Третья глава диссертационной работы посвящена разработке способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в целях повышения продуктивности и экологической безопасности сельскохозяйственных земель.
Наличие на территории Дагестана кислых и загрязненных тяжелыми металлами земель позволяет также судить и о возможности использования известкового материала получаемого при камнедобыче известняков – ракушечников для улучшения свойств этих почв.
Отходы камнепиления известняков-ракушечников, особенно тонкие фракции, могут быть использованы в качестве мелиоранта без дополнительной переработки для проведения химических мелиораций почв – для регулирования кислотности и подвижности тяжелых металлов в почвах. По химическому составу отходы камнепиления пористых известняков - ракушечников Дагестанских карьеров в основном состоят из карбоната кальция и магния, содержание которых колеблется: СаСО3 от 73 до 94 %, Мg СО3 – 0,4 ….12 %. Они являются практически чистыми карбонатами кальция и магния и не содержат в своем составе токсичных веществ, что предопределяет возможность их использования в качестве известкового материала. Известковая мука, получаемая при переработке отходов камнепиления известняков-ракушечников, относится к первой группе по экологическим ограничениям на использование известковых материалов, материалы, применение которых разрешено без ограничений.
Имеющиеся запасы этого материала позволяют судить о возможности их промышленного использования для улучшения свойств почв. Только при разработке известняков - ракушечников в одном Дербентском районе может быть получено порядка 250000 м3 известкового материала. Известковый материал может быть получен отсевом пылевидной фракции как из отходов камнепиления известняков – ракушечников так и из продуктов их переработки в заполнители для бетонов.
Почвы Республики Дагестан по кислотности характеризуются как кислые, нейтральные и слабощелочные, поэтому изменение кислотности в результате внесения в почву тонких продуктов камнепиления не только улучшит ее плодородие, но и обеспечит хорошее качество продукции растениеводство за счет снижения содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве.
Площадь территории, на которой необходимо провести известкование равняется 1,5 млн. га, что составляет свыше 30 % от общей площади республики. Физическая доза данного известнякового материала с учетом его влажности и крупности помола составляет Дф = 15,06 тонн/га. Для известкования всех почв имеющих кислую реакцию, необходимо До = 22,59 миллион тонн данного известкового материала.
Как известно важным фактором, оказывающим влияние на соотношение подвижных и неподвижных форм металлов в почве, является кислотно-щелочные условия почвы.
Формализовать процесс поведения и превращения в различные соединения даже отдельного взятого металла очень сложно, поскольку этот процесс непрерывный и зависит от многих факторов, включая тип почвы, ее физические, химические и агрохимические свойства, биологическую, зоологическую (участие крупных животных) и микробиологическую активность, сезонность и повторяемости лет по климату и др.
Ввиду малой концентрации тяжелых металлов в почвенных растворах и большой емкости поглощения почвы А.И. Голованов рекомендует использовать линейное уравнение изотермы сорбции Генри:
; (1)
где C0 - равновесная концентрация металла в почвенном растворе; w - объемная влажность почвы; S0 - равновесное, соответствующее C0, количество металла, сорбированное почвой; Г - безразмерная константа Генри; a = 1/Г - коэффициент изотермы сорбции. Кинетика сорбции описывается уравнением (2).
Параметром, определяющим поведение тяжелых металлов в почве, является достоверное знание коэффициента изотермы сорбции a, т.к. по сути дела этот коэффициент объединяет все описанные выше процессы, формирующие соотношение между подвижной и связанной фракциями иона конкретного металла. Содержание этого иона в единице объема почвы в равновесном состоянии равно Z=wC+S или Z=(1+1/a)wC. Коэффициент подвижности иона, т.е. отношение массы ионов в растворе к общему его содержанию в почве R=wC/Z=a/(1+a). Зная это соотношение в результате лабораторных анализов почв, можно приближенно оценить значение эффективного коэффициента изотермы сорбции:
; (2)
Изучение поведения тяжелых металлов в почве с помощью математической модели Голованова А.И. проводилось для кадмия и свинца, характеризующиеся как вещества первого класса опасности.
Д
ля оценки влияния кислотности на подвижность указанных металлов, также как и Голованов А.И., использовались результаты опубликованных исследований (Айдаров И.П., Глазовская И.Г., Ильин В.Б., Ладонин Д.В.,) и данные, полученные в ходе проведения инженерно-экологических изысканий почв и грунтов при строительстве Лефортовских тоннелей и Братеевской набережной. После обобщения и статистической обработки данных были построены зависимости изменения коэффициента подвижности металлов от кислотности почвы, которые представлены на рис.2. и рис.3.
Согласно представленных графиков наибольшее поглощение почвой кадмия наблюдается при рН = 6.5 – 10.0, а свинца – рН = 6,0 – 9,5, поведение этих металлов в щелочной среде нами не выявлено из-за отсутствия данных. Однако даже представленные результаты позволяют сказать, что в указанных диапазонах кислотности свинец менее подвижен, чем кадмий, при чем коэффициент подвижности кадмия составляет около 0.08, а свинца около 0.05.
Для расчета коэффициента сорбции a по зависимости (2.) были использованы данные связи коэффициента подвижности с кислотно-щелочными условиями почвы (рис.2. и рис. 3.). В результате выполненных расчетов на рис. 4. и рис. 5. представлены зависимости коэффициента сорбци от коэффициента подвижности тяжелых металлов в почве.
Анализ представленных графиков показывает, что они имеют схожую зависимость, т.е. коэффициент сорбции в пределах изменения коэффициента подвижности от значений близких к нулю до 0.5 не зависит от вида конкретного металла. Представленные на рисунках 4. и 5. зависимости имеют большое значение при прогнозировании изменения содержания тяжелых металлов в почве на сельскохозяйственных и приусадебных землях. Зная исходные кислотно-щелочные условия и валовое содержание тяжелых металлов в почве (наиболее часто проводимое определение), можно, изменяя в ретроспективе кислотность почвы, получить характер передвижения подвижных форм в системе почва – растения и оценить качество получаемой продукции.
Для изучения динамики изменения содержания подвижных и валовых форм в почве в условиях Республики Дагестан были приняты буро-лесные остепненные почвы, имеющие реакцию от 4,5 до 5,5, а в качестве выращиваемой культуры – картофель, как одной из самых распространенных культур – индикаторов экологического состояния почв, продукта растениеводства.
Полученные выше зависимости были использованы в методике долгосрочного прогнозирования содержания тяжелых металлов в почве, которая совместно с автором этой методики - А.И. Головановым, впервые была специально модернизирована и настроена на определение динамики тяжелых металлов при разной почвенной кислотности в условиях продолжительного периода реальных климатических лет.
Методика основана на решении системы дифференциальных уравнений передвижения влаги и ионов металлов в почве. Точность и чувствительность методики зависит от полноты учета главных действующих факторов. При выполнении данной работы методика прогноза была привязана к конкретным природным условиям, выполнена ее апробация и настройка в части формирования водного режима, а также настроена на объемы загрязнения и модифицирована для условий изменения кислотности почвы, что потребовало изменения граничных условий и алгоритмов решения системы уравнений.
Поступление тяжелых металлов в почву моделировалось следующим образом. Принято, что в основном они поступают в виде пыли и аэрозолей, в которых кадмий и свинец содержатся преимущественно в виде оксидов. В почве они преобразуются в карбонат кадмия и в гидроксид (карбонат, гидрокарбонат) свинца. При увлажнении верхних слоев почвы происходит растворение этих соединений, сорбция значительного количества ионов и поступление оставшейся их части в почвенный раствор. Поэтому при моделировании принято, что тяжелые металлы поступают в почву с атмосферными осадками в растворенном виде, для этого модель настраивалась таким образом, чтобы к началу внесения известковых отходов каменепиления, содержание тяжелых металлов отвечало исходному уровню. Исходный уровень загрязнения почв принимался для условий приближенных к рассматриваемой задаче.
Погодные условия для Республики Дагестан приняты по 20 летнему ряду наблюдений с 1966 по 1985 г.г. Для этого региона среднее годовое количество осадков за теплый период (1.04 по 20.10) составляет 273 мм. Потенциальное испарение с почвы за теплый период по нашим оценкам составляет в среднем 683 мм, дефицит влаги равен 683-273 = 410 мм, значения дефицита изменяется от 200 мм до 800 мм, что говорит о засушливости климата и необходимости орошения.
При решении поставленной задачи был применен ретроспективный метод моделирования: принято, что загрязнение почвы атмосферными осадками расчета продолжалось в течение 30 лет и составило по кадмию 0.30 кг/га, по свинцу – 6.50 кг/га, после чего рассмотрен 10-ти летний период с разными уровнями кислотности почвы, которая создавалась за счет внесения соответствующих доз отходов камнепиления.
В течение 30 лет от начала расчета при ежегодном выпадении кадмия и свинца вместе с осадками на уровне 0.30 кг/га и 6.5 кг/га на момент внесения отходов камнепиления содержание кадмия (горизонт А1+А2) составило 0.72 мг/кг, свинца – 26.98 мг/кг (валовое содержание).
Варианты расчетов по эффективности применения отходов камнепиления определялись уровнем рН и подвижностью (R) металлов в почве согласно рис.2. и рис.3.:
1. Вариант - рНCd = 8,0 (Д = 2,5т/га), рНPb = 7,5 (Д = 2 т/га), R = 0.05
2. Вариант - рНCd = 6,0 (Д = 3,5 т/га), рНPb = 6,5 (Д = 3 т/га), R = 0.1
3. Вариант - рН = 4.5 (Д = 10 т/га), R = 0.3
4. Вариант - рН = 4.0 (Д = 13 т/га), R = 0.5
Вариант 4 принят условно для расчетов, поскольку почвы с такой кислотностью в данном регионе не встречаются, но это не отрицает возможность применение подобной ситуации в других условиях. Результаты прогнозирования представлены на рис. 6. и 7.(кадмий) и рис. 8. и 9. (свинец).
Анализ результатов расчетов по прогнозу изменения содержания кадмия и свинца в почве показывает, что при внесении отходов камнепиления в дозах, обеспечивающих подвижности металлов на уровне R=0,05 достижение минимального содержания тяжелых металлов происходит в течение двух лет. В тоже время для этого варианта наблюдается наибольшее валовое содержание этих металлов в почве, однако тенденция такова, что даже при принятой нагрузке по кадмию на уровне 0,30 мг/кг и по свинцу – 6,50 мг/кг в динамике загрязнения появляется некоторая стабилизация валового содержания в течение последних 10 лет. Все это говорит о том, что в почве при поддержании кислотных условий на уровне 1 варианта, стабилизируются балансовые соотношения между приходом и миграцией тяжелых металлов в слое А1 + А2.
Снижение кислотности за счет внесения тонких продуктов камнепиления хотя и не очищает почву, но при снятии источников загрязнения, позволит стабилизировать на минимальном уровне содержание доступных для растений подвижных форм тяжелых металлов в почве. Критерием достаточности такого приема, в конечном итоге, должно быть получение незагрязненной продукции, а не оценка изменения общего содержания металла в почве.
Исходя из изложенного выше делаем вывод, что отходы камнепиления известняков-ракушечников могут быть использованы для повышения урожайности и экологической безопасности кислых и загрязненных земель.
В четвертой главе диссертационной работы рассматриваются вопросы комплексной рекультивации карьерных выемок, отвалов и прилегающих территорий при добыче пильного стенового камня. Определены виды нарушений и основные направления использования нарушенных земель (карьерные выемки, отвалы вскрышных пород и отходов камнепиления, запыленные, загрязненные и захламленные прилегающие территории).
Карьерные выемки, образующиеся при добыче известняков-ракушечников, относятся к глубоким карьерам, глубиной 30…50м., площадью более 10 га, по водному режиму могут быть сухими, переувлажненными или затопленными водой. Не имеют в бортах токсичных пород, грунтовые воды не токсичны и не засолены. Чаще всего карьеры расположены недалеко от населенных пунктов или в их черте.
В процессе добычи камня образуются насыпи из вскрышного (поверхностный слой месторождения) слоя грунта, непригодного для производственных целей. Толщина вскрышного слоя, снимаемого при разработке известняков-ракушечников, составляет в среднем 3…10 м.
Отвалы, образующиеся из отходов камнедобыче известняков-ракушечников, относятся по ГОСТ 17.5.1.02-85 к средневысоким отвалам, по форме могут быть террасированными или гребневатыми. Отходы камнепиления известняков-ракушечников относятся к материалам и породам, не вызывающим негативных воздействий на окружающую природную среду и могут складироваться в линейно протяженные отвалы, формируемые в виде многоярусной террасированной горы (холма).
В работе рассмотрены вопросы адресной рекультивации нарушенных земель, обустройства переувлажненных, обводненных и сухих выемок образующихся при разработке месторождений пористых горных пород. Дано обоснование основных направлений использования отвалов вскрышных пород, отходов камнепиления и прилегающих территорий.
Основываясь на том, что при обосновании направлений рекультивации нарушенных земель (сельско, лесо, рыбо, водохозяйственное, рекреационное, строительное и др.) должны учитываться такие факторы как рельеф местности, геологические и гидрологические условия, состав и свойства пород и почв прилегающих территорий, природно-климатические условия, состав растительности, экономико–географические, хозяйственные, социально–экономические и санитарно–гигиенические условия выделены следующие критерии выбора основных направлений использования карьерных выемок известняков-ракушечников при их рекультивации: размеры (площадь, глубина); водный режим (сухие, переувлажненные, затопленные водой); химический состав грунтовых вод; геохимический состав вмещающих горных пород (наличие в бортах токсичных пород); удаленность от населенных пунктов.
По приведенным выше обоснованиям основных направлений использования карьерных выемок, выемки, образующиеся при разработке месторождений известняков-ракушечников, могут быть использованы как в сельскохозяйственных, лесохозяйственных так в водохозяйственных и рекреационных целях (водоемы для рыбной ловли, купания или хранения воды).
При сельскохозяйственном использовании карьерных выемок и прилегающих территорий обустройство может проводиться для выращивания овощей, зелени, создания пашни, залужения для восполнения кормовой базы и.т.д.
Возможные виды нарушенных земель при разработке известняков-ракушечников и направления их использования после рекультивации приведены ниже:
Сухие выровненные карьерные выемки могут быть использованы в сельско-, лесо- и водохозяйственных производственных целях;
Глубокие или среднеглубокие обводненные карьерные выемки – равнинная, не подтопляемая грунтовыми водами поверхность для сельскохозяйственного использования, по бортам лесозащитные насаждения, обводненная часть карьеров – рекреационное использование;
Терассированные или гребневидные отвалы отходов камнепиления или пород вскрыши могут быть залужены с целью восполнения кормовых угодий, местами под овощеводство, под лесопосадки;
Сочетание глубоких карьерных выемок и высоких внешних отвалов гребневидных или конических – под лесопосадки противоэрозионного, водоохранного, санитарно-защитного направлений, сельскохозяйственное использование отвалов.
Определен весь комплекс природоохранных рекультивационных мероприятий и работ, исходя из основных целей рекультивации и использования нарушенных земель при разработке месторождений известняков-ракушечников.
Рассмотрены следующие этапы рекультивации:
Подготовительный этап, который начинается с проведения инвестиционного обоснования мероприятий и заканчивается разработкой рабочей документации;
Технический этап – инженерно-техническая часть проекта, направленная на подготовку нарушенных земель для ликвидации последствий антропогенной деятельности и решения задач биологической рекультивации;
Данный раздел работы посвящен вопросам подготовки территории к различным видам целевого назначения. Определены основные требования и виды ландшафтно-восстановительных и экоохранных работ в зависимости от целевого назначения рекультивируемых земель. Освещены вопросы инженерной защиты восстанавливаемых территорий, которая включает мероприятия по отводу поверхностных вод, защите от подтопления и заболачивания, борьбе с оврагообразованием и эрозией почв, устройству дорог, подъездов и других сооружений.
Биологический этап – завершающий этап рекультивации, включающий озеленение, лесное строительство, биологическую очистку почв, агромелиоративные и фиторекультивационные мероприятия, направленные на восстановление процессов почвообразования. По ГОСТ 17.5.1.03 – 86 известняки-ракушечники относятся к карбонатным, скальным породам, к 3-й группе по пригодности для биологической рекультивации, непригодные по физическим свойствам, хотя не являются фитотоксичными. Поэтому их породные отвалы должны быть спланированы и засыпаны слоем потенциально плодородных грунтов, пригодных для развития корневой системы растений в пределах искусственно насыпаемого слоя, то есть должен быть сформирован корнеобитаемый горизонт, мощность которого зависит от назначения участка: для пашни не менее 0,6 м, для лесопосадок – 1…. 2 м и 0,7 м для сенокосов.
Пятая глава диссертации посвящена разработке способов и технологий переработки и использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в строительстве.
Для обоснования пригодности отходов камнепиления известняков-ракушечников для использования в строительстве определены их физико-механические характеристики и определена пригодность отходов для создания новых строительных материалов.
Заполнители, получаемые при дроблении горных пористых пород и отходов их добычи, как и сами эти породы, отличаются большим разнообразием свойств, определяемых их структурой, химическими и минералогическими свойствами. Одним из главных условий возможности переработки и использования отходов камнепиления известняков-ракушечников является, соответствие основных свойств получаемых материалов требованиям гостов. Поэтому в работе рассмотрены основные характеристики и требования к заполнителям из отходов камнепиления пористых горных пород. Приведены результаты исследования физико-механических характеристик заполнителей из отходов камнепиления известняков-ракушечников Дагестанских карьеров.
Испытание заполнителей фракций 5 – 20 и 20 – 40мм, показало, что такие крупные пористые известняковые заполнители можно отнести к маркам 50; 75; 100, насыпная плотность составляет 800 –950 кг /м3. Межзерновая пустотность составляет 45 –55 %. Прочность при сжатии зависит от их начальной влажности и находится в пределах 0,4 – 10 МПа. Следовательно, они могут быть рекомендованы в качестве крупных заполнителей для получения легких бетонов. Пески, получаемые при переработке отходов камнепиления известняков-ракушечников, относятся к мелким пескам и пригодны для использования в легких бетонах в качестве мелкого заполнителя. Они имеют насыпную плотность 1100…… 1150 кг /м3, а пустотность их не превышает 50 %.
Рассмотрено оборудование и технологии для переработки отходов камнепиления в заполнители для бетонов. Технологическая схема получения заполнителей из отходов камнепиления горных пород состоит из камнедробилки, транспортеров и сортировочной установки.
Данная глава диссертационной работы посвящена также разработке методики подбора состава легкого бетона на пористых заполнителях. При проектировании составов легких бетонов по существующим методикам, рекомендуется применять зависимости прочности бетонов от активности цемента и цементно-водного отношения или от активности и расхода цемента. То есть зависимости вида: R = A* R ц * (Ц/В – Б) или R = К о * Rц *(Ц - Со). Влияние вида и свойств заполнителей при прочих равных условиях учитывается входящими в формулу коэффициентами и свободными членами: А, Б, К0, и С0.
Н
едостатком существующих методик проектирования составов легких бетонов является то, что в них не учитывается влияние объемной концентрации крупного заполнителя на прочность бетона. Кроме того, значения коэффициентов и свободных членов, входящих в формулы прочности бетона, должны определяться для каждой породы и каждого месторождения. В ходе исследований нами в работе получены зависимости водопотребности бетонной смеси от водопотребности заполнителей (рисунок 10. и 11.), с учетом требуемой удобоукладываемости бетонной смеси. Зависимости водопотребности заполнителей от их зернового состава и средней плотности (рисунок 12.). А также зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения, активности цемента, прочности, качества и концентрации заполнителей (рисунок 13, 14, 15.).
В основу разработанной в работе методики проектирования состава легкого бетона на пористых заполнителях легли выведенные по полученным зависимостям формулы:
Вб.см.подвиж. = 4* [25 + 1,5* (Вкр. + Вп.) +О. К.], кг/м3, (3)
Вб. см.жестк. = 4* [25 + 1,5* (Вкр. + Вп.) – 0,1* Ж.], кг/м3, (4)
где Вб.см.подвиж.–водопотребность подвижной бетонной смеси;
Вб.см.жестк.– водопотребность жесткой бетонной смеси.
О. К. – осадка конуса бетонной смеси, см.; Ж. – жесткость бетонной смеси, с.
Вкр. = в / Рз.кр. * (3а5 +1,5 а10 + 0,75 а20 + 0,375 а40), % (5)
где Вкр- водопотребность крупного заполнителя, аi - частные остатки на ситах, %
В =50 для гравия; в = 80 для щебня.
Б) водопотребность мелкого заполнителя.
Вп. = 18 / Ρз.п. * (а5 +2 а2,5 +4а1,25 + 8а0,63 + 16 а 0,315 +32 а 0,14 + 64 а <0,14), % (6)
где Вп- водопотребность мелкого заполнителя, аi - частные остатки на ситах, %
Rб. = Ц / 0.05 * В – А * φ / 0,3 * Rкр. + 0,05 * Rц., (7)
где Rб.= Вб / 0,778 - прочность легкого бетона на сжатие в возрасте 28 суток, Мпа; Вб. – класс бетона по прочности на сжатие, Rц. – активность (марка) цемента, МПа; Rкр. – прочность крупного заполнителя при сдавливании в цилиндре, Мпа; А – коэффициент, зависящий от вида мелкого заполнителя- А = 50 для плотных песков; А = 70 для пористых песков; φ - коэффициент насыщения бетона крупным заполнителем. Определены основные физико-механические свойства бетонов на заполнителях из известняков-ракушечников Дагестанских карьеров, запроектированных по разработанной в работе методике.
Анализ полученных результатов показывает, что при расходе цемента 200 …..230 кг/м3 на заполнителях из известняков-ракушечников можно получить бетон прочностью 5…..10 МПа, что соответствует маркам М50, М75, М100. Средняя плотность таких бетонов в естественных условиях составляет 1800 - 1900 кг/м3, а в сухом состоянии 1700 – 1720 кг/м3. По морозостойкости эти бетоны выдерживают от 75 и более циклов замораживания и оттаивания, водопоглощение завершается через двое суток после затворения, водонепроницаемость колеблется в широких пределах от W 2 до W 8, коэффициент размягчения находится в пределах от 0,65 до 0,88.
Так как, со снижением средней плотности легких бетонов связана возможность получения менее теплопроводного бетона, то в работе теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения легких бетонов со средней плотностью Р=1400 кг/м3, используя отходы винной промышленности. При взаимодействии винной кислоты С4 Н6 О6 с карбонатом кальция СаСО3 образуется углекислый газ, искусственно повышающий пористость цементно-песчаного раствора, уменьшая тем самым плотность самого бетона. Зависимость средней плотности бетона от расхода добавки дана на рис. 16. На рисунке17. представлена зависимость теплопроводности и средней плотности бетона от расхода добавки. При расходах добавки в количестве 0,02 %…..0,35 % от массы цемента можем получать легкие бетоны со средней плотностью 1400 – 1600 кг/м3.
