Ograniczone zasoby naturalne, rozwój urbanizacji i wzrost świadomości ekologicznej społeczeństwa a także czynniki energetyczno-ekonomiczne, wymuszają dążenia do pełnego wykorzystania eksploatowanych surowców mineralnych oraz zagospodarowania odpadów powstałych w wyniku prowadzenia wcześniejszej działalności górniczo-przeróbczej.
Jednocześnie rozwój infrastruktury drogowej, kolejowej, mieszkaniowej i przemysłowej skutkuje stałym, wysokim zapotrzebowaniem na surowce i materiały budowlane. W związku z powyższym pojawia się potrzeba stosowania materiałów alternatywnych wobec nieodnawialnych surowców mineralnych, tj. kruszyw sztucznych lub tych pochodzących z recyklingu. Te pierwsze produkowane są najczęściej z różnego rodzaju surowców odpadowych, których źródłem jest głównie przemysł hutniczy, energetyczny i górniczy. Miejsca prowadzenia prac budowlanych, takich jak roboty rozbiórkowe i wyburzeniowe czy przebudowy dróg są natomiast źródłem kruszyw z recyklingu.
Mając na uwadze powyższe aspekty, coraz częściej problemem jest jakość kruszyw a zwłaszcza poziom zanieczyszczenia nadawy kierowanej do przeróbki substancjami ilastymi, nierzadko trudno usuwalnymi. Z kolei wymagania technologiczne w branży budowlanej i obowiązujące w tym zakresie normy nakładają na produkty kruszywowe ostre kryteria odnośnie zawartości iłów i pyłów. Brak możliwości efektywnego usuwania tych zanieczyszczeń, powoduje, że wybrane partie surowca, są traktowane jako odpad i hałdowane. Dlatego celem głównym niniejszej pracy jest zbadanie możliwości zastosowania technologii wysokociśnieniowej w uszlachetnianiu kruszyw pochodzących także z hałd odpadowych, w celu ich efektywnego wykorzystania przemysłowego i ograniczenia negatywnych skutków ekonomicznych i ekologicznych zwiazanych z ich składowaniem. W kolejnym etapie pracy za cel postawiono próbę optymalizacji procesu płukania poprzez zastosowanie modelu matematycznego, uwzględniającego wybrane parametry techniczne, takie jak ciśnienie, uziarnienie, zawartość pyłów (wtrąceń ilasto-gliniastych) i ich strukturę fizyczną.
Realizacja tak postawionych celów badawczych ma swoje uzasadanienie biorac pod uwagę opisane poniżej aspekty.
A. Udział surowców odpadowych w produkcji kruszyw jest trudny do zewidencjonowania, jednak wg EUPG od kilkudziesięciu lat obserwuje się w Europie coraz większe zainteresowanie wykorzystaniem odpadów przemysłowych (rys. 4.1), przy czym w ostatnim dwudziestoleciu zagadnienie to nabiera coraz większej dynamiki ze względu na: rozwój przemysłu, który jest źródłem przyrostu produkcji materiałów odpadowych
i ubocznych;
potrzebę ochrony środowiska, która wymusza intensyfikację działań pozwalających na eliminację odpadów i ich uzdatnienie, pozwalające na ponowne zagospodarowanie; wzrost zapotrzebowania na kruszywa i grunty a co za tym idzie konieczność
poszukiwania nowych materiałów zastępczych;
rosnące problemy ze składowaniem dużych ilości odpadów ze względu na ograniczoną ilość terenu.
Wiele rozwiniętych krajów zaczęło szukać sposobów i rozwijać technologie pozwalające na ponowne użycie odpadów, które w przeszłości nie były w ogóle brane pod uwagę jako potencjalny surowiec budowlany. Obecnie instytuty naukowe zachodniej Europy, a także te z USA prowadzą intensywne prace badawcze i wdrożeniowe dotyczące utylizacji różnych rodzajów odpadów przemysłowych i komunalnych, z zastosowaniem zaawansowanych technologii i zabezpieczeń przed niekorzystnym wpływem na środowisko naturalne [Bukowski 2018].
Rys. 4.1. Produkcja kruszyw pochądzących z recyklingu w wybranych krajach należących do EUPG w latach 2010-2016 [EUPG]
B. W drogownictwie duże zainteresowanie znajdują produkty uboczne lub odpady występujące lokalnie w dużych ilościach i mogące stanowić materiał zastępczy do budowy nasypów oraz podbudów drogowych takie jak:
destrukt asfaltowy – materiał pochodzący z frezowania lub rozbiórki nawierzchni zawierajacych lepiszcze asfaltowe;
gruz betonowy – materiał pochodzący z rozbiórki konstrukcji betonowych i żelbetowych, z przekruszenia prefabrykatów oraz betonowych elementów drobnowymiarowych;
przekruszony materiał kamienny – materiał pochodzący z przekruszenia elementów kamiennych, brukowca, kostki brukowej, krawężników, otoczaków jak również materiał z rozbiórki podbudów niezwiązanych;
gruz budowlany mieszany – pochodzący z nieselektywnej rozbiórki konstrukcji budowlanych zawierający w swoim składzie również betony niższych klas, tynki czy ceramikę. 0 50 100 150 200 250 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Materiały te, za wyjątkiem mieszanego gruzu budowlanego, stosuje się także jako dodatki do wytwarzania górnych warstw nawierzchni z mieszanek mineralno-asfaltowych oraz warstw nawierzchni z betonu cementowego [Sybilski i inni 2004].
C. Naturalnym źródłem kruszyw mogących stanowić surowiec budowlany, są hałdy odpadów pochodzących z ciągów wstępnego rozdrabniania skał łamanych. W wielu zakładach przeróbczych, przed pierwszym stopniem kruszenia stosowało się (i dalej stosuje) separację mechaniczną ziarn drobnych poniżej 31,5 mm, tym samym od wsadu kruszarki oddzielane były zanieczyszczenia gliniasto-ilaste. Bardzo często wtrącenia te były trudne do usunięcia w dalszej przeróbce, dlatego nie stanowiły przedmiotu dalszych operacji mechanicznych, w efekcie czego kierowano je na zwałowiska i wtórne nagromadzenia mas skalnych. Szacuje się, że w przypadku takich skał jak wapień czy dolomit, w zależności od rodzaju złoża, odpad ten mógł stanowić nawet do 5 – 10% całkowitego wydobycia, co po kilkudziesięciu latach prowadzenia eksploatacji pozwoliło „zabezpieczyć” setki mln ton surowca skalnego.
D. W ostatnich latach, coraz częściej odnotowuje się także konflikty pomiędzy społecznością lokalną a przedsiębiorcą górniczym, których tłem jest eksploatacja odkrywkowa – będąca w swej naturze szkodliwą czy uciążliwą, prowadzona w bliskim sąsiedztwie terenów mieszkaniowych. Częściowo jest to efektem braku spójnej, lokalnej polityki w zakresie zagospodarowania przestrzennego terenów w bliskim sąsiedztwie złóż stanowiących surowiec do produkcji szeroko pojętych materiałów budowlanych i drogowych. Ponadto, tworzone przez gminy plany dotyczące kształtowania przestrzennego, często nie uwzględniają minimalnych stref oddziaływania działaności górniczej. Do tego dochodzi wspomniany wyżej wzrost świadomości społeczeństwa w zakresie ekologii i negatywnych skutków prowadzenia robót górniczych a także aktywny udział lokalnej społeczności w procedurach administracyjnych, powodujący w efekcie znaczne ograniczenia przy zwiększaniu zasięgu terenów górniczych. Dlatego niejednokrotnie bardziej opłaca się inwestować w uszlachetnianie kruszyw już zhałdowanych, niż ponosić niemałe koszty i wysiłki związane z udostępnianiem nowych złóż, których jakość niezależnie od powyższego może być słaba.
Biorąc pod uwagę powyższe kwestie, coraz częściej przedsiębiorcy górniczy szukają sposobów i technologii na odzyskanie tego surowca. Naturalnym jest wykorzystanie
procesów płukania, jednak tradycyjne metody z użyciem przesiewaczy wyposażonych w układy zraszania w połączeniu z płuczkami mieczowymi lub bębnowymi, nie zawsze dają pożądane rezultaty, zwłaszcza kiedy przerabiany materiał zawiera duże ilości zanieczyszczeń – czasem sięgające nawet do 20 – 30% (rys. 4.2).
a) b) c) d) e) f)
Rys. 4.2. Hałdowane odpady technologiczne przerobu a) wapienia jurajskiego 0 – 31,5 mm, zawartość zanieczyszczeń pylistych 20%; b) dolomitu dewońskiego 0 – 16 mm, zawartość
zanieczyszczeń pylistych 16%; c) dolomitu dewońskiego 0 – 31,5 mm, zawartość zanieczyszczeń pylistych 16,9%; d) dolomitu dewońskiego 0 – 31,5 mm, zawartość
zanieczyszczeń pylistych 14,5%; e) wapienia jurajskiego 0 – 31,5 mm, zawartość zanieczyszczeń pylistych 24,6%; f) wapienia dewońskiego 0 – 60 mm, zawartość
zanieczyszczeń pylistych 15%[zdj. J.Łagowski].
Badania nad procesem wysokocisnieniowego płukania, będące zasadniczym przedmiotem pracy, pozwoliły na zrealizowanie założonych celów badawczych poprzez przeprowadzony dwustopniowo, tj. w skali laboratoryjnej i półtechnicznej, program badawczy. Uzyskane rozwiązania były pomocne zarówno w określeniu efektywności jak i skuteczności przebiegu procesu wysokocisnieniowego płukania, w zależności od badanych parametrów jego przebiegu i charakterystyk nadawy.