Материалы и изделия из техногенного и вторичного сырья. Учебное пособие

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. Испытание карбонатных отходов производства Заюковского карьера

Цель: изучение и испытание карбонатных пород - отходов Заюковского карьера с целью выявления возможного использования в различных отраслях.

Общие сведения

Для производства извести используются осадочные карбонатные горные породы, состоящие из углекислого кальция, углекислого магния и различных примесей, а также отходы некоторых производств (например, сахарных заводов). Карбонатные породы с содержанием углекислого кальция СаСО3 не менее70 %, называются известняками (рис.9).

Рис. 9. Карбонатные породы для производства извести

Известняки образовались в основном из останков живых организмов, обитавших миллионы лет назад в морской воде. Скопления скелетов, раковин, панцирей, в состав которых входил углекислый кальций, образовали известняковый ил, который под действием огромного давления столба воды и вышележащих пластов уплотнялся. Чем больше времени прошло с момента образования таких скоплений, тем более плотным является известняк.

Некоторая часть известняков образовалась химическим путем вследствие перехода растворимой в воде двууглекислой соли кальция в нерастворимую углекислую (химические известняки).

В природе встречаются известняки самой разнообразной окраски: белой, серой, желтой, зеленоватой, бурой, красноватой, черной и пестрой. Цвет известняка определяется примесями. Желтоватый, бурый, красный и коричневый цвет известняка определяется наличием окислов железа и марганца; серый и черный цвет обусловлены примесями битуминозных смол и углистых веществ; зеленоватый связан с наличием в известняке закисных соединений железа. Известняки с матовой по-

41

верхностью имеют повышенное содержание магния, а с кристаллическим блеском – повышенное содержание кремния. Пахучесть известняка говорит о значительном содержании в нем органических остатков.

Все известняки классифицируют по двум признакам: по структуре, т. е. по строению материала, и по химическому составу. По структуре различают следующие виды известняков: зернисто-кристаллический известняк, или мрамор; плотный известняк; рыхлый известняк; мел; известняковый туф; известняк-ракушечник.

Мрамор отличается максимальным содержанием СаСО3. Кристаллическая структура в мраморе видна даже невооруженным глазом. Плотность мрамора составляет 2600–2800 кг/м3 предел прочности при сжатии соответственно 700–1200 кг/см2, коэффициент теплопроводности 2,8 Вт/(м оС).

Мрамор в основном применяется в качестве отделочного материала. Некоторые разновидности мрамора Кольского полуострова, а также отходы мрамора (мраморная крошка Карадагских карьеров в Азербайджане и др.) используются для обжига на известь.

Плотный известняк имеет тонкозернистую структуру. Такие известняки образовались путем химического осаждения или в условиях спокойного состояния воды на некотором удалении от берегов, где отлагались только мельчайшие частицы.

Отдельные виды плотных известняков поддаются полированию и поэтому носят название мраморовидных. Объемный вес известняка находится в пределах 2400–2600 кг/м3, твердость по десятибалльной шкале Мооса равна 3, предел прочности при сжатии колеблется от 200 до 800 кг/см2, коэффициент теплопроводности 2,5 Вт/(м °С). Карьерная влажность мраморов и плотных известняков невысокая – 2–4 %. Плотный известняк характеризуется высоким содержанием СаСО3, однако иногда имеет значительное количество примесей. Применяется он при производстве извести и щебня для строительных работ. Иногда плотный известняк обладает белым цветом и используется как отделочный материал.

Рыхлый известняк состоит из отдельных шаровидных сцементированных зерен известняка, внутри которых находятся песчинки и другие посторонние тела. Предел прочности рыхлого известняка значительно ниже, чем плотного и составляет 100–200 кг/см2. Объемный вес известняка в пределах 1800–2200 кг/м3. Влажность доходит до 8–10 %. Коэффициент теплопроводности составляет 1–1,5 Вт/(м °С). Такие известняки называются оолитовыми. Они встречаются в природе довольно редко. Используютсяоолитовыеизвестнякивосновномдляобжиганаизвесть.

42

Известняковый туф отличается пористостью, ноздреватостью структуры и низким пределом прочности при сжатии. Известняковый туф и рыхлые известняки используются в основном при производстве известняковой муки для сельского хозяйства.

Мел или землистый известняк имеет рыхлую структуру. Мел состоит из останков микроскопических организмов и является отложением неглубоких морей. Средняя плотность мела находится в пределах 1300–1800 кг/м3. Предел прочности при сжатии 4,0–80 кг/см2. Карьерная влажность мела колеблется в широких пределах 16–30 %. Чистый мел служит высококачественным сырьем для производства извести во вращающихся печах.

Известняк-ракушечник образовался из остатков крупных раковин и относится к мягким пористым карбонатным породам, которые используются для обжига на известь во вращающихся печах. Средняя плотность ракушечника 800–1800 кг/м3; предел прочности при сжатии 100–

200кг/см2, коэффициент теплопроводности 0,25–0,4 Вт/(м оС).

Кроме углекислого кальция, в состав известняков входят углекис-

лый магний и примеси (песок, глина, и т. п.). Известняки, примеси песка и глины в которых не превышают 2 %, в зависимости от содержания карбоната магния подразделяются на следующие виды:

–известняк чистый кальциевый (мраморовидный известняк, чистый мел) с содержанием MgCО3 до 2 %;

–известняк чистый слабо доломитизированный с содержанием MgCО3 в пределах 2–7 %;

–известняк чистый доломитизированный с содержанием MgCО3 от

7 до 19 %;

–чистый доломит с содержанием MgCО3 в пределах 45–46 %. Обжигом этих известняков получают известь, физико-химические

свойства, а следовательно, и область применения которой зависит в основном от содержания MgCО3 в исходном сырье. Например, при обжиге чистых кальциевых известняков получают белую воздушную кальциевую известь, которая применяется как химическое сырье в различных отраслях промышленности и как вяжущее в строительной индустрии. Доломитизированные известняки дают серую воздушную известь, используемую иногда в строительных растворах, а при обжиге во взвешенном состоянии – в изделиях автоклавного твердения. Доломиты и доломитизированные известняки широко применяются для известкования кислых почв.

Наиболее распространенными примесями в карбонатных породах являются кремнезем (в виде песка) и окислы железа и алюминия. Так

43

как глина – это соединение кремнезема с водой и окисью алюминия, то сумма окислов SiO2+АlО3+Fе2О3 называется глинистыми примесями. В тех случаях, когда кремнезем равномерно распределяется по всему слою известняка, порода называется опокой. Обычно кремнезем способствует образованию в месторождении карбонатного сырья включения и прослойки или присутствует в виде песка различной крупности.

Присутствие в сырье кремнезема ухудшает полезные свойства воздушной извести (снижается ее пластичность и вяжущие свойства) и затрудняет ведение процесса обжига. Поэтому для производства воздушной извести обычно применяют чистые известняки с содержанием 1–2 % кремнезема и редко с содержанием до 3 %.

Содержание глинистых примесей до 2 % не изменяют свойства воздушной извести. Известняки с содержанием глинистых примесей от 2 до 8 % называются слабомергелистыми известняками, а получаемую из них известь слабогидравлической. При содержании глинистых примесей в пределах 8–21 % известняки называются мергелистыми, а получаемую из них известь сильногидравлической. Карбонатную породу, содержащую от 21 до 50 % песчано-глинистых веществ, называют мергелем. Слабогидравлическая известь в обычном виде гасится частично, а сильногидравлическая вообще не гасится. Для придания ей вяжущих свойств гидравлическую известь подвергают тонкому помолу.

ГОСТ 34467-2018 на карбонатные породы для производства строительной извести предусматривает пять классов пород в зависимости от их химического состава.

Для производства воздушной кальциевой извести пригодны карбонатные породы класса А и Б, для воздушной доломитовой извести – класса Г, а для гидравлической – класса Д (табл. 14).

Таблица 14

Химический состав карбонатных пород

44

В Кабардино-Балкарии всего на государственном учете четыре детально разведанных месторождения. Сырье всех месторождений представлено известняками для производства строительной извести и учитываются в нераспределенном фонде.

Балансовые запасы карбонатных пород, используемых для обжига на известь, не изменились, и по категории А+В+С1 составляют 18375 тыс. т. В связи с резким снижением спроса на строительную известь месторождения не востребованы. Они могут представлять интерес в качестве сырья для производства цемента.

Заюковское месторождение представлено мелоподобными известняками Маастрихтского яруса, которые пригодны для производства воздушной извести и цемента. Расположено в центральной части с.п. Заюково по левому борту р. Баксан. Балансовые запасы составляют по категории А+В+С1 5270 тыс. т. С начала разработки добыто 1620 тыс. т известняка. Месторождение расположено в пределах зоны санитарной охраны, установленной для карьеров по добыче нерудных стройматериалов.

Кенженское и Белореченское месторождения известняков представлены отложениями нижнего палеоцена и верхнего мела соответственно; их запасы составляют 2621 и 9743 тыс. т. Оба месторождения располагаются в пределах округа санитарной охраны курорта федерального значения «Нальчик».

Небольшое Сармаковское месторождение представлено известняками верхнего мела, пригодными для производства воздушной извести. Запасы сырья по категории А+В+С1 741 тыс. т находятся на государственном резерве. Балансовые запасы известняка месторождений КБР приведены в табл. 15.

Таблица 15

Балансовые запасы известняка в КБР

45

На современных предприятиях по производству воздушной извести используют карбонатные породы, содержащие СаСОЗ и MgCО3. В шахтных и вращающихся печах используют лишь крупные фракции (20–40, 40–70 мм). Более мелкие и крупные фракции и их смеси обжигаются неравномерно и дают известь плохого качества с недожогом или пережогом, поэтому они сбрасываются в отвал и их объем достигает более 30 % от разрабатываемых пород (рис. 10).

Рис. 10. Карбонатные отходы

На современных предприятиях скопились миллионы тонн карбонатных отходов. Так, на Заюковском карьере известняков накопилось свыше 8–10 млн т. Они занимают огромные территории побережья реки Баксан и являются источником загрязнения окружающей среды.

Порядок выполнения работы

1. Определение влажности отходов (см. лабораторную работу № 2 «Испытание отходов разработки вулканических туфов Каменского карьера» на с. 22–25 данного издания).

2.Химико-минералогический состав породы.

Химико-минералогический состав породы определяют химическим анализом. В работе принимают на основе данных геологической разведки. По их данным, порода состоит на 90–96 % из СаСОЗ. Менее 6 % глинистых примесей – это чистые известняки.

3. Определение насыпной плотности.

При определении насыпной плотности применяют цилиндры в зависимости от наибольшего номинального размера щебня, гравия в соответствии с табл. 16.

46

Среднюю насыпную плотность щебня (гравия) определяют в кг/м3,

где ρн – насыпная плотность, кг/м3; ρз – средняя плотность зерен, г/см3.

4.Определение зернового состава

Для определения зернового состава используют лабораторную пробу, высушенную до постоянной массы, от 5 до 40 кг в зависимости от номинального размера зерен D, мм.

Пробу щебня (гравия) просеивают через стандартный набор сит с круглыми отверстиями размером, мм: 2,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 70.

Для определения зерен размером более 70 мм используют кольца калибры: 90; 100; 110; 120 и более. Пробу просеивают ручным или механическим способом. Продолжительность просеивания должна быть такой, чтобы при контрольном интенсивном ручном встряхивании каждого сита в течение 1 мин через него проходит не более 0,1 % просеянной пробы.

По результатам просеивания определяют частные остатки, %:

аi = mmi 100 ,

где mi – масса остатка на данном сите, г; m – масса взятой пробы, г. Полные остатки Аi в % на каждом сите определяют как сумму ча-

стных остатков на данном сите и всех вышележащих ситах с большим размером отверстий. По полным остаткам Аi строят кривую просеива-

47

ния по которой определяют Dнаим и Dнаиб. Результаты определения зернового состава сравнивают с требованиями стандарта и делают выводы о пригодности крупного заполнителя для бетона (рис. 11).

Рис. 11. График зернового состава

Задание

1.Определить влажность карбонатных отходов.

2.Определить насыпную плотность карбонатных отходов.

3.Определить зерновой состав карбонатных отходов.

4.Построить график зернового состава карбонатных отходов (см.

рис. 11).

Контрольные вопросы

1.Сырье для производства воздушной извести.

2.Отходы производства воздушной извести, классификация.

3.Свойства карбонатных отходов.

4.Использование карбонатных отходов в строительстве.

48

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7. Испытание золы-уноса Новочеркасской ГРЭС

Цель: испытание и исследование золы-уноса Новочеркасской ГРЭС с целью установления их свойств и изыскания путей их использования в строительном комплексе.

Общие сведения

ВРоссии около 70 % всей электроэнергии вырабатывается при сжигании твердого топлива – углей, сланцев, торфа, в результате чего образуется около 50 млн т в год отвалов золошлаковых смесей. К концу 2001 г. в отвалах ТЭС находилось свыше 1,2 млрд т таких отходов, а уровень их утилизации составляет только около 10 %. Поэтому использование отходов от сжигания твердого топлива – это не столько вопрос экономии материальных ресурсов, сколько проблема возрастающего загрязнения окружающей среды и, следовательно, здоровья людей.

Внастоящее время во многих странах, в том числе в России, накоплен достаточно большой опыт применения золошлаковых материалов во многих отраслях народного хозяйства.

Уменьшение потребности в дорожно-строительных материалах и повышение эффективности их использования остается важнейшей проблемой. Многолетние научные исследования и практика дорожного строительства показали, что одним из путей ее решенияявляется применение вторичных ресурсов – отходов промышленности, которые можно использовать или в качестве непосредственно дорожно-строительного материала, иликак исходный продукт для его получения.

К таким отходам относятся золы и шлаки – продукты сжигания на тепловых электростанциях (ТЭС) твердого топлива: угля, торфа, сланцев и других горючих материалов. Следует различать:

– золу уноса сухого улавливания, когда зола, поступающая с электрофильтров и из циклонов ТЭС в золосборники, направляется специальным пневмотранспортом в силосные склады либо непосредственно

втранспортные средства потребителей;

– золошлаковую смесь гидроудаления, когда при очистке золосборников с помощью воды зола и шлак в виде золопульпы удаляется

вотвалы.

ВРоссии золы и золошлаковые смеси образуются на 200 ТЭС (ТЭЦ, ГРЭС), и только приблизительно на 20 из них имеются установки для сухого улавливания золы. Объем золошлаковых отходов после

49

сжигания углей, сланцев и торфа, по данным Всероссийского теплотехнического научно-исследовательского института (ВТИ), составляет 40–50 млн т в год.

Для получения электроэнергии в России ежегодно сжигается около 125 млн тонн новых ЗШО каждый год в придачу к уже накопленным 1,5 млрд тонн, занимающих более 28 тыс. га.

Уровень утилизации этих отходов в России составляет около 10 %; в ряде развитых стран около 50 %, во Франции и в Германии 70 %, а в Финляндии около 90 % их текущего выхода. В этих странах применяются в основном сухие золы и проводится государственная политика, стимулирующая их использование. Так, в Польше резко повышена цена на землю под золоотвалы, поэтому ТЭЦ доплачивают потребителям с целью снизить собственные затраты на их складирование. В Китае золы доставляются потребителям бесплатно, а в Болгарии сама зола бесплатна. В Великобритании действуют пять региональных центров по сбыту зол [6].

Отвалы ТЭС в России занимают значительные территории (около 200 тыс. га) и являются источником загрязнения воздушного и водного бассейнов, увеличивают минерализацию грунтовых вод. В ряде регионов эти отвалы значительно осложнили экологическую обстановку. Если учесть, что около 70 % всей электроэнергии в стране вырабатывается при сжигании твердого топлива, то рост золошлаковых отходов будет продолжаться и, следовательно, возрастет их отрицательное воздействие на экологию. Таким образом, утилизация золошлаковых отходов становится уже не столько вопросом экономии материальных ресурсов, сколько проблемой безопасности населения страны.

Классификация зол как сырья для изготовления строительных материалов

С целью выбора рационального направления использования золошлаковых материалов их классифицируют по различным признакам. Поскольку состав и свойства их изменчивы, единой классификации золошлаковых материалов, которая охватывала бы все признаки, еще не создано. Поэтому мы рассмотрим несколько классификаций, используемых в строительстве.

В соответствии с ГОСТ 25818-2017 все золы по виду сжигаемого угля подразделяют на:

– антрацитовые, образующиеся при сжигании антрацита, полуантрацита и тощего каменного угля (А);

50