Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса. цель и задачи исследования . 8
1.1. Опыт укрепления минеральных материалов и грунтов цементом с добавками других веществ
1.2. Нефтешламы и методы их утилизации 17
1.3. Цель и задачи исследования 31
Теоретические предпосылки исследования 32
2.1. Анализ моделей систем грунт - вяжущее 32
2.2. Особенности структурообразования в системе минеральный материал-нефтешлам-вяжущее 44
Выводы по 2 главе 51
Экспериментальные лабораторные исследования 53
3.1. Характеристика исходных материалов 53
3.2. Общая методика исследований 59
3.2.1. Математическое планирование эксперимента и обработка результатов испытаний 61
3.3. Проектирование составов смесей 64
3.4. Определение суммарной удельной эффективной активности стественных радионуклеидов в обработанных материалах 79
3.5. Определение кинетики твердения материала 80
3.6. Исследование влияния продолжительности технологических процессов на физико-механические свойства материала 84
3.7. Испытания обработанных материалов на морозостойкость 89
3.8. Определение модуля упругости 92
Выводы по 3 главе 97
Разработка технологии строительства оснований дорожных одежд из минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама и оценка экономической эффективности использования результатов исследований 98
4.1. Рекомендуемые способы применения минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама 98
4.2. Варианты конструктивных решений по дорожным основаниям из минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама 103
4.3. Опытно-производственное внедрение результатов исследования 106
4.3.1. Подготовка нефтяного шлама для утилизации 107
4.3.2. Технология приготовления смеси 111
4.3.3. Технология строительства основания из минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама 113
4.4. Оценка экономической эффективности использования результатов исследований 116
4.4.1. Оценка предотвращенного экологического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды шламовыми прудами 117
Выводы по 4 главе 122
Практические рекомедации по применению минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама, при строительстве автомобильных дорог 123
5.1. Общие положения 123
5.2. Конструктивные решения и расчетные характеристики обработанных материалов 124
5.3.Требования к материалам 127
5.4. Подготовительные работы 128
5.4.1. Определение состава и свойств нефтешламов 129
5.4.2. Проектирование состава смесей 130
5.5. Технология производства работ при устройстве оснований из минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама 131
5.5.1. Приготовление и транспортирование смеси 131
5.5.2. Устройство основания из минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешламов 132
5.5.3. Укладка смеси асфальтоукладчиком 134
5.5.4. Укладка смеси профилировщиком 136
5.5.5. Укладка смеси распределителем бетона 136
5.5.6. Укладка смеси автогрейдером 137
5.6. Уплотнение слоя катками 138
5.7. Уход за свежеуложенным слоем 140
Общие выводы 141
Литература
- Нефтешламы и методы их утилизации
- Математическое планирование эксперимента и обработка результатов испытаний
- Варианты конструктивных решений по дорожным основаниям из минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама
- Конструктивные решения и расчетные характеристики обработанных материалов
Введение к работе
Актуальность темы. Успешное решение экономических и социальных проблем тесно связано с необходимостью значительного увеличения объемов строительства автомобильных дорог. При этом предусмотрено широкое использование прогрессивных технологий сооружения дорог, эффективных нетрадиционных дорожных конструкций, местных материалов и побочных продуктов производства.
Исходя из экологических и экономических предпосылок в дорожном строительстве для обработки минеральных материалов дефицитные и относительно дорогие вяжущие используются в минимальных объемах, а основную часть материала составляют отходы и побочные продукты промышленности.
Во многих регионах России, в т.ч., в республике Татарстан, имеются значительные запасы низкопрочных минеральных материалов, которые после специальной обработки органическими и неорганическими вяжущими могут эффективно использоваться при строительстве оснований дорожных одежд на автомобильных дорогах III-V технической категории.
Основным минеральным вяжущим для обработки низкопрочных минеральных материалов на данный момент является относительно ценный портландцемент. Дня экономии цемента при устройстве слоев оснований дорожных одежд все чаще используют композиции с применением отходов нефтедобывающей, энергетической и других видов промышленности.
Побочные продукты и отходы разных отраслей народного хозяйства вводят в качестве добавок и реагентов, повышающих строительно-технические свойства обработанных материалов. Такие технологии строительства автомобильных дорог одновременно решают проблему утилизации отходов.
Перспективным представляется использование для этих условий отхода нефтедобывающей промышленности - нефтяного шлама. Масштабы образования нефтешлама достаточно велики: ежегодно в стране накапливается 600 тыс. т этого отхода, в настоящее время скопилось более 4.5 млн. т нефтешлама. Из всего объема реально утилизируется только 0.5 % образующегося нефтешлама.
На нефтяных промыслах Татарстана запасы нефтешлама продолжают увеличиваться. Так только, на 2004 г. объемы всех видов нефтесодержащих отходов составили 250 тыс. т., а ежегодный прирост - 25-50 тыс. т.
Основная масса отхода сбрасывается в пруды-накопители, занимающие большие территории, что исключает их из рационального землепользования и является источником значительного загрязнения окружающей среды. Анализ специальной литературы и опыт применения нефтешлама в дорожном строительстве показывает, что его использование при приготовлении дорожно-строительных материалов и в других строительных целях является достаточно эффективным с технической, экологической и экономической точки зрения.
В таких условиях разработка новых, перспективных способов
утилизации нефтешлама приобретает государственное и
народнохозяйственное значение и является актуальной задачей. Данная работа выполнялась в соответствии с «Программой развития и совершенствования дорожной сети в республике Татарстан до 2005года».
Цель работы. Исследование возможности применения минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама при строительстве оснований дорожных одежд.
Научная новизна работы состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении целесообразности использования добавки нефтешлама при обработке минеральных материалов цементом:
исследовано влияние добавок нефтешлама на свойства обработанных
материалов. Экспериментально установлено улучшение физико-
механических показателей обработанных материалов при оптимальных
дозировках нефтешлама в результате гидрофобизации и уплотнения
поровой структуры материала;
получены математические модели, позволяющие прогнозировать свойства
обработанных материалов, в зависимости от их состава.
Практическая значимость результатов исследования состоит:
в получении обработанных материалов с заданными физико-механическими показателями;
в разработке рекомендаций по технологии приготовления минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама и применению их для строительства оснований дорожных одежд;
в решении вопросов утилизации нефтешлама и улучшении экологической обстановки в районах добычи и переработки нефти при ликвидации нефтешламовых прудов;
в расширении области применения местных минеральных материалов и экономии цемента до 30%.
Реализация результатов исследований. Основные результаты одобрены Техническим советом Министерства транспорта и дорожного хозяйства Республики Татарстан от 18 ноября 2004года и рекомендованы для последующей разработки технико-экономического проекта технологических схем производства минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама.
Осуществлено строительство опытного участка автомобильной дороги с использованием в основании дорожной одежды исследуемого материала.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Казанской государственной архитектурно-строительной академии, Казань (2001-2005г.); на П и III Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», г. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева (2001, 2003г.); на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов, г.Йошкар-Ола (2004г.); на Всероссийском постоянно действующем научно-техническом семинаре «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф», г. Пенза, ПГУАС и ПДЗ (2004г.), на VI Международной научно-практической конференции «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии», г. Пенза, МНИЦ, (2004).
На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований строительно-технических свойств минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама и оптимизация их в соответствии с требованиями нормативных документов;
математические модели, позволяющие прогнозировать свойства обработанных материалов в зависимости от их состава;
практические рекомендации по технологии приготовления минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама и строительства оснований автомобильных дорог,
расчет экологического и экономического эффекта от применения минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама, для устройства оснований дорожных одежд.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников, из 154 страниц машинописного текста, 24 таблиц, 27 рисунков, 5 приложений.
Нефтешламы и методы их утилизации
Соотношение между нефтяным шламом или ловушечной нефтью, воздухом и водяным паром составляет 1:0,2-0,3:0,05-0,15. Перед распылением нефтяной шлам или ловушечную нефть возможно смешивать с водорастворимыми солями металлов переменной валентности в количестве 0,02-0,5 % по массе на активный металл. В качестве солей металлов переменной валентности используют водорастворимые соли железа, хрома, никеля, кобальта, вольфрама.
Производственное объединение «ЛУКОЙЛ- Волга» разработало ряд собственных технологий переработки нефтешламов[20]. Их основными направлениями стали: а) обработка («стирка») стойких ловушечных эмульсий с повышенным содержанием механических примесей, позволяющая выделять из нефтяной фазы механические примеси; б) разжижение и предварительная очистка многолетних осмолившихся нефтешламов и замазученного грунта от твердых включений и травяного му сора; в) комбинированная технология переработки высоковязких нефтешла мов и обработнанных буровых отходов с использованием прессфильтров не прерывного действия; технология применения выделенных на пресс- фильт рах концентрированных остатков (кека) в качестве сырья для получения сверхлегкого керамзита и керамзитобетона; г) технология применения воды, выделенной в процессе переработки шламов для закачки в пласт при работах по повышению нефтеотдачи пла стов.
По другой технологии [79] предлагается закачка в пласт нефтяной дисперсии, в которой в качестве высокомолекулярного нефтяного компонента используются нефтяные шламы -отходы системы сбора, транспорта и подго 26 товки нефти. Нефтяные шламы представляют собой полутвердые или твердые отложения следующего состава, %: парафин 26-45; асфальтены и смолы 15-30; связанная нефть 40-60; мехпримеси) глина, песок, продукты коррозии и т.д.) до 60; вода 10-30.
Механизм изоляции с использованием нефтяных шламов основан на способности смол и асфальтенов структурировать нефть, гидрофобизирвоать поверхность породы и делать ее несмачиваемой водой, а парафинов при температуре ниже температуры плавления образовывать с нефтью вязкую гетерогенную систему. Кроме того, предлагаемый способ использует наличие в шламах мехпримесей, которые как парафин образует с нефтью загущенную гетерогенную систему. Таким образом, в нефтяных шламах несколько видов высокомолекулярных нефтяных компонентов усиливают изолирующий эффект при их использовании. Если нефтяной шлам представляет собой густую, почти твердую массу, то в качестве разбавителя шлама используют нефть, подбирая опытным путем соотношение между шламом и нефтью. При этом исходят из условия, что вязкость закачиваемой системы не должна превышать 100-200 мПа-с, что определяется в свою очередь содержанием парафина в нефтяной дисперсии. Используемая нефтяная дисперсия способна надежно изолировать высокопроницаемые обводненные каналы.
Изучение специальной литературы, обзор научных публикаций, патентный поиск, анализ опыта применения НШ в дорожном строительстве показали, что использование НШ в качестве одного из компонентов дорожностроительных материалов может быть эффективным.
В работе Грамматикова И.В. [14] предложен способ приготовления асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов с улучшенными физико-механическими характеристиками на основе компадуирования НШ с битумом в процессе вспенивания вяжущего.
Проведенные исследования свидетельствуют о том, что оптимальное количество вяжущего у асфальтобетонов при использовании НШ и анилиновой смолы на 7% меньше, чем у а/бетона, приготовленных по традиционной технологии. При использовании данных отходов происходит улучшение свойств а/бетона, практически по всем показателям. Увеличивается прочность на растяжение при изгибе 3-11%; уменьшается пористость и водона-сыщение на 9-18% и 16-31% соответственно и др.
В работе Давиденко О.В. [15] установлено, что введение НШ в битум-полимеры в количестве 1,5-60 % увеличивается интервал пластичности до 1,5-2 раз, что положительно сказывается на трещиностойкость, теплоустойчивости асфальтобетонов. Одновременно происходит снижение t хрупкости на 20-30С, что увеличивает морозостойкость и водостойкость.
Согласно патенту № 2110496 дв 10.05.1998 г. «Способ приготовления асфальтобетонной смеси» нефтешлам в количестве 18-20 мае. % от массы битума по особой технологии добавляют в асфальтобетонную смесь.
Однако, эти результаты нельзя использовать при строительстве дорожных оснований.
Имеется опыт строительства оснований промысловых дорог из композиционных материалов на основе песков, модифицированными отходами буровых растворов, в районах Западно-Сибирского нефтегазового комплекса [16].
В работе Митрофанова Н.Г. исследовано влияние добавок отходов буровых растворов на характеристики композиционных материалов на основе песков мелких однородных, гидронамывных и пылеватых, характерных в районах нефтедобычи; в опытах применялся цемент М400 в количестве 9-11 % и три характерных состава отходов буровых растворов до 30 %. Экспериментальные исследования подтвердили, что при введении буровых растворов происходит модифицирование исходных грунтов (повышается рН, плотность, сопротивление сдвигу и улучшение физико-механических показателей; повышение прочности в среднем 20-40%, повышение морозостойкости, снижение водонасыщения в 6,3 раза. Установлено, что получение цементог-рунта с требуемыми и улучшенными показателями обеспечивается за счет добавки ОБР при снижении на 10-20% дозировки вяжущего.
Математическое планирование эксперимента и обработка результатов испытаний
Описание физических, химических и физико-химических процессов представляется целесообразным провести в порядке этапов.
Этап приготовления смеси. Введение НШ при температуре 60-70 С в материал обеспечит равномерность распределения, обволакивание мине ральных частиц. При этом, адсорбционное взаимодействие компонентов НШ с поверхностью и микротрещинами минеральных агрегатов (эффект Ребин дера) способствует их разрушению и повышению однородности смеси.
После перемешивания НШ со щебнем и обволакивания его частиц, начинается процесс коагуляции и частичного распада суспензии за счет определенного связывания и испарения воды. При уплотнении смеси, суспензия тонкодисперсных частиц, нефть и ПАВ в виде эмульсии или пленок, адсорбированных поверхностью твердых частиц, снижает трение между ними и повышает степень уплотнения смеси и упаковки минерального каркаса. Это должно повысить сдвигоустойчивость материала (за счет придания связности, повышения угла внутреннего трения, связывания воды), а так же прочность ОМ за счет создания более статически устойчивой укладки, снижения пористости, дополнительных структурных межфазных контактов. Таким образом, производится предварительное модифицирование минерального материала.
Этап набора прочности. Твердение ОМ при наличии частиц глины, в т.ч. монтмориллонита, согласно положений существующих теорий [2,12, 22, 39] имеет ряд особенностей. Вначале взаимодействия цемента с водой, гид ратации C3S, выделяемые в раствор ионы кальция (СаО, Са(ОН)г) интенсив но поглощаются частицами глины, что вызывает их коагуляцию, связанную с повышением концентрации электролита в поровой воде. Насыщение обмен ного копмлекса кальцием снижает набухаемость монтмориллонита, повыша ет прочность ОМ. При этом, повышается рН среды и снижается концентра ция извести, что усиливает процесс разрушения зерен цемента, глинистых минералов[ 12,22), тормозит кристаллообразование Са(ОН)2. Низкая концен трация извести задерживает начальное кристаллообразование гидросилика тов кальция. Затем, по мере более глубокого разрушения цементных зерен и постепенного насыщения поглотительного комплекса грунта ионами Са2+ (молекулами Са(ОН)2), начинается формирование сначала низкоосновных, мелкокристаллических (коллоидных) образований типа CSH(B), тобермори-топодобных, далее, по мере роста концентрации СаО до значений более 1,25 г/л - образуются более высокоосновные гидросиликаты кальция типа C2SH2. Двухкальциевый силикат C2S гидратирует медленно с образованием тобер-моритоподобных CSH(B) [12]. Достаточно высокий уровень рН (11-12) обеспечивается наличием в НШ NaOH, Са(ОН)2, соды МагСОз- Таким образом, в результате физико-химического взаимодействия (поглощения ионов Са ) замедляется начало кристаллообразования Са(ОН)г и гидросиликатов кальция, несколько снижается их основность. Начальное схватывание смеси, обусловленное образованием первичных гидросульфоалюминатов, гидроалюминатов и гидроалюмоферритов, не играет существенной роли в прочности в связи с их метастабильностью, последующим растворением и перекристаллизацией [12]. Этот фактор говорит о возможности продления технологического цикла. Введение добавок, снижающих основность гидросиликатов, повышающих степень дисперсности цементного камня за счет увеличения количества препятствий развитию дислокаций, способствует образованию более мелких кристаллов, с чем связывается рост прочности ОМ [12]. Увеличение содержания микрокристаллических (коллоидных) тоберморитоподобных гидрат-ных образований обуславливает снижение жесткости материала [2,42]. При твердении ОМ происходит испарение воды, несмотря на «уход» за слоем, что снижает степень гидратации и прочность. Твердение ОМ с добавкой НШ идет при наличии воды, связанной глинистыми частицами и гелеообразую-щими добавками, которая постепенно используется для гидратации. Наряду со связыванием ионов Са2+ и более полным разрушением зерен цемента, это ведет к более полному использованию потенциала вяжущего. Обычно глубина гидратации через 6-12 месяцев не превышает 10-15 Мкм при среднем размере зерен 40 Мкм. Более полная гидратация цемента обеспечивает повышение прочности ОМ [39].
Продукты гидролиза и гидратации цемента сращиваются между собой и с минеральными составляющими за счет развития простой химической сшивки, эпитаксиального сращивания, зарастания контактных зон [12]. Гид 47 росиликаты могут содержать в своем составе изоморфные примеси ионов Al3+, Fe3+, SC 42+, а так же Mg, Na, К и другие элементы, вовлекаемые в структуру из примесей НШ [12]. Мелкодисперсные частицы активно взаимодействуют с продуктами гидратации цемента. В первую очередь, это связано с физико-химическими реакциями ионного обмена, поглощения Са2+, коагуляцией коллоидных частиц. Дальнейшее повышение рН среды, развитая удельная поверхность, наличие аморфного компонента, сниженная прочность кристаллической решетки (монтмориллонит) способствуют обогащению системы активными, растворимыми формами кремнезема и полуторных окислов (в т.ч. глинозема) [22]. Дальнейший гидролиз клинкерных минералов, повышение концентрации свободной извести (которая является более активной при высвобождении из цемента [2]), приводят к фазовым переходам низкоосновных соединений во вторичные, третичные и т.и., так как система характеризуется большой полиминеральностью. Взаимодействие продуктов гидратации цемента с активной составляющей НШ аналогично реакции с пуццолановыми добавками, с образованием соединений типа CSH(B), САН и может быть представлено следующими известными схемами: хСа(ОН) + SiO + m Н20 = х CaO х Si02 х п Н20 (3) х:Са(ОН)2 + АЬОз31" + m Н20 = х CaO х А1203 х п Н20 (4)
В результате связывания окиси кальция, система обедняется известью, что вызывает протекание вторичных реакций между активным кремнеземом грунта и продуктами гидратации клинкерных минералов [12] с разложением метастабильного C2SH : C2SH + Si02 = CSH(B) и гидролизом высокоосновных алюминатов
Варианты конструктивных решений по дорожным основаниям из минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама
Из всех технологических факторов (последовательность дозирования компонентов, влажность смеси, способ и время перемешивания, режим уплотнения, ухода и т.д.), в лабораторных условиях в первую очередь было исследовано влияние времени с момента приготовления смесей до окончания уплотнения на свойства материала. Продолжительность технологических процессов имеет важнейшее значение для получения требуемой прочности и плотности обработанного материала и требует уточнения в зависимости от составов смесей.
Для исследования были приготовлены три состава смеси: I - фракционированная щебеночная смесь, обработанная 8% цемента М 400 и НШ в количестве 10%; II - фракционированная щебеночная смесь, обработанная 6% цемента М 400 и 15% НШ; III - фракционированная щебеночная смесь, обработанная 4% цемента и 10% НШ.
При приготовлении образцов смесей измеряли время технологических операций. В щебеночную смесь вводили цемент, влажность доводили до оптимальной, добавляли НШ и проводили тщательное перемешивание смеси. Время с момента введения цемента до окончания перемешивания составляло 5-10 мин, с момента затворения водой до окончания формования первой партии образцов - 30 мин.
Смесь второй партии выдерживали до момента уплотнения 0,5ч, затем в течение следующих 0,5ч формовали очередную партию образцов. Аналогичным образом готовили образцы, с продолжительностью технологического цикла 2-2,5ч; 4- 4,5ч и 5,5 - 6 часов. Больший интервал времени не исследовался, так как 6-часовая продолжительность превышает рекомендуемую СНиП 3.06.03-85 ввиду завершения процессов схватывания цемента.
Затем производили полное водонасыщение образцов и определение предела прочности при сжатии с помощью гидравлического пресса. Основ ные результаты экспериментов представлены в таблице 17 и на рисунках 13; набухание; водонасыщение. ле 0,5-6 часов вызывает снижение показателей характеристик обработанных материалов. Прочность при сжатии водонасыщенных образцов при увеличении времени от 0,5 до 6 часов снижается в 1,3-1,4 раза, плотность снижается незначительно - на 1,5-2,5%. Водонасыщение увеличивается с 0,5-0,65% до 1,088-1,66%, а набухание - с 0,08-0,185 до 0,3-0,39%. Следует отметить соответствие физико-механических свойств обработанных щебеночных материалов требованиям ГОСТ.
Таким образом, продолжительность технологического процесса сказывается на конечных результатах обработки материала вследствие снижения плотности материала, и вследствие необратимого разрушения кристаллических структурных связей, интенсивно образующихся в системе после окончания «индукционного» периода [32,36]. Достаточная плотность и прочность смеси обеспечивается (при оптимальной влажности и водоцементном отношении 1:1, 1:1,2), когда в дисперсной системе преобладает коагуляционная самовосстанавливающаяся структура, характерная для первого этапа гидролиза и гидратации цемента. При увеличении интервала времени от введения и перемешивания компонентов до уплотнения, по мере развития в системе кристаллизационной структуры, связывания воды, ее частичного испарения происходит увеличение жесткости смеси, не позволяющее получить достаточную степень уплотнения при затратах того же, что и на первом этапе, количества механической работы. Разрушающиеся при этом неокрепшие кристаллизационные структурные связи в дальнейшем полностью не восстанавливаются, и чем дольше продолжительность механического воздействия на смесь, тем более выражено снижение конечной прочности.
Введение в щебеночную смесь добавки НШ увеличивает индукционный период структурообразования, т.к. в интервале 0,5-4 часа значительно менее выражены явления снижения плотности и прочности смесей. Это объясняется рядом факторов, связанных с составом НШ и взаимодействием его компонентов с портландцементом в процессе его структурообразования: замедлением процесса пересыщения раствора гидратными новообразованиями ясняется рядом факторов, связанных с составом НШ и взаимодействием его компонентов с портландцементом в процессе его структурообразования: замедлением процесса пересыщения раствора гидратными новообразованиями и роста кристаллизационных связей на начальном этапе, гидрофобизацией цементных зерен вследствие адсорбирования на их поверхности нефти и поверхностно-активных веществ, наличием связанной воды и добавок, пластифицирующих смесь, снижающих трение, созданием более благоприятных условий для уплотнения и набора прочности ОЩС.
Важнейшим нормативным показателем укрепленных материалов является морозостойкость. Согласно ГОСТ 23558-94 для Татарстана рекомендуемая марка по морозостойкости (число циклов замораживания-оттаивания, при котором прочность снижается не более, чем на 25%) принимается F 15.
Испытания на морозостойкость проводились на составах смесей с содержанием цемента 4 - 10%, нефтешлама 5 - 15%, щебень М 200, М 400. изготавливались образцы-цилиндры размером d = h = 7 см по три для каждой серии, дополнительно изготавливались контрольные образцы (по 3 шт.) для испытания без замораживания-оттаивания. После твердения образцов в течение 28 суток во влажной среде производилось полное водонасыщение. Затем контрольные серии испытывались на прочность, а остальные подвергались замораживанию-оттаиванию. Продолжительность цикла составляла 8 часов: 4 часа в морозильной камере при температуре - 20С ± 2С, затем 4 часа в воде при температуре 20С ± 2С. Методика испытаний принималась с учетом ГОСТ 10180-90, ГОСТ 12801-98.
Конструктивные решения и расчетные характеристики обработанных материалов
Расчет экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценку предотвращенного экономического ущерба, при-чи- няемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды вели по ме- тодике, разработанной объединенной комиссией АН России и ГКНТ по эко- номической оценке природных ресурсов и мероприятий по охране окружающей природной среды и Научным Советом АН России по экономической эффективности основных фондов, капитальных вложений и новой техники [53].
В соответствии с указанной методикой, экономический ущерб, причиняемый промышленными выбросами загрязняющих веществ в атмосферный воздух, для любого источника определяется по формуле:
Шламовые пруды расположены на территории Карабашского товарного парка НГДУ «Иркеннефть», поэтому зону активного загрязнения (ЗАЗ) пру- дами можно считать однородной и соответствующий коэффициент с -пока- затель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над тер- риторией прудов можно принять равной 4 (табл. 1, [53]).
Определим зону активного загрязнения. Шламовые пруды можно отнести к неорганизованным источникам загрязнения окружающей среды. Согласно методике для низких неорганизованных источников (карьеров, складов, свалок) ЗАЗ - это территория внутри замкнутой кривой, проведенной вокруг источника так, что расстояние от любой точки кривой до ближайшей границы зоны влияния неорганизованного источника равно 1 км. Указанные пруды расположены на территории, приблизительно ограничиваемой кругом, диаметром 300 м, то площадь ЗАЗ будет около 415 гектаров.
Значение поправки Г, учитывающей характер рассеивания примеси в ат- мосфере, определяется следующим образом: для газообразных примесей и легких мелкодисперсных частиц с очень малой скоростью оседания (менее 1 см/с) принимается, что F = (100/100 + ф/Ь) (4/1 + и) (24) где h - высота устья источника по отношению к среднему уровню ЗАЗ (м). Значение h принято равным 0, т. к. пруды расположены в равнинной местности и их уровень над окружающей средой не превышает 5 метров). ф - безразмерная поправка на тепловой подъем факела выброса в атмосферу, вычисляемая по формуле ф = 1+АТ/75С (25) 119 где AT - среднегодовое значение разности температур в устье источника и в окружающей атмосфере на уровне устья. Значение AT принято равным О, т.к. пруды открыты и их поверхность имеет ту же температуру, что и окружающая среда). Отсюда ф=1; фЪ=0. и - среднегодовое значение модуля скорости ветра на уровне флюгера (м/с); при неизвестном значении и, оно принимается равным 3 м/с. Таким образом расчетное значение f=l. Значение приведенной массы М годового выброса загрязняющих примесей из источника в атмосферу определяется по формуле: ZM= Ai mi (26) где mi - масса годового выброса примеси i-го вида (т/год), Ai- показатель относительной агрессивности примеси (усл.т/г), N - общее число примесей в выбросах источника.
Число для нефтешламов достаточно велико, однако достоверных данных об их природе и количестве в литературе отсутствует. Поэтому исходя из общих представлений о химии нефти можно предположить, что под действием солнечной радиации, кислорода воздуха, различных примесей, органических и неорганических солей в нефтешламе, играющих роль катализаторов, компоненты нефтешламов распадаются с образованием оксида углерода, диоксида серы, оксидов азота, кислородсодержащих соединений. Возможно также образование продуктов вторичного происхождения, однако из-за отсутствия достоверных сведений об их характере в расчетах они во внимание не приняты.
Значение Ai определяется по формуле: Ai = а; ХЇ 5і (27) где aj - показатель относительной опасности присутствия примеси в воздухе, вдыхаемом человеком; cti - поправка учета вероятности накопления исходной примеси загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды и в пищевых цепях, а также поступления примеси в организм человека неин 120 галяционным путем; 5i — поправка, учитывающая действие загрязняющих веществ на различные реципиенты (кроме человека). В ряде случаев в эту формулу водятся поправки Х\ - вероятность вторичного заброса примесей в атмосферу (пыль после оседания на поверхность) и Pi - вероятность образования для легких углеводородов вторичного загрязнения, более опасного, чем исходное.
Показатель а; и поправки oti, 5ь Х\, Pi безразмерны. Значение а, определяется по формуле: аіКПДКссоПДКр.зсоЯТДКсіПДКр.зл)Ш =(60/ПДКс1Пда:р,і),/2 (28) где ПДКссо - ПДК окиси углерода в атмосферном воздухе начеленных пунктов, среднесуточная, 3 мг/м3; ПДКрзсо - ЦЦК окиси углерода в атмосферном воздухе рабочей зоны, 20 мг/м3; ПДКС,, ПДКрзл - то же для і-ой смеси. Приведенные расчеты по определению указанных показателей и поправок, сведены в табл. 24.
При определении количества вредных примесей приняты следующие соображения. Можно принять, что при хранении нефтешламов под воздействием указанных выше условий химическим изменениям подвергается 10% от общей серы и азота, содержащихся в нефтешламе, переходя в оксиды, и около 3% углеводородов переходит в кислородосодержащие соединения, в качестве модели для которых принят ацетальдегид.
Расчеты, проведенные нами, показали, что валовый выброс вредных веществ из нефтешламовых прудов составляет 415,8 кг/час или 3462 т/г. с учетом этого, если в исходном шламе содержится в среднем 2% серы, 0,01% азота, то сернистого ангидрида, азота и кислородсодержащих соединений (ацетальдегида) образуется:
