Актуальность темы
.
Ежегодно на предприятиях черной металлургии России образуется более 40 млн. тонн металлургических шлаков. Наибольшую долю из них составляют доменные шлаки, представляющие собой силикатные системы, содержащие наряду с основными компонентами — силикатами кальция и магния, железа и его оксидов более 20 соединений тяжелых металлов {В.С.Горшков, А.Г. Романенко).
До 90-х годов прошлого века образующиеся отходы складировались в отвалах открытым способом, часто вблизи водных объектов, степень использования шлаков составляла менее 20%. В отвалах, являющихся значительным источником антропогенного воздействия на окружающую среду, в особенности на объекты гидросферы, накоплено более 200 млн. тонн шлаков.
Доменные шлаки по своим свойствам подобны природным силикатным материалам (гравийный щебень, керамзит), широко используемым в строительной индустрии, и на большинстве металлургических предприятий России в настоящее время доменные шлаки текущего выхода утилизируются с получением шлакового щебня, бетонов и железобетонов, минераловатных материалов и др. (К. А. Черепанов, B.C. Баталии). Начинают интенсивно использоваться и отвальные шлаки, в связи, с чем возникает проблема рекультивации выработанных объектов складирования.
Вместе с тем, анализ научно-технической информации показал, что вопросы влияния шлаковых отвалов, металлургических шлаков и строительных материалов на их основе на объекты гидросферы остаются недостаточно изученными. Отсутствие системного подхода к исследуемой проблеме, данных сравнительного анализа эмиссий загрязняющих веществ из природных материалов (щебня), из шлаков, продуктов их утилизации и изделий из них в водные объекты не позволяют оценить их реальную экологическую опасность.
Проведение комплексных исследований по оценке воздействий доменных шлаков и продуктов их переработки, в частности, бетонов различных марок и изделий из них — железобетонных свай, на объекты гидросферы является актуальной задачей, требующей решения.
Цель работы — снижение негативного воздействия доменных шлаков на объекты гидросферы путем разработки экологически безопасной технологии изготовления и использования забивных железобетонных свай на шлаковой основе.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести комплексную оценку воздействий отвалов доменных шлаков на объекты гидросферы и разработать мероприятия, направленные на их минимизацию.
2. Определить химический состав, физико-химические свойства доменных металлургических шлаков и шлакового щебня, полученного при обогащении шлаков, установить их потенциальную экологическую опасность на примере шлаков одного из крупных металлургических предприятии Пермского края — Чусовского металлургического завода (ЧМЗ).
3. Исследовать физико-химические и механические свойства образцов бетона на шлаковом щебнезакономерности эмиссий ионов тяжелых металлов из образцов шлакового щебня и бетонов на шлаковом щебне в водные среды и оценить их потенциальную экологическую опасность для объектов гидросферы.
4. Разработать экологически безопасную технологию изготовления и использования забивных железобетонных свай на шлаковой основе и провести опытно-промышленные испытания образцов.
Объект исследования: доменные металлургические шлаки и шлаковый щебень (ЧМЗ), образцы бетонов с заполнителем из шлакового щебня и забивные железобетонные сваи на их основе.
Предмет исследования: воздействие доменных металлургических шлаков, образцов бетонов с заполнителем из шлакового щебня на объекты гидросферы, физико-химические и механические свойства бетонов на шлаковом щебне, эксплуатационные характеристики железобетонных свай на шлаковом щебне.
Научная новизна.
• Определены закономерности эмиссии ионов тяжелых металлов (титана, ванадия, железа и марганца) из природного, шлакового щебня и образцов бетонов на шлаковом щебне в модельные водные среды. Установлено, что зависимость эмиссий ионов тяжелых металлов (ТМ) в воду от времени имеет экстремальный характер. Снижение эмиссий тяжелых металлов через 3−5 суток после начала обработки обусловлено повышением рН среды и образованием труднорастворимых гидроксидов и сульфидов тяжелых металлов. Определены кинетические уравнения и константы скорости эмиссии тяжелых металлов в модельный раствор при рН=4,8.
• Установлено, что эмиссии токсичных тяжелых металлов из бетонов на шлаковом щебне соответствуют образцам бетонов на природном щебне. Разработаны физическая модель формирования уплотненного слоя грунта при забивке свай в водонасыщенные глинистые грунты с выделением четырех зон уплотнения, предотвращающих проникновение грунтовой влаги к свае и эмиссию загрязняющих веществ в окружающую среду, и методика расчета коэффициента фильтрации в зонах уплотнения в зависимости от пористости грунта.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны мероприятия, направленные на снижение эмиссий загрязняющих веществ в водные объекты при временном складировании доменных металлургических шлаков.
2. Разработана рецептура получения образцов бетонов, соответствующих классам бетона по прочности В 15, В 22,5, В 25, с полной заменой природного щебня шлаковым щебнем ЧМЗ. Установлено, что бетон на шлаковом щебне обладает повышенной морозостойкостью (Б 200), что позволяет использовать его для изготовления забивных железобетонных свай, применяемых в климатических условиях Западного Урала и Сибири.
3. Представлены технические условия на изготовления забивных железобетонных свай на шлаковом щебне.
4. Разработана методика определения коэффициента фильтрации грунта внутри зоны уплотнения, вокруг свай и свайных фундаментов, и рекомендации по экологически безопасной технологии использования забивных железобетонных свай на шлаковой основе.
5. Результаты исследований используются в учебном процессе в курсах лекций по дисциплинам «Общая экология», «Механика грунтов, оснований и фундаментов» рабочего учебного плана подготовки специалистов по направлению «Защита окружающей среды», «Промышленное и гражданское строительство», «Автомобильные дороги и аэродромы».
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается применением современных методов анализа и обработки результатов лабораторных и опытно-промышленных исследованийиспользованием общепринятых методик химического и физико-химического анализа образцов металлургического шлака и бетонов на его основеположительным опытом реализации предложенных решений. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Комплексным анализом экологического состояния отвалов доменных шлаков ЧМЗ установлено их негативное воздействие на грунтовые и поверхностные воды, а также на донные отложения рек в зоне влияния объектов складирования, связанное с эмиссиями ионов тяжелых металлов, что обусловливает необходимость ликвидации отвалов и рекультивации нарушенных территорий.
2. Исследованиями физико-механических свойств, коррозионной устойчивости и морозостойкости образцов бетонов на шлаковом щебне установлено, что по основным эксплуатационным характеристикам полученные образцы не уступают стандартным образцам бетона.
3. Потенциальная экологическая опасность бетонов на шлаковом щебне, установленная по величине эмиссий ионов тяжелых металлов в модельные водные среды (рН=7, рН=4,8), сопоставима со стандартными образцами бетонов на природном щебне.
4. Разработанные технологические решения по изготовлению и эксплуатации забивных железобетонных свай позволяют предотвращать эмиссию загрязняющих веществ в окружающую среду.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Автотранспортный комплекс — проблемы и перспективы, экологическая безопасность» (г. Пермь, 2007 г.), международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (г. Пермь, 2008 г.), III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Омск, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них одна статья в журнале, входящем в Перечень ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, список литературы включает 126 источников, в том числе 4 иностранных. Объем диссертации составляет 135 стр. машинописного текста, включающих 41 таблиц и 27 рисунков.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Комплексный анализ экологического состояния отвалов доменных шлаков ЧМЗ позволил установить их негативное воздействие на грунтовые и поверхностные воды, а также на донные отложения рек в зоне влияния объектов складирования, что обусловливает необходимость их ликвидации и рекультивации нарушенных территорий. В грунтовых водах превышение над фоновыми показателями составляет по цинку 8,4 раз, титану — до 2,6, хрому — до 39, никелю — 5,4, марганцу — 5,9 и меди — 9,7 раз. Содержание цинка в поверхностных водных объектах в сравнении с фоновыми значениями увеличивается в 20−22 раза, титана — в 2 и 7 разхрома — в 10 разникеля — в 6 размарганца — в 10 и меди — в 10 и 8 раз .
2. Установлены закономерности эмиссий тяжелых металлов (титана, ванадия, железа и марганца) из шлакового щебня в модельные водные среды. Показано, что в воде в течение 30 суток наблюдается постепенное снижение эмиссий ТМ в результате осаждения на поверхности частиц гидроксидов и сульфидов ТМ. В аммонийно-ацетатном буферном растворе за 30 дней обработки доля экстракции ионов железа составляет 9,6%, ионов Мп — 4,90%, V — 0,27%, Ti — 2,50%, что свидетельствует о высокой устойчивости ТМ в структуре шлака.
3. Разработана рецептура получения образцов бетонов на шлаковом щебне и установлено, что по основным эксплуатационным характеристикам (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и коррозийная стойкость) полученные образцы соответствуют требованиям, предъявляемым к бетонам марок В 15, В 22,5, В 25.
4. Установлено, что потенциальная экологическая опасность бетонов на шлаковом щебне, определенная по величине эмиссий ТМ в водные среды, сравнима со стандартными образцами бетонов на природном щебне.
5. На основании опытно-промышленных испытаний забивных железобетонных свай на шлаковом щебне определены их эксплуатационные характеристики в статическом и динамическом режимах. Установлено, что при забивке сваи вокруг нее формируется водонепроницаемое пространство из уплотнённого грунта, препятствующее проникновению к телу свай влаги и способное предотвращать эмиссию загрязняющих веществ в окружающую среду. Разработана методика определения радиуса зоны уплотнения водонасыщенного глинистого грунта вокруг свайных фундаментов в зависимости от первоначальной плотности грунта.
6. Внедрение разработанной технологии изготовления и эксплуатации железобетонных свай с использованием шлакового щебня ЧМЗ позволяет полностью утилизировать текущий выход доменного шлака и минимизировать эмиссию загрязняющих веществ в водные объекты из отвалов и полученных строительных материалов.
Предлагаемый способ утилизации позволит снизить платежи за размещение отходов на 180,013 млн. руб/год.
