Дослідження якісних властивостей відходів каменевидобування та каменеобробки з метою їх використання як сировини для виготовлення геополімерного бетону
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2023-1(91)-385-397Ключові слова:
утилізація кам’яного шламу, хімічний склад кам’яного шламу, гранулометричний склад кам’яного шламу, кам’яний шлам, геополімерний бетонАнотація
Видобувна та переробна галузі характеризуються великою кількістю утворених відходів. У структурі утворення відходів станом на 2020 р. 96 % від загальної кількості належить відходам видобувної та переробної галузі. Саме тому розробка нових шляхів утилізації відходів гірничих підприємств є актуальною науково-практичною задачею.
У роботі наведено характеристику дрібнодисперсних відходів каменевидобувних та каменеобробних підприємств з метою їх використання як сировини для виготовлення геополімерного бетону. Досліджено хімічний та гранулометричний склад відходів камевидобувних та каменеобробних підприємств, а саме кам’яного шламу, що утворюється внаслідок різання природного каменю. На відміну від відходів каменеобробних підприємств, шлам з каменевидобувних підприємств характеризується сталим хімічним складом. Це пояснюється тим, що каменеобробні підприємства оброблюють природний камінь з різних родовищ, що мають відмінний мінералогічний та хімічний склад. Оскільки для виготовлення геополімерів важливим є відношення Si / Al, яке має бути більшим за 3, було проаналізовано хімічний склад шламів з каменеобробних підприємств, які оброблюють різні гірські породи. Дослідження показали, що відношення Si / Al становить більше 3.
Дослідженнями [35] встановлено, що 80–90 % частинок у складі золи для виготовлення геополімерного бетону повинні мати розмір менше за 45 мкм. Тому було наведено гранулометричний склад кам’яного шламу, який показав, що 14 % частинок має розмір менше за 50 мкм, та 79 % частинок має розмір від 50 до 100 мкм. Тоді як глина має частинки з розміром менше за 50 мкм у кількості 79 % та 14 % частинок у розмірі від 50 мкм до 100 мкм. Також було визначено гранулометричний склад піску як сировинного матеріалу, що використовується при виготовленні бетону.
Посилання
Aznar-Sánchez, J. et al. (2018), «Mining waste and its sustainable management: advances in worldwide research», Minerals, Vol. 8, No. 7, рр. 284, doi: 10.3390/min8070284.
Tayebi-Khorami, M. et al. (2019), «Re-Thinking mining waste through an integrative approach led by circular economy aspirations», Minerals, Vol. 9, No. 5, рр. 286, doi: 10.3390/min9050286.
Almeida, M.I. et al. (2015), «Contribution to the development of product category rules for ceramic bricks», Journal of cleaner production, Vol. 92, рр. 206–215, doi: 10.1016/j.jclepro.2014.12.073.
Zhang, L. et al. (2019), «CO2 emission linkage analysis in global construction sectors: alarming trends from 1995 to 2009 and possible repercussions», Journal of cleaner production, Vol. 221, рр. 863–877, doi: 10.1016/j.jclepro.2019.02.231.
Subashi De Silva, G.H.M.J. and Mallwattha M.P.D.P. (2018), «Strength, durability, thermal and run-off properties of fired clay roof tiles incorporated with ceramic sludge», Construction and building materials, Vol. 179, рр. 390–399, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.187.
Liu, B. et al. (2020), «Composition of energy outflows embodied in the gross exports of the construction sector», Journal of cleaner production, Vol. 248, рр. 119–296, doi: 10.1016/j.jclepro.2019.119296.
Gupta, V. et al. (2020), «A state of the art review to enhance the industrial scale waste utilization in sustainable unfired bricks», Construction and building materials, Vol. 254, рр. 119220, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119220.
«Production of bricks from waste materials – A review» (2013), Construction and building materials, Vol. 47, рр. 643–655, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2013.05.043.
Fiala, L. et al. (2020), «Application of ceramic waste in brick blocks with enhanced acoustic properties», Journal of cleaner production, Vol. 261, рр. 121–185, doi: 10.1016/j.jclepro.2020.121185.
Ozturk, S. et al. (2019), «Influence of tea waste concentration in the physical, mechanical and thermal properties of brick clay mixtures», Construction and building materials, Vol. 217, рр. 592–599, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.05.114.
Taurino, R. et al. (2019), «Lightweight clay bricks manufactured by using locally available wine industry waste», Journal of building engineering, Vol. 26, рр. 100892, doi: 10.1016/j.jobe.2019.100892.
Eliche-Quesada, D. et al. (2011), «The use of different forms of waste in the manufacture of ceramic bricks», Applied clay science, Vol. 52, No. 3, рр. 270–276, doi: 10.1016/j.clay.2011.03.003.
Singh, A. et al. (2011), «Review of life-cycle assessment applications in building construction», Journal of architectural engineering. – 2011. – Vol. 17, No. 1. – P. 15–23, doi: 10.1061/(asce)ae.1943-5568.0000026.
Teo, P.T. et al. (2019), «Recycling of Malaysia's EAF steel slag waste as novel fluxing agent in green ceramic tile production: sintering mechanism and leaching assessment», Journal of cleaner production, Vol. 241, рр. 118–144, doi: 10.1016/j.jclepro.2019.118144.
Cusidó, J.A., Cremades, L.V. and Cusidó, J.A. (2012), «Environmental effects of using clay bricks produced with sewage sludge: leachability and toxicity studies», Waste management, Vol. 32, No. 6, рр. 1202–1208, doi: 10.1016/j.wasman.2011.12.024.
Mao, L., Guo, H. and Zhang, W. (2018), «Addition of waste glass for improving the immobilization of heavy metals during the use of electroplating sludge in the production of clay bricks», Construction and building materials, Vol. 163, рр. 875–879, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.177.
Graziani, A. and Giovannelli, G. (2015), I lapidei struttura del settore e tendenze innovative, Centro Studi Fillea, Rome, 25 p., [Online], available at: http://www.filleacgil.it/nazionale/accordi/all_1817.pdf
Zichella, L. et al. (2018), «Preliminary investigations on stone cutting sludge processing for a future recovery», Journal of cleaner production, Vol. 178, рр. 866–876, doi: 10.1016/j.jclepro.2017.12.226.
Dino, G.A., Fornaro, M., Corio, E. and Fornaro, E. (2006), «Residual sludge management: A possible reuse as loam», EU H2020 ITN “REMEDIATE” View project Pioneering an EU-wide understanding of Secondary Raw Materials availability from landfills View project Residual sludge management: A possible reuse as loam, Proceedings of the 10th IAEG congress, Nottingham, UK, 6–10 September.
Montanari, E. (2007), «Una particolare categoria di rifiuti provenienti da attività estrattiva: i limi di lavaggio inerti-Problematiche inerenti e quadro normative», J. Ord. Geol. Emilia-Romagna, Vol. 27, рр. 31–36, [Online], available at: http://www.geologiemiliaromagna.it/rivista/2007-27_Montanari.pdf
Nasserdine, K. et al. (2009), «Environmental management of the stone cutting industry», Journal of environmental management, Vol. 90, No. 1, рр. 466–470, doi: 10.1016/j.jenvman.2007.11.004.
Mancini, R., Fornaro, M. and Dino, G.A. (2005), «Applicazioni e trattamenti in campo ingegneristico e industrial», Politecnico di Torino, Torino, Italy, [Online], available at: http://www.naturalstoneinfo.com/download/interregIII.03.pdf
EUR-Lex–31999L0031–EN–EUR-Lex, [Online], available at: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A31999L0031
Aliabdo, A.A., Abd Elmoaty, A.E.M. and Auda, E.M. (2014), «Re-use of waste marble dust in the production of cement and concrete», Construction and building materials, Vol. 50, рр. 28–41, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2013.09.005.
Khale, D. and Chaudhary, R. (2007), «Mechanism of geopolymerization and factors influencing its development: a review», Journal of materials science, Vol. 42, No. 3, рр. 729–746, doi: 10.1007/s10853-006-0401-4.
Provis, J.L. (2013), «Geopolymers and other alkali activated materials: why, how, and what?», Materials and structures, Vol. 47, No. 1–2, рр. 11–25, doi: 10.1617/s11527-013-0211-5.
«Slag-alkaline binders based on dump waste blast furnace slag» (2019), Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii, No. 5, рр. 160–167, doi: 10.32434/0321-4095-2019-126-5-160-167.
Yu, G. and Jia, Y. (2022), «Microstructure and mechanical properties of fly ash-based geopolymer cementitious composites», Minerals, Vol. 12, No. 7, рр. 853, doi: 10.3390/min12070853.
Rożek, P., Król, M. and Mozgawa, W. (2019), «Geopolymer-zeolite composites: a review», Journal of cleaner production, Vol. 230, рр. 557–579, doi: 10.1016/j.jclepro.2019.05.152.
Davidovits, J. (2020), Geopolymer chemistry and applications, 5th ed., Geopolymer Institute, 698 p.
Bell, J.L. and Kriven, W.M. (2004), «Nanoporosity in aluminosilicate, geopolymeric cements», Microscopy and microanalysis, Vol. 10, S02, рр. 590–591, doi: 10.1017/s1431927604884496.
Provis, J.L. et al. (2011), «Hard X-ray nanotomography of amorphous aluminosilicate cements», Scripta materialia, Vol. 65, No. 4, рр. 316–319, doi: 10.1016/j.scriptamat.2011.04.036.
Duxson, P. et al. (2006), «Geopolymer technology: the current state of the art», Journal of materials science, Vol. 42, No. 9, рр. 2917–2933, doi: 10.1007/s10853-006-0637-z.
J.S.J. van Deventer et al. (2010), «Chemical research and climate change as drivers in the commercial adoption of alkali activated materials», Waste and biomass valorization, Vol. 1, No. 1, рр. 145–155, doi: 10.1007/s12649-010-9015-9.
Zailani, W.W.A. et al. (2020), «Effect of iron oxide (fe2o3) on the properties of fly ash based geopolymer», IOP conference series: materials science and engineering, Vol. 877, рр. 012017, doi: 10.1088/1757-899x/877/1/012017.
Terrones-Saeta, J.M. et al. (2020), «Development of ceramic materials for the manufacture of bricks with stone cutting sludge from granite», Minerals, Vol. 10, No. 7, рр. 621, doi: 10.3390/min10070621.
Список використаної літератури:
Mining waste and its sustainable management: advances in worldwide research / J.Aznar-Sánchez et al. // Minerals. – 2018. – Vol. 8, No. 7. – P. 284. DOI: 10.3390/min8070284.
Re-Thinking mining waste through an integrative approach led by circular economy aspirations / M.Tayebi-Khorami et al. // Minerals. – 2019. – Vol. 9, No. 5. – P. 286. DOI: 10.3390/min9050286.
Contribution to the development of product category rules for ceramic bricks / M.I. Almeida et al. // Journal of cleaner production. – 2015. – Vol. 92. – P. 206–215. DOI: 10.1016/j.jclepro.2014.12.073.
CO2 emission linkage analysis in global construction sectors: alarming trends from 1995 to 2009 and possible repercussions / L.Zhang et al. // Journal of cleaner production. – 2019. – Vol. 221. – P. 863–877. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.02.231.
Subashi De Silva G.H.M.J. Strength, durability, thermal and run-off properties of fired clay roof tiles incorporated with ceramic sludge / G.H.M.J. Subashi De Silva, M.P.D.P. Mallwattha // Construction and building materials. – 2018. – Vol. 179. – P. 390–399. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.187.
Composition of energy outflows embodied in the gross exports of the construction sector / B.Liu et al. // Journal of cleaner production. – 2020. – Vol. 248. – P. 119–296. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.119296.
A state of the art review to enhance the industrial scale waste utilization in sustainable unfired bricks / V.Gupta et al. // Construction and building materials. – 2020. – Vol. 254. – P. 119220. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119220.
Production of bricks from waste materials – A review // Construction and building materials. – 2013. – Vol. 47. – P. 643–655. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.05.043.
Application of ceramic waste in brick blocks with enhanced acoustic properties / L.Fiala et al. // Journal of cleaner production. – 2020. – Vol. 261. – P. 121–185. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121185.
Influence of tea waste concentration in the physical, mechanical and thermal properties of brick clay mixtures / S.Ozturk et al. // Construction and building materials. – 2019. – Vol. 217. – P. 592–599. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.05.114.
Lightweight clay bricks manufactured by using locally available wine industry waste / R.Taurino et al. // Journal of building engineering. – 2019. – Vol. 26. – P. 100892. DOI: 10.1016/j.jobe.2019.100892.
The use of different forms of waste in the manufacture of ceramic bricks / D.Eliche-Quesada et al. // Applied clay science. – 2011. – Vol. 52, No. 3. – P. 270–276. DOI: 10.1016/j.clay.2011.03.003.
Review of life-cycle assessment applications in building construction / A.Singh et al. // Journal of architectural engineering. – 2011. – Vol. 17, No. 1. – P. 15–23. DOI: 10.1061/(asce)ae.1943-5568.0000026.
Recycling of Malaysia's EAF steel slag waste as novel fluxing agent in green ceramic tile production: sintering mechanism and leaching assessment / P.T. Teo et al. // Journal of cleaner production. – 2019. – Vol. 241. – P. 118–144. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.118144.
Cusidó J.A. Environmental effects of using clay bricks produced with sewage sludge: leachability and toxicity studies / J.A. Cusidó, L.V. Cremades // Waste management. – 2012. – Vol. 32, No. 6. – P. 1202–1208. DOI: 10.1016/j.wasman.2011.12.024.
Mao L. Addition of waste glass for improving the immobilization of heavy metals during the use of electroplating sludge in the production of clay bricks / L.Mao, H.Guo, W.Zhang // Construction and building materials. – 2018. – Vol. 163. – P. 875–879. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.177.
Graziani A. I lapidei struttura del settore e tendenze innovative / A.Graziani, G.Giovannelli. – Rome : Centro Studi Fillea, 2015. – 25 p. [Electronic resource]. – Access mode : http://www.filleacgil.it/nazionale/accordi/all_1817.pdf.
Preliminary investigations on stone cutting sludge processing for a future recovery / L.Zichella et al. // Journal of cleaner production. – 2018. – Vol. 178. – P. 866–876. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.12.226.
Residual sludge management: A possible reuse as loam / G.A. Dino, M.Fornaro, E.Corio, E.Fornaro // EU H2020 ITN “REMEDIATE” View project Pioneering an EU-wide understanding of Secondary Raw Materials availability from landfills View project Residual sludge management: A possible reuse as loam : Proceedings of the 10th IAEG congress, Nottingham, UK, 6–10 September. – 2006.
Montanari E. Una particolare categoria di rifiuti provenienti da attività estrattiva: i limi di lavaggio inerti-Problematiche inerenti e quadro normative / E.Montanari // J. Ord. Geol. Emilia-Romagna. – 2007. – Vol. 27. – P. 31–36. [Electronic resource]. – Access mode : http://www.geologiemiliaromagna.it/rivista/2007-27_Montanari.pdf.
Environmental management of the stone cutting industry / K.Nasserdine et al. // Journal of environmental management. – 2009. – Vol. 90, No. 1. – P. 466–470. DOI: 10.1016/j.jenvman.2007.11.004.
Mancini R. Applicazioni e trattamenti in campo ingegneristico e industrial / R.Mancini, M.Fornaro, G.A. Dino // Politecnico di Torino. – Torino, Italy, 2005 [Electronic resource]. – Access mode : http://www.naturalstoneinfo.com/download/interregIII.03.pdf.
EUR-Lex–31999L0031–EN–EUR-Lex [Electronic resource]. – Access mode : https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A31999L0031.
Aliabdo A.A. Re-use of waste marble dust in the production of cement and concrete / A.A. Aliabdo, A.E.M. Abd Elmoaty, E.M. Auda // Construction and building materials. – 2014. – Vol. 50. – P. 28–41. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.09.005.
Khale D. Mechanism of geopolymerization and factors influencing its development: a review / D.Khale, R.Chaudhary // Journal of materials science. – 2007. – Vol. 42, No. 3. – P. 729–746. DOI: 10.1007/s10853-006-0401-4.
Provis J.L. Geopolymers and other alkali activated materials: why, how, and what? / J.L. Provis // Materials and structures. – 2013. – Vol. 47, No. 1–2. – P. 11–25. DOI: 10.1617/s11527-013-0211-5.
Slag-alkaline binders based on dump waste blast furnace slag / Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii. – 2019. – No. 5. – P. 160–167. DOI: 10.32434/0321-4095-2019-126-5-160-167.
Yu G. Microstructure and mechanical properties of fly ash-based geopolymer cementitious composites / G.Yu, Y.Jia // Minerals. – 2022. – Vol. 12, No. 7. – P. 853. DOI: 10.3390/min12070853.
Rożek P. Geopolymer-zeolite composites: a review / P.Rożek, M.Król, W.Mozgawa // Journal of cleaner production. – 2019. – Vol. 230. – P. 557–579. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.05.152.
Davidovits J. Geopolymer chemistry and applications, 5th ed. / J.Davidovits. – Geopolymer Institute, 2020. – 698 p.
Bell J.L. Nanoporosity in aluminosilicate, geopolymeric cements / J.L. Bell, W.M. Kriven // Microscopy and microanalysis. – 2004. – Vol. 10, S02. – P. 590–591. DOI: 10.1017/s1431927604884496.
Hard X-ray nanotomography of amorphous aluminosilicate cements / J.L. Provis et al. // Scripta materialia. – 2011. – Vol. 65, No. 4. – P. 316–319. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2011.04.036.
Geopolymer technology: the current state of the art / P.Duxson et al. // Journal of materials science. – 2006. – Vol. 42, No. 9. – P. 2917–2933. DOI: 10.1007/s10853-006-0637-z.
Chemical research and climate change as drivers in the commercial adoption of alkali activated materials / J.S.J. van Deventer et al. // Waste and biomass valorization. – 2010. – Vol. 1, No. 1. – P. 145–155. DOI: 10.1007/s12649-010-9015-9.
Effect of iron oxide (fe2o3) on the properties of fly ash based geopolymer / W.W.A. Zailani et al. // IOP conference series: materials science and engineering. – 2020. – Vol. 877. – P. 012017. DOI: 10.1088/1757-899x/877/1/012017.
Development of ceramic materials for the manufacture of bricks with stone cutting sludge from granite / J.M. Terrones-Saeta et al. // Minerals. – 2020. – Vol. 10, No. 7. – P. 621. DOI: 10.3390/min10070621.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Володимир Ігорович Шамрай , Вікторія Вікторівна Мельник-Шамрай , Анатолій Георгійович Темченко , Артур Миколайович Махно , Роман Мирославович Ігнатюк
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
