Эколого-экономическое обоснование использования золы в производстве композитных растворов

Цикл статей:

Глава 1 — Разработка технологии композитных цементно — бентонитовых систем с добавкой золы от сжигания шпал и применение их при строительстве и эксплуатации объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта
Глава 2 — Исходные материалы и методы исследования
Глава 3 — Разработка состава композитных растворов с заменой цемента золой от сжигания шпал
Глава 4 — Экологическая безопасность композитного раствора содержащего золу Глава 5 — Эколого-экономическое обоснование использования золы в производстве композитных растворов

Рекомендации по составам композитных цементно — бентонитовых систем содержащих золу от сжигания шпал

Композитные растворы являются эффективным средством для заполнения крупных пустот и трещин, уплотнения и укрепления трещиноватых и закарстованных, сильно проницаемых водонасыщенных грунтов, а также изоляционных работ. Композитные системы являются также эффективным средством при устройстве людских соединительных сбоек (ЛСС) при строительстве метрополитена. Эти растворы готовятся и нагнетаются по периодической однорастворной схеме при смешивании бентонита и золы, а затем добавление цемента.

Рекомендации по составлению и применению композитных растворов разработаны на основе экспериментов, выполненных в настоящей работе [158, 159].

Состав и основные технологические свойства композитных растворов приведены в табл. 5.1 и 5.2.

Предлагаемые составы композитных растворов с заменой цемента золой имеют улучшенные технологические характеристики по сравнению с контрольными образцами. При введении золы прочность через 28 суток возрастает примерно на 20%, а коэффициент фильтрации уменьшается почти в два раза.

Экономическая оценка применения композитных растворов с
частичной заменой цемента золой

При сооружении JICC предварительно создаются грунтоцементные сваи с замещением части цемента золой от сжигания отработанных деревянных шпал, с применением двухструйной технологии, имеющей два независимых канала для подачи по одному из них композитного раствора, а по второму — воздушную струю под давлением 0,6… 1,2 МПа происходит сложение двух кинетических энергий раствора и воздушной струи.

Бурение скважины до подошвы сваи производили буровой установкой DELTA BASE. Приготовление композитного раствора с В:Ц = 1:1,33 производили в миксерной станции (установки) ОМР-800 производительностью 100 л/мин.

Подачу раствора на напорную магистраль производили трехплунжерным насосом HD-100 под давлением 450-500 атм. через два сопла диаметром 2,2-2,6 мм.

В период с июня 2009 г. по декабрь 2010 г. ООО «Транстоннельсроем» велись работы по сооружению людских соединительных сбоек (ЯСС) на перегоне между станциями «Кремлевская» и «Козья слобода» Казанского метрополитена.

Проектом организации строительства сооружения ЛСС, ввиду крайне сложных инженерно-геологических условий, предусмотрено закрепление грунтов методом струйной цементации по технологии «Джет — граутинг II».

В целях экономии, при приготовлении раствора для струйной цементации был использован композитный цементно — бентонитовый раствор с заменой 20% цемента золой от сжигания деревянных шпал.

При сооружении людских соединительных сбоек (ЛСС) при закреплении 1 п.м. расходуется по старой технологии 0,74 т цемента, по новой технологии в состав композитной системы входит цемента 0,5 т., бентонита 0,04 т., жидкого стекла 0,04 т., золы от сжигания шпал 0,15 т. Перечень и объем основных работ при сооружении ЛСС №1 приведен в табл. 5.З., а расход материалов в табл. 5.4.

Стоимость 1 т. цемента составляет 3400 руб., бентонита — 2000 руб., жидкого стекла — 2550 руб., золы (доставка из Тагула в Казань) — 650 руб. Общие затраты на материалы для сооружения ЛСС составляют: по новой технологии — 2520658 руб., по новой — 2029481 руб. Таким образом, экономия от использования композитного раствора с 20% замены цемента золой, составляет 491177 руб. При этом экономия цемента составляет 222,42 т.

Выводы

  1. Даны рекомендации по составу композитных растворов на 1 м сваи диаметром 1200 мм по сооружению людских соединительных сбоек при строительстве линий метрополитена.
  2. Разработана технология приготовления цементно — бентонитового композитного раствора с заменой 20% цемента золой.
  3. Композитный раствор прошел производственные испытания при строительстве линий Казанского метрополитена. На основе производственных испытаний при проведении работ по сооружению людских соединительных сбоек (ЛСС) на перегоне между станциями «Кремлевская» и «Козья слобода» Казанского Метрополитена проведен расчет экономического эффекта при использовании композитного раствора с добавкой золы. По результатам установлено, что разработанная рецептура композитного раствора позволила сэкономить 222,42 т. цемента и получить экономию в сумме 491,2 тыс. руб., а так же улучшить качество струйной цементации за счет улучшенной проникаемости раствора в структуру грунта.

Заключение

  1. Впервые определен химический состав оксидов и тяжелых металлов в золах от сжигания шпал. Расчетно-экспериментальным методом установлено, что она относиться к третьему классу опасности для здоровья человека и к четвертому классу по отношению к окружающей среде.
  2. Впервые на основе рентгеновских спектров, выполненных на световом и растровом электронных микроскопах, выявлено, что зола от сжигания шпал представляет собой многокомпонентный агрегат частиц из сплава железа и меди в виде кубиков, чередующихся чешуйчатыми обособлениями слоистых алюмосиликатов — каолинита, монтмориллонита и гидрослюды, с включением зерен кварца и кальцита.
  3. Установлено и экспериментально доказано преимущество применения бентонита Зырянского месторождения марки П2Т2А, для использования его в композитном растворе.
  4. Изучено влияние золы на структуру образования и прочностные показатели композитных растворов с водоцементным соотношением 2:1. Установлено, что при замене 5% цемента золой скорость структурообразования увеличивается, и прочность системы возрастает примерно на 50% по сравнению с контрольным образцом.
  5. На основании метода микрозондирования на просвечивающемся микроскопе было установлено, что введение золы приводит к получению однородной системы с полным заполнением трещин в цементном камне, улучшению прочности и снижению водопоглощения. Экспериментально доказано, что можно заменить 20% цемента золой без потери технологических показателей раствора.
  6. Экологическая безопасность композитного раствора содержащего золу, подтверждена методами анализа токсичности, фитотоксичности и агроэкономической оценки на трех тест — объектах зерновых культур. По зеленой массе овса, ярового ячменя полной спелости и высоты проростков озимой пшеницы, не выявлено токсичного действия золы в новом композитном растворе, что подтверждает его экологическую безопасность.
  7. Разработана технология приготовления цементно — бентонитового композитного раствора с заменой 20% цемента золой. Даны рекомендации по составам композитных растворов при водоцементных соотношениях 2:1 и 1,33:1. Композитный раствор прошел производственные испытания при строительстве линий Казанского метрополитена. На основе производственных испытаний при проведении работ по сооружению людских соединительных сбоек (ЛСС) на перегоне между станциями «Кремлевская» и «Козья слобода» Казанского Метрополитена проведен расчет экономического эффекта при использовании композитного раствора с добавкой золы. По результатам установлено, что разработанная рецептура композитного раствора позволила сэкономить 222,42 т. цемента и получить экономию в сумме 491,2 тыс. руб., а так же улучшить качество струйной цементации за счет улучшенной проникаемости раствора в структуру грунта.

Список литературы

  1. Hoffmann В., Dietrich С., Thomann R., Friedrich Ch., Mulhaupt R. Morphology and rheology of polystyrene nanocomposites based upon organoclay. // Macromolecular raping communication, 2000, V.21. — P.57- 61
  2. Hudson S.D. Polyolefm nanocomposites. United States patent 5,910,523. 1999
  3. Liao В., Song M., Liang H., Pang Y. Polymer-layered silicate nanocomposites. A study of poly(ethylene oxide)/Na+-montmorillonite nanocomposites as polyelectrolytes and polyethylene-block — poly(ethylene glycol) copolymer/ Na+-montmorillonite nanocomposites as fillers for reinforcement of polyethylene. // Polymer, 2001, V.42. — P. 10007-10011.
  4. Бельчинская Л.И. Адсорбционные характеристики модифицированного органосилоксанами природного минерала с клиноптилолитовой структурой составляющей / Л.И. Бельчинская, О.Ю. Стрельникова // Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья: материалы II Всерос. науч. конф. с междунар. участием, Белгород, 18-13 сент. 2006 г. — Белгород: Изд-во Бел-ГУ, 2006. — С.29-32.
  5. Фадеев А.Ю. Гидрофобные и супергидрофобные химические модифицированные пористые кремнеземы: получение и исследование их смачивания водой / А.Ю. Фадеев, В.А. Ерошенко // Российский
    химический журнал. Теория и практика адсорбционных процессов. — 1995. — Т. 39, №6. — С.93 — 103.
  6. Глазунова И.В. Адсорбционно-структурные характеристики каолинита, модифицированного органосилоксанами: дисс. канд. техн. наук: 02.00.04 / И.В. Глазунова. — Липецк, 2003. — 154 с.
  7. Свиридов В.В. Закономерности очистки воды от масел и нефтепродуктов с помощью сорбционнокоалесцирующих материалов: дисс. канд. техн. наук: 05.23.04 / В.В. Свиридов. — Екатеринбург, 2005. -202 с.
  8. Гудович Н. В., Овчаренко Ф. Д. Образование органофильного монтмориллонита при ионном обмене // Коллоидный журнал. 1963, Т.25. Вып. 4.-С. 407-411.
  9. Кузнецов В.Ю. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений / В.Ю. Кузнецов, В.Н. Щебетковский, А.Г. Трусов. — Атомиздат, 1974. — 359 с.
  10. Корнилович Б.Ю. Очистка вод от цезия-134 и стронция-90 с использованием природных и активированных карбонатсодержащих материалов /Б.Ю. Корнилович, Л.Н. Сласенова, A.A. Косоруков и др. // Химия и технология воды. — Киев — 1999. — 184 с.
  11. Везенцев А.И. Адсорбент катионов тяжелых металлов и радиоактивного цезия / А.И. Везенцев, В.И. Павленко, Н.Е. Соболев и др. // Ресурсосберегающие технологии и охрана окружающей среды: тез. докл. Рос. межотрас. научно — техн. конф. — С.-Петерб., 1993. — С. 15.
  12. ГОСТ 10178-76 Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия.
  13. ГОСТ 13078-81 Стекло натриевое жидкое. Технические условия.
  14. ГОСТ 23732-79 Вода для бетонов и растворов Технические условия ТУ.
  15. ГОСТ 6709-72 Вода Дистиллированная Технические Условия ТУ Гост на питьевую воду.
  16. ТУ 2164-006-41219638-2005 Глинопорошки для буровых растворов.
  17. ГОСТ 28177-89 Глины формовочные бентонитовые. Общие технические условия.
  18. ГОСТ 17.4.4.01-84 Охрана природы. Почвы. Методы определения емкости катионного обмена
  19. Устинова М.В., Зубрев Н.И. Бентониты для инъекционных растворов / III Межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы экономической и социально-экологической безопасности Поволжского региона». Сборник по материалам. — М.: МИИТ РОАТ, 2010.-с. 44-49
  20. Критерии отнесения отходов к классу опасности, утвержденные приказом МПР России от 15 июня 2001 г. №511
  21. Санитарные правила по определению класса опасности токсичных отходов производства и потребления СП 2.1.7.1386-03 (зарегистрированы в Минюсте 19 июня 2003 года, регистрационный №4755)
  22. Грицаенко Г.С., Рудницкая Е.С., Горшков А.И. Электронная микроскопия минералов. М.: Недра, 1965. — 307 с.
  23. Батурин Г.Н., Дубинчук В.Т. Микроструктуры океанских фосфоритов. Атлас микрофотографий. М.: Наука, 1979. — 202с.
  24. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
  25. Черных К.П. Закономерности регулирования состава и свойств газобетона на основе зол углей КАТЭКа. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. — Барнаул, 2000. — 20 с.
  26. Журбицкий З.И. Теория и практика проведения вегетационных опытов. -М.: Наука, 1968.-266 с.
  27. Кельцев H. В. Основы адсорбционной техники. 2-е изд., перераб. и доп. -М., Химия, 1984.-592 с.
  28. Устинова М.В., Зубрев Н.И., Аксенов В.А., Медведева В.М. Использование золы от сжигания отработанных деревянных шпал на термической установке по обезвреживанию отходов / Сетевое совещание руководителей природоохранных подразделений железных дорог «Проблемы комплексной утилизации отходов и пути их решения». Тезисы докладов. — Калининград, 2011. — с. 174-176
  29. Устинова М.В., Зубрев Н.И., Аксенов В.А.Утилизация золы от сжигания деревянных железнодорожных шпал в составе композитных систем / Научно технический журнал «Наука и техника транспорта» №4. — М. : МИИТ РОАТ, 2011.-е. 61-64