Utilization of overburden in formulations of environmentally friendly compositional materials for road construction

Nataliya A. Konovalova; Коновалова Наталия Анатольевна; Dmitry V. Bespolitov; Бесполитов Дмитрий Викторович; Pavel P. Pankov; Панков Павел Павлович; Elena A. Rush; Руш Елена Анатольевна; Nadezhda D. Avseenko; Авсеенко Надежда Дмитриевна

doi:10.22363/2313-2310-2021-29-2-182-191

Utilization of overburden in formulations of environmentally friendly compositional materials for road construction

Authors: Konovalova N.A.¹, Bespolitov D.V.¹, Pankov P.P.¹, Rush E.A.¹, Avseenko N.D.¹
Affiliations:
1. Irkutsk State Transport University
Issue: Vol 29, No 2 (2021)
Pages: 182-191
Section: Industrial Ecology
URL: https://journals.rudn.ru/ecology/article/view/30031
DOI: https://doi.org/10.22363/2313-2310-2021-29-2-182-191
ID: 30031

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The possibility of utilization of overburden rocks of the Chernovsky brown coal and Baleysko-Taseevsky gold occurrences (Trans-Baikal Region) in the road construction industry is studied. Polymeric additives “Cryogelite” and “StabOL” were chosen as stabilizing additives in the compositions of road-building composites. The initial mineral samples were examined by methods of atomic emission spectrometry with inductively coupled plasma, powder diffraction, and infrared spectroscopy. It was found that the introduction to formulation of composites with use of overburden rocks of 8 wt. % Portland cement and 10 wt. % fly ash, as well as stabilizing additives “Cryogelit” (Chernovskoe occurrence) and “StabOL” (Baleysko-Taseevskoe occurrence), allows to obtain samples with strength grade M40 and frost resistance grade F15. The biotesting method proved that the obtained composites do not have an acute toxic effect on test objects and are safe for the environment and human health.

Keywords

anthropogenic impact, mining wastes, overburden, fly ash, stabilizing additive, road construction, soil strengthening, compositional material

Full Text

Введение Регионы с развитой горнодобывающей промышленностью характеризуются наличием острых проблем, связанных с сохранением природных ландшафтов и биоразнообразия [1]. Добыча полезных ископаемых сопровождается извлечением вскрышных и вмещающих пород, не пригодных для сельскохозяйственного использования. Отвальные массивы вскрышных пород, занимающие значительные площади, нарушают структуру и целостность экосистем, изменяют рельеф, способствуют пылеобразованию и загрязнению химическими веществами прилегающих территорий [2-4]. Площадь выводимых из лесо- и агрооборота земель может достигать 0,8 га на 1 тыс. т извлекаемого из недр минерального сырья [5], а отчуждаемые земли горных разработок составляют 60-90 % [6]. Нарушенные земли подвергаются эрозии, загрязняют атмосферный воздух, почвы, водные ресурсы, растительность и среду обитания человека в целом [7-9]. Эффективность технологических решений, направленных на ликвидацию объектов накопленного вреда окружающей среде, зависит от вида и объемов отходов, степени их опасности, времени существования и размеров объекта накопленного вреда, а также масштабов воздействия на экосистемы [10]. В этой связи для решения проблем восстановления техногенно нарушенных земель требуется разработка эффективных способов ликвидации отвалов вскрышных пород, являющихся объектами накопленного вреда окружающей среде. Наиболее эффективными методами ликвидации объектов накопленного вреда окружающей среде являются физико-химические, среди которых особое место занимает затвердевание (стабилизация), или искусственное камнеобразование. Проведенный анализ отечественных и зарубежных исследований в области утилизации техногенных грунтов показал целесообразность их крупнотоннажного прямого использования в составах дорожно-строительных композитов [11-14]. Теоретические аспекты применения метода стабилизации при модификации минерального сырья отражены в работах В.М. Безрука [15; 16], а разработка методологии химической стабилизации принадлежит И.И. Бройду, A. Herzod, J. Mitchell [17; 18] и др. Однако вовлечение вскрышных пород в дорожно-строительное производство сдерживается неоднородностью их свойств и состава. Для улучшения физико-механических характеристик дорожно-строительных композитов на основе техногенных грунтов эффективными могут быть комплексные методы стабилизации, сочетающие применение вяжущих веществ и стабилизаторов различной природы, поскольку некоторые виды грунтов не поддаются эффективной стабилизации с использованием лишь вяжущего материала. Так, композиты на основе грунтов, укрепленных битумами, излишне пластичны, а цементогрунты имеют повышенную истираемость. Поэтому поиск более совершенных методов стабилизации техногенных грунтов, сочетающих применение вяжущих веществ и стабилизирующих добавок, снижающих их отрицательные свойства, позволит получить композиты с оптимальными для дорожного строительства свойствами и решить комплекс острых экологических проблем. Цель работы заключалась в изучении возможности утилизации вскрышных пород в составах экологически безопасных дорожно-строительных композиционных материалов. Материалы и методы В качестве сырьевых компонентов использовали вскрышные породы Черновского буроугольного и Балейско-Тасеевского золоторудного месторождений (Балейский, Тасеевский, Каменский карьеры), золу уноса ТЭЦ-2 Читы (Забайкальский край), в качестве вяжущего - портландцемент марки ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б. Отвалы вскрышных пород Черновского буроугольного месторождения, которое эксплуатировалось с 1907 по 1989 г., расположены в Черновском районе Читы. Согласно архивным данным, для подготовки вскрышных пород мощностью до 30 м проводились буровзрывные работы. Отмечено сдвижение земной поверхности, за время эксплуатации месторождения мерзлота протаяла на глубину до 50 м. Балейско-Тасеевское месторождение, открытое в 1934 г., является одним из важнейших золоторудных месторождений с запасом 105,6 т. За все годы работы Балейского рудного поля было добыто около 250 т золота [19]. При разведке месторождения пройдено 118,4 км подземных горных выработок, пробурено 334,5 км скважин, а за первые 35 лет эксплуатации месторождения протяженность подземных выработок составила 412 км [20]. При эксплуатации данных месторождений практиковалось неселективное отвалообразование, о чем свидетельствует хаотичное размещение вскрышных пород в отвалах. Открытая разработка привела к геомеханическим нарушениям окружающей среды в результате строительства карьеров, отсыпки отвалов, деформации поверхности, а также воздействия карьерного оборудования, что привело к изменению рельефа местности и уничтожению почв (рис. 1). Дорожно-строительные композиты на основе вскрышных пород получали согласно ГОСТ 23558-94 с применением стабилизирующих добавок полимерной природы «Криогелит» (ТУ 5775-002-01107272-2012) и StabOL (ТУ 5775-001-01107272-2020). В состав композитов на основе вскрышных пород Черновского месторождения, модифицированных добавкой «Криогелит», дополнительно вводили золу уноса без ее предварительной обработки. Для увеличения прочностных характеристик композитов на основе вскрышных пород Балейско-Тасеевского месторождений, модифицированных добавкой StabOL, дополнительно проводили механическую активацию золы на истирателе вибрационном чашевом ИВЧ-3 в течение 1 мин. Дозировку исходных сырьевых компонентов определяли методом подбора. Массовая доля портландцемента и золы уноса в смеси составила 8 и 10 мас. % соответственно. Гранулометрический анализ вскрышных пород проводили по ГОСТ 12536-2014. Физико-механические характеристики композитов в возрасте 28 сут изучали по ГОСТ 23558-94 на образцах, подвергнутых полному водонасыщению. Влажность золы уноса определяли по ГОСТ 8735-88. Удельную поверхность частиц золы определяли на приборе Товарова Т-3 методом воздухопроницаемости, насыпную плотность в сухом состоянии изучали по ГОСТ 9758-2012, битумоемкость - по ГОСТ 32766-2014. Степень пучинистости золы определяли на приборе УПГ-МГ4 «Грунт» по ГОСТ 28622-2012. Вода для приготовления образцов соответствовала требованиям ГОСТ 23732-2011. Рис. 1. Ландшафтные изменения нарушенных территорий: а - Черновское буроугольное месторождение; б - Балейско-Тасеевское месторождение Figure 1. Landscape changes of disturbed areas: а - Chernovskoe brown coal occurrence; б - Baleisko-Taseevskoe occurrence Мультиэлементный анализ минерального сырья выполняли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС) с применением эмиссионного спектрометра (Optima 5300DV, 167-403 нм, PerkinElmer, США), схема ICP95A. Рентгенофазовый анализ (РФА) портландцемента выполняли методом порошковой дифракции на дифрактометре ДРОН-3.0, излучение - СuКa, Ni-фильтр, U = 25 кВ, I = 20 мА, угловой диапазон: 2θ, ° = 3-55, скорость измерения - 1 °/мин. ). Фазовый состав проб расшифровали с помощью программы EVA (Diffracplus). ИК-спектр золы регистрировали инфракрасным Фурье-спектрометром SHIMADZU FTIR-8400S на таблетках с KBr, приготовленных по стандартной методике. Экологическую безопасность композитов на основе вскрышных пород изучали комплексом методов. Удельную эффективную активность естественных радионуклидов в образцах определяли в соответствии с НРБ-99/2009 (СанПиН 2.6.1.2523-09) и ГОСТ 30108-94. Радиологические испытания проводили на спектрометре-радиометре гамма- и бета-излучений МКГБ-01 «РАДЭК», гамма-спектрометре МКСП-01 «РАДЭК», санитарно-химические - на газовом хроматографе «Хроматек-Кристалл 5000.2». Тест-объекты для биотестирования - Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer. Результаты и обсуждение Естественное зарастание отвалов вскрышных пород Черновского и Балейско-Тасеевского месторождений происходит неравномерно, так как вынесенные на поверхность глубинные породы характеризуются незначительным содержанием элементов минерального питания и имеют отличные от почв свойства. Обнаружены проявления негативных геологических процессов: деградация и эрозия почв, размыв и оползание нарушенной поверхности отвалов и их обрушение, оврагообразование. Ликвидация отвалов возможна за счет крупнотоннажного прямого использования вскрышных пород в дорожном строительстве. Эффективность применения метода стабилизации (искусственного камнеобразования) зависит от понимания процессов структурообразования композита, поэтому важным является изучение состава и свойств исходного минерального сырья. Содержание пылевидных и глинистых частиц в образцах вскрышных пород, %: Каменский карьер - 15,96; Балейский карьер - 33,46; Тасеевский карьер - 20,42; Черновское месторождение - 39,00. Вскрышные породы имеют химический состав, w, %: Каменский карьер 67,6 SiO2; 12,1 Al2O3; 3,6 Fe2O3; 2,7 K2O; 2,5 Na2O; 0,9 CaO; 0,5 MgO; 0,4 TiO2; 0,1 P2O5; 0,1 Cr2O3; 0,1 MnO; 3,7 - потери при прокаливании (п. п. п.); 5,7 - примеси микроэлементов (п.м.); Балейский карьер 62,1 SiO2; 12,8 Al2O3; 4,2 Fe2O3; 3,5 K2O; 1,4 CaO; 1,2 MgO; 1,1 Na2O; 0,4 TiO2; 0,2 P2O5; 0,1 Cr2O3; 0,1 MnO; 7,0 - п.п.п.; 5,9 - п.м.; Тасеевский карьер 67,0 SiO2; 12,6 Al2O3; 2,1 Fe2O3; 1,5 K2O; 0,6 TiO2; 0,4 MgO; 0,3 CaO; 0,1 Cr2O3; 0,1 P2O5; 0,1 Na2O; 9,3 - п.п.п.; 5,9 - п.м.; Черновское месторождение 66,1 SiO2; 12,5 Al2O3; 0,9 Fe2O3; 3,9 K2O; 0,2 TiO2; 0,3 MgO; 0,3 CaO; 0,1 Cr2O3; 0,1 P2O5; 1,1 Na2O; 5,7 - п.п.п.; 8,8 - п.м. Исследуемая зола относится к категории непучинистых и имеет алюмосиликатный состав: w, мас. %: 36,1 SiO2; 10,2 Al2O3; 7,8 Fe2O3; 1,4 MgO; 0,6 Na2O; 1,2 K2O; 0,4 TiO2; 0,6 SO3; 9,4 CaO; 0,4 CaOсв. По гидравлическим свойствам зола относится к скрыто-активным. Влажность составила 0,59 %, насыпная плотность - 660 кг/м3, битумоемкость - 54 г, удельная поверхность частиц - 276 м2/кг (при норме не менее 150 м2/кг). Согласно данным ИКС (рис. 2, а), в составе золы обнаружен кальцит (полосы поглощения с максимумами при 1454; 1435 и 876 см-1), кварц и кристобалит (797; 779 см-1 и 692; 671 см-1), гематит (563 и 461 см-1). а б Рис. 2. ИК-спектр золы уноса (а) и дифрактограмма портланцемента (б) Figure 2. IR spectrum of fly ash (а) and a diffractogram of Portland cement (б) Для обеспечения морозостойкости дорожно-строительных композитов имеет значение содержание основных структурообразующих минералов минерального вяжущего. Базовый химический состав портландцемента, w, мас. %: 6,8 Al2O3; 36,6 CaO; 4,4 Fe2O3; 4,0 MgO; 27,9 SiO2; 2,8 SO3. Анализ результатов РФА (рис. 2, б) показал, что в состав портландцемента входят алит (5,95; 3,03; 2,97; 2,74; 2,18 Å), белит (3,43; 2,88; 2,81; 2,28; 1,76 Å), портландит (3,19; 2,65 Å) и кварц (3,35; 2,44; 2,32; 2,21; 2,11; 1,82 Å). Установлено, что исследуемые пробы минерального сырья по радиационному признаку относится к первому классу, поскольку величина Аэфф не превышает 370 Бк/кг и сырьевой материал может использоваться в строительстве без ограничений. Дорожно-строительные композиты на основе вскрышных пород Балейского, Тасеевского и Каменского карьеров, модифицированные добавкой StabOL, так же как и композиты на основе вскрышных пород Черновского месторождения, модифицированные добавкой «Криогелит», соответствуют марке по прочности М40 и марке по морозостойкости F15, что позволяет рекомендовать их к применению на дорогах с переходным и низшим типом дорожных одежд. Найдено, что процесс повышения прочности модифицированных добавками образцов основан на формировании кристаллизационного каркаса из оксид-силикатов кальция и коагуляционной сетки из пылеватых и глинистых частиц, соединенных прослойками полимера и воды. Проведенными исследованиями установлено, что в модельных условиях (насыщенность 0,01 м2/м3, температура среды +20 оС) уровень миграции бензола, дибутилфталата, диоктилфталата, этилацетата, ацетона, метанола, винилацетата с поверхности композитов, модифицированных добавкой StabOL, а также бензола, толуола, стирола, этилацетата, ацетона, метанола, бутилацетата для композитов, модифицированных добавкой «Криогелит», создает в атмосферном воздухе концентрации, не превышающие среднесуточные ПДК, установленные гигиеническими нормативами (СанПиН 1.2.2353-08, ГН 2.1.6.3492-17, ГН 2.1.6.2309-07). Интенсивность запаха всех составов оценена в 0 баллов (при нормативе не более 2 баллов). Оценка токсичности проб исследуемых дорожно-строительных материалов, определенная по смертности (летальности) Daphnia magna Straus и по изменению оптической плотности тест-культуры - зеленой протококковой водоросли Chlorella vulgaris Beijer, позволила заключить о безопасности для окружающей среды и здоровья человека дорожно-строительных композитов, модифицированных стабилизирующими добавками «Криогелит» и StabOL. Заключение Отвалы вскрышных пород Черновского буроугольного и Балейско-Тасеевского золоторудного месторождений (Балейский, Тасеевский, Каменский карьеры) являются объектами накопленного вреда окружающей среде. Применение физико-химического метода стабилизации минерального сырья позволит утилизировать вскрышные породы в составах дорожно-строительных композиционных материалов. Найдено, что используемое минеральное сырье относится к первому классу по удельной эффективной активности естественных радионуклидов (226Ra, 232Th, 40К), поэтому может применяться в дорожном строительстве без ограничений. Установлено, что введение в состав композитов 8 мас. % портландцемента и 10 мас. % золы уноса, а также стабилизирующих добавок «Криогелит» (вскрышные породы Черновского месторождения) и StabOL (вскрышные породы Балейско-Тасеевского месторождения), позволяет получить образцы, соответствующие марке по прочности М40 и марке по морозостойкости F15. Выявлено, что структурообразование образцов, модифицированных добавками «Криогелит» и StabOL, определяется наличием коагуляционного и кристаллизационного типов контактов между частицами. Установлено, что полученные композиты не оказывают острого токсического действия на тест-объекты и безопасны для окружающей среды и здоровья человека.

About the authors