автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Противофильтрационные экраны из золошлаковых материалов с добавками полимера

' На правах рукописи

- Я И*'П/!

ГОГОЛЕВ Алексей Евгеньевич

ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЭКРАНЫ ИЗ ЗОЛОШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ДОБАВКАМИ ПОЛИМЕРА

Специальность 05.23.07 — гидротехническое и мелиоративное

строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ).

Научный руководитель: доктор технических наук В. Г. Пантелеев.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Н. Н. Розанов;

кандидат технических наук С. В.< Васильев.

Ведущая организация — Государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт по осушению'месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу» (НИИ ВПОГЕМ).

Защита состоится /г 1997 г, в

/¿5 ч

на заседании диссертационного совета К033.05.01 в НИИ ВОДГЕО по адресу: 119826, Москва, Г-48, Комсомольский пр., 42.

С диссертацией можно, ознакомиться в библиотеке НИИ ВОДГЕО.

Автореферат разослан ............................... 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н.

М. В. Витенберг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Выход золы и шлака на тепловых электрических станциях превышает 100 млн.тбнн в год, и имеется тенденция к увеличению этих отходов. Места складирования золошлаковых материалов - золоотвалы и шлакоотвалы - занимают много места, емкости под них на многих ТЭС практически заполнены. В этих условиях проблема расконсервации старых отвалов и их высотное наращивание.приобретает жизненно важное значение. Но в связи с ужесточением требований к охране природы ставится задача снизить и, если можно, исключить утечки загрязненных оборотных вод, не занимая большую полезную емкость отвала под сооружения лротивофильтрационной зашиты. Решение этой проблемы достаточно -эффективно может быть осуществлено с использованием композитных материалов на основе отходов золы и шлака с добавками полимеров.

Цель работы и задачи исследований. Цель работы заключается в решении проблемы увеличения полезной емкости золоотвалов при устройстве п их .основаниях противофильтрационных мшит.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

-использование в качестве исходных материалов противофильтрационных экранов отходов золы и шлака ТЭС;

• -подбор полимерной добавки и предложение рецептуры для создания композита (золошлак + полимер);

-изучение влияния изменений природных условий на фильтрационные свойства предложенного композитного материала;

-исследование физико-механических свойств золошлаков, модифицированных раствором полимера:

-пре.хюжения по производству работ при сопании протипо-фильтрапионных зашит из композитных матершпов.

Наумцая_новизна исследований заключается в разработке

подходов к вводу в действие старых законсервированных золоотвалов с устройством в них противофильтраиионных зашит. Предложен композитный материал из золошлака л полимера и разработана рецептура его состава. Опытными исследованиями изучены фильтрационные и физико-механические свойства предложенного композита, разработаны рекомендации подбора оптимального количества добавок полимера для получения заданных фильтрационных характеристик.

На защиту выносится:

- рассмотрение физико-химических механизмов создания противофильтраиионных экранов из золошлаковых материалов с добавками полимеров;

-изучение влияния различных факторов (количество полимера, температура фильтрационного потока, изменение градиента напора, возможные осушения, замораживания и т.д.) на фильтрационные свойства золошлако-полимерного материала;

- исследование физико - механических свойств полученного композитного материала при различных соотношениях золошлака и полимера;

предложения по технологии создания противофильтраиионных зашит из золошлако-полимерных материалов;

- методика подбора количества добавок полимера для внесения в золошлак.

Практическая ценность. Предложен новый композитный материал и разработана методика подбора оптимального количества добавок полимера в золошлако-полимерном материале с целью обретения им соответствующих фильтрационных свойств. Предложенный композит может быть использован, для проектирования сплошных противофильтраиионных экранов на расконсервированных золоотвалах ТЭС, а также для хранения отходов химических производств. •

Апробация роботы. Основные положения работы докладывались:

- на заседании секции водных путей и гидротехнических сооружении научно-технических конференций: ВГАВТ, Нижний Новгород. 1993 - 1996 г.г.

- - на региональных конференциях "Исследования по рациональному использованию природных ресурсов и защите окружающей среды". НГАСА, Нижний Новгород. 1995, 1996 г.г.;

- на секции оснований, фундаментов и механики грунтов международной научно-технической конференции, СПБГАСУ,

Санкт-Петербург,1996 г. .

Внедрение результатов исследовании. Проведен крупномасштабный эксперимент с созданием золошлако-полимерного экрана на шламонакопителе ОАО "Капролактам" и выполнены исследования физико-механических свойств материалов на золоотвхте Омской ТЭЦ-4, а том числе и с введением ■ полимерных добавок.

Публикации. Основное содержание работы отражено в семи печатных работах автора.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 120 наименований и 4 приложений. Общий объем диссертации 177 стр., в том числе: 112 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 14 таблиц.

В процессе работы над диссертацией большую помощь оказали профессор Ю.Д.Ссмчиков ( ИГУ им. М.И.Лобачевского ), доцент А.А.Огарков, завлабораторией В.А.Жданов (НГАСА). которым автор выражает искреннюю признательность.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность вопросов, выбранных XIя рассмотрения и раскрываются основные положения диссертации.

Первая глава посвящена анализу современного состояния исследований по вопросам создания ' грунтово-полимерных композиций с использованием методов технической мелиорации грунтов. Рассмотрены . основные! способы создания противофильтрационных грунтово-полимерных устройств.

Имеющиеся конструктивные решения противофильтрационных защит позволяют достаточно надежно решить проблему снижения фильтрации. Для сохранения полезной емкости накопителей более приемлемыми являются зашиты, выполненные из грунтово-полимерных материалов, основными компонентами которых являются грунт и силикат, грунт и смола или полимер.

Вопросам создания грунтово-полимерных материалов для их использования в противофильтрационных экранах и для укрепления оснований под сооружения посвящены работы отечественных 'ученых А.Н. Адамовича, Г.И. Банника, В.М. Безрука, H.A. Блескиной, Ю.С. Большаковой, Г.Ф. Вайсфельда, С.Д. Воронкевича, J1.B. Гончаровой, Б.М: Гуменского, В.В. Давыдова, Г.Н. Жинкина, Т.Г. Жордания, М.Н. Ибрагимова, P.A. Измайловой, В.А. Картина, П.Ф. Мельникова, Г.Н. Никольской, П.А. Ребиндера, Б.А. Ржаницына, В.Е. Соколовича, Б.С. Федорова, и др. Аналогичные разработки проведены и зарубежными авторами в таких фирмач как "Солетанш" (Франция ), "Американ Симнамид компани" (США), "Сумитомо Кемикл Компани" (Япония) и др.

Проведя анализ применяемых средств для понижения фильтрующей способности грунтов, отмечены два направления:

первое касается технологии создания противофильтрационных зашит (глубинный и поверхностный методы);

.- втрое относится к поиску рецептур, которые бы удовлетворяли таким условиям, как: дешевизна, доступность компонентов, минимальное количество химических составляющих, надежность, до.поиечность эксплуатации создаваемых зашит и ->ко:югическаи безопасность.

Большая часть рассмотренных рецептур грунтоно- полимерных компотами применяется только при глубинных методах закрепления с целью повышения прочности грунтового массива, а уменьшение фнльтруюшсн способности отмечается как одно из побочных свойств. Технология создания таких компоштов очень трудоемка, велик расход дорогостоящих химических реагентов, а количество исходных материалов составляет не менее трех. Другие реагенты (силикат - эгилацетат, карбамидная, хромлигнинная, эпоксидная смолы, акрилампд и др.), не могут быть задействованы в виду ужесточения норм предельно допустимых концентраций вредных веществ в воле, а такие, как фурановая смола — из-за их высокой агрессивности и в'<рывоопасности.

В работе-рассмотрена возможность применения композитов на основе золошлаков, модифицированных полиакрпламидом (ПАЛ) ввиду его петоксичности, налаженного выпуска на химических заводах, простоты тс.хнолоши создания прогивофпльтранпонпых зашит и эффективности действия полимера (СанПиН -1630-88; Абрамов. [>айдурдов и др., 1992: Гончарова, 1973), и поставлена цель провести поиск рецептур па основе золошлаковых отходов. Это тем более важно, что за время эксплуатации 'ГЭС свободные плошали под золоотвалы исчерпаны и рассматривается возможность наращивания существующих золоотвалов. Мри этом предполагается по возможности упростить технологию возведения ирогиво-фкльтрашкшною экрана, исключив перемешивания I рун га с хнмреагенюм и заменив этот процесс, где это можно, простым поливом поверхностного слоя золошлака.

В11__пторой_глам описаны физико-химические механизмы, объясняющие уменьшение фильтрующей способности золошлаковых материалов с внесением в них полимерных добавок.

В условиях естественного залегания отходов золы и шлака поры полностью или частично заполнены свободной и фшически свя миной полой. Фильтрующая способность пористых срел

определяется активной пористостью. В работе поставлена цель уменьшения активной пористости золошлакового материала.

Золошлаки по энергетической способности относятся к группе минералов с высоким положительным потенциалом и большим количеством адсорбирующих центров в виде катионов на поверхности частиц (Банник, 1976). Об этом свидетельствует спектральный анализ исследуемых золошлаков (Гоголев, Огарков, 1995; Мелентьев, Нагли, 1968), результаты которого приведены в табл.1, и повышенная дисперсность (Пантелеев ,1970).

В качестве полимерной добавки предлагается раствор гидролизопанного полиакриламида (ГПАА), который выпускается на заводах г. Дзержинска.

Этот реагент по сравнению с чистым полиакриламидом дает следующие преимущества :

-образование до 70% карбоксильных групп (-СООН), придающих молекулам полимера отрицательный заряд, в то время как промышленно выпускаемый полиакриламид имеет обычно 6-10%. (Коростелева , Мищенко , ¡980 );

-распрямление полимерных непочек, , обеспечивающее возможность лучшего проникания в мельчайшие поровые каналы.

Таблица 1

Осреднекный химический состав золошлакоеых материалов

(в пересчете на сухое вещество)

Химсостав Золоотвал \ Содержание окисл веш ов в пересчете на сухое ество, %

СаО+ МдО Ма20+ К?0 БЮг А1203 Ре20 3 БО2 ТЮ2

Омская ТЭЦ-4 1.9 0,7 64,7 27,7 4,6' 0,3 0,1

Игумновская ТЭЦ •5,1 0,9 46,9 36,3 7,8 2,8 0,2

В настоящее время принято считать, что знак и величина

заряда, а не химическая природа иона, имеют решающее значение для адсорбции (Кузькин, Небера,1963). Если мелкодисперсные частицы и цепочки ГПАА имеют противоположный заряд, то полимер под влиянием электростатических сил адсорбируется на поверхности частиц, вытесняя оттуда находящиеся в адсорбированном слое ионы простых электролитов.

Адсорбция отдельных звеньев макромолекул на мелкодисперсных золошлаковых частицах протекает, в основном, в виде анионного обмена, который заключается в замещении пшроксильных групп алюмосиликатов анионными группами полимеров (Воюцкий, 1975):

[AI,Si| • ОН + RCOOH lAl,Sij• OOCR +Н20 (1)

Иногда, может иметь место и катионный обмен (Reurwein, Ward, 1952), происходящий на имеющих отрицательный заряд разрушенных местах кристаллической решетки золошлаковых частиц в виде обмена противоионов ( катионов натрия, калия, кальция и др.) на макроионы полимера:

|AI,Si| Na+ + R+OH -> |AI,Si|R + Na+QH (2)

Все чти явления происходят согласно механизма флокуляцни (La Мег, Smellie, 1962; La Мег, Healy, 1963), который заключается сначала в первичной адсорбции, где каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной мелкодисперсной частице, а затем вторичной адсорбции, когда свободные сегменты адсорбированных макромолекул закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками. При взаимодействии с мелкодисперсными золошлаковыми частицами ГПАА выступает также в качестве высокоэффективного коагулянта (Воюнкий, 1975; Вейнер, Минц, 1984). Присутствие в растворе добавок коагулянта приводит к быстрой коагуляции с образованием агрегатов, выпадающих в ос:иок. Это происходит в фильтрационном потоке, где мелкодисперсная фаза приближается друг к ;ipyry на такое расстояние, при котором между рашоименно заражении ми частицами

действуют силы кулоновского притяжении, а .между нейтральными -силы Ван-лер-Ваал ьса (Банник, 1976; Гончарова, 1975).

Образованные при коагуляции агрегаты различной величины обладают достаточной плотностью, поэтому, попадай в сужения поровых каналов, они перекрывают путь фильтрационному потоку. Осадок образуемый во всей толще массива, распределяется в нем с определенной закономерностью, когда количество задержанного вещества быстро убывает в направлении движения потока воды при фильтровании (Байкова, Тарнонольекая,. Бочаров. 1989; Кожинов, 1971). С увеличением скорости потока воды в пространстве между частицами золошлаков происходит нарастание гидродинамических усилий, которые приводят к отрыву части прилипших частиц. Оторвавшиеся частицы в последующих слоях-массива могут опять' прилипнуть к зернам, фильтрующего материма. Многократное повторение прилипания и отрыва частиц, образование и разрушение осадка в порах массива определяют динамику процесса фильтрования (Митнп, 1965), а вместе с тем и фильтрующую способность.

Сопоставляя полученные данные, влияющие на динамику процесса фильтровании, можно создать па основе золошлаковых материалов с применением ГПАА противофильтрационные экраны с наперед заданными фильтрационными характеристиками. Эта задача может быть решена для имеющихся золошлаков подбором толщины создаваемого нротивофильтрациопиого экрана и количеством внесенного в пего гидролизоваиного полпакриламида (ГПДА).

В третьей главе излагается методика, и проведение экспериментальных исследований. Рассматриваются результаты лабораторного изучения фильтрационных свойств золошлако-полнмерного материала с учетом воздействия различных факторов; связанных с количеством внесенного в золошлак полимера, температуры фильтрующейся воды, действующего градиента напора, осушения композитного материала и его попеременного замораживания и оттаивания.

Определение коэффициентов фильтрации золошлаковых материалов, модифицированных добавками ГПАА, проводилось на пробах нарушенной структуры, как в разрыхленном, так и уплотненном состоянии в фильтрационных колонках по стандартной методике (ГОСТ 25584-90; Жилснков, 1968).

Высота слоя испытуемого золошлако-нолимериого материала менялась в опытах от 5 до 30 см, а действующим на них напор варьировался от 0.2 до 2.0 м.

В процессе опытов в начальный период величина коэффициента фильтрации значительно меняется по. времени, а в дальнейшем достигает определенных стабильных значений. Зависимости изменения коэффициента фильтрации золошлако-полимерных образцов во времени К = Г(1) представлены на рис.! (Гоголев, 1996).

В качестве образцов по созданию композитов испытывались золошлакн золоотвалоп Омском ТЭЦ-4 и Игумновской ТЭЦ.

Для опытов сухой золошлак перемешивался с раствором ГПАА, а затем полученная смесь помешалась в фильтрационную колонку. С целью • выявления оптимального состава золошлако-полимерной смеси в лабораторных исследованиях рассматривалось соотношение количества ГПАА в пределах 0,1 - 0,6Го к золошлаку.

Анализируя графики рис. I, можно отмепггь. что введение добавок полимера в золошлакн позволяет уменьшить величину коэффициента фильтрации на 1-3 порядка, и полученные значения носят стабильный характер.

Сложный характер зависимостей изменения коэффициента фильтрации (графики 6, 7), говорит о том, что процесс обра ктания агрегатов из золошлаковых и полимерных частиц и их вотможные перемещения из верхних слоев в нижние практически 'закончится, а в остальных случаях он еше продолжается (графики 2, 3, 4. 5).

Проведенные фильтрационные испытания обратно» киошла-ко-полимерпой смеси с одинаковыми физико-химическими харлк-

теристиками при трех режимах температур (9= 5,15,25°С) (Гоголев, 1994) показывают, что с повышением температуры фильтрующей в воды скорость падения величины коэффициента фильтрации увеличивается. Так при 9=25°С золошлако-полимерные материалы набирают заданные значения коэффициента фильтрации почти в два раза быстрее чем при Э=5°С (Гоголев, 1994), что, кстати, подтверждается потерями напора в фильтровальных загрузках на станциях очистки воды (Вейцер, Минц, 1984; Croucher, Hare, 1978, Stephens, Kinsey, 1.993).

Рис.1. Изменение коэффициента фильтрации от времени в зависимости от количества ГПАА в золошлаке . •

1 т- без добагок ГПАА; 2-7 — с добавками ГПАА соответственно 0,1%; 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,5%; 0,6%; 8 - предельное значение Кф для отходов IV класса опасности .

Исследования влияния градиента напора на фильтрационные свойства золошлаков, модифицированных. ГПАА, показывают, что с ростом величины градиента напора У) эффективность действия

создаваемого протпвофильтраииопного экрана уменьшается. Так эффективность снижения величины коэффициента фильтрации при .} = 10 по отношению к } = 2 падает почти в два раза, и при дальнейшем увеличении .1 эта тенденция будет продолжаться.

Данное явление, в первую очередь, связано с отсутствием значительного числа минеральных частиц, ■ которые могут флокулировагь и коагулировать, поэтому макромолекулы полимера слабо связаны с пористым скелетом золошлакового материала и легко мот вымываться фильтрационным потоком с увеличением гидравлического уклона. Другая причина заключается в том, что в процессе внесения раствора ГПАА в золошлак (перемешивание, полив), в массиве могу! существовать участки, куда не попали молекулы полимера, поэтому с увеличением градиента напора мелкие золошлаковые частицы будут интенсивно вымываться транзитным фильтрационным потоком. В эгич случаях при проектировании защитных экранов и-з золошлако-иолимерных материалов с воздействием на них ./>100 может быть принято решение создания нескольких экранов по высоте золоотвала.

В процессе лабораторных испытаний так же установлено , что образны композитного материала, набравшие стабильную величину коэффициента фильтрации при .1=2,5,10 ,а затем подвергнутые более высоким градиентам напора (.)= 20-100), показывают практически неизменную фильтрующую способность. Аналогичные результаты с образцами из песка, бентонита и ПАА получены в институте механики при МГУ им. М.В.Ломоносова (отчет НИР, 1988).

Определение влияния осушения на фильтрационные свойства золошлаков,-модифицированных раствором ГПАА, осуществлялось на образцах с содержанием 0.3% и 0.5% ГПАА. В течении 10 суток через колонки пропускалась вода, затем процесс фильтрации прерывался. Через 50 суток со дня начала опытов вола снова iio.iaua.iacb в колонки. В период работы колонок, исключая промежуток осушения, отмечены следующие особенности: осушение

золошлако-полимерного материала приводит к увеличению фильтрующей способности, но последующее его водонасышенис способствует быстрому восстановлению фильтрационных характеристик (Гоголев, 1996).

Аналогичное поведение композитов получено лабораторными исследованиями при попеременном замораживании и оттаивании.И чем больше процентное содержание ГПАА в композите, тем меньше будет увеличение фильтрующей способности.

В качестве варианта создания протнвофильтрашюнной зашиты золоотвалов уже неоднократно рассматривалась возможность образования экрана в основании отвала разработкой технологических схем намыва, обеспечивающих осаждение мелкодисперсных частиц по длине пляжа намыва и на подводном откосе в отстойном пруду с кольматированием намытых отложений (Пантелеев, Гоголев, 1992). Но все эти схемы обязательно требуют дополнительных мероприятий, снижающих , проницаемость основания и обеспечивающих доведение коэффициента фильтрации . до допустимых значений. Поэтому была смоделирована подача пульпы золы на залошлако-пОлимерный материал с содержанием 0.3 - 0.6% ГПАА в количестве 2% . от массы образна композита в фильтрационной колонне. Полученные результаты показывают, что с увеличением содержания ГПАА в золошлакс эффективность снижения величины коэффициента фильтрации увеличивается при • уменьшении срока достижения заданного значения. Подобные результаты получены и для строительных песков'с добавками ПАА и бентонита (отчет НИР института механики при МГУ, 1988).

С целью упрощения технологии« внесения добавок полимера в • золошлак были апробированы способы простого полива золошлакового массива в различных состояниях (уплотненное; разрыхленное; низ уплотнен, верх разрыхлен).

Анализ испытаний показал неэффективность-способа полипа .ия разрыхленного и уплотненного золошлакового массива в силу

выноса макромолекул полимера п перлом случае, а во втором из-за невозможности проникновении основного количества макромолекул полимера в норовые каналы массива.

Но в том случае; когда верхняя часть золошдакового массива разрыхлена, . а нижняя уплотнена, способ полива дал такие же результаты как и при перемешивании, а п отдельных случаях и выше.

.В четвертой главе излагаются методика и результаты лабораторных исследований физико-механических . свойств золошлако-полимерного материма в зависимости от процентного содержания в нем добавок полимера, влажности и т.д.

Как изпестио, ¡1 весенний период при оттаивании промерзших ограждающих дамб происходит их оползание, что, как правило, влечет за собой прорывы тела дамб и пынос разжиженного золошлакового материала (Мелентьеп, ¡978). В результате этого сооружения приходят в аварийное состояние, С целью .прогнозирования работы отвалов по ¡ШИИГе широко и подробно изучены физико-механические свойства золошлаков. В данном раздев исследуется вопрос влияния добакж полимера на фнз-нко-механмчсские свойства провоженного композита.

При внесении в золошлак раствора полимера добиваются эффекта взаимного слипания мелкодисперсных чзстии а крупные агрегаты и их прилипания к крупным зернам золошлакового массива. В результате происходит насыщение пороного пространства осадком и увеличения гидравлического сопротивления пористой среды (Миши, 1965; Славинскии, Хабирова, Кравцова, 1980). Учитывая гранулометрический состав золошлакд, его состояние и особенности формирования в массиве осадка, через потери напора рассчитываются значения есредненной пористости золошлако-' полимерного материала. Так гит содержании полимера в композите 0.1,,0.3, 0.5% осредненная пористость соответственно составит 0.42, 0:185, 0.142, и ;\тгС-рсс ее значен»« -22%; 9.6%; 8.6%. Данные закономерности хорошо объясняют результаты значений объемной

массы скелета композита с различным содержанием полимера, определяемые по стандартной методике (ГОСТ -5180-84).,

С увеличением содержания в композите полимера объемная масса скелета возрастает. Вместе с тем просматривается закономерность уменьшения величины объемной массы скелета но высоте , что характерно для глинистых грунтов, в составе которых имеются "плавающие" в мелкоземе крупные частицы (гравий, щебень) (Жиленков, 1977). Это связано с созданием осадка в верхних слоях фильтруемого массива, а в случае простого полива образцов, еще и способностью проникновения полимера через толщу « золошлакового массива. Полученные данные р^к=1,01-1,16г/см1 для золошлако-полимерного материала вполне согласуются с значениями золошлаков рск=1,00-1,10 г/см-1 (Мслептьев, 1985).

Характеристики сопротивления сдвигу золошлаковых материалов с добавками полимеров ■ определялись при помощи односрезного прибора ГГП-ЗОм по стандартной методике (ГОСТ-12248-78). По результатам испытаний были вычислены касательные (т) и нормальные (р) напряжения и построены диаграммы сдвига золошлако-полимерного материала. При обработке диаграмм сдвига получены зависимости изменения угла внутреннего трения ,(ч») " удельного сцепления (с) композитного материала в зависимости от количества, содержащегося в нем полимера (рис.2). Так у композита с добавкой полимера в количестве 0.6% по сравнению с золошлаковым материалом угол внутреннего трения (<р) уменьшился почти на 2 градуса, а удельное сцепление увеличилось' на 0.25 МПа. Это связано с тем, что увеличение содержания полимера приводит к повышению числа коагуляционных связей в композите (Ребипдер, 1979). , : '

Сопротивление сдвигу по контакту материалов, находящихся в различных агрегатных состояниях (талое и мерзлое), а так же на контакте талого материала со льдом при разных значениях массовой влажности голого золошлакового материала и различным

содержанием полимера было выполнено на специально

изготовленном для этой цели приборе (Огарков, 1987).

Анализ изменения угла внутреннего трения талого композитного материала при его оползании по мерзлому материалу (композитный, золошлаковый) и льду показывает, что при увеличении влажности композитного материала от нуля до полного водонасышения при содержании в нем полимера 0.1%' вначале происходит увеличение угла (при влажности образцов от 0% до 10%), а затем его резкое уменьшение. При содержании полимера 0.3% и 0.6% с увеличением массовой влажности значения ф сразу начинают снижаться, вначале незначительно, а затем резко ( табл. 2).

С^.цмд С.МПа

Содержание ГПААот золошлако-нолимериого материма в % ' Рис. 2. Изменение угла внутреннего трения (ч>) и удельного сиеплсиия ( с ) золошлако-полимерного материала

Данное обстоятельство связано с тем, что пола в грунтах играет роль поверхностно-активного вещества гидрофильного типа, вызывающего адсорбционное понижение прочности в контактах структуры (Ребпндср.' 1970). Некоторое увеличение значений .? при

средних значениях водонасьццсния объясняется действием менисков в открытых порах структуры, частично занятых воздухом.

Таблица 2

Изменение угла внутреннего трения талых золошлако-полимерных материалов, имеющих различную массовую влажность на контакте с мерзлым материалом

Содержание ГПАА в композите, % Угол внутреннего трения, град. При массовой влажности,%

0 10 25 50 100

0 37,5 38,75 35,25 30,5 10,5

0,1 36,5 38,25 34,5 , 29,75 10,75

0,3 36,0 36,50 32,75 26,5 9,5

0,5 37,25 37,25 32,0 23,0 10,0

В рятой главе рассматриваются' предложения по технологии создания сплошных противофильтрационных экранов для случая вновь создаваемых золоотвалов и после их расконсервации, и предлагается метод определения количества "внесения добавок полимера' в золошлак для придания композиции определенных фильтрационных и физико-механических свойств. .

Устройство экранов из золошлако-полимерных материалов под вновь создаваемый накопитель (рис.3) состоит из следующих операций: разравнивание откосов и дна чаши; укладка золошлако-полимерной композиции толщиной 10-20см; устройство защитного слоя на откосах чаши толщиной 20-30см; контрольное испытание созданного защитного экрана.

Операция уплотнения откосов и дна чаши золоотвала обязательна в случае залегания и основании несвязных грунтов с высокой фильтрующей способностью .

Приготовление композитного материала производится в смесителях, и чем меньше добавок полимера, тем время

приготовления дольше (Измайлова, 1970; Павчнч, 1979).Раствор полимера ГГ1АА используется заводского приготовления.

После псрсмеппшанпя готовая композиция доставляется к месту укладки экрана и наносится на поверхность емкости отвала бункерными укладчиками с соблюдением заданной толщины экрана.

отвала

а) перед эксплуатацией; б) после определенного срока эксплуатации; I-грунт основания; 2-дамбы обвалования; З-противофильтрационный экран; 4—при-грузка уз шлакового материала; 5 —водосбросной колодец; б-водоотводные трубы оборотной системы ГЗУ; 7-намытый золошлак; 8 —трубчатый дренаж

При возведении золошлако-полимсрных экранов применяется тот же комплекс машин и механизмов, что и при строительстве

асфальтополимербетониых облицовок (Ганчиков, Шестаков, Дворкин, 1989). .

Здесь необходимо напомнить, что с внесением добавок полимера уменьшается пористость полученного композита, поэтому последующее уплотнение композитной смеси является большим резервом снижения расхода полимера (Безрук, 1971).

Укладка золошлако-полимериого материала начинается с центра чаши отвала и ведется'полосой по периметру, переходя затем на откосы. Уложенный композит временно прикрывают полиэтиленовой пленкой для предохранения от высыхания (Измайлова, 1970; Павчич, 1975) или периодически увлажняют (Коадратьев, Га ври лов, 1989).

После укладки композитного материала на откосах чаши отвала его прикрывают шлаковым материалом толщиной 20 -30 см, с целью избежания смыва элементов экрана дождевыми потоками или оплывания оттаявшего слоя по мерзлому откосу.

В случае создания золоотвалов большой высоты," когда возникают градиенты напора более 100, устраивается второй слой противофильтрациомного экрана по высоте (рис. 3,6).

Для создания протмвофильтрационных экранов на золоотвалах после их расконсервации может применяться простой полив раствором полимера поверхности золошлакового массива (Жордания, 1971), схема экранирования которого показана на рис. 4.

Золошлаки в процессе их хранения в отвале в результате консолидации набирают значительную плотность, поэтому бо'льшая часть макромолекул полимера не сможет пройти в глубь массива. В результате этого возможность взаимодействия цепочек полимера с • частицами золошлака с образованием крупных агрегатов сводится к минимуму. Чтобы избежать этого, поверхностный слой вспахивается на глубину 10-20 см с использованием мелиоративной и сельскохозяйственной техники.

Рис. 4. Схема экранирования поверхности отвала после расконсервации

¡-грунт основания; 2-ламбы обвалования до расконсервации; 3-золошлак, намытый до расконсервации; 4—трубчатый дренаж; 5-дамбы обвалования после расконсервации; 6-противофильтрациониый экран; ■ 7-пригрузка из шлакового материала; 8-водосбросной колодец; 9—иодоотводные трубы оборотной системы ГЗУ; Í0 - трубчатый дренаж

Испаханная поверхность золошлакового массива с помощью дождевальных дальнеструйных установок разномерно поливается. А в дальнейшем с целью экономии раствора полимера при его внесении в золошлаконый массив можно произвести последующее уплотнение политого массива. По откосам дамб обвалования золошлако-полимерная композиция укладывается бункерными укладчиками.

Проведенные исследования по приданию золошлаковым материалам низкой фильтрующей способности с • помощью полимерных добавок, показали высокую эффективность. На основании полученных лабораторных и натурных результатов были аппроксимированы зависимости уменьшения фильтрующей способности золошлаковых материалов от количества внесения чистого полимера на !дм3 пор испытуемого материала с использованием пакетов компьютерных программ (Microsoft. Excel,

1985). Результаты представлены на рме. 5.

п

&

а?

га

& ь

л

&

X ф

Г)

о X

<и

X X

ё

X

10*

№

у/

ГПАА К' зл а \1 с

1 'а ЧГПАЛ

0 2 £

г

з

в 1

Количество грамм чистого ГПАА на I дм3пор {Ш )

Рис. 5. Зависимость уменьшения коэффициента фильтрации, от количества ГПАА, приходящеюся -на ! дм3 пор

В связи с тем, что эффективность полимерных добавок проявляется при наличии в золошлакоиом массиве мелкодпеперешлч частиц размером не более 0.02 мм в количестве не менее 2% ог млеем всего массива, то, если одно из этих условий не выполняется, то раствор полимера вносится в золошлаконын массив одновременно с пульпой золы. Наибольшее отклонение опытных точек от полученных эмпирических кривых составляют для чистого полимера 14.7%. а для смеси полимер+зола — 21.2% .

На основании графических зависимостей (рис. 5) получены эмпирические формулы для определения коэффициента филы ранни золошлако-нолимерного материала:

I ) с использованием только раствора полимера:

Ккф=-тйт--СМ/С (3)

0,056 -е' + 5,4

2 ) для смеси полимер + зола:

vk К"ф / (4)

к Ф =-гк,-'см/с

0,124 • е + 7,5

где: К*ф -коэффициент фильтрации золошлако-полимерного .материала, см/с ; .

Киф -коэффициент фильтрации чисто золошлакового материала, см/с;

m - количество чистого полимера, приходящегося на 1 дм3

пор, г.

По результатам исследований разработана методика подбора ориентировочного количества раствора полимера с целью создания противофильтранионной защиты в зависимости от ' толщины создаваемого экрана, коэффициента фильтрации,

гранулометрического состава золошлака и концентрации раствора полимера. Данный расчет поставлен на ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Использование методов технической мелиорации грунтов при создании противофильтрационных экранов из золошлаковых материалов позволяет упростить технологию работ и обеспечить экономию материальных средств вследствие применения отходов производства и увеличения полезной емкости золоотвалов.

2. Результаты лабораторных и натурных испытаний показали, что золошлаки, модифицированные добавками полимера Г ПАЛ в количестве 0,5-0,6% от объема массива, дают значениея коэффициента фильтрации, допускающие хранение отходов IV класса опасности, к которым относятся золошлаки Омской ТЭЦ-4 и Игумновск-,,:'! ТЗЦ.

3. На основании экспериментальных исследовании предложены зависимости снижения коэффициента фильтрат!»: золошлаковых материалов от количества введенных в них добавок полимера.

4. Установлено, что осушение, попеременное замораживание и оттаивание золошлако-нолимерного материма не вызывает . отрицательных последствий в работе экранов.

5. У композита с добавкой полимера в количестве 0,6% по сравнению с золошлаковым материалом угол внутреннего трения (ф) уменьшился на 2 градуса, а удельное сцепление (с) увеличилось на 0,25 МПа, что позволяе;г использовать сложившиеся рекомендации при проектировании и строительстве дамб обвалований из них.

6. Для создания противофильтрационных экранов из золошлако-полимерных материалов предлагается технология работ, освоенная на практике выполнения экранов других типов.

7. Простой полив раствором ГПАА уплотненной поверхности . золошлакового массива может использоваться в качестве пылеподавления поверхности отложений.

8. Научные исследования в результате анализа проведенной работы можно продолжить в двух направлениях:

а) использование материалов шламов для еше более эффективного снижения коэффициента фильтрации;

б) вести поиск новых химических' веществ для производства новых строительных материалов из отходов золы и шлака.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Проектирование намывных отвалов и зашита окружающей

Среды // Гидротехническое строительство. 1992^2.С.46-48(соавтор

В.Г.Пантелесв).

о

2.Протнвофильтраиионцая защита тепловых электрических

станций // Электрические станции. 1992.N9.C-15- 19(соавгоры

А.А.Огарков, В.Г.Пантелеев).

3.Влияние температурного фактора при создании противофильтрационных покрытий золоотвалов с применением полимерных добавок // Тез. локл. науч.-техн. конф. посвященной !50-летию Волжского пароходства. Н.Новгород. 1994.С. 130-131.

4. Взаимодействие золошлаков с раствором полиакриламида при создании противофильтрационных экранов // Исследования по рациональному использованию природных ресурсов и защите окружающей Среды. Тез. докл. Н.Новгород. 4.5. 1995. С.24(соавтор А.А.Огарков).

5.Условия работы противофильтрационного экрана из золошлаковых материалов с полимерными добавками при изменении влажности // Исследования по рациональному использованию природных ресурсов и защите окружающей Среды. Тез. докл. Н.Новгород. 4.5. 1996. С.43.

6.Исследования сопротивления сдвигу золошлако-полимерных материалов на контакте с мерзлым основанием // Сб. науч. труд. 15ГАВТ.1997.

7.0 возможности использования золошлаковых отходов для создания противофильтрационных экранов золоотвалов ТЗС // Электрические станции. 1997.