Горнодобывающее и горно-перерабатывающее производство ввиду специфичности технологических процессов, включающих многократное дробление и измельчение, сопровождаются образованием огромного количества промышленных отходов. Горнопромышленные отходы, размещаемые в специальных отвалах и хвостохранилищах, занимают довольно большие площади хозяйственных земель и ухудшают экологическую обстановку региона. Запасы природных ресурсов ограничены и не возобновляемы, в связи с чем все большее внимание обращают на вторичную переработку горнопромышленных отходов, которые могут служить потенциальным источником пополнения минерально-сырьевой базы.
Следовательно, вопрос вовлечения в переработку техногенных образований, скопленных в месторождениях полезных ископаемых и хвостохранилищах является аткуальной проблемой. Решение этой проблемы требует проведения комплексных исследований по научному обоснованию стратегии их комплексного освоения для нужд народного хозяйства. Вопросы разработки безотходной технологии добычи и переработки природного камня рассмотрены в работах [1–5], где приводятся различные варианты технических решений по утилизации горнопромышленных отходов.
Как показывает опыт эксплуатации карьера «Сары-Таш» (Кыргызстан), являющегося одним из крупнейших в мире месторождений известняка-ракушечника, выход товарных блоков составляет 62 % от объема добываемой горной массы. Добываемые товарные блоки далее поступают в камнеобрабатывающий завод, где в результате распиловки, окантовки, сортировки и транспортировки снова появляются промышленные отходы различных размеров. В совокупности, как показали результаты хронометражных наблюдений, объемы отходообразования, в зависимости от типа применяемого технологического оборудования, достигают от до 59 до 68 % от объема исходной добываемой горной массы. В настоящее время только малая часть отходов (до 10 %) подвергается утилизации. Если учесть, что первоначальные балансовые запасы месторождения составляли 14 млн м3, то нетрудно подсчитать, что при среднерыночной цене товарных блоков, равной 180 $, потери сырья приводят к многомиллионному экономическому ущербу.
В настоящей работе поставлена задача по оценке перспектив комплексного освоения горнопромышленных отходов, расположенных в карьерах и камнеобрабатывающих заводах Кыргызской республики. Конечной целью работ является разработка наукоемких технологий по переработке горнопромышленных отходов на высокодекоративные архитектурно-строительные изделия.
Материалы и методы исследования
С целью обоснования рациональных параметров технологического процесса изготовления строительных изделий проводились опытно-промышленные работы с отходами известняка-ракушечника месторождения «Сары-Таш». Для этих целей из промышленной площадки камнеобрабатывающего завода «АО Ош-Ак-Таш» осуществлен отбор технологических проб общим весом 800 кг. Отобранные пробы изучались на предмет пригодности в качестве сырьевого источника для производства ячеистого камнебетона согласно требованиям ГОСТ 6133-99 «Камни бетонные стеновые. Технические условия» [6].
Для изучения пригодности отходов распиловки известняка-ракушечника в качестве стенового материала методом механопрессования изготавливались кубики размером 7х7 см. В качестве вяжущего в первом варианте использован белый портландцемент производства АО «Шуровский» марки 1-ДО 500, во втором варианте цемент марки 500 «Хуаксин» (Таджикстан). Изготовленные кубики после набора прочности в течение 28 суток отправлялись в лабораторию ЮРУ «Стройстандарт» (Республиканский Центр стандартизации и сертификации в строительстве) для определения физико-механических свойств.
В целях промышленной апробации технологии производства ячеистого камнебетона из отходов камнепиления проводились опытно-промышленные работы в следующем порядке. В смеситель-активатор АСМ-1 (производство АО «Алтай Строймаш», г. Барнаул) заливали предварительно нагретую воду в объеме 55–60 л (50–80 °С), после заливки воды включали смеситель. Затем засыпали цемент марки 500 или 500Д20. Добавляли каустическую соду и сульфат натрия (он же натрий сернокислый). Далее вводили в раствор шлам известняка-ракушечника (фракции 0,1–2 мм). Перемешивали все вышеперечисленные компоненты в течение 3–5 минут. Затем добавляли заранее приготовленную пудру алюминиевую с массой m = 118 г, перемешивали с раствором в течении 1 минуты.
Затем смеситель подкатывали к металлической форме и сливали раствор. Фиксировалось время застывания раствора и когда структура ячейки принимала твердое состояние, бетон разрезали на блоки с размерами 600х300х200 мм.
Результаты исследования и их обсуждение
Изучение физико-механических свойств отходов распиловки известняка-ракушечника показало их пригодность для использования в строительных целях (табл. 1). Материал не пожароопасен и не токсичен.
Таблица 1
Основные физико-механические характеристики отходов известняка-ракушечника
|
№ п/п |
Наименование показателей |
Значения |
|
1 |
Степень твердости по Моосу |
5–6 |
|
2 |
Максимальный размер зерна, мм |
до 5 мм |
|
3 |
Зерновой состав (распределение) |
менее 1 мм = 32 %; d = 1 мм – 51 %; d = 2 мм – 6 %; d = 3 мм – 2,5 %; d = 4 мм – 2,5 %; d = 5 мм – до 6 % |
|
4 |
Удельная поверхность, см2/г |
1900 |
|
5 |
Удельный вес в естественном состоянии, г/см3 |
1,4 |
|
6 |
Удельный вес в сухом состоянии, г/см3 |
1,2 |
|
7 |
Влажность, % |
3 % |
|
8 |
Радиоактивность , мкрР/час |
13 |
|
9 |
Усредненный химический состав |
По результатам проведенных опытов разработана и апробирована в лабораторных условиях технология получения стеновых материалов из мелкодисперсных отходов известняка-ракушечника механохимическим методом. Перед испытаниями отобранные пробы шлама подвергались к отмучиванию по стандартной методике.
Проведенные в лаборатории ЮРУ «Стройстандарт» испытания показали что, камнебетон, изготовленный из шлама распиловки известняка-ракушечника, соответствует требованиям действующих стандартов и характеризуется достаточной прочностью и морозостойкостью в климатических условиях южного региона (табл. 2).
Таблица 2
Результаты испытаний образцов камнебетонного блока из шлама известняка-ракушечника (вяжущее – портландцемент марки 500)
|
№ п/п |
Технологические параметры изготовления |
Геометрические размеры образца, см |
Усилие разрыва, кН |
Плотность, г/см3 |
Предел прочности к сжатию, кгс/см2 |
|||
|
% содержание цемента |
Давление прессования, кгс |
X |
Y |
Z |
F |
ρ |
σ сж. |
|
|
1 |
10 10 15 15 |
15 25 15 25 |
0,71 |
0,73 |
0,75 |
14,3 |
1,62 |
275,9 |
|
2 |
0,76 |
0,71 |
0,75 |
14,6 |
1,74 |
266,5 |
||
|
3 |
0,74 |
0,72 |
0,74 |
19,5 |
1,76 |
353,2 |
||
|
4 |
0,74 |
0,70 |
0,74 |
27,6 |
1,77 |
527,8 |
||
Согласно результатам испытаний, предел прочности кубиков, изготовленных из отходов распиловки известняка-ракушечника в зависимости от процентного соотношения и марки портландцемента, давления прессования составляет от 275,9 до 527,80 кгс/см2. Морозостойкость-МРЗ50. Наиболее оптимальной с точки зрения обеспечения прочности является добавка портландцемента в количестве не менее 15 % по массе.
Исходя из результатов лабораторных испытаний разработана оптимальная рецептура изготовления камнебетона на 1 м3 камнебетона разной плотности (табл. 3).
Таблица 3
Оптимальная рецептура изготовления камнебетона
|
D700 |
D 600 |
D 500 |
|
|
Цемент, кг |
312 |
318 |
286 |
|
Шлам известняка-ракушечника, кг |
403 |
312 |
234 |
|
Вода, л |
264 |
256 |
208 |
|
Al, грамм |
544 |
544 |
544 |
|
Сульфат натрия, кг |
4,6 |
4,6 |
4,6 |
|
Кауст. сода, кг |
3 |
3 |
3 |
Наибольшая декоративная эффективность достигнута при использовании Щуровского цемента марки 1-ДО 500, при этом структура ячеистого бетона была идентична структуре натурального камня (рисунок, а). Строительный кирпич, изготовленный методом компрессионного прессования с применением в качестве вяжущего гипса, имел прочность 25–40 МПа и характеризуется привлекательным внешним видом (рисунок, б).
а) б)
Опытные образцы строительных изделий, изготовленных из отходов распиловки известняка-ракушечника месторождения Сары-Таш: а) ячеистый камнебетон с размерами 60х30х20 см, б) строительный кирпич с размерами 25х12,5х8
Сравнение технико-экономических показателей широко распространенных в современной рыночной конъюктуре стеновых камней показывает, что камнебетон, изготовленный из шлама распиловки известняка-ракушечника, являетя конкурентоспособным материалом и не уступает аналогам по своим строительно-техническим качествам (табл. 4).
Таблица 4
Сравнительные технико-экономические показатели легких конструкционных материалов (ячеистый бетон)
|
Наименование параметра |
Камнебетон из отходов известняка-ракушечника |
Газобетон |
Пенобетон |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м.С0) |
0,1–0,12 |
0,1–0,14 |
0,09–0,38 |
|
Объемный вес (плотность), кг/м3 |
400–900 |
400–800 |
400–1200 |
|
Марка по плотности |
D400...700 |
D400...700 |
D400…800, D1000…1200 |
|
Класс прочности бетона на сжатие |
Класс В2.5 при D400 |
Класс В2.5 при D500 |
Класс В2.5 при D750 |
|
Паронепроницаемость, мг/мчПа |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
|
Водопоглощение, % от массы |
18–20 |
20–25 |
10–16 |
|
Морозостойкость, не менее |
50 |
50 циклов |
25 циклов |
|
Кладка... /толщина кладочного шва, мм |
На клей, раствор/ 3–5 мм |
Только на клей/2–3 мм |
На клей, раствор/10 мм |
|
Средняя усадка готовой кладки, м/м |
0,2–0,3 |
0,3 |
2–3 |
|
Возможность армирования кладки |
да |
да |
нет |
|
Средняя толщина однослойной стены, м |
0,4 |
0,63 |
|
|
Звукоизоляция |
средн. |
хуже |
лучше |
|
Внешний вид |
декоратив. |
средне декоратив. |
недекоратив. |
|
Средняя стоимость |
3500,0 |
4000,0 |
2800 |
Опытно-экспериментальными работами доказано, что из шлама камнераспиловки можно получать стеновые камни маркой не ниже М50 (ГОСТ 6133-99 «Камни бетонные стеновые»). Полученные блоки рекомендуются для строительства стен малоэтажных зданий, а также в качестве теплоизоляционного материала в больших многоэтажных домах.
Камнебетонные блоки, получаемые из малодисперсных отходов известняка-ракушечника, характеризуются более низким удельным весом, повышенной прочностью и водостойкостью по сравнению с натуральным камнем. Но большой расход портландцемента приводит к повышению себестоимости полученных изделий. В связи с этим в качестве альтернативного вида вяжущего рассматриваются гидравлическое вяжущее и роман-цемент, которые могут быть получены из известняка-ракушечника, то есть из тех же отходов.
Заключение
В процессе опытно-экспериментальных работ по апробации технологической схемы переработки мелкодисперсных отходов камня выявлена необходимость предварительной механохимической активации исходного сырья. В качестве механоактиватора использована усовершенствованная конструкция смесителя АСМ-1, оснащенная винтом-активатором. Предложен новый состав (рецептура) для изготовления стеновых камней из техногенного сырья – мелкодисперсных отходов известняка-ракушечника, с заданным комплексом строительно-технических и эксплуатационных свойств для строительства малоэтажных зданий.
Получены опытные образцы строительных изделий для кладки стен, характеризующиеся легкостью и удобством кладки при равных прочностных характеристиках.