Сегодня на каждого жителя Земли ежегодно извлекается до 100 т. горной породы. Разрушающая деятельность человека уже сейчас превышает возможности биосферы компенсировать ущерб от техногенной деятельности естественным путем. В России для складирования отходов добывающих, обогатительных и перерабатывающих комплексов отторгается более 2 тыс. га земель, в том числе пахотных. Рекультивация и возвращение земель в хозяйственное пользование значительно отстает от темпов их отчуждения. Масштабы вовлечения отходов, образующихся при обогащении и переработке полезных ископаемых в производство товарной продукции невелики. Из всего добываемого в мире минерального сырья (100 млрд.т. в год) в качестве полезного продукта используется не более 7%, остальные 93% в химически мало измененном состоянии выбрасываются в виде отходов. В связи с этим, поиск путей наиболее рационального управления отходами горнопромышленного комплекса, включая предприятия нерудных строительных материалов является актуальным.
Промышленность строительных материалов утилизирует незначительную долю отходов рудного минерального сырья, имея свои карьеры нерудных ископаемых. Вместе с тем, химический состав горной массы в отвалах примерно соответствует верхней мантии земной коры и представлен преимущественно оксидами SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, SO3, P2O5 и др. В вещественном составе преобладают минеральные образования полиморфных модификаций кремнезема SiO2, кварца, кварцитов, песчаников, полевошпатовых пород, слоистых силикатов и др. Часто эти горные породы по своему качеству превосходят то нерудное сырье, которое добывают предприятия промышленности строительных материалов и могут быть неиссякаемыми источниками вторичного сырья для их производства [1].
В Пензенском университете архитектуры и строительства выполнен комплекс исследований по использованию отходов горнодобывающего комплекса в цементной промышленности, установлена возможность использования отходов камнедробления горных пород при совместном помоле клинкера с целью получения дисперснонаполненных цементов и бетонов на их основе. Из всего многообразия горных пород выделены отходы камнедробления излившихся и глубинных силицитовых горных пород магматического происхождения: диабаза и базальта, совместно измельченными с цементным клинкером до удельной поверхности 400 м2/кг.
Основными породообразующими минералами базальтов и диабазов являются минералы группы полевых шпатов (плагиоклазов) от альбита до анортита. По содержанию анортитового компонента, CaAl2Si2O8, плагиоклазы делятся на следующие группы: альбит (0-10%), олигоклаз (10-30%), андезит (30-50%), лабрадор (50-70%), битовнит (70-90%), анортит (90-100%).
Фазовый состав базальта в основном представлен олигоклазом (характерные пики - 4,0500; 3,2100; 2,9200; 2,8600; 2,5800; 2,1500; 2,0500Å), зафиксировано присутствие лабрадора (3,2200Å) и кварца (3,3500 Å). Олигоклаз представляет собой изоморфную смесь, состоящую из 10-30% анортита Ca [Al2Si2O8] и 70-90% альбита Na[AlSi3O8] (рис. 1).
Рисунок 1. Рентгенограммы фазового состава горных пород
1 - диабаз; 2 - базальт
В состав лабрадора входит 50-70% анортита Ca[Al2Si2O8]и 30-50% альбита Na[AlSi3O8]. Интенсивные пики 3,3500Å, 3,2200Å и 4,0500 Å принадлежат кварцу, лабрадору и олигоклазу соответственно. Преобладающей фазой для диабаза является кварц (4,2500; 3,3500;2,4500; 2,2900; 2,1200; 1,9700; 1,813; 1,668; 1,656; 1,529; 1,380; 1,372 Å), лабрадор (7,04; 4,05; 3,53; 3,21; 3,06; 2,97; 2,59 Å) и олигоклаз (3,45; 2,92Å), зафиксировано присутствие битовнита (4,05; 3,21Å). В любых двуполевошпатовых породах возможны широкие вариации состава в зависимости от изменения химических потенциалов щелочей в расплаве или флюиде.
Рисунок 2. Рентгенограммы фазового состава цементного камня с добавками:
1 - контрольный состав, 2 - диабаз, 3 - базальт
Выявлена оптимальная дозировка добавки отходов камнедробления горных пород, позволяющая снизить содержание клинкерной составляющей цемента без снижения физико - механических характеристик. Значительное превышение ранней прочности цементных композиций обусловлено высокой реакционно-химической активностью измельченных горных пород, вступающих во взаимодействие с продуктами гидратации цемента. Подтверждением этому служит выполненный рентгенофазовый анализ цементного камня с микронаполнителями. Рентгенограммы фазового состава цементного камня с добавками на основе измельченных отходов природных каменных материалов, свидетельствуют о значительном содержании гидросиликатов кальция СSН, а уменьшение интенсивности линий портландита указывает на взаимодействие гидролизной извести Са(ОН)2 с высокодисперсным кварцем SiО 2, присутствующим в измельченных породах (рис. 2). Таким образом, применение высокодисперсных реакционно-активных силицитовых горных пород может быть чрезвычайно перспективным для создания высокоэффективных дисперснонаполненных композиционных вяжущих.
Превращение отходов камнедробления путем помола с последующим выделением тонких фракций в реакционно-активный компонент и замена части клинкерной составляющей цемента является чрезвычайно важным направлением в цементной промышленности. При этом не только уменьшается содержание клинкерной составляющей цемента, но и снижается количество выбросов углекислого газа в атмосферу. На производство цемента расходуется свыше 50% энергии, затрачиваемой в мировом производстве. При этом изготовление 1т. портландцемента сопряжено с выделением в атмосферу примерно 1т. углекислого газа, как продукта декарбонизации известняка в печи при обжиге клинкера от сжигания топлива (CaCO3=CaO=CO2). Таким образом, существующий в настоящее время над планетой «парниковый эффект» ежегодно усиливается углекислотными выбросами от производства самых распространенных вяжущих, остающихся основными в строительстве ХХI века. Исходя из этических принципов глобальности экологии и ее управляющей функции над всеми видами производств необходимо сокращать объемы углекислотных и тепловых выбросов, а также наиболее рационально использовать вяжущие материалы [2].
Использование отходов камнедробления в цементной промышленности позволяет решить комплекс экологических и технологических задач. Только в 2005г. при производстве 1,700 млр.т. портландцемента в мире, наиболее теплоемкого вида вяжущего, расчетное количество выбросов СО2 от диссоциации карбонатного сырья и сжигания топлива при обжиге клинкера, углекислотные выбросы составили 600...630 млн.т. Учитывая, что население Земли в настоящее время доставляет около 6,3 млр. человек, легко подсчитать, что только производство вяжущих веществ выделяет в атмосферу более 100 кг. СО2 в год на каждого жителя планеты. Очевидно, что в экологически чистой технологии производства цемента необходимы революционные преобразования, позволяющие снизить выброс углекислого газа в атмосферу. По приближенным расчетам замена клинкерной составляющей портландцемента на 30% отходами камнедробления позволяет снизить выбросы углекислого газа в атмосферу на 40-50% [3].
Таким образом, использование отходов камнедробления в цементной промышленности, с одной стороны, улучшает экологическую обстановку, а с другой - позволяет сберечь для будущих поколений запасы природных ресурсов, особенно не возобновляемых, предотвратить разрушение природных ландшафтов, обладающих естественным саморазвитием. К этому следует добавить и высокий технический эффект создания ресурсо- и энергоемких дисперснонаполненных композиционных вяжущих и бетонов на их основе. Применение высокодисперсных реакционно-активных силицитовых горных пород может быть чрезвычайно перспективным для создания высокоэффективных модификаторов бетона. Как показали, проведенные в ПГУАС исследования, замена 20...35% клинкерного портландцемента отходами камнедробления силицитовых горных пород позволяет получить высокопрочные бетоны с повышенными эксплуатационными свойствами. Разработанные бетоны могут быть использованы не только в обычных, но и особых экстремальных условиях, в конструкциях новых архитектурных форм и элементах декора, трубах, резервуарах, покрытиях дорожных одежд.
Список литературы
- Бальзанников М.И., Петров В.П. Экологические аспекты производства строительных материалов из отходов промышленности. /Восьмые академические чтения РААСН. «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения». Самара. 2004. с.47-50.
- Калашников В.И., Демьянова В.С., Калашников С.В., Кузнецов Ю.С. Реакционная активность измельченных горных пород в цементных композициях./Известия Тульского государственного университета, № 7, 2004г. с. 26-33.
- Каушанский В.Е., Баженова О.Ю. Энерго- и ресурсосбережения в технологии портландцемента за счет использования техногенных и нетрадиционных материалов. Седьмые Академические чтения РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» Белгород. 2001. с. 201-204.