УДК 691.335:67.08

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕОПОЛИМЕРНОГО ВЯЖУЩЕГО НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ЩЕБНЯ ИЗ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Ерошкина Надежда Александровна1, Коровкин Марк Олимпиевич2, Полубаров Евгений Николаевич3
1ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., инженер-исследователь
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
3ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», магистрант

Аннотация
Рассмотрены различные аспекты экологической эффективности производства геополимерных вяжущих не основе отходов нерудной промышленности. Показано, что использование новой разновидности вяжущего на основе пылевидного отхода дробления гранитного щебня позволит снизить потребность в энергии для производства строительных материалов, уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу и сократить площади, занятые отвалами, или вовсе отказаться от складирования отходов.

Ключевые слова: геополимерное вяжущее, магматические горные породы, отходы добычи, экологическая эффективность


ENVIRONMENTAL EFFICIENCY OF PRODUCTION OF GEOPOLYMER BINDER BASED ON WASTE PRODUCTS OF IGNEOUS ROCKS

Eroshkina Nadezda Alexandrovna1, Korovkin Mark Olimpievich2, Polubarov Evgeny Nikolaevich3
1Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Engineer-researcher
2Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
3Penza State University of Architecture and Construction, Master student

Abstract
The paper studies a various aspects of the ecological efficiency of production of geopolymer binders based on waste non-metal industry. It is shown that the use of a new type of binder on the basis of dispersive waste crushing of granite coarse aggregate allows to reduce the energy demand for construction materials, carbon dioxide emissions into the atmosphere and to reduce the area occupied by waste dumps, or finally abandon the waste storage.

Keywords: environmental efficiency, geopolymer binder, igneous rocks, production waste


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Полубаров Е.Н. Экологическая эффективность получения геополимерного вяжущего на основе отходов производства щебня из магматических горных пород // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 5. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/05/53230 (дата обращения: 04.06.2017).

Для оценки экологической эффективности новых видов строительных материалов необходимо учитывать изменения, которые вызывает налаживание их промышленного производства в энергетическом балансе строительной индустрии и строительстве в целом. Кроме того, необходимо принимать в расчет потенциальное изменение минерально-сырьевой базы промышленности строительных материалов и возможности замены природных материалов на промышленные отходы.

В настоящее время на предприятиях России, добывающих каменные горные породы для производства щебня, накопилось более 6 млрд. тонн отходов камнедробления [1]. На каждую тонну кондиционного щебня в современной нерудной промышленности приходится 0,25…0,3 т отсевов камнедробления фракции 0–5 мм. Доля потребления их в производстве строительных материалов ничтожно мала. Использование этих отходов на рекультивацию также незначительно [1].

В современной технологии строительных материалов наименее востребована пылевидная фракция отсева дробления щебня. Этот материал может использоваться в качестве дисперсного наполнителя асфальтобетонов. Однако, кислые породы, к которым относится одна из наиболее распространенных горных пород, использующихся для производства щебня – гранит, имеют пониженную адгезию к битуму. В связи с этим при выборе каменной муки для применения ее в качестве дисперсного наполнителя предпочтение отдается карбонатным горным породам.

Перспективной областью использования дисперсных фракций отходов дробления щебня можно считать самоуплотняющиеся и близкие к ним по удобоукладываемости бетоны. Использование дисперсного наполнителя в рецептуре этих новых разновидностей строительных материалов является одним из ключевых элементов самоуплотняющегося бетона [2-4]. Однако, несмотря на преимущества новых видов бетона объемы их применения в строительстве невелики, а увеличение доли самоуплотняющихся бетонов в общем объеме производства бетона возможно только после создания промышленной базы технологии заполнителей нового поколения [5].

Исследованиями [6-8] установлено, что на основе магматических горных пород, измельченных до удельной поверхности 300…400 м2/кг, могут быть получены геополимерные вяжущие с прочностью 40…80 МПа. В качестве активатора твердения таких вяжущих используется низкомодульное жидкое стекло. Снижение модуля жидкого стекла до значений 1,3…1,5 за счет введения в его состав щелочи позволяет улучшить характеристики вяжущего: повысить прочность и темпы ее набора, снизить усадку и склонность вяжущего камня к образованию трещин под действием изменения его объема в процессе эксплуатации. Обязательным компонентом геополимерных вяжущих является добавка доменного гранулированного шлака в количестве 8…30 %, которая обеспечивает повышение прочностных характеристик и водостойкости вяжущего.

В технологии геополимерных вяжущих на основе магматических горных пород отсутствует обжиг сырья, что обеспечивает намного меньшую энергоемкость их производства в сравнении с портландцементом. Кроме того, низкая энергоемкость технологии вяжущих на основе пылеватых отходов дробления щебня основана на высокой дисперсности сырья, которое требует лишь незначительного домола.

В технологии геополимерных материалов отсутствуют энергоемкие операции, однако для активации твердения вяжущего используется растворимое стекло, получаемое в результате высокотемпературного синтеза. Затраты энергии на производство этого материала не являются прямыми энергозатратами в технологии геополимерных строительных материалов, так как растворимое стекло закупается у специализированных предприятий производящих его. Тем не менее для полной оценки снижения потребности в энергоресурсах необходимо учитывать затраты на производство активатора твердения.

Энергетическую составляющую экологической эффективности материалов, полученных с использованием геополимерного вяжущего, по сравнению с материалами на основе портландцемента подтверждают данные (см. таблицу) по расходу энергии, потребляющейся на их изготовление.

Таблица – Расход энергетических затрат при производстве 1 тонны геополимерного вяжущего марки 500

Технологические операции

Расход сырья на 1 тонну вяжущего

Потребность в энергии

Сырье

Потребность, тонны

кВт×ч/т

кВт×ч

ГДж

Помол в шаровой мельнице

Гранит

0,621

68

42,2

0,15

Шлак

0,196

120

23,5

0,08

Получение активатора

Жидкое стекло

0,163

2042

332,8

1,20

NaOH

0,02

3260

65,2

0,23

Итого:

1

5490

463,8

1,67

Статьи расхода энергии на получение жидкого стекла, гидроксида натрия, измельчение шлака и гранита принимались из литературных источников [6, 9, 10].

Согласно данным, приведенным в таблице, на производство 1 тонны геополимерного вяжущего на основе измельченного гранита затрачивается 463,8 кВт×ч энергии, при этом более половины этих затрат приходится на приготовление жидкого стекла.

По данным [9], при выработке 1 кВт×ч электроэнергии в окружающую среду выбрасывается примерно 0,61 кг углекислого газа. Значит, при производстве 1 тонны этого вяжущего в атмосферу выделяется 463,8×0,61=283 кг, или 0,283 тонны СO2, что незначительно превышает количество углекислого газа, образующегося при производстве геополимерного цемента по традиционной технологии [10], и примерно в 2-3 раза меньше, чем при получении портландцемента [9].

В центральной части России одним из основных поставщиков щебня для строи­тельства является ОАО «Павловскгранит» (Воронежская область), которое ежегодно производит порядка 15 млн тонн горных пород. По данным [1] на предприятии в настоящее время накоплено несколько десятков миллионов кубометров пылевидных фракций отсева дробления, что создает серьезные экологические проблемы.

По существующим нормативным документам (Инструктивно-методические указания по взиманию платы за загрязнение окружающей природной среды в ред. Приказа Госкомэкологии РФ от 15.02.2000, №77) размеры платы за размещение отходов в пределах установленных природопользователю лимитов определяются путем умножения количества отходов на коэффициенты ставок, учитывающих класс опасности отхода, уровень инфляции и уровень экологичности региона. Размер платы за размещение отходов рассчитывается по формуле

Потх = Кэкол × Мфакт × Нбаз × Кинф × Кпл,

где Потх

размер платы за отход (руб.);

Кэкол

коэффициент экологической ситуации в области

Кэкол =

2, (принят для Центрального района, в котором находится Воронежская область в соответствии с Постановлением Совета Министров РСФСР от 9.01.1991, № 13);

Мфакт

фактическое количество размещенного отхода, принимаем Мфакт=1000 тонн;

Кинф

коэффициент инфляции в зависимости от класса опасности отходов, Кинф =1,46 руб. (в ценах 2010 года) для отходов добычи нерудных полезных ископаемых 5-го класса опасности;

Кпл

коэффициент платы за размещение отходов, принимаем Кпл = 1, так как отходы вывозятся на свалку или складируются;

Нбаз

базовый норматив платы за 1 тонну (кубометр) отходов 5-го класса опасности, принимаем Нбаз=8 руб./тонн, так как отходы относятся к 5-му классу опасности.

Тогда размер платы за размещение на территории Воронежской области отходов, образуемых при добыче и переработке щебня, составляет:

Потх = 2×1000×8×1,46×1= 23360 руб./1000 тонн отходов.

Вовлечение в хозяйственный оборот многотоннажных отходов горных пород для получения геополимерных вяжущих позволит карьерам и горнообогатительным комбинатам сократить площади, занятые отвалами, или вовсе отказаться от складирования отходов.

Использование новой разновидности вяжущего на основе пылевидного отхода дробления гранитного щебня позволит снизить потребность в энергии для производства строительных материалов, уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу.


Библиографический список
  1. Макеев, А.И. Глубокая переработка отсевов дробления гранитного щебня для их комплексного использования в производстве строительных материалов / А.И. Макеев // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. – 2010. – Выпуск № 1 (17). – С.92-99.
  2. Оучи, М. Самоуплотняющиеся бетоны: разработка, применение и ключевые технологии // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: Тр. 1-й Всерос. конф. по бетону и железобетону. – М., 2001. – С. 209–215.
  3. Коровкин, М.О. Принципы создания и применения самоуплотняющегося бетона / М.О. Коровкин, М.Н. Замчалин, Н.А. Ерошкина // Молодой ученый. – 2015. – № 5 (85). – С. 165-168.
  4. Калашников, В.И. Сверхвысокопрочные фибробетоны с улучшенной дуктильностью / В.И. Калашников, В.М. Володин, М.Н. Мороз, О.В. Суздальцев, Г.П. Сехпосян // Новый университет. Серия: Технические науки. – 2014. – № 7-8 (29-30). – С. 48-51.
  5. Калашников, В.И. Промышленность нерудных строительных материалов и будущее бетонов / В.И. Калашников // Строительные материалы. – 2008. – № 3. – С. 20-23.
  6. Ерошкина, Н. А. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: монография / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 128 с.
  7. Ерошкина, Н.А. Влияние технологических параметров на свойства геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин // Региональная архитектура и строительство. – 2014. – № 3. – С. 47-51.
  8. Ерошкина, Н.А. Выбор модифицирующих добавок для геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин, Е.И. Тымчук // Современные научные исследования и инновации. – 2014. – № 11-1 (43). – С. 146-150.
  9. Carbon Dioxide Emissions from the Generation of Electric Power in the United States [Electronic resource]. URL: http://www.eia.gov/ cneaf/electricity/page/co2_report/co2emiss.pdf (дата обращения 20.03.2015)
  10. Davidovits, J. Geopolymer Cements to Minimize Carbon-Dioxide Green house-Warming // Ceramic Transactions: The American Ceramic Society. – 1993. – Vol.37. – Р.165–182.


Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: