Геоэкозащитные проблемы литосферы при нефтеразливах и пути их решения

160

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

3. Искусственные нейронные сети. Теория и практика / В. В. Борисов, В. В. Круглов. - 2-е изд. - М. : Горячая линия-Телеком, 2002. - 382 с. - ISBN: 5-93517031-0.

4. Нейронные сети : полный курс / пер. с англ. - 2-е изд.: - М. : Изд. дом «Вильямс», 2006. - 1104 с. - ISBN 5-8459-0890-6.

5. Нейросетевые системы управления / В. А. Терехов, Д. В. Ефимов, И. Ю. Тюкин, В. Н. Антонов. - СПб. : Изд-во СПГУ, 1999. - 265 с. - ISBN 5-288-023611.

6. Reinforcement-learning control and pattern recognition systems / J. M. Mendel, R. W. McLaren // Adaptive, Learning and Pattern Recognition Systems : Theory and Applications. - NY : Academic Press, 1970. - Vol. 66. - Рр. 287-318.

7. Learning internal representations by error propagation / D. E. Rumelhart, G. E. Hinton, R. J. Williams // Parallel distributed processing. - Vol. 1. - Cambridge, MA: MIT Press. - Рр. 318-362.

8. Reinforcement Learning : An Introduction / R. S. Sutton, A. G. Barto. - The MIT Press, 1998. - 322 p. - ISBN 0-26219-398-1.

9. Self-Organising Maps / T. Kohonen. - 3 ed. - Berlin : Springer, 2001. - 521 p. -ISBN 3-540-67921-9.

10. Подход к оценке качественных характеристик при проектировании информационных систем для предприятий железнодорожного транспорта / О. А. Самонина // Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России : сб. док. V юбилейной международной научно-практической конференции «ТелеКомТранс-2007». - Ростов-н/Д : Рост. гос. ун-т путей сообщения. - С. 72-73.

11. Применение нейронных сетей для задач классификации / А. Стариков. - 2005. - http://www.basegroup.ru/library/analysis/neural/classification.

12. Нечёткие модели и сети / В. В. Борисов, В. В. Круглов, А. С. Федулов. - М. : Горячая линия-Телеком, 2007. - 284 с. - ISBN: 5-93517-278-X.

13. Fuzzy multi-layer perceptron, inferencing and rule generation / S. Mitra, S. K. Pal // IEEE Transactions on Neural Networks. - Vol. 6. -1995. - P. 51-63.

Статья поступила в редакцию 24.03.2008;

представлена к публикации членом редколлегии А. А. Корниенко.

УДК 540.75

Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, В. А. Чернаков, Ю. Н. Тиличко

ГЕОЭКОЗАЩИТНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЛИТОСФЕРЫ ПРИ НЕФТЕРАЗЛИВАХ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

Предложены новые превентивные технологии защиты литосферы от нефтеразливов. Приведены характеристики геоэкозащитных материалов. Рассмотрена кинетика поглощения нефтепродуктов и удерживающая способность аэрированных пеной материалов. Показана возможность создания каменной блокировки из высо-

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительсГё!

коплотного бетона для предотвращения нефтеразливов, предложена технология создания нано-экрана для защиты грунтов от нефтезагрязнений.

аварийные разливы нефти, сорбционная емкость, кинетика поглощения нефтепродуктов, высокоплотный бетон, кремнезоль, кремнегель.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

162

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

Введение

Негативное воздействие нефтепродуктов на литологическую среду в настоящее время достаточно высоко. Это вызвано сложностью протекания процессов самоочистки грунтов, их консервирующими особенностями и сложностью проведения восстановительных и рекультивационных работ.

Основной метод технологий, применяемых в настоящее время для удаления нефтепродуктов с поверхности грунтов, - сорбция. В этом случае применяются различные природные сорбенты: сажа, уголь, торф, древесные опилки и т. д. Главным недостатком таких технологий является трудность сбора отработанного сорбента. Кроме этого, такие сорбенты пригодны для ликвидации мгновенных аварийных разливов, когда требуется собрать загрязнение в максимально короткий срок. В условиях длительного воздействия нефтепродуктов (протекание при транспортировке, просачивание в грунт от нефтехранилищ) предлагаемые сорбенты непригодны, так как обладают способностью к максимальному впитыванию лишь в первые несколько минут после взаимодействия.

Проведенные исследования значительного объема в области предотвращения загрязнения грунтов нефтепродуктами не позволяют предложить достаточно эффективных геозащитных технологий [5].

Следует учитывать, что наиболее проблематичными являются те районы загрязнения, которые обладают слаборазвитой инфраструктурой, значительной удаленностью, а также особыми эндогненными и экзогенными характеристиками, способствующими процессам загрязнения и накопления поврежденных грунтов. В этих районах располагается значительное количество объектов нефтедобывающей области, объекты транспортной инфраструктуры гражданского назначения (морские порты, аэропорты и т. п.), а также значительное количество объектов Министерства обороны, находящихся в постэксплуатационном режиме. На таких объектах скопилось достаточное количество некондиционных нефтепродуктов (керосин, дизельное топливо, машинные масла), складированных в металлических емкостях в естественных условиях. При нормальной эксплуатации объектов воздействие на окружающую среду могло бы быть минимизировано за счет контроля и проведения профилактических мероприятий. Неконтролируемое состояние этих объектов в настоящее время, с учетом сложных климатических условий, увеличивает вероятность попадания в грунт нефтезагрязнений.

Основная идея работы заключается в использовании различных геоэкозащитных материалов для предотвращения разлива нефтепродуктов.

Для этих целей предлагаются следующие технологии, которые предотвращают попадание нефтепродуктов в литосферу: создание аэрированной защитной зоны; создание каменной блокировки; создание нано-экрана.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительства

1 Аэрированная защитная зона

В отличие от природных сорбентов аэрированные пеной материалы благодаря специфике своей структуры являются сорбирующей основой для создания нового поколения современных технических средств и технологий геозащиты, предназначенных для предотвращения и сдерживания загрязнения почв нефтепродуктами в течение длительного времени.

Основным показателем, характеризующим эффективность сорбентов, является их сорбционная емкость. По литературным данным, как правило, сорбционную емкость определяют весовым методом [2]. Для ее оценки предварительно взвешенные образцы погружают в емкости, заполненные нефтепродуктом, и удерживают в погруженном состоянии некоторое вре -мя. Затем образец закрепляют для свободного стекания нефтепродуктов с его поверхности и через некоторое время производят взвешивание (рис. 1).

Рис. 1. Поглощение машинного масла пеноматериалом

Для оценки удерживающей способности необходимо было установить оптимальный временной интервал, обеспечивающий естественную возможность протекания процесса десорбции в условиях свободного стекания нефтепродукта под действием силы тяжести. Изучение кинетики этого процесса показало, что процесс десорбции идет интенсивно в течение пер -вых десяти минут. В этот период происходит механическая десорбция под действием силы тяжести, при этом максимальное количество нефтепродуктов удаляется в течение первых пяти минут (табл. 1). Таким образом, время в пять минут является достаточным для удаления из сорбента из -бытка нефтепродуктов. В последующие два часа потери нефтепродуктов в образцах составляют не более 3%, ими можно пренебречь.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

164 Транспортное, промышленное и гражданское строительство

ТАБЛИЦА 1. Потери нефтепродуктов при десорбции

Вид нефтепродукта Плотность материала, кг/м3 Время стекания, мин Потери нефтепродуктов, г

Машинное масло 200 1 5,28

2 3,75

3 2,10

4 1,0

5 0,5

6 0,1

7 0,1

Бензин 200 1 3,50

2 2,10

3 1,0

4 0,5

5 0,1

6 0,1

7 0,1

Керосин 200 1 3,25

2 2,15

3 1,0

4 0,8

5 0,5

6 0,1

7 0,1

При изучении оптимального времени контакта нефтепродуктов с сорбентом было определено, что для машинного масла оно составляет не более 50 мин, за это время происходит полное насыщение пор сорбента, для бензина и керосина - 25 минут.

ТАБЛИЦА 2. Сорбционная емкость аэрированных пеной материалов

с различной плотностью

Плотность образца, кг/м3 Нефтепродукт Сорбционная емкость, г/г

200 Машинное масло 0,85

400 0,78

600 0,53

200 Бензин 0,54

400 0,46

600 0,38

200 Керосин 0,57

400 0,48

600 0,40

Сорбционную емкость аэрированного пеной материала рассчитывали по формуле, г/г:

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительсТбб

п _ m1 - m0 m0

где m0 - масса образца, г;

ml - масса образца с поглощенным нефтепродуктом после пятиминутного свободного стекания сорбата, г.

Для разработки технологий предотвращения распространения загряз -нений нефтепрдуктами важное значение имеет такой показатель, как величина капиллярного поднятия загрязнителя в сорбентах. Поэтому было проведено определение величины капиллярного поднятия нефтепродуктов в аэрированных пеной материалах (рис. 2, табл. 3).

Рис. 2. Капиллярный подсос машинного масла у материалов плотностью

200 кг/м3, 400 кг/м3, 600 кг/м3

ТАБЛИЦА 3. Капиллярный подсос нефтепродуктов у аэрированных пеной материалов

Плотность образца, кг/м3 Высота капиллярного поднятия нефтепродукта см, через

10 минут 20 минут 60 минут 4 часа 6 часов 8 часов 24 часа

Машинное масло

200 3,0 7,0 8,6 9,6 10 11,6 12

400 2,0 4,0 6,6 6,0 6,6 7 7

600 2,0 3,0 3,6 4,0 4,6 6 6

Бензин

200 6,6 8,6 10,6 11,6 12,6 13,0 14,0

400 4,6 7,6 9,6 10,6 11,6 12,0 12,0

600 3,0 6,6 8,0 8,6 9,6 9,6 9,6

Керосин

200 6,6 8,6 10,6 11,0 12,0 13,0 14,0

400 4,6 7,6 9,6 10,6 11,6 12,0 12,0

600 3,0 6,6 8,0 8,6 9,0 9,6 9,6

ISSN 1816-688 X. Известия ПГУПС

2008/4

166

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

Таким образом, для предотвращения расширения площади загрязнений при транспортировке и хранении жидкого топлива можно применять новый геоэкозащитный материал на основе цемента и заполнителя в твердой и воздушной фазе. При такой технологии аэрированный пеной материал используется как защитный экран на пути распространения нефтепродуктов. Высокая текучесть аэрированной системы в данном случае будет способствовать максимальному контакту на границе пенобетон-грунт.

2 Каменная блокировка

В этом случае возможно устройство временного полигона для хранения емкостей с нефтепродуктами или полная их изоляция от внешней среды. Для этих целей необходимо создание высокоплотного изолирующего каменного материала.

Известно, что бетон в зависимости от плотности способен быть непроницаемым для водных растворов, в том числе содержащих загрязнения. Для оценки способности бетона удерживать в себе загрязнения были выбраны бетоны с традиционными и новыми добавками (табл. 4):

1) бетон без добавок марки 300;

2) бетон марки 350 с добавкой суперпластификатора С-3;

3) бетон марки 350 с добавкой жидкого стекла;

4) бетон повышенной плотности с зольсодержащей композицией Hardness-M марки 800.

ТАБЛИЦА 4. Состав исследуемых бетонов

Расход материалов на 1 м3 бетона, кг В/Ц Марка

Цемент Песок Щебень Вода Добавка, масс. % от массы цемента Вид добавки

400 827 1073 144 - - 0,36 М300

400 890 1073 120 0,6 С-З 0,30 М350

400 858 1073 132 2,5 Na2SiO4 0,33 М350

950 184 1049 223 0,75 Hardness- M 0,235 М800

В качестве сырьевых материалов при приготовлении бетонов были использованы:

портландцемент ПЦ400 D-20 Пикалевкого объединения «Глинозем», как наиболее распространенный цемент в Северо-Западном регионе;

песок для строительных работ, карьерный с Мкр = 2,1. Содержание пылевидных и илистых частиц не более 0,8 %;

щебень с максимальным размером зерна 2,6 мм.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строитедьсГёЗ

Твердение бетона осуществлялось в нормальных условиях при t = 20 ± 2 оС и влажности 95%. Для исследования изготавливались балочки 4 х 4 х 16 см в соответствии с ГОСТ 10180. Загрязнителем служили деревянные балочки, пропитанные машинным маслом, которые помещались в качестве арматуры в бетон.

Была исследована толщина минимально допустимого слоя бетона, изолирующего воздействие машинного масла от окружающей среды. Изолирующая способность определялась по анализам водной вытяжки образцов: содержание нефтепродуктов в водной вытяжке образца не должно превышать контрольного значения водной вытяжки образца, изготовленного без арматуры.

Образцы помещались в цилиндры объемом 1,0 л и заливались дистиллированной водой в количестве 500 мл. Анализ водных вытяжек на нефтепродукты проводился через 3, 7, 21 день, 1, 4, 6 месяцев и 1 год. Опыт прекращался при достижении концентрации нефтепродуктов в водных вытяжках уровня ПДК (0,1 мг/л). Результаты экспериментов показаны в таблице 5.

ТАБЛИЦА 5. Изолирующая способность бетонов

Номер состава Концентрация в водных вытяжках нефтепродуктов, мг/л, через

3 дня 7 дней 21 день 1 мес. 4 мес. 6 мес. 1 год

1 н/о н/о 0,1 - - - -

2 н/о н/о н/о н/о 0,2 - -

3 н/о н/о н/о н/о 0,1 - -

4 н/о н/о н/о н/о н/о н/о н/о

Примечание. н/о - не определено.

Результаты лабораторных исследований показали, что удерживающая способность обычного бетона оказалась менее месяца, в водных вытяжках образцов с добавкой пластификатора С-3 и с добавкой жидкого стекла наличие нефтепродуктов, превышающих норму ПДК, оказалось в возрасте 4 месяцев. В водных вытяжках образца бетона с зольсодержащей добавкой наличие нефтепродуктов в возрасте 1 год не обнаружено. Таким образом, использование новой добавки в бетон - композиции Hardness-M - обеспечило удерживание загрязнений. Бетон с комплексной добавкой был назван высокоплотным. Физико-механические характеристики высокоплотного бетона представлены в таблице 6.

ТАБЛИЦА 6. Физико-механические характеристики высокоплотного бетона

Осадка конуса, см Прочность при сжатии в возрасте 28 сут, МПа Усадка, мм/м Водонепроницаемость, х105 Па Морозостойкость, циклы Средняя плотность, кг/м3

1,0 108 0,3 20 800 2406

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

168

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

Таким образом, для предотвращения распространения загрязнения от неисправных нефтехранилищ возможно устройство временного полигона для хранения емкостей с нефтепродуктами или полная их изоляция от внешней среды. Применяемый в этом случае высокоплотный бетон нового состава обладает высокой изолирующей способностью, при этом толщина изолирующего слоя в лабораторных условиях составляет 0,3.. .0,8 см.

3 Создание нано-экрана

В этом случае используется коллоидный раствор кремнезоля, содержащий мицеллы кремнезоля из частиц с наноразмерами. Использование высокоразвитой поверхности наночастиц при переходе в гель позволит создать временный защитный экран, способный блокировать распространение нефтезагрязнений на поверхности грунта. Для перевода кремнезоля в гель была использована соль хлорида натрия, которая не является агрессивной для окружающей среды. При использовании 30% кремнезоля (промышленная концентрация) переход в гель происходит практически мгновенно при концентрации раствора соли менее 1 г/л. При определении времени перехода термостабилизированого кремнезоля с удельной поверхностью 450 м /г и с концентрацией 8% по SiO2 в гель были использованы различные дозы NaCl. Результаты представлены в таблице 7.

ТАБЛИЦА 7. Кинетика перехода кремнезоля (8% по SiO2) в гель

Концентрация NaCl, г/л Время перехода кремнезоля в гель, мин

8 Более суток

24 480

40 90

80 60

120 30

160 15

Заключение

Применение ассортимента превентивных технологий защиты литосферы от нефтезагрязнений может быть полезным в реализации концепции защиты окружающей среды в рамках региональных и государственных программ по ослаблению негативного влияния на окружающую среду нефтегазового и транспортного комплексов, а также других потребляющих нефтепродукты производств.

Библиографический список

1. Комплексное использование минерального сырья и экология : учеб. пособие / П. И. Боженов. - М. : Изд-во АСВ, 1994. - С. 5-12. - ISBN 5-87829-004-9.

2. Фундаментальные свойства материалов на цементной матрице / Л. Б. Сватовская. - СПб. : ПГУПС, 2006. - 98 c. - ISBN 5-7641-0139-5.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительств

3. Фундаментальные подходы к созданию новых комплексных природозащитных технологий очистки биосферы / Л. Б. Сватовская, Л. Л. Масленикова, Н. И. Якимова и др. - СПб. : ПГУПС, 2003. - 50 c. - ISBN 5-7641-0109-3.

4. Термодинамический и электронный аспекты свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты / Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, М. Н. Латутова и др.; ред. Л. Б. Сватовская. - СПб. : Стройиздат, 2004. -176 c. - ISBN 5-87897-126-7.

5. Охрана окружающей среды и экологическая безопасность на железнодорожном транспорте : учеб. пособие / ред. проф. Н. И. Зубрев, Н. А. Шарпова. - М. : УМК МПС России, 1999. - 592 c. - ISBN 5-89035-020-X.

Статья поступила в редакцию 20.03.2008;

представлена к публикации членом редколлегии П. Г. Комоховым.

УДК 625.142.4:006.354

А. Ф. Серенко, Т. М. Петрова

КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ БЕТОНОВ

Предложена классификация быстротвердеющих бетонов по технологическим признакам, сформулированы методологические основы производства беспропарочных быстротвердеющих бетонов, осуществлено опытно-промышленное внедрение беспропарочной технологии на Хабаровском, Челябинском и Чудовском заводах железобетонных шпал.

быстротвердеющие бетоны, комплексные добавки, беспропарочная технология, индукционный период твердения.

Введение

Одним из приоритетных направлений развития строительного комплекса, связанных с внедрением ресурсосберегающих технологий и повышением долговечности железобетонных изделий, является разработка и внедрение быстротвердеющих бетонов. Вместе с тем сегодня нет однозначной трактовки термина «быстротвердеющие бетоны». Само собой подразумевающееся понятие о бетонах, набирающих прочность в раннем возрасте более интенсивно, чем обычные бетоны на основе портландцемента, не дает никаких критериев для сравнительной оценки. Существующая классификация методов ускорения твердения цементных бетонов также не дает численных параметров прочности бетона и нормативных сроков их определения.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4