Рациональное применение промышленных отходов в строительных материалах



В основе статьи заложена идея применения в производстве строительных материалов с использованием отходов промышленности. Проблема повторного использования такого вида сырья весьма актуальна в нашем мире. Обозначены основные аспекты, связанные с промышленными отходами на всех производственных этапах. Присутствует анализ в процентных соотношениях, количества полученного в ходе производства вторсырья. Приведены общие черты особенностей технологических процессов на отдельных предприятиях. Рассмотрены решения вопросов вторичного применения промышленных отходов.

Ключевые слова: золошлаковые отходы, золоотвалы, вторичное использование, промышленные отходы.

В мире стремительно развиваются высокотехнологичные производства, что в свою очередь сопровождается огромным количеством выбросов и отходов. Утилизации данных видов отходов является насущной проблемой любых видов промышленности.

В то время как качественное природное сырье уменьшается, техногенные отходы все больше накапливаются. Данный фактор делает вопрос о вторичном использовании отходов актуальной.

Отходы — это продукты, которые образуются при добыче сырья, при его переработке. Они не являются непосредственной целью промышленных и техногенных процессов.

Эффективному использованию подлежат почти все промышленные отходы, которые включены в Федеральный классификационный каталог отходов, утвержденный Приказом Росприроднадзора от 18.07.2014 № 445 (в ред. от 03.06.2016).

В настоящее время насущна проблема о вредном воздействии работы ТЭЦ на экологию. Нельзя забывать, что помимо выбросов в атмосферу, есть еще и проблема твёрдых отходов — золы и шлака. А отказываться от угольной генерации в ближайшем будущем вряд ли получится, следовательно, есть необходимость задуматься об использовании и рациональном применении золошлаковых отходов.

Вопросы и проблемы переработки ЗШО не новы. Каждый год, начиная с 2008 года, в нашей стране проводят конференции, совещания, симпозиумы по вопросам золошлаковых отходов. Есть государственная программа «Энергоэффективность и развитие энергетики» до 2030 года, где указаны целевые показатели переработки ЗШО.

Существуют и программы регионов. Но к сожалению, пока эффект от них пока можно назвать нулевым.

Каждый год в нашей стране образуется 22 млн тонн угольных отходов, а в общей сложности на начало 2021 года накопилось от 1,4 до 1,8 млрд тонн золошлаковых отходов.

Неудивительно, что почти 30 % угольных электростанций практически заполнили свои золошлаковые хранилища, учитывая, что под хранение золошлаковых отходов отведено уже более 20 тыс. км ² .

Выход твердых отходов деятельности электростанций- золы и шлаков при сжигании топлива варьируется в широком интервале — от 5 до 75 %, в зависимости от вида угля (бурый, каменный или антрацит). При этом существуют разработки, которые позволяют значительно сократить объемов отходов горения угольного топлива.

Очевидно, что простое хранение золы и шлака нецелесообразно, как экономически, так и с экологической точки зрения. Что касается мирового опыта — в лидерах Европа. К примеру, в Дании и Нидерландах достигли практически 100-процентной утилизация золошлаковых отходов, ещё в ряде стран этот показатель находится в пределах 70–95 %.

Россия на фоне европейских соседей по сегодняшний день выглядит бледно — ведь доля утилизации угольных отходов не более 10–12 %, а это не более 4 млн тонн золы и шлаков в год.

Золошлаковые отходы нуждаются в утилизации. Утилизировать необходимо, но другой вопрос — как именно это следует делать. Больше всех в этом дело должны быть заинтересованы общество и государство, так как применение золошлаковых отходов позволит решить важные экологические вопросы.

Известно, что уголь является одним из востребованных видов топлива для эксплуатации электрических станций, теплоэлектростанций (ТЭС).

На специально отведенных полигонах организуются золоотвалы. Со временем количество накопленных золошлаков пост постоянно растут, свободные площади существующих золоотвалов сокращаются. Если такая тенденция будет наблюдаться и впредь, то в ближайшие 3–5 лет массовое переполнение золоотвалов неизбежно.

Большие успехи наблюдаются у ученых нашей страны, которые уже предлагают разработки по использованию ЗШО для асфальтирования дорог. Пока в планах протестировать технологию на небольших участках. Надежды на проект большие: ожидается, что модифицированное дорожное полотно будет обладать высокой прочностью, а его стоимость снизится минимум на 10 %.

Активные золы могут быть использованы в виде самостоятельных вяжущих веществ. Это позволит избежать применения дополнительных затвердевающих компонентов состава, что приведет к снижению расходов на материалы.

Другие категории зол требуют вспомогательных активаторов твердения. Такие золы- кислые.

Зола способствует улучшению удобоукладываемости. Это связано с остеклованной поверхностью золы, снижающей трение между частицами, и снижает вязкость. При этом количество золы в составе не должно быть более 30 %, потому что зола может не лучшим образом повлиять на подвижность бетона. При увеличении золы в составе более 30 %, расход вяжущего растет, при этом прочность бетона снижается [1].

Шлак и зола связующие также могут быть использованы в производстве пенобетона и газобетона. Зола в большей степени подвержена циклическому увлажнению и сушке, поэтому высокая пористость сетчатого бетона является отрицательным показателем для применения золы. Пористый бетон активно проявляет водопоглощающие свойства, что отрицательно сказывается на золошлаковой добавке. Чтобы уменьшить влияние внешних факторов окружающей среды, пенобетоны покрывают специальными защитными растворами, предотвращающими проникновение влаги внутрь [6].

Пенобетон — надежный и распространенный материал, состоящий природного сырья, добавок, которые могут быть получены из промышленных отходов. Перспективно изготавливать ячеистые бетоны добавкой золы от сжигания твердого топлива. Выяснено, что применение золы взамен песка благоприятно влияет на прочностные характеристики бетона. Но когда песок заменяется более 70 % золой, прочность снижается, обусловлено это повышением количества воды затворения.

Из бесклинкерных вяжущих изготавливаются высокопрочные бетоны. Данные бетоны обладают меньшим количеством капиллярных пор, чем у бетона, изготовленного на портландцементе. Это значительно уменьшает водопоглощение, повышает морозостойкость бетона, улучшая эксплуатационные характеристики бетонных конструкций. Также коррозия арматуры в разы меньше, чем в бетонах на портландцементе.

Бесклинкерные вяжущие незаменимы при изготовлении массивных бетонных конструкций. При бетонировании конструкций на портландцементах происходит следующее: при твердении бетона выделяется тепло (экзотермия) — чем больше массив, тем выше температура (она может достигать более 70°С). Далее процесс остывания конструкции и резкое охлаждение могут привести к деформационным трещинам.

Необходимо учитывать, что в зависимости от вида топлива и условий его сжигания в ЗШМ могут содержаться несгоревшие органические частицы топлива. Поэтому при изготовлении бетонов и строительных растворов потеря массы при прокаливании (п.п.п.) не должна превышать 3÷25 % в зависимости от вида исходного топлива [4]. Эта характеристика может также служить критерием количества посторонних загрязняющих включений в золошлаках при использовании их в строительстве.

Использование золошлаков подразумевает проведение дополнительных мероприятий по охране окружающей среды при организации золоотвалов и в ходе дорожного строительства, если золошлаки в результате транспортировки теряют изначальную влажность, сохнут и пылят. Применение зол уноса в дорожном строительстве не требует проведения дополнительных мероприятий по охране окружающей среды, как требует того применение уже традиционных материалов (цемента, извести) [3].

Строительство технологических дамб на золоотвалах, строительство подъездов и дорожных насыпей на полигонах золоотвалов — важная технологическая задача при организации мероприятий по подготовке (осушению), отгрузке и вывозу золошлаков.

Конкуренция на рынке строительных материалов ежегодно все жестче. Если говорить традиционном цементе, сэкономить на нем невозможно. Безклинкерный цемент получается высокого качества и при этом дешевле обычного. В дорожном строительстве такой цемент в разы повышает прочность и долговечность дорожных покрытий. Стоимость укладки данного бетона примерно в 1,5–2 раза дороже, чем у асфальтобетонов, но долговечность таких покрытий составляет до 40 лет. Например, учитывая, что срок службы нормального асфальтобетона примерно 8 лет, следовательно, затраты уравниваются и по материалу идет серьезная экономия [4].

Вариаций применения золошлаковых отходов, доменных шлаков, отходов углеобогащения разнообразны.

К примеру, имеются разработки технологий зольного кирпича из отходов ТЭС. В сравнении с керамическим и силикатным кирпичом, данный кирпич обладает более низкую теплопроводность и себестоимость.

Особо интересен зольный кирпич, обладающий пустотами. Он легкий, с низкой теплопроводностью, прочный. При сравнении с ячеистым бетоном, то при меньшей плотности бетона в 1,4–2 раза, прочность кирпича выше в 5–8 раз [5].

Разработана уникальная технология производства глазурованного кирпича. При его производстве используются недорогие легкоплавкие глазури, спекающиеся при низких температурах, и печи с терморадиационным нагревом, которые в разы сокращают время термообработки. Все эти технологии готовы к внедрению [1].

В мировой промышленности усиливается острота вопроса переработки золошлаковых материалов, являющихся продуктом сжигания угольного топлива. Постоянное накопление отходов зол приводит к стремительному росту экологических, социальных и экономических издержек вследствие низкого уровня утилизации. Вместе с тем, по своему физико-химическому и агрегатному состоянию эти отходы являются уникальным сырьем, которому можно найти рациональное применение в различных отраслях промышленности, что может привести к значительным социальным и эколого-экономическим эффектам. Таким образом, применение золошлаковых отходов позволяет сэкономить на основных материалах без ущерба качеству изделия, одновременно решая проблему утилизации золошлаковых материалов. По мнению экспертов, для того чтобы переломить эту ситуацию, не обойтись без вмешательства государства [2].

Таким образом, мы видим, что в области переработки и утилизации золошлаковых отходов в стране большое поле для работы. Существует несколько перспективных проектов, но, к сожалению, пока не в полной мере используется потенциал в такой сфере, как производство строительных материалов с применением ЗШО.

Литература:

1. Партута Д. С., Тютюнов В. А. Рациональное использование золошлаковых отходов в строительных материалах. В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». 2013. С. 79–82.
2. Ватин Н. И., Петросов Д. В. Применение зол и золошлаковых отходов в строительстве. Magazine of Civil Enginieering. 2011. № 4. С. 16–21.
3. Логвиненко А. Т., Савинкина М. А. Процессы гидратации и твердения зольных вяжущих материалов. — В кн.: Твердение вяжущих веществ. Уфа. 1974, с. 271–273.
4. Дворкин Л. И., Гарницкий Ю. В., Марчук В. В. Золосодержащие вяжущие низкой водопотребности и бетоны на их основе. Технологии бетонов. 2012. № 5–6. С. 24–27.
5. Бирюков S. S., Метелев С. Е., Сиротюк S. S., Шевцов S. P. Эффективные направления крупномасштабного использования золошлаковых отходов. Сибирский торгово-экономический журнал. 2008. № 7. С. 66–70.
6. Горбунов С. П. Оптимизация составов тяжелых бетонов применением тонкодисперсных добавок. Вестник ЮУрГУ. 2012. № 17. С. 30–35.