Разработка технологии формирования гидроизоляционного покрытия на основе отходов полиэтилена и полипропилена

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 504.064.45

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПОЛИЭТИЛЕНА И ПОЛИПРОПИЛЕНА

М.А. Пашкевич, Д.О. Акименко

Показано, что формирование техногенных массивов обуславливает, как прямое, так и косвенное воздействие на компоненты окружающей среды. Существующие способы гидроизоляции подготавливаемых площадок не обеспечивают необходимой степени снижения инфильтрационных процессов. Установлено, что одной из основных причин является использование шовных технологий с применением геосинтетиков, имеющих ряд недостатков.

Ключевые слова: гидроизоляция, инфильтрация, геосинтетики, структура полимеров.

Развитие промышленного комплекса в мировых масштабах, а также постоянный рост крупных городов с сопровождающей его индустриализацией общества ведет к тому, что в последние 2 - 3 десятилетия человечество столкнулось с решением проблемы рационального обращения с за-складированными отходами.

Твердые бытовые и промышленные отходы чаще всего складируются в отвалы (полигоны ТБО, шламохранилища, хвостохранилища сухого и полусухого типа). Формирование техногенных массивов напрямую влияет на состояние окружающей природной среды, а, следовательно, на жизнедеятельность и здоровье людей.

В большинстве случаев воздействие на компоненты природной среды является негативным и обуславливается различными процессами, как внутренними (происходящими в теле массива), так и внешними (воздействие факторов природной среды).

Представляя собой объекты первичного загрязнения, хранилища отходов являются источниками формирования вторичных атмо-, гидро- и литохимических техногенных ореолов и потоков.

Основной проблемой при открытом способе складирования отходов являются инфильтрационные процессы, которые в зависимости от природы техногенного массива приводят к негативным последствиям. Например, складирование сульфидных руд ведет к образованию кислых фильтратов, формирование рудных штабелей кучного выщелачивания к образованию щелочных фильтратов, полигоны ТБО являются носителями тяжелых и редких металлов, радиоактивных элементов и органических поллютантов.

В настоящее время проблема снижения инфильтрационных процессов в промышленных масштабах решается применением геосинтетиков (геомембран).

Геомембраны изготавливают из полиэтилена высокой и низкой плотности с добавлением ряда присадок: сажи, антиокислителей и стабилизаторов высоких температур. В зависимости от состава сырья различают полимерные геосинтетические мембраны (PVC, PIB, ECB, CPE), глиняно-геосинтетические мембраны и битумно-геосинтетические мембраны (GSB).

Также играет роль вид задействованного в производстве полиэтилена. Различают три основных класса геомембран: HDPE, LDPE и EPDM.

HDPE (на основе полиэтилена высокой плотности) характеризуется высокой прочностью. Она находит применение при строительстве полигонов твердых, жидких бытовых и промышленных отходов, гидроизоляционного и антикоррозийного покрытия бетонных, кирпичных, металлических и прочих поверхностей.

LDPE (на основе полиэтилена низкой плотности) обладает высокой эластичностью. Сфера применения: строительство зданий и сооружений на неустойчивых грунтах, локализация свалок, рекультивация полигонов твердых бытовых и промышленных отходов.

EPDM (на основе синтетического каучука) обладает наивысшей эластичностью. Используют в качестве гидроизоляционного материала для создания водоемов, каналов, тоннелей, полигонов ТБО, навозохранилищ, в строительстве для гидроизоляции крыш и фундаментов.

Геомембраны на данный момент практически не имеют аналогов, но при всех своих достоинствах они имеют ряд недостатков:

высокую чувствительность к деформациям;

высокие требования к качеству укладки;

низкую ремонтопригодность;

высокую стоимость.

В этой связи возникает необходимость разработки принципиально новой технологии формирования гидроизоляционного покрытия.

Новый способ заключается в приготовлении изолирующего мате-

риала с использованием отходов полипропилена и полиэтилена непосредственно на месте укладки и повышении эксплуатационных показателей за счет формирования покрытия в оплавленном совместно с грунтами состоянии.

Г оворя о структуре полимерных материалов, необходимо опираться в первую очередь на то, что она складывается из двух основных уровней:

1) молекулярного, характеризующегося химическим строением

ПМ;

2) надмолекулярного, определяющегося типами кристаллических структур и степенью кристалличности ПМ.

При проведении исследований было рассмотрено влияние как надмолекулярной, так и молекулярной структуры полимера на механические свойства полимерных материалов. Из полученных данных и литературных источников следует, что изменение молекулярной структуры и надмолекулярной структуры приводит к варьированию свойств в широком диапазоне. При этом возможно целенаправленное изменение свойств в зависимости от сформированной при различных режимах и условиях переработки структуры полимера:

условий плавления (температурный режим, давление) вторичных полимеров;

скорости охлаждения расплава;

рецептуры (смеси, присадки) подвергающихся плавлению ПМ.

Проведённые исследования также показали, что при увеличении температуры расплава до 180 °С высокая скорость охлаждения в реальных условиях в зимнее время затрудняет образование разрушившихся за счет тепловых флуктуаций центров зародышеобразования и приводит к укрупнению структуры, имеющей более дефектную упаковку вследствие большого содержания аморфной составляющей, так как процесс кристаллизации обрывается на промежуточной стадии (рис. 1).

Рис. 1. Изображения микроструктуры образцов ПМО: партия №1 (1), образцы получены при полевом эксперименте в зимнее время; партия № 2 (2), образцы изготовлены при различных температурах расплава по режиму, моделирующему реальные условия

В случае же формирования структуры в условиях медленного охлаждения и выдержки расплава на каждой ступени охлаждения разрушившиеся центры кристаллизации успевают восстанавливаться. Поэтому нет существенного изменения размеров сферолитов при увеличении температуры. Охлаждение в течение длительного времени создает благоприятные условия для протекания процессов полной кристаллизации, что благоприятно сказывается на устойчивости покрытия в природных условиях.

Полиэтилен в оплавленном совместно с грунтами состоянии по своим свойствам обладает рядом преимуществ по сравнению с применяемыми в настоящее время материалами, изготовленными по промышленным технологиями. Однако при исследовании свойств ПМО в условиях воздействия совокупных механических нагрузок (сжатия, вибрации) наблюдалась склонность материала к растрескиванию. Поэтому также были проведены исследования по повышению прочностных характеристик ПЭ в ПМО.

В проведенных исследованиях модификация надмолекулярной структуры осуществлялась введением в полимер ультрадисперсных порошков (УДП) Л1, ЛШ и Al2O3 c размерами частиц менее 1 мкм. Содержание наполнителя составляло 0,75, 1,5 и 3 %.

Результаты испытаний наполненного полиэтилена приведены на рис. 2, из которого следует, что эффект наполнения сказывается при увеличении концентрации наполнителя, причем для разных УДП результат не одинаков.

ПЭВД 0,75% АІ 1,5% А! 3%А1

ПЭВД 0,75% А1А 1,5%А1203 3%А12Оэ

Рис. 2. Микрофотографии надмолекулярной структуры

Наибольшее увеличение стойкости к растрескиванию наблюдается при введении Al (увеличение в 15 раз), наименьшее влияние оказывает Al2O3. С учетом требований к эксплуатационным характеристикам ПМО как высоконадежного изоляционного покрытия увеличение стойкости к

231

растрескиванию должно сопровождаться сохранением как минимум исходных механических свойств материала. Влияние наполнителей на механические свойства материала неоднозначно. В большей степени изменяются деформационные свойства. Прочностные характеристики либо не меняются (А1), либо увеличиваются на 8...10 % с максимумом при 1,5 % (АШ, А1203). Такое поведение хорошо согласуется с литературными данными, где отмечается улучшение механических характеристик полимерных материалов при введении наполнителей в качестве структурообразо-вателей.

Иисследование надмолекулярных и молекулярных структур полимеров, а также работа над повышением прочностных характеристик материала за счет введения УДП - это далеко не все аспекты, которые необходимо учитывать. Предполагаемая область применения нового материала заставляет задумываться о процессах воздействия на него таких факторов, как ультрафиолетовое излучение, влажность, кислые и щелочные фильтраты, а так же термическое воздействие обусловленное реакциями, происходящими в телах техногенных массивов.

Именно над этими вопросами в настоящее время ведется работа.

Возможности применения данного покрытия обширны и могут иметь место на объектах горнодобывающей, горноперерабатывающей отраслей, а также для изоляции полигонов складирования ТБО.

Предлагаемое гидроизоляционное покрытие позволит решить ряд существующих проблем:

1) повысить прочность и тем самым снизить деформацию покрытия на длительный срок за счет термического преобразования композиционного материала;

2) упростить, повысить технологичность процесса получения и нанесения покрытия;

3) уменьшить водопоглощение покрытия за счет термического взаимодействия композиционного материала и грунтового основания;

4) существенно снизить стоимость изоляции и загрязнение ОС за счет использования отходов (ПВД, ПНД, ПП).

Список литературы

1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000. 627с.

2. Бурцов В.Я., Горбенко В.А., Гойштейн М.С. Эффективный способ складирования хвостов // Горный журнал. 1988. № 6.

3. Васильев А.В., Акиньшин Л.П., Воронов В.И. Классификация методов противофильтрационной защиты хвостохранилищ горнообогатительных комбинатов // Горный журнал. 1987. № 6.

4. Комлев В.Н., Конухин В.П. Комплексное экспериментальное исследование материалов защитных геотехнических барьеров для хранилищ

радиоактивных отходов. Апатиты, 1995.

Пашкевич Мария Анатольевна, д-р техн. наук, проф., mpash aspmi.ni, Россия, Санкт-Петербург, НМСУ «Горный»,

Акименко Дмитрий Олегович, аспирант, Akimenko1988@rambler.ru, Россия, Санкт-Петербург, НМСУ «Горный»

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FORMATION WATERPROOFING COATING BASED ON USAGE WASTE OF POLYETHYLENE AND POLYPROPYLENE

M.A. Pashkevich, D.O. Akimenko

It is shown, that formation of technogenic mass causes, both direct and indirect effect on the environmental components. Existing methods of waterproofing prepared sites do not provide the necessary degree of decreasing of infiltration processes. It is obtained, that one of the main reasons is the usage of sutural technology with using geosynthetics are characterized by a number of disadvantages.

Key words: waterproofing, infiltration, geosynthetics, the structure of polymers.

Pashkevich Maria Anatolievna, Dr. Sc. of Engineering, professor, mpash a spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg State Mining University,

Akimenko Dmitriy Olegovich, postgraduate, Akimenko1988arambler.ru, Russia, Saint-Petersburg State Mining University

УДК 332.234.4:631.1

ПРОБЛЕМА НЕЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЕМЕЛЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

А.И. Крылов

Приведены причины неэффективного использования земель сельскохозяйственного назначения и представлены возможные пути решения данной проблемы.

Ключевые слова: земли сельскохозяйственного назначения, эффективное использование, плодородие, мониторинг.

Земли сельскохозяйственного назначения относятся к первой категории земель и имеют приоритет над другими категориями, так как одной из важнейших задач любой страны является обеспечение народа продовольствием. Поскольку земля - ограниченный и почти невозобновимый ресурс, рациональное и эффективное её использование на сегодняшний день

233