Содержание к диссертации
Введение
1. Научно-технические предпосылки производства облицовочного керамического кирпича с использованием тонкодисперсных отходов мрамора ... 10
1.1. Существующие методики экологической оценки строительных материалов и изделий 12
1.2. Объёмы промышленных отходов при изготовлении и обработке мраморных изделий. 19
1.3. Отходы различных производств для изготовления керамического кирпича 21
1.4. Существующие способы производства керамического кирпича и отходы, образующиеся при производстве керамических изделий 25
1.5. Стандартные методики исследований свойств изделий строительной керамики 30
1.5.1. Химический и микроструктурный анализ 30
1.5.2. Методика рентгенофазового анализа 31
1.5.3. Определение основных свойств 31
1.5.4. Изготовление образцов 33
1.6. Выводы по главе 1.Научная гипотеза 36
2. Использование тонкодисперсных отходов мрамора в технологии производства облицовочного керамического кирпича 38
2.1. Формовочная смесь и компоненты состава для изготовления облицовочного керамического кирпича с применением тонкодисперсных отходов мрамора 38
2.2. Оборудование для исследования структуры и свойств облицовочного керамического кирпича с применением тонкодисперсных отходов мрамора .. 46
2.3. Использование отходов для окрашивания керамического черепка 50
2.4. Оптимизация состава керамической шихты с учётом экологической оценки 54
2.5. Анализ технологии производства для экологической оценки 59
2.6. Жизненный цикл облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания 64
2.7. Выводы по главе 2 69
3. Структура, свойства и экологическая оценка облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания 71
3.1. Изучение микроструктуры рентгенофазовый и химический анализы 71
3.2. Свойства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашива 83 ния оптимизированного состава
3.3. Экологическая оценка с точки зрения жизненного цикла облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания 88
3.4. Выводы по главе 3.. 92
4. Технический экономический экологический эффект применения тонкодисперсных отходов мрамора в производстве облицовочного керамического кирпича 93
4.1. Технико-экономический эффект 93
4.2. Экологический эффект 95
4.3. Внедрение 97
4 4.4. Выводы по главе 4 102
Основные выводы и результаты 103
Библиографический список 105
- Отходы различных производств для изготовления керамического кирпича
- Химический и микроструктурный анализ
- Оборудование для исследования структуры и свойств облицовочного керамического кирпича с применением тонкодисперсных отходов мрамора
- Экологический эффект
Отходы различных производств для изготовления керамического кирпича
Процессы добычи, переработки мрамора сопровождаются образованием отходов, составляющих до 33 % от первоначальной массы добываемого сырья. Все они представляют собой «техногенные объекты». Полезное использование техногенных отходов, как минерального сырья, может способствовать получению дополнительной номенклатуры строительных материалов, так и высвобождению земель, занятых под хранение таких отходов, уменьшению факторов их влияния на окружающую среду и здоровье человека. Применение техногенных отходов будет способствовать улучшению экологической ситуации вследствие сокращения поступления в окружающую среду компонентов содержащихся в отходах[1-6].
Техногенное воздействие на окружающую среду отходов переработки горных пород в первую очередь связано с увеличением дисперсности горной породы в результате разработки и механической обработки породы и представлено в виде тонкодисперсных и крупнодисперсных частиц. Большим недостатком хранения отходов в отвалах является наличие минеральной пыли, которая обладает химической активностью и подвижностью в природных потоках. Таким образом, встаёт вопрос о сокращении таких видов отходов. Перспективным направлением является использование таких отходов при производстве строительных материалов.
Также на данный момент сбережение энергии и ресурсов в строительстве имеет в первую очередь экологическое и экономическое значение во многих странах мира. При этом большую роль играет экологическая составляющая. С каждым годом количество техногенных отходов производства мрамора растёт. Данные отходы представлены некондиционными плитами (браком), продуктами дробления, пиления и абразивной обработки в виде шлама. Эти отходы являются мало востребованными, таким образом они складируются в отвалах, на свалках занимая большие площади.
Из вышесказанного следует, что стоит чрезвычайно острая проблема необходимости использования накопленных и текущих отходов для снижения нагрузок на окружающую среду. Широкое распространение изучение проблемы использования отходов представлены в работах [7-18]. Данные работы посвящены проблемам отходов на территории Урала, так как там сосредоточено большое количество производств связанных с большим количеством складируемых отходов в отвалах и на свалках. 1.1. Существующие методики экологической оценки строительных материалов и изделий
В настоящее время экологические оценки строительных материалов и изделий строятся на рациональном выборе сырья для их производства с точки зрения экологической безопасности для окружающей среды и человека. В основе все методики экологической оценки строятся на основных понятиях – жизненный цикл материала, классификация материалов согласно требованиям по защите окружающей среды, экологически целесообразный выбор строительных материалов. Принятая всемирная концепция «Устойчивого развития» определена в международных стандартах серии ИСО (ISO) 14000 «Система управления качеством окружающей среды» и, в частности, стандартами ИСО 14040 – 14044, ориентированными на экологическое качество продукции.
Основной акцент делается на решение основных, глобальных экологических проблем – ресурсосбережение и предотвращение загрязнения окружающей среды на производствах строительных материалов и изделий, а также при строительстве. Приоритетными являются задачи эколого-материаловедческие, позволяющие обеспечить выбор техногенных отходов производства строительных материалов для производства более экологически чистых и безопасных строительных материалов.
Методические подходы к экологической оценке строительных материалов и изделий, согласно стандартов ИСО – 14000, в первую очередь подразумевают анализ, связанный с нагрузками, оказываемыми на окружающую среду по жизненному циклу материала.
При данном подходе в первую очередь учитывается влияние процессов, начиная с добычи сырья для изготовления, до уничтожения, захоронения или повторного использования для изготовления новых строительных материалов и изделий. Этот подход позволяет оценивать строительные материалы и приводить к замыканию жизненного цикла, что является неоспоримо приоритетным вопросом в решении экологической задачи - сокращения количества отходов, тем самым позволяет придти к частичному решению проблемы ресурсосбережения.
Помимо оценки по жизненному циклу материала также оцениваются прямые, негативные, воздействия, такие как эмиссия вредных веществ, образование отходов и т.п., а также косвенные эффекты, к примеру, дефицит сырья, влияние на здоровье человека, ухудшение качества окружающей среды, нагрузки при перевозке материалов и т.д. Для обеспечения объективности результатов такого анализа рассматриваются взаимосвязанные параметры «свойства материала - качество среды».
Оценка экологических эффектов взаимодействия строительных материалов с окружающей средой базируется на комплексе независимых методов [14-17,20-25,27,29]: метод сопоставительного анализа (экспертный анализ). Он базируется на информации в научной и технической литературе, ее обобщении, анализе и логических выводах. Этот метод дает примерную оценку нагрузок на человека и окружающую среду и располагает представленные материалы в порядке экологической значимости, классифицирует по экологическим критериям. В результате разрабатываются рекомендации по оценке экологического выбора строительных материалов для потребителя; системный анализ (метод «черного ящика») заключается в анализе и математико-статистической оценке всех входящих и выходящих показателей. Используется для расчёта экологического баланса, воздействий материала на среду с оценкой будущих последствий, включающий метод графов. Он используется для решения сложных многокомпонентных одновременно экологических, социальных и экономических задач и позволяет оценить прямые и обратные связи -«качество строительства - качество среды; квалиметрический метод. Он применяется для оценки суммарного (общего) качества материала.
Химический и микроструктурный анализ
В современной научно-технической литературе приведены возможности получения облицовочных керамических кирпичей путем осветления черепка введением различных добавок. На заводах по производству облицовочных изделий на данный момент распространено применение железистых пигментов для получения необходимых цветов изделий. Применение железистых пигментов за собой влечёт удорожание продукции и несёт более высокую степень воздействия на окружающую среду.
В данной работе, за счёт размещения тонкодисперсных отходов обработки мрамора в формуемой и обжигаемой массе, позволяло изменять окрас обожженного черепка.
За основу объёмного окрашивания бралось исходное соотношение основных красящих оксидов входящих в состав исходного сырья. Исходя из таблицы 2.1, бралось отношение основных красящих оксидов в составе глинистого сырья
Fe2O3 [105-126], которое равно 9,4. Обожженные черепки глинистой породы обла-CaO дали насыщенным кирпичным цветом, который в дальнейшем брался за эталонный цвет. С введением в состав сырьевой шихты до 15% по массе тонкодисперсных отходов мрамора цвет обожженного черепка практически не менялся. С введением в состав сырьевой шихты 20 % по массе тонкодисперсных отходов обработки мрамора происходило изменение цвета обожженного черепка в сторону его затемнения, тем самым происходило «тонирование» черепка. Независимо от изменения температуры обжига от 850 0С до 1050 0С цвет черепка имел терракотовый – тёмно-коричневый цвет.
Уже при добавлении в сырьевую шихту по массе 30% тонкодисперсных отходов обработки мрамора, наблюдался эффект «отбеливания» черепка. Цвет обожжённого черепка приобретал светло-красный или розовый цвета. И с увеличением по массе тонкодисперсных отходов обработки мрамора в сырьевой шихте до 40% по массе, цвет обожженного черепка стремится к палевому или соломенному цвету.
Текстура обожжённых черепков с различным добавлением по массе в состав сырьевой шихты тонкодисперсных отходов обработки мрамора (35Х) где: а – черепок с добавлением 20 % отходов мрамора, б – черепок с добавлением 25 % отходов мрамора, в – черепок с добавлением 30 % отходов мрамора, г – черепок с добавлением 40 % отходов мрамора Полученные образцы обожжённых керамических черепков обладали различными оттенками окраса и имели следующие показатели отношения, Fe2O3
Применение тонкодисперсных отходов обработки мрамора позволяет получать облицовочные керамические изделия различной цветовой гаммы. В зависимости от состава исходного сырья возможен подбор оптимальных составов для получения облицовочных керамических кирпичей.
Размещение крупнотоннажных тонкодисперсных отходов обработки мрамора, которые относятся к 3 классу опасности, в производстве облицовочных керамических кирпичей влечёт за собой снижение нагрузок на окружающую среду ввиду получения конечного продукта 4 класса опасности, к которым относятся керамические изделия. Также возможно снижение площадей земли, выделяемое под отвалы для хранения тонкодисперсных отходов обработки мрамора. Оптимизация состава керамической шихты с учётом экологической оценки
Подбор состава формуемой смеси имеет своей целью определить расход материалов на 1 м3. Основными параметрами подбора составов формуемой смеси из глинистой породы, тонкодисперсных отходов мрамора и воды, для получения керамического кирпича объемного окрашивания являются:
Расчет состава формуемой смеси для получения керамического кирпича объемного окрашивания сводился к получению определенного цвета конечного продукта. Для решения данной задачи, в зависимости от цвета конечного продукта, необходимо добиться выполнения условия, отношение красящих оксидов
На применяемом в работе сырье, были установлены следующие зависимости для выполнения условия отношения красящих оксидов, а также было введено отношение расхода глинистой породы к расходу тонко дисперсных отходов мрамора — для упрощения получения оптимальных составов формуемой смеси, ко-торые представлены в таблице 2.7. Таблица 2.7 – Зависимость цвета изделий от содержания тонкодисперсных отхо дов мрамора, Г . М
При оптимизации состава было использовано двухфакторное математическое планирование в трех уровнях. Это необходимо для получения зависимостей свойств (функций цели) от расхода компонентов состава. Основными факторами, влияющими на приготовление формуемой смеси являются расходы минеральных компонентов. Таким образом, для выбранной модели математического планирования эксперимента выбраны факторы Х\ и х2. Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 2.10.
Правильность и адекватность всех полученных уравнений регрессии проверялась по критериям Фишера и Стьюдента. Средняя ошибка аппроксимации не превышала 4 %.
Анализ уравнений регрессии позволил оптимизировать состав облицовочного керамического кирпича с тонкодисперсными отходами мрамора. Эта оптимизация зависит от необходимого цвета. Для получения кирпича палевого или соломенного цвета, количество отходов равно 40 %. Для получения кирпича терракотового или тёмно-коричневого цвета, количество отходов мрамора составляет 20 %.
Было установлено, что с увеличением расхода отходов мрамора повышается прочность при сжатии, пластическая прочность, средняя плотность, снижается водопоглощение и количество керамической пыли в воздухе рабочей зоны. Количество воды в составе формуемой смеси ухудшает свойства облицовочного керамического кирпича на основе тонкодисперсных отходов мрамора. При совместном рассмотрении уравнений регрессии можно оптимизировать состав, например по прочности и средней плотности, и т.д. Более того, зная расход отходов мрамора и воды, которые берутся от количества глинистого сырья, можно получить оптимальный состав материала.
Оборудование для исследования структуры и свойств облицовочного керамического кирпича с применением тонкодисперсных отходов мрамора
При экологической оценке облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания с использованием тонкодисперсных отходов мрамора в основу была положена оценка по жизненному циклу строительных материалов.
Методика экологической оценки облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания с использованием тонкодисперсных отходов мрамора как строительного материала по его жизненному циклу проходит по: сравнению жизненного цикла облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания с использованием тонкодисперсных отходов мрамора с облицовочным керамическим кирпичом объёмного окрашивания полученного с использованием железистых пигментов; оценке негативных воздействий на окружающую среду при производстве изделий; экологической классификации и обоснованию выбора изделий для применения в строительстве.
Оценку жизненного цикла облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания с использованием тонкодисперсных отходов мрамора и облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания, полученного с использованием железистых пигментов можно провести по схеме, приведенной в таблице 2.11, которая основана на основных этапах жизненного цикла строительного материала.
Укрупнённая экологическая оценка облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания выполняется в баллах и проведена на сравнении существующей технологии и предлагаемой.
Экологическую оценку облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания на этапах добычи глинистой породы, транспортировки глинистой породы до места производства, обработки глинистой породы в соответствии с технологией производства, перемешивания глинистой породы с различными до 89 бавками, можно свести к укрупнённой оценке по сырьевым компонентам по следующим основным экологическим эффектам:
Из таблицы 3.3 можно сделать вывод, что использование тонкодисперсных отходов мрамора существенно снижает экологическую нагрузку на окружающую среду ввиду того, что отходы мрамора являются побочным продуктом обработки мраморной породы, следовательно на их производство энергия не затрачивается, а железистые пигменты являются трудными в производстве, что обусловлено высокими баллами в укрупнённой экологической оценке по сырьевым компонентам.
Основными источниками негативного воздействия на окружающую среду в технологии производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания являются следующие этапы жизненного цикла облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания, а именно: перемешивании глинистой породы с различными добавками, формовки сырца в соответствии с применяемой технологией производства, сушки сырца в специальных сушильных камерах, обжига высушенного сырца в печах и транспортировка готового изделия к потребителю.
Оценку по данным экологическим факторам можно свести к укрупнённой экологической оценки производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания. Укрупнённая экологическая оценка производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания представлена в таблице 3.4. Таблица 3.4 – Укрупнённая экологическая оценка производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания
Из таблицы 3.4 видно, что предлагаемая технология с применением тонкодисперсных отходов мрамора позволяет снизить экологическую нагрузку на окружающую среду благодаря снижению температуры обжига на 50 … 200 0С, а также позволяет снизить образование керамической пыли благодаря замещению части глинистой породы отходами мрамора. Снижение керамической пыли в воздухе рабочей зоны, таким образом, может снизиться до 2 раз.
Проанализировав таблицы 3.3 и 3.4 существующая технология оказывает негативное влияние в размере 50 баллов, а предлагаемая технология с применением тонкодисперсных отходов мрамора оказывает негативное воздействие в размере 30 баллов. Таким образом, возможно снижение негативного воздействия на окружающую среду технологии производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания путём применения тонкодисперсных отходов мрамора на 20 баллов, а также позволит снизить экологическую нагрузку на местах складирования отходов мрамора. 3.4. Выводы по главе 3
1. Методом микроструктурного анализа было установлено, что при обжиге образцов при температуре 850 … 900 0С частицы мрамора не подверглись декарбонизации. Методом рентгенофазового анализа определена зависимость изменения цвета обожженных образцов от концентрации основных красящих минералов в составе обожжённых черепков. Установлено, что получение тёмного цвета связано с увеличением количества и интенсивности пиков гематита, гётита и снижение количества кальцита и анортита, а приобретение палевого или соломенного цвета происходит благодаря увеличению концентрации кальцита и анортита.
2. Установлено, что с повышением количества тонкодисперсных отходов мрамора до 40 % в составе формуемой смеси происходит увеличение прочности черепка до 45 %, снижение средней плотности до 20 %. Установлено, что обожжённые изделия удовлетворяют требованиям ГОСТ 530-2012.
3. Разработана методика экологической оценки жизненного цикла облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания, включая использование тонкодисперсных отходов мрамора и технологию его производства. На основании экологической оценки строительных материалов по жизненному циклу сформулирована укрупнённая схема оценки жизненного цикла облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания, в которой установлены и определены основные экологические эффекты на всех этапах жизненного цикла облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания от добычи сырья, до уничтожения или повторного использования.
4. Разработана, сформулирована и проведена укрупнённая экологическая оценка облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания по основным этапам жизненного цикла. Установлено снижение экологической нагрузки при использовании тонкодисперсных отходов мрамора в технологии производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания до 20 баллов, а также снижение экологической нагрузки на местах хранения отходов.
Экологический эффект
В гарантиях изготовитель гарантирует соответствие изделий требованиям технических условий при соблюдении правил транспортирования и инструкции по хранению и кладке облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания с использованием тонкодисперсных отходов мрамора.
По результатам производственных испытаний ООО «Фрегат Строй» было проведено опытное применение облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания на основе тонкодисперсных отходов мрамора при производстве работ по облицовке частного жилого дома в г. Москва, поселение Рязановское, посёлок Ерино, СНТ «Десна».
Количество использованных изделий составило 6845 штук. Экономический эффект составил более 85000 руб., подтверждённые актом о внедрении облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания на основе отходов мрамора.
1. Проведена технико-экономическая оценка технологии производства облицовочного кирпича объёмного окрашивания с применением тонкодисперсных отходов мрамора. Обоснована экономическая эффективность путём сравнения предлагаемой технологии с действующей технологией по производству облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания. Выявлено снижение затрат на энергоносители до 12 % в связи со снижением температуры обжига до 200 0С. Определён экономический эффект от снижения себестоимости изделий на 68 % от базовой стоимости по сравнению с действующими технологиями производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания. Основным фактором снижения себестоимости является высокая стоимость железистых пигментов, которые обладают в 150 раз более высокой стоимостью по сравнению с отходами мрамора.
2. Проведена укрупнённая экономико-экологическая оценка использования тонкодисперсных отходов мрамора в технологии производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания. Установлен размер экологического ущерба, наносимого окружающей среде производством мраморных изделий. Он составляет 400 тысяч рублей в год. Экономически обосновано снижение негативных нагрузок на окружающую среду путём использования тонкодисперсных отходов мрамора в технологии производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания за счёт сокращения тоннажа отходов мрамора и площадей отвалов для хранения отходов.
3. Разработаны и внедрены технические условия «Керамический кирпич объёмно го окрашивания на основе тонкодисперсных отходов мрамора ТУ 5741-011 92661614-2014». Проведено опытно-промышленное внедрение облицовочного ке рамического кирпича с использованием тонкодисперсных отходов мрамора при облицовке жилого дома по адресу: г. Москва, поселение Рязановское, посёлок Ерино, СНТ «Десна». Экономический эффект составил более 85000 руб.
1. Установлено, что с применением тонкодисперсных отходов мрамора происходит увеличение прочности до 45 %, снижение средней плотности до 23 %, а образование керамической пыли в воздухе рабочей зоны уменьшается до 2 раз.
2. Установлено, что цвет изделий зависит от расхода тонкодисперсных отходов мрамора. Так, при дозировке тонкодисперсных отходов мрамора в количестве 20 % от массы глинистой породы облицовочный керамический кирпич объёмного окрашивания приобретает терракотовый или тёмно-коричневый цвет, а при 40 % -палевый или соломенный цвет. Установлены количественные зависимости химического состава глинистого сырья и отходов мрамора на эстетическую выразительность (цвет) и стоимость кирпича.
3. Установлены многофакторные зависимости пластической прочности сырца, средней плотности, прочности при сжатии, водопоглощения изделий, количества керамической пыли от расхода глинистого сырья, тонкодисперсных отходов мра мора при одинаковой влажности формуемой массы. Получены модели свойств облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания на основе тонко дисперсных отходов мрамора в виде уравнений регрессии, где установлено, что свойства зависят от количества отходов мрамора. С увеличением расхода отходов мрамора повышается прочность и снижается средняя плотность изделий.
4. Методами рентгенофазового, микроструктурного и химического анализов определено, что интенсивность кальцита в керамическом черепке снизилось на 10 ... 30 % с образованием плотных, водонерастворимых, прочных соединений, включающих глинозём, кремнезём, оксиды железа и кальция.
5. Теоретически обосновано снижение температуры обжига керамического сырца на 150 ... 200 оС за счёт введения в состав шихты тонкодисперсных отходов мрамора без снижения качества изделий.
6. Разработан и оптимизирован состав для получения облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания на основе тонкодисперсных отходов мрамора терракотового или тёмно-коричневого цвета 4 класса опасности, средней плотности 1790 кг/м3, прочности при сжатии 33 МПа, морозостойкости F100. В процессе производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания образуется 2 мг/м3 керамической пыли.
7. Экологически обосновано размещение тонкодисперсных отходов мрамора в технологии производства облицовочного керамического кирпича объёмного ок рашивания высокого качества при его изготовлении, что обеспечивает снижение техногенной нагрузки на окружающую среду за счёт освобождения земель, сни жения их объёма и тоннажа, уменьшения энергетических затрат. Установлено, что применение тонкодисперсных отходов мрамора в производстве облицовочно го керамического кирпича объёмного окрашивания позволяет снизить экологиче скую нагрузку на окружающую среду: например, при размещении отходов мра мора 3 класса опасности позволяет получить конечный продукт 4 класса опасно сти. 8. Разработана методика экологической оценки жизненного цикла облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания, включая использование тонкодисперсных отходов мрамора и технологию его производства. Установлено снижение экологической нагрузки при использовании тонкодисперсных отходов мрамора в технологии производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания до 20 баллов, а также снижение экологической нагрузки на местах хранения отходов.
9. Разработаны технические условия – «Керамический кирпич объёмного окрашивания на основе тонкодисперсных отходов мрамора ТУ 5741-011-92661614-2014», утверждённые ООО «Фрегат Строй». Изделия, разработанные по технологии производства облицовочного керамического кирпича объёмного окрашивания были применены при производстве работ по облицовке жилого дома по адресу: г. Москва, поселение Рязановское, посёлок Ерино, СНТ «Десна». Экономический эффект составил более 85000 руб.
