Производственные отходы, как сырье для производства строительных материалов и конструкций

Согласно Программе по развитию строительной индустрии и производства строительных материалов в Республике Казахстан на 2010 - 2014 годы, одной из важных задач комплексного научно-технологического обеспечения развития промышленности строительных материалов и стройиндустрии является освоение энерго- и ресурсосберегающих производств конкурентоспособных строительных материалов [1].

Проблема осуществления строительства современных сооружений и зданий предъявляет растущие требования к существующим ранее строительным материалам. В настоящее время изменены требования к теплозащите зданий и сооружений, соответственно, резко возросла потребность в качественных, дешевых теплоизоляционных материалах и изделиях. Отмечено, что широкая номенклатура, созданная учеными и специалистами, эффективных материалов и выявленных технологических приемов, позволила в последние годы с использованием опытных, опытно-промышленных установок и стендов, а также в условиях промышленного производства отработать принципиально новые эффективные технологические схемы получения новых видов бетонов с широким диапазоном эксплуатационных характеристик за счет варьирования в широких пределах вида сырьевых материалов (вяжущих и заполнителей), разновидностей, способа и стадии введения химических модификаторов и активных минеральных добавок, оптимизации состава многокомпонентного бетона и целенаправленного управления технологией. Применение и совершенствование нового поколения бетонов, получивших в мировом научном сообществе название " High Performance Concrete", использование промышленных отходов, в которые уже заложены затраты труда, топлива, энергии – во многих случаях эффективный путь, обеспечивающий получение более дешевых материалов с заданными свойствами. Легкий бетон, применяемый для изготовления ограждающих монолитных конструкций, стеновых материалов, благодаря своей пористой структуре и, как следствие, меньшей теплопроводности, более всего востребован на современных стройплощадках. Перспективным для производства легких бетонов является керамзит. В то же время, несмотря на научные достижения в технологии керамзитового гравия плотностью 300 – 400 кг/м³ и конструкционно-теплоизоляционных керамзитобетонов плотностью до 800 кг/м³ из-за ограничений в сырьевой базе, не было широкого применения данного вида легких бетонов. Поэтому поиск путей для получения новых с использованием отходов промышленности и разработка соответствующей технологии получения легких бетонов является актуальной задачей.

Утилизация техногенных отходов для производства стройматериалов постепенно становится национальной проблемой. Растущие горы отходов засоряют среду обитания. Кроме того, недалек день, когда дефицит сырьевых ресурсов будет тормозить темпы строительства. При производстве строительных материалов и конструкций можно применять отходы металлургических производств, золы, торговое экономические зоны и многое другое. В цветной металлургии расходы на добычу руды составляют около 50% от всей стоимости затрат и около 60% трудовых затрат. На долю карьеров и шахт приходится 30-40% основных производственных фондов. Накопленные вскрышные и вмещающие породы рудных месторождений представлены скальными породами (более 90%), галечником (7, 9%), гравием, песком и глиной (1, 5-2%). По данным [1], в горном производстве утилизируется около 20% вскрышных и вмещающих пород, в том числе для засыпки карьеров и закладки вырабатываемого пространства на рудниках 14-16% и для производства строительных материалов 3-4%.

Отходы с повышенным содержанием кремнезема представляют интерес для стекольной промышленности. В свинцово-цинковой промышленности отходы обогащения с низким содержанием металлов используются для приготовления бетонной закладки, а также для производства различных строительных материалов.

Немагнитная фракция, в которой сосредоточена силикатная часть шлаков, может быть использована для производства шлаковых литых изделий, шлаковой ваты, дорожного асфальтобетона, портландцемента. Указанные шлаки содержат до 45% SiО₂, 15% CaO, обладают удовлетворительными литейными и кристаллизационными свойствами.

Наибольший выход отходов на предприятиях добывающей отрасли достигает до 5000 тонн руды на 1 тонну металла. До 100 тонн на 1 тонну металла поступает при обогащении рудного сырья, до 8 тонн отходов на 1 тонну металла – при получении металла. Применение отходов металлургических предприятий для производства строительных материалов отличается высокой эффективностью, способствует улучшению экологической ситуации [2-3]. В алюминиевой промышленности особенности технологии предусматривают количество разнообразных отходов: это шламы, содержащие оксиды окисления, демонтированная футеровка, пыль, шламы газоочистки и т.д. В настоящее время нефелиновый, алунитовый шламы нашли применение для производства цемента, силикатного кирпича, ячеистого бетона, строительства дорог, закладки шахтных выработок в качестве основного компонента, заменяющего цемент.

Использование вторичного сырья для производства силикатных и других строительных материалов связано с использованием всех технических возможностей переработки отходов различных отраслей промышленности, изучением их химического, минералогического, гранулометрического составов [4-5]. Изучение свойств некоторых отходов позволяет предполагать, что исследование свойств отходов, их регулирование, дальнейшее использование является актуальной задачей. К таким отходам можно отнести отходы добывающей, металлургической и нефтехимической промышленностей. Отходы промышленности занимают огромные территории, наносят значительный ущерб окружающей среде.

Из приведенных данных видно, что имеется тенденция увеличения нанесенного ущерба. Проблема использования отходов в данной отрасли связана также с пересмотром методики определения размеров ущерба окружающей среде и экономическим стимулированиям предприятий.

В то же время имеется тенденция к снижению использования отходов производства, что связано с увеличением объемов производства, так и снижением утилизации отходов. Основными видами отходов АО «Миттал Стил Темиртау» являются доменные и сталеплавильные шлаки, порода углеобогащения, отходы флотации угля, золошлак, отходы коксохимпроизводства, хромсодержащие отходы. В ЖГМК ТОО «Корпорация Казахмыс» основные виды отходов – вскрышные породы рудников, хвосты обогащения, золошлак. В ПО «БалхашЦветМет» ТОО «Корпорация Казахмыс» - шлак металлургический, кек автоклавного выщелачивания, золошлак, вскрышные породы рудников «Конырат» и «Саяк».

В настоящее время вскрышные породы используются в основном для отсыпки дамб хвостохранилищ, засыпки карьеров и оврагов, производства щебня, гравия и других строительных материалов. Они находят применение при строительстве автодорог. Отходы частично направляются на доизвлечение металла и используются для закладки выработанного пространства подземных рудников. Вскрышные породы и отходы от подземной добычи руды представляют собой как однокомпонентное, так и многокомпонентное сырье. Это предопределяет многообразие направлений их использования – производство щебня, изготовление бетонов, строительных растворов, применение при строительстве автодорог и укладке насыпи железнодорожных путей. Содержание кальциевых и силикатных составляющих способствует их использованию в силикатной промышленности [6-7]. В таблице 1 приведены составы некоторых отходов - породных отвалов Карагандинской области.

Как видно из таблицы, породные отвалы содержат компоненты, которые являются основными составляющими силикатных материалов и могут успешно использоваться в качестве вторичного сырья взамен силикатной и кальциевой составляющей в производстве цемента, силикатного кирпича, бетона и композиционных материалов. Для размещения производственных отходов на предприятиях имеются накопители отходов. На металлургических предприятиях - это накопители породных отвалов углеобогатительных фабрик, химические отвалы, отвалы доменных и сталеплавильных шлаков, золошламонакопитель, свалка ТБО, полигон токсичных отходов. Общее количество таких отходов только на АО «Миттал Стил Темиртау» составляет свыше 170, 0 млн. тонн.

Таблица 1 – Характеристика породных отвалов Карагандинской области

Общая площадь накопителей отходов 1470, 0га. Около 40% отходов (окалина, скрап, колошниковая и известковая пыль, шламовые отходы) указанным предприятием вовлекаются в производственные процессы. Бедные по содержанию меди (0, 27-0, 3) шлаки могут быть рекомендованы к непосредственному использованию в качестве строительного материала.

В результате замены традиционного сырья производственными отходами сокращаются капитальные и текущие затраты, экономятся трудовые ресурсы, топливо и электроэнергия.

Вовлечение отходов в производство, их утилизация способствует сокращению огромных площадей, занятых под хранилища, отвалы, улучшает состояние биосферы.

На предприятиях по добыче асбеста и производству асбестоцемента имеются многочисленные отходы, которые могут успешно использоваться при производстве строительных материалов [8].

Цементная промышленность использует большое количество отходов. Углеотходы не нашли широкого применения. Известен опыт использования отходов коксохимии в качестве компонента сырьевой смеси. Поскольку все углеотходы содержат углеродистую составляющую, то вероятно снижение топлива при выгорании. Промышленные отходы, такие как антрацит, шины, нефтешламы, битуминозное топливо могут повысить теплообмен при выгорании в зоне декарбонизации. Углеотходы, размолотые с известняком и введенные в сырьевую смесь обеспечивают снижение удельного топлива на 15 кг/т.

В бетонные смеси может также вводиться растворимое стекло. Воду и газово-поташные материалы применяют в воде 15%-ных растворов.

Изученность свойств некоторых отходов позволяет предполагать, что исследование свойств отходов неизученных отходов, их регулирование, дальнейшее использование является актуальной задачей. К таким отходам относятся сталеплавильные, ферросплавные шлаки, отходы алюминиевого производства, отходы асбеста и асбестоцемента, нефтешламов.