Минимизация воздействия отходов щебеночного производства на окружающую среду путем их вовлечения в составы дорожно-строительных материалов

Полный текст

Введение На долю горнодобывающей и горно-перерабатывающей промышленности приходится до 80 % всех крупнотоннажных отходов [1], которые не пригодны для сельскохозяйственного использования, занимают значительные площади, приводят к ухудшению экологической обстановки на прилегающих территориях [2-4]. Добыча, транспортирование, первичная переработка минерального сырья влекут нарушение структуры и целостности экосистем, изменение рельефа, образование провалов и проседание земной поверхности, пылеобразование, шумы, загрязнение химическими веществами, иссушение почвенно-грунтового покрова [5-9]. При переработке горных пород на щебеночных заводах России ежегодно образуется до 90 млн м3 отсевов дробления, отвалы которых занимают значительные площади плодородных земель и нарушают сбалансированное состояние в экосистемах [10]. Горные предприятия платят налог за использование земель, на которых расположены отвалы отсевов дробления, и, как правило, вынуждены включать данные затраты в себестоимость выпускаемой продукции [11; 12]. Техногенные месторождения таких отходов приводят к пылению, изменению рельефа, а также нарушают гидрогеологические и эколого-геологические условия на территории их размещения [13]. Вместе с тем утилизация крупнотоннажных отходов горнопромышленных предприятий в США и Европе достигает 85-90 % [14]. В России годовой объем реализации таких отходов не превышает 4 %, что связано с их наличием практически на всех предприятиях добывающей и перерабатывающей промышленности, а также с затратами на транспортировку и, соответственно, с ростом цен на них [15]. Утилизация отсевов является серьезнейшей проблемой предприятий, производящих щебень, поскольку выход отсевов дробления может составлять до 40 % от объема товарного щебня [16]. В научной литературе показано, что основной отраслью, применяющей отсевы дробления горных пород, является строительная [17-19]. Однако авторы [19] полагают, что утилизация отсевов в строительной индустрии сдерживается содержанием пылевидных частиц (до 25 %) и формой зерен. Классификация отсевов по фракциям является энергоемкой, а следовательно, дорогостоящей [16]. Производители строительных материалов отдают предпочтение первичным природным материалам, поэтому ресурсный потенциал отходов не достаточно полно используется [20]. Вместе с тем отсевы дробления обладают ресурсным потенциалом, вовлечение которого в производство дорожных цементогрунтов может значительно сократить использование первичного минерального сырья, особенно в тех регионах Российской Федерации, где дефицит и высокая стоимость кондиционного минерального сырья является основной причиной удорожания строительства. Цель исследования заключается в анализе экологической обстановки на территории Талданского щебеночного завода и разработке способа утилизации отсевов дробления в составах дорожных цементогрунтов. Материалы и методы Талданский щебеночный завод, основанный в 1981 г., находится на территории поселка Талдан (Сковородинский район) в 2 км к юго-западу от станции Талдан Забайкальской железной дороги (рис. 1). Имеется подъездной железнодорожный путь протяженностью 4 км до погрузочного пункта щебеночного завода. Площадь Сковородинского района составляет 20,5 тыс. м2, население - 33 000 человек. На территории района расположен комплексный Урушинский заказник, площадь которого 30 000 га, а также памятник природы - Игнашинский минеральный источник. По территории протекают реки Амур, Урка, Омутная, Уруша. Рис. 1. Талданский щебеночный завод Figure 1. Taldan crushed stone plant Талданский щебеночный завод с 2008 г. является филиалом ОАО «Первая нерудная компания» (ОАО «ПНК»), основанным на базе имущества ОАО «Российские железные дороги». ОАО «ПНК» - одна из крупнейших компаний, осуществляющих добычу и переработку нерудных полезных ископаемых с производительностью около 17 млн м3 в год. Проектная мощность Талданского щебеночного завода составляет 780 000 м3 щебня в год. Щебеночный завод занимается разработкой месторождения порфиритов и туфов, осуществляя собственными силами буровзрывные работы. Основным потребителем продукции завода является Забайкальская железная дорога - филиал ОАО «РЖД», а также предприятия строительной отрасли Забайкальского края и Амурской области. Проведение предприятием открытых горных работ сопровождается формированием отвалов и нарушением значительных земельных ресурсов, причем негативному воздействию подвергаются не только земли и водные ресурсы в пределах карьера, но и территории, занимаемые под внешние отвальные массивы (рис. 2). Рядом с заводом и отвалом отсевов расположено озеро Платина и ручей Талдан (рис. 1). Рентгенофазовый анализ отсева дробления и образцов на его основе выполняли методом порошковой дифракции на рентгеновском дифрактометре D8 Advance (Bruker AXS, Германия). ИК-спектры регистрировали инфракрасным Фурье-спектрометром SHIMADZU FTIR-8400S. Химический состав исходного минерального сырья определяли атомно-эмиссионной спектрометрией с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) с помощью спектрометра эмиссионного Optima 5300DV (167-403 нм) PerkinElmer, США. Образцы предварительно растворяли в смеси кислот HCl, HNO3, HClO4 и HF. Микроструктуру образцов исследовали растровым электронным микроскопом JSM-6510LV∙JEOL (Япония) с системой микроанализа - энергодисперсионным рентгеновским спектрометром модели INCA Energy 350, Oxford Instruments (Великобритания). Тонкий слой платины на непроводящий образец напыляли посредством установки JFC-1600 (Великобритания). Рис. 2. Отвальные массивы отсевов дробления Figure 2. Dump massifs of sifting of rock Цементогрунт получали согласно ГОСТ 23558-94 с применением стабилизирующей добавки полимерной природы «Элемент» (ТУ 5775-001-011072722017). Дозировку исходных сырьевых компонентов определяли методом подбора. Физико-механические характеристики образцов цементогрунта в возрасте 28 сут изучали по ГОСТ 23558-94 на образцах, подвергнутых полному водонасыщению. Результаты и обсуждение На отвальных массивах Талданского щебеночного завода общей площадью 600 га накоплено около 2,9 млн т отсевов дробления. Нарушенные земли становятся очагами загрязнений воздуха, почв, грунтовых и поверхностных вод. Все это приводит к ухудшению санитарно-гигиенических условий жизни населения, гидрологического, гидрогеологического режимов окружа- ющей местности и, как следствие, снижению урожайности сельскохозяйст- венных культур, гибели растений на прилегающих к горному объекту территориях. Применение буровзрывного способа разупрочнения вскрышного слоя является одним из самых вредных по воздействию на окружающую среду. Взрывные работы вызывают загрязнение атмосферного воздуха пылью и газами, приводят к нарушению почвенного покрова, увеличению трещиноватости горных пород, а также исчезновению грунтовых вод. Пылегазовые выбросы создают ощутимые отрицательные эффекты в связи с осаждением пыли в жилых районах и на сельскохозяйственных угодьях. При этом на- грузка на атмосферу в момент проведения взрыва является значительной даже на большом расстоянии от источника. Загрязнение атмосферы пылью происходит также при транспортировании, переработке минерального сырья и формировании отвалов. Степень пыления отвалов зависит от влажности материала, скорости ветра и высоты отвала. В почвах, находящихся под отвалами, происходит геохимическая трансформация, приводящая, как правило, к разрушению почвенных коллоидов, нарушению почвенного поглощающего комплекса, увеличению подвижности органического вещества. Неблагоприятное воздействие на атмосферу оказывает карьерная техника, автотранспорт и другая вспомогательная техника. Увеличение загазованности и запыленности воздуха может оказывать фиброгенное и раздражающее действие на организм человека и способствовать повышению уровня заболеваемости сотрудников предприятия и населения, проживающего в данном районе, пылевыми бронхитами, силикозом и др., а также приводить к нарушению целостности и естественной структуры ландшафтов, эстетической привлекательности памятников природы, потере продуктивности земель. Анализ технологических решений, применяемых для ликвидации объектов накопленного вреда окружающей среде, показал эффективность физикохимических методов, таких как затвердевание/стабилизация, промывка почвы, сорбция и фильтрация. Затвердевание/стабилизация (искусственное камнеобразование) является одним из самых перспективных направлений для решения экологических проблем. Быстрая утилизация отсевов дробления Талданского щебеночного завода возможна при их введении в состав цементогрунтов (искусственных каменных материалов), применяемых при устройстве конструктивных слоев дорожных одежд, оснований, фундаментов зданий и сооружений, площадок различного назначения. Поскольку эффективность применения данного метода в значительной степени зависит от понимания процессов структурообразования цементогрунта, то в первую очередь необходимо определить состав и свойства исходного минерального сырья. Отсев дробления фракции 0-5 мм относится к типу горной породы - изверженные, интрузивные (андезитодацитовые) порфириты, туфы. Характеристики отсева дробления: насыпная плотность - 1397 кг/м3; содержание пылевидных и глинистых частиц - 7,3 %; модуль крупности - 2,3 ед. Данные, полученные методом растровой электронной микроскопии, показывают, что исследуемый отсев неоднороден по своему дисперсному составу и содержит зернистые частицы неправильной формы размером менее 1 мм. Величина удельной эффективной активности естественных радионуклидов (226Ra, 232Th, 40K) составляет 110 Бк/кг, следовательно, отсев дробления можно применять в строительной индустрии без ограничений. Химический состав отсева дробления, , %: 0,12 MnO; 0,18 P2O5; 0,66 TiO2; 2,36 K2O; 2,59 Na2O; 5,01 MgO; 5,79 Fe2O3; 8,81 CaO; 13,90 Al2O3; 49,6 SiO2; потери при прокаливании - 9,18; примеси микроэлементов - 1,80. Рентгенофазовый анализ (РФА) отсева показал, что в его состав входят кварц SiO2 (4,26; 3,35; 2.45 Å), полевые шпаты NaAlSi3O8 (4,04; 3,19; 2,99 Å), хлорит (Mg, Al)6(Si, Al)4O10(OH)8 (7,14; 3,56; 2,85 Å) кальцит CaCO3 (3,77; 3,03; 2,45 Å), доломит CaMg(CO3)2 (2,90; 1,79 Å). Анализ результатов РФА портландцемента показал, что в его состав входят алит Ca3SiO5 (5,95; 3,03; 2,97; 2,74; 2,18 Å), белит Сa2SiO4 (3,43; 2,88; 2,81; 2,28; 1,76 Å), портландит Са(ОН)2 (3,19; 2,65 Å) и кварц SiO2 (3,35; 2,44; 2,32; 2,21; 2,11; 1,82 Å). По результатам АЭС-ИСП, базовый химический состав портландцемента, , мас. %: 6,75 Al2O3; 36,55 CaO; 4,41 Fe2O3; 4,04 MgO; 27,90 SiO2; 2,80 SO3. Таким образом, исходное минеральное сырье можно отнести к многофазным полиминеральным системам, поэтому при их модификации стабилизирующей добавкой «Элемент» следует уделить внимание омоноличиванию мелкораздробленных частиц. В образцах цементогрунта варьировали массовые доли портландцемен- та (6, 8, 10 мас. %) и стабилизирующей добавки «Элемент» (1, 5, 10 мас. %). Экспериментально установлено, что оптимальное содержание портландцемента составляет 8 мас. %. Введение в состав стабилизирующей добавки 1, 5, 10 мас. % позволяет получить морозостойкие образцы с прочностью при сжатии 6,29; 13,13 и 14,30 МПа, а также прочностью при изгибе 1,52; 1,98 и 2,56 МПа соответственно. Полученные цементогрунты соответствуют марке прочности М60-М100, тогда как контрольные образцы, не содержащие добавку «Элемент», имеют марку М20 и характеризуются низкой морозостойкостью. Повышение физико-механических характеристик образцов может свидетельствовать об активном участии стабилизирующей добавки в процессе структурообразования. На рис. 3 приведены данные инфракрасной спектроскопии (ИКС) образцов цементогрунта с различным содержанием добавки «Элемент» (1, 5, 10 мас. %), а также дифрактограмма образца с максимальными прочностными характеристиками, содержащего 10 мас. % стабилизирующей добавки. а б Рис. 3. ИКспектры цементогрунтов (а) и дифрактограмма образца с долей стабилизатора 10 мас. % (б) Figure 3. IR spectrum of soil concrete (а) and a diffractogram of a sample with a stabilizer fraction of 10 wt. % (б) Выявлено, что увеличение содержания добавки «Элемент» приводит к усилению гидратации (полосы поглощения с максимумами при 3620 и 3420 см-1), а также появлению дополнительных полос поглощения в ИК-спект- рах при 1869 см-1 и увеличению интенсивности полос поглощения при 1796 см-1, относящейся к валентным колебаниям группы С = О, входящей в структуру стабилизирующей добавки полимерной природы. Данные РФА образца с максимальными прочностными характеристиками свидетельствуют о протекании процесса карбонизации, что подтверждается увеличением содержания СаСО3 (3,0298; 1,8717; 1,6330 Å). Таким образом, механизм действия стабилизирующей добавки включает процессы гидратации и карбонизации поверхности силикатных минералов, препятствующей выщелачиванию гидроокиси кальция. Заключение Талданский щебеночный завод и образуемые в ходе его деятельности отвальные массивы отсевов дробления горных пород оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Это приводит к ухудшению здоровья человека, изменению природных условий обитания водной флоры и фауны, загрязнению подземных и поверхностных вод, изменению рельефа местности, снижению плодородности почв, изменению микроклимата и мн. др. Перспективным способом ликвидации отвалов отсева дробления (объектов накопленного вреда окружающей среде) является их вовлечение в составы дорожных цементогрунтов с применением физико-химического метода стабилизации (искусственного камнеобразования). Выявлено, что исходное минеральное сырье относится к многофазным полиминеральным системам, поэтому их модификация стабилизирующей добавкой полимерной природы «Элемент» позволяет получить композиты с маркой прочности М60-М100.

Об авторах

Наталия Анатольевна Коновалова

Забайкальский институт железнодорожного транспорта

Автор, ответственный за переписку.
Email: zabizht_engineering@mail.ru

кандидат химических наук, доцент, ведущий научный сотрудник

Российская Федерация, 672040, Чита, ул. Магистральная, д. 11

Павел Павлович Панков

Забайкальский институт железнодорожного транспорта

Email: pavelpankov110990@mail.ru

младший научный сотрудник

Российская Федерация, 672040, Чита, ул. Магистральная, д. 11

Дмитрий Викторович Бесполитов

Забайкальский институт железнодорожного транспорта

Email: zabizht_engineering@mail.ru

аспирант

Российская Федерация, 672040, Чита, ул. Магистральная, д. 11

Список литературы