Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время строительное материаловедение, как одна из областей хозяйственной деятельности человека, тесно связано с проблемами экологии, и актуален на сегодняшний день поиск таких решений, которые, наряду с улучшением строительно-технических свойств материалов, одновременно решают экологические задачи. В отличие от прочих строительных материалов фосфатный материал обладает признаками, связанными с его природой, которые могут оказаться особенно выгодными в плане решения некоторых проблем транспортного строительства с учетом необходимости улучшения экологической обстановки.
Цель работы
Цель данной работы состояла в получении новых экозащитных фосфатных материалов для транспортного строительства и определении их основных свойств.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- определение сырьевой базы для получения новых фосфатных
материалов с экозащитными свойствами;
- физико-химический анализ свойств новых фосфатных материалов;
- проведение комплексной оценки предложенных технологий
получения новых фосфатных материалов;
- опытно-промышленное опробование фосфатных материалов.
На защиту выносятся:
новые фосфатные материалы с экозащитными свойствами; термодинамический анализ свойств экозащитных фосфатных материалов;
внедрение разработанных материалов в транспортном строительстве.
Методы исследований: комплексные, включающие современные физико-механические и физико-химические методы, а также натурные исследования. В качестве физико-химических методов использовались: калориметрический, рентгенофазовый, дифференциально-термический, атомно-адсорбционная спектрофотометрия, кондуктометрия и рН-метрия.
Научная новизна состоит в следующем:
-
Установлено, что новые фосфатные материалы, полученные с использованием отработанной фосфорной кислоты, содержащей ионы тяжелых металлов (ИТМ), и нефтезагрязненного грунта, отличаются повышенной водостойкостью, прочностью и морозостойкостью. Показано, что водные вытяжки из разработанных фосфатных материалов не содержат ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов, что доказывает, одновременно с улучшением механо-физических свойств материала, его экозащитность.
-
Показано, что улучшение механо-физических и экозащитных свойств новых фосфатных материалов на основе глиносодержащих грунтов коррелирует с изменением термодинамических параметров системы, оцененных по изобарно-изотермическому потенциалу (AG029g), и что более отрицательные значения потенциала связаны с образованием труднорастворимых гидрофосфатов, способствующих росту прочности и водостойкости материала. Показано также, что экозащитность материалов обусловлена связыванием ионов тяжелых металлов и образованием кремнегеля, способного блокировать нефтезагрязнения.
-
На основании кинетического анализа многолетних образцов фосфатных систем, содержащих соединения тяжелых металлов, сделан прогноз, что с течением времени прочность материалов должна увеличиваться за счет более активного протекания кислотно-основных процессов, катализируемых нерастворимыми гидрофосфатами тяжелых металлов.
-
Предложено їїйЯЕїїірвать процессы взаимодействия в
* V, '-(» "' '
>»* г' 2
глинофосфатных системах не только образованием, но и введением
труднорастворимых веществ, содержащих ионы тяжелых металлов,
например, сульфата бария. Изучен механизм влияния сульфата бария на
твердение фосфатных систем путем исследования электропроводности;
t показано, что в присутствии сульфата бария наблюдается рост
электропроводности пасты, что происходит в результате увеличения количества токопроводящих ионов, вызванного катализом процесса; показано также, что при этом повышается водостойкость материала. Практическая ценность и реализация работы
-
Предложены новые фосфатные экоматериалы для транспортного строительства с использованием глиносодержащих, в том числе и нефтезагрязненных, грунтов и техногенных продуктов разной природы. Материалы отличаются улучшенными физико-механическими свойствами и одновременной способностью к защите окружающей среды, что коррелирует с термодинамическими и кинетическими свойствами системы.
-
Разработаны новые водо- и морозостойкие конструкционные материалы для строительства и укрепления грунтов на основе кембрийской глины с использованием техногенных продуктов, содержащих ионы тяжелых металлов, характеризуемые повышенной прочностью при сжатии до 15,0 МПа после водонасыщения и морозостойкостью 35 циклов. Материалы использованы для укрепления грунтов на опытных площадках размерами 2x3м и 3x3м с поверхностным закреплением почвенного слоя на территориях локомотивных депо ТЧ-15 и ТЧ-20 и защищены патентом на изобретение № 2254307.
-
Разработаны новые экозащитные глинофосфатные материалы для укрепления грунта, содержащие отработанный моющий раствор с нефтезагрязнениями, использование которого позволяет замедлить сроки схватывания при твердении более чем в 2 раза. Материалы
характеризуются прочностью при сжатии, равной 12,0 МПа, и морозостойкостью 35 циклов, использованы при укреплении грунта промышленной территории для стоянки автотранспорта в локомотивном депо ТЧ-8 и защищены патентом №2257359.
-
Предложены новые фосфатные материалы, содержащие баритовую руду, отличающиеся улучшенными радиационно-защитными свойствами, а также повышенной прочностью и водостойкостью. Материал имеет прочность до 10,0 МПа, морозостойкость 35 циклов, рекомендован к использованию в целях радиационной защиты.
-
Произведена комплексная оценка разработанных технологий и полученных материалов, рассчитан индекс качества PQ (property quality) предложенных решений по эксплуатационному, технологическому и экологическому параметрам. При расчете качества предлагаемых технологий утилизации нефтезагрязненного грунта установлено, что наибольшие значения индекса качества PQ (0,915 и 0,899) достигаются в технологии получения глинофосфатных материалов на основе отработанной фосфорной кислоты, содержащей ионы тяжелых металлов, при содержании нефтепродуктов в грунте 10 и 3,5 %, соответственно.
-
Проведен экономический анализ использования предложенных материалов. Показано, что предотвращенный экологический ущерб составляет 3,9 млн. руб. в год, ежегодные платежи предприятия за загрязнение окружающей среды уменьшаются на 9,58 млн. руб. Материалы диссертации используются в учебном процессе ПГУПСа в практикуме кафедры «Инженерная химия и естествознание», а также в программе института повышения квалификации и переподготовки специалистов на основе авторского учебного пособия «Новые технологии защиты окружающей среды на транспорте», ПГУПС, 2005г.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались на научно-технических конференциях в ПГУПС: «Неделя науки-2004», «Неделя науки-2005», на Международной научно-технической конференции «Новые технологии рециклинга отходов производства и потребления» (Минск, 2004), на Всероссийской научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), на Международной научно-практической конференции «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экология» (Пенза, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ и докладов, в том числе получено 3 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 142 страницах, состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы и 12 приложений, 28 рис., 47 табл. В списке литературы приведено 125 источников.
