах производства, %

8Ю2 60,0 63

А12О3 15,0 12

Бе 20 6,0 9

з+БеО 6,0 8

СаО 2,5 -

М§0 4,0 5

N3 20 3,0 3

К2Ъ 3,5 -

Прочие

Значительную долю сырьевой базы строительной индустрии составляют породы, содержащие оксиды, СаО, N^0 и другие соединения, на основе которых производные обладают вяжущими свойствами.

Долгое время наличие вяжущих свойств у соединений кальция - силикатов, алюминатов и ферритов - рассматривалось как специфическая особенность, присущая только этим соединениям. В 1937 г. В. Ф. Журавлев высказал предположение, что вяжущие свойства проявляются периодически и присущи обширной группе элементов в соответствии с периодическим законом Д. И. Менделеева.

Кальций - элемент II группы периодической системы Д. И. Менделеева, где также находятся Ве, М§, Ъл, Бг, Сс1, Ва, по многим свойствам сходные с кальцием. Периодический закон дал возможность

Периодичность вяжущих свойств химических соединений

Ряд Оксиды элементов Оксид

II группы АЬОз ЭЮ, Ре,О, А* —* СьОз Мп203 ОсСЬ Эп02

2 ВеО 1 — - - - - -

3 М80 - - - - - - - - - -

4 СаО =4 4 4 4 4 4 н—ь 4 4 4 4 4 4

5 1пО - - — — — - - —

6 ЪтО 4- 4- 4 4 4 4 4 4 4 4

7 СсЮ - - - - - - - - -

8 ВаО 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 -Ь ч-

Примечание. Установленное (+ +) и предполагаемое (+) наличие вяжущих свойств, установленное (- -) и

предполагаемое (-) отсутствие вяжущих свойств.

предположить, что аналоги кальция будут образовывать соединения, подобные силикатам, алюминатам и ферритам кальция, которые должны обладать вяжущими свойствами. На основании экспериментальных исследований установлено, что способность гидратироваться и проявлять при этом вяжущие свойства присуща не только соединениям кальция, но и соединениям стронция и бария. У аналогичных соединений магния, цинка, кадмия вяжущие свойства не выявлены. В. Ф. Журавлев изучал также наличие вяжущих свойств у химических соединений типа клинкерных минералов, в которых оксиды 8Ю2, Бе203 заменены оксидами, более или менее близкими по свойствам: ОеО„ ТЮ2, Сг203, Мп203 и др. На основании полученных результатов и обобщения большого теоретического материала установлена закономерность в проявлении вяжущих свойств соединениями типа силикатов, алюминатов, ферритов (табл. 2), состоящая в том, что оксиды щелочно-земельных металлов образуют соединения с вяжущими свойствами, а соединения оксидов

металлов, расположенных в нечетких рядах

периодической таблицы, не обладают вяжущими

свойствами. Эта закономерность, которую можно назвать периодичностью проявления вяжущих свойств, связывает химию вяжущих материалов с периодическим законом Д. И. Менделеева и указывает пуги поиска новых соединений,

обладающих вяжущими свойствами.

Если элемент И группы расположить по возрастанию ионных радиусов, можно установить, что соединения приобретают вяжущие свойства при величине ионного радиуса больше 0,103 нм. Увеличение ионного радиуса приводит к изменению типа кристаллической решетки, что влияет на свойства соединения. Эта зависимость имеет общий характер и применима как к силикатам и алюминатам, так и к другим соединениям -ферритам, хроматам и т.д.

Развивая идеи В. Ф. Журавлева, Н. А. Мощанский отметил, что наличие вяжущих свойств определяется не только размерами ионов, но и также их зарядами, степенью поляризации и активности, координацией и геометрическими ^факторами. Он также сгруппировал по периодичности проявления вяжущих свойств алюминатов, силикатов, фосфатов и сульфатов.

Наличие вяжущих свойств изучено у соединений большого числа систем некоторых элементов II группы (Mg, Хп, Са, Бг, Сс1, Ва): титанатов, манганатов, станнатов, фосфатов, боратов. С. Д. Окороков установил, что германаты элементов II группы являются аналогами силикатов. Так же, как и соединения кремния, вяжущими свойствами обладают германаты элементов четных рядов периодической таблицы (Са, Бг, Ва), у германатов элементов нечетных рядов (Mg, 2п, Ва) вяжущие свойства отсутствуют.

О. П. Мчедлов-Петросян связывает вяжущие свойства с наличием искажений в координации центральных ионов. Согласно взглядам Н. А. Мощанского, вяжущие материалы характеризуются ограниченной скоростью растворения. Более полную картину природы вяжущих материалов на примере силикатов кальция дают работы Ю. М. Бутта и В. Е. Каушанского. Они считают одним из необходимых условий проявления вяжущих свойств кристаллохимическую особенность в строении решеток - наличие в их структуре изолированных кремнекислородных тетраэдров. Так, из силикатов СаБЮз (волластонит), СаБ^О? (ранкинит) и Са 28Ю4 (двухкальциевый силикат) вяжущими свойствами обладают лишь два последних. В структуре волластонита отмечено наличие бесконечной цепочки кремнекислородных тетраэдров с очень прочной

силаксановой связью и высокой степенью полимеризации. Основу структуры ранкинита составляет диогруппа (Б^О?)6, этот полимер с меньшей степенью полимеризации кремне-

кислородных тетраэдров, связь между которыми осуществляется посредством ионов кальция.

Доля использования оксидов в производстве бетонных и гипсобетонных изделий, полученных по тепловлажностной и гидротермальной обработке, существенно отличается. Более сложная гидротермальная технология, предусматривающая автоклавную обработку в герметичных камерах под давлением, позволяет значительно (на 1/3-1/2) снижать применение дефицитных кальций-

содержащих пород.

Производство керамических изделий не требует применения в своем производстве кальций-

содержащих пород, что создает ему особые преимущества.

Автоклав и керамические технологии получения строительных изделий в значительной степени могут быть сориентированы на применении попутных продуктов промышленности. Увеличение содержания кальцийсодержащих пород в попутных продуктах повышает эффективность их применения в автоклавной технологии.

Отметим, что более высокое содержание оксидов в продуктах производства по сравнению со средним составом земной коры объясняется технологической ролью, которую играют эти оксиды в промышленности. Исходя из условия, что толщина земной коры 16 км, осадочная свита составит около 5%, а на долю магматических пород придется 95%. Для промышленных целей используются только верхние слои земной коры - менее 2 км, что вносит существенные изменения в соотношение оксидов за счет повышения доли осадочных пород.

Рациональное использование минерального сырья включает два самостоятельных направления: е комплексное использование сырья путем

разработки новых, замкнутых технологических схем на проектируемых предприятиях с полным использованием всех попутных продуктов на основе современных достижений науки и техники;

® использование отходов промышленности,

накапливающихся в отвалах и представляющих собой техногенное сырье, переработка которого требует дополнительных средств.

Обычно технологический процесс организуется так, чтобы обеспечить получение основного продукта должного качества, на качество же попутного продукта не обращается внимания, его списывают, транспортируют в отвалы, куда одновременно направляют различные отбросы, что ведет к пестроте технических характеристик. Строительство и его материальная база -промышленность строительных материалов-являются наиболее материалоемкими отраслями,

размещенными повсеместно, что ставит их в особое положение при решении комплексного использования минерального и органического сырья.

Наиболее широкомасштабной областью

применения минеральных попутных продуктов

промышленности и отходов является производство вяжущих, пористых и плотных заполнителей для бетонов, керамических, стекольных, строительных материалов.

С позиции экологии приоритет принадлежит производственной деятельности общества (технология, транспорт, быт и т. п.), обеспечивающей больший выход продукции при меньших

безвозвратных потерях сырья, энергии и времени на единицу необходимого обществу продукта. Каждый из этих показателей имеет свой конкретный измеритель: сырье - тонны, килограммы; энергия -калории, джоули; время - минуты, часы. В качестве

экологической характеристики И. А. Рыбьевым предлагается ЭХТ:

технологии

масса продукта

ч^/А 1—---------------------Ь

полезны й расход

+

+

расход сырья фактический расход необходимое время , • фактическое время

Следовательно, экологическая характеристика технологии - ЭХТ складывается из фактического расхода сырья, энергии и времени на единицу продукции: степени использования природного сырья -выхода готовой продукции; материальных и энергетических потерь производства, длительности производственного процесса.

Каждое из слагаемых ЭХТ имеет свои особенности с позиции управления их количественным значением. Значение первого слагаемого - материалоемкость — определяется качественными характеристиками исходного сырья и зависит, главным образом, от содержания в нем и других газов, удаляемых в процессе производства, а также механическими потерями сырья и готового продукта (пыль, брак, отходы формовки и др ). Механические потери характеризуют уровень организации производства и в известной степени управляемы. Удаление газовой составляющей для конкретного сырья - величина постоянная, ее качественные характеристики существенно влияют на атмосферу. Поэтому при выборе исходного сырья предпочтение следует отдавать сырью, не содержащему газовой составляющей. Этому требованию удовлетворяет техногенное сырье: шлаки, золы, шламы и хвосты обогащения изверженных горных пород. Числитель второго слагаемого ЭХТ — величина постоянная и соответствует необходимым теоретическим энергетическим затратам, знаменатель характеризует уровень организации энергетического хозяйства конкретного завода. Третье слагаемое - время -характеризует общий уровень технической культуры производства, имеет также экономическое значение, поскольку сокращение времени способствует оборачиваемости денежных средств. Значение ЭХТ всегда меньше 3, но чем больше его значение, тем совершеннее технология, выше организация производства и меньше экологический ущерб природе. Из сказанного следует приоритетная значимость техногенного сырья, свободного от газовой составляющей, на получение которого уже израсходованы: сырье, энергия и время.

Для более полной экологической характеристики, кроме основных технико-экономических показателей, необходимо определять содержание радиоактивных, канцерогенных и других опасных для здоровья примесей в твердых, жидких попутных продуктах и выделяющихся в атмосферу газах. Содержание этих веществ ограничено международными нормами и правилами.

Направления комплексного использования минерального сырья в производстве стеновых изделий

Сырье, попутные продукты Материалы изделий Свойства материалов, технико-экономические показатели получения и применения

Энергоемкость Средняя плотность смеси заполнителей Теплопровод- ность Суммарные показатели использования, с учетом сопряженных отраслей

заполни- телей связующе- го

(1 м3)ГДж (1 м3)ГДж кг/м Вт/м*С (1м2)кг Уел.топлива

Осадочные породы, пески глины, карбонаты Искусственные заполнители, цемент 1,8-2,4 (100%) 1,4-2,0 (100%) 700- 1000 0,3 - 0,45 1400- 1700

/ \ Цемент, искусственные заполнители Искусственные заполнители, цемент, с добавками попутных продуктов 1,26-168 (70%) • 1,12-1,6 (80%) 600 - 900 0,3 - 0,45 1200-1400

Попутные продукты (шлаки, золы) Шлаки, золы, глины 0,54-0,72 (30%) 1800-2200 0,7-1,0 1800-2200

пЕ * Шлаковая пемза, пористый шлак, глрша Шлаковая пемза, пористый шлак, глина 0,63-0,84 (0,35%) 800- 1200 0,4-0,5 . 800- 1000

Вовлечение в производственные циклы отходов производства - важнейшая составляющая стратегии рационального ресурсопользования, направленной на обеспечение динамического развития и повышения эффективности производственных сил общества, защиты окружающей природной среды.

В таблице 3 - данные по эффективности комплексного использования минерального сырья в производстве стеновых изделий .

Анализ данных таблицы показывает, что применение попутных продуктов позволяет существенно снижать энергоемкости производств заполнителей и связующих, а полученные с их применением более эффективные материалы создают основу долговременного понижения суммарных энергозатрат использования изделий, изготовленных на их основе, с учетом сопряженных отраслей. Особенно эффективно изготавливать и эксплуатировать керамические изделия, в производстве которых применены неизмельченные шлаковая пемза и пористый шлак. В этом случае речь идет о новых технологиях производства крупноразмерных изделий. В рыночных условиях хозяйствования единственным стимулятором

применения вторичного сырья может служить экономическая заинтересованность как

индивидуального производителя, так

территориально-производственных комплексов в целом. Однако без сочетания интересов предприятий с интересами региона решение задач эффективного использования вторичного сырья в условиях хозяйственной самостоятельности территории представляется нереальным. Реальные условия безотходности производства могут быть созданы только в рамках достаточно крупных производственно-хозяйственных систем с многоотраслевой структурой при осуществлении глубокой межотраслевой кооперации в исследовании первичного сырья и отходов производства. При этом отходы одного производственного комплекса могут служить ценным и эффективным (по сравнению с первичным) сырьем для другого комплекса этого же региона.

Научно-технический прогресс (а через него все сферы производства) должен быть подчинен главному принципу - все перерабатывается, используется, нейтрализуется, возвращается в производственный процесс; за его пределы выходит только товарная продукция, пользующаяся спросом, а в природную среду выводится минимизированное количество нейтральной к ней материальной массы.

Проведенный анализ объемов образования вторичного сырья по машиностроительной отрасли показывает безусловную целесообразность их

вовлечения в производственный цикл и использования в качестве важного компонента сырьевой ресурсной базы строительного комплекса.

В результате вовлечения в производственные процессы вторичных ресурсов получаемый экономический эффект имеет дифференцированное значение. С одной стороны, предотвращается ущерб

окружающей среде А ЕЛ по 1-му виду отходов; с другой стороны, может быть получен прирост прибыли или дополнительной продукции в

результате мобилизации вторичных ресурсов ДР ,

т. е.

]Гэ = £( д/7+д/>).

Сопоставление затрат на сокращение объемов отходообразования и полученного от этого результата и соотнесение результирующей величины с заданным объемом дают в итоге экономический эффект по проводимой технической переориентации производства на мобилизацию отходов:

где 1-' - эколого-экономический эффект от

сокращения ущерба в окружающей природной среде при утилизации отходов; эколого-экономический эффект от сокращения ущерба в окружающей природной среде выражается величиной

предотвращенного ущерба АП , т. е. Р= АП ; Р -непосредственный результат (эффект) утилизации отходов; Ъ - затраты на мобилизацию (утилизацию) отходов; - количество утилизируемого отхода.

При этом эколого-экономический ущерб определяется как потерями природных ресурсов, обусловленных ухудшением состояния окружающей среды вследствие негативного влияния на него отходов производства, так и затратами на восстановительную и компенсационную

деятельность. Величина предотвращенного ущерба

АП 1 в результате утилизации г-го вида отходов равна разности между расчетным У] и остаточным ущербом У2.

АП =У1-У2

Наряду с попутными продуктами неиспользуемыми и неутилизируемыми являются отходы жизнедеятельности людей, величина которых

постоянно возрастает. Утилизация отходов

жизнедеятельности людей приобретает особое значение в крупных городах. Отмечается, что в Москве за год в виде отходов накапливается более 16 тыс.т пластмасс, 200 тыс.т металла, 12. тыс.т резинотехнических изделий, около 7 тыс.т текстиля. Крупной проблемой утилизации органических материалов является проблема, связанная с покрышками от автомобилей. Запасы данных изделий год от года постоянно увеличиваются, а проблема утилизации остается открытой. Наиболее реальным путем решения этой проблемы является

использование отслуживших свой срок резиновых покрышек в виде заполнителей в асфальтобетоне.

В связи с увеличением использования пенопластов в строительстве для теплоизоляции зданий появилась новая проблема: замена данных материалов после выхода их из строя. Эта проблема обусловлена тем, что через 15-20 лет эксплуатации свойства полимерных теплоизоляционных

материалов снижаются, они претерпевают

необратимые линейные и объемные изменения. Актуальность этой проблемы будет расти по мере увеличения их применения и приближения сроков потери эксплуатационных свойств. Вот почему

особенно важным является разработка теплоизоляционных конструкций, позволяющих найти замену отслужившим свой срок полимерным материалам.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Боженов П. И. Комплексное использование минерального сырья и экология: Учебное пособие. -М.: Издательство АСВ, 1994. - 264 с.

2. Максимов С. В. Стеновые изделия с применением попутных продуктов- Ульяновск: УлГТУ, 2002. - 204 с.

Максимов Сергей Валентинович, доктор

технических наук, окончил Ульяновский политехнический институт, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов.