Введение к работе
Актуальность работы. Использование многотоннажных промышленных отходов в производстве строительных материалов и изделий является одним из основных и оправдывающих себя как в экологическом, в технологическом и экономическом направлениях решения хозяйственных задач.
Если вопросы утилизации отходов ряда производств черной металлургии, химической промышленности, топливно-энергетического производства довольно хорошо разработаны и успешно реализуются, то ряд крупнотоннажных отходов цветной металлургии порой не находят использования и накапливаются в отвалах в больших объемах загромождая громадные территории земельных угодий и загрязняя окружающую среду. К таким невостребованным отходам промышленного производства относятся отвальные кеки вольфрамомолибденового гидрометаллургического производства в г. Нальчике.
В результате сложной химико-термической переработки концентратов и извлечения из них полезного продукта, остатки разрушенной породы, преимущественно карбонатсодержащие, после их очистки и нейтрализации от химических реагентов, в виде жидкого шлама сбрасываются в специальное хранилище, где в результате седиментации и частичного обезвоживания превращаются в глиноподобные отвальные кеки, которые занимают громадные территории и продолжают расти.
Утилизация данных отходов, освобождение дефицитных в регионе земельных участков и оздоровление курортной зоны на Северном Кавказе является актуальнейшей задачей. Существующие проекты их утилизации в цементное производство или производство минеральных расплавов слишком затратные, сложные и мало реализуемы в нынешних условиях. В связи с этим требуется менее затратное и быстрореализуемое решение данной проблемы. Таким является их обезвоживание и диспергирование в минеральные порошки-наполнители, которые могут применяться в различных строительных материалах, в частности в мелкозернистых цементных и асфальтовых бетонах.
Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованной технологически и экономически целесообразной малозатратной технологии переработки и утилизации отвальных кеков Нальчикского гидрометаллургического завода (НГМЗ) ОАО «Гидрометаллург» в производстве минеральных порошков и использование их в составе мелкозернистых композиционных материалах.
При реализации данной цели решались следующие задачи:
- анализ отечественного и зарубежного опыта использования аналогичных техногенных сбросов в различных отраслях;
- исследование состояния, состава и свойств отвальных кеков НГМЗ;
- разработка научно-обоснованной рабочей гипотезы переработки и использования отвальных кеков в производстве минеральных порошков - наполнителей различных композиционных материалов;
- применение методов математического планирования эксперимента для определения оптимального количества модифицирующих добавок при активации порошков из отвальных кеков;
- исследование отвальных кеков в качестве минеральных добавок в мелкозернистых цементно-песчаных бетонах;
- исследование отвальных кеков в качестве минерального порошка - модификатора в асфальтобетонной смеси;
- производственное опробование опытной партии минеральных порошков из отвальных кеков для асфальтобетона;
- разработка малоэнергозатратной технологии переработки отвальных кеков в минеральные порошки;
- разработка технологических регламентов на минеральные порошки из отвальных кеков НГМЗ.
Научная новизна работы:
- в результате комплексных физико-химических и технологических исследований развито научное представление о некоторых техногенных отходах производства, в частности, отвальных кеков НГМЗ, как о высококачественном кондиционном и легкодоступном сырье - полуфабрикате для различных строительных материалов;
- теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены возможность и целесообразность использования тонкодисперсных минеральных отходов НГМЗ в качестве структурорегулирующей добавки - модификатора в композиционных материалов на различных связующих;
- научно обоснована и практически подтверждена эффективность использования тонкодисперсных минеральных частиц из карбонатсодержащих отвальных кеков в качестве структурорегулирующей минеральной добавки в мелкозернистые цементные и асфальтовые бетоны;
- разработаны эффективные составы активированных и модифицированных минеральных порошков из отвальных кеков НГМЗ;
- экспериментально доказана возможность получения качественных цементно-песчаных бетонов, используемых для изготовления тротуарных плит, дорожного бордюра и асфальтобетона с применением минеральной добавки из отвального кека.
- впервые разработаны малоэнергоресурсоёмкие способы переработки отвальных кеков в кондиционные минеральные порошки для асфальтобетона и др. композиционных материалов.
Практическая значимость работы.
- Расширение сырьевой базы стройиндустрии за счет использования легкодоступного техногенного сырья в место природного.
- Утилизация крупнотоннажного промышленного отхода и экологическое оздоровление производства.
- Разработаны новые минеральные добавки для мелкозернистых цементных и асфальтовых бетонов из легкодоступного бросового сырья НГМЗ, что позволит заменить дорогостоящие привозные добавки из природного сырья.
- Предложены варианты малоэнерго - ресурсозатратной безотходной технологии переработки отвальных кеков НГМЗ в товарную конкурентоспособную продукцию.
- Результаты исследований используются при обучении студентов по дисциплинам: «Строительные материалы» и «Технология отходов производства» на строительном факультете Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова.
- Разработан состав мелкозернистых цементных бетонов для производства бордюрного камня, что позволит снизить его стоимость от 8% до 20%.
- Разработан состав асфальтобетона, который внедрен при ремонте дорожного покрытия на 7 км автодороги «Нальчик - Майский». Площадь экспериментального участка составила 150 м2. Экономический эффект на 1 кв. м составил 10 руб. 87 коп.
Достоверность исследований в работе обеспечены:
- методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных стандартных и типовых средств измерений, испытаний и обработки результатов;
- использование современных поверенных приборов и оборудования;
- использование современных математических методов обработки экспериментальных данных в пакете STATISTICA и MathCAD;
- опытными испытаниями и их результатами, совпадающими с результатами предварительных расчетов и не противоречащими выводам известных положений.
Личный вклад автора состоит в выборе темы, направлений и методов исследования, анализе литературных источников, проведении экспериментальных исследований и обработке результатов, анализе и обсуждении полученных результатов и формулировке выводов.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты исследования составов и свойств отвальных кеков НГМЗ и их оценки как сырья для получения минеральных порошков–модификаторов композиционных материалов в т.ч. тротуарных плит, дорожного бордюра и асфальтобетона;
- механизмы структурообразования мелкозернистых композиционных составов с использованием отвальных кеков в качестве минерального порошка-уплотнителя и модификатора;
- новые конкурентоспособные минеральные порошки-модификаторы в асфальтобетонных смесях из отвальных кеков НГМЗ;
- малозатратная, безотходная, экологически оздоравливающая технология переработки и утилизации отвальных кеков НГМЗ в минеральные порошки-модификаторы и наполнители в композиционные материалы.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и представлены в материалах: Международных научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Перспектива» (г. Нальчик 2008, 2009, 2011гг.), на Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии и материаловедения» (г. Махачкала, 2008), Всероссийской научно-практической конференции», на V и VI Международной конференции « Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград, 2009, 2011 г.г.), на III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (г. Волгоград 2012).
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 13 научных работ (вклад соискателя – 35,5 стр.), в том числе 2 работы в ведущем рецензированном научном журнале.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 33 таблицы.
Похожие диссертации на Мелкозернистые цементные и асфальтовые бетоны с использованием порошковых модификаторов и наполнителей из отвальных кеков гидрометаллургического производства
