Общая характеристика техногенного сырья
В процессе добычи и переработки железных руд, руд цветных металлов, химического сырья, нерудных материалов получают побочные продукты двух типов: в виде вскрышных и других пустых пород, добываемых при ведении горных работ, и отходов горно-обогатительных комбинатов. Наибольшее количество попутно добываемых пород и отходов обогащения связано с добычей и переработкой железных руд. 
Только в Криворожском бассейне ежегодный выход попутно извлекаемых пород составляет около 50 млн м3. На железорудных предприятиях страны объем удаляемых пустых пород достигает 400 млн м3, в том числе скальных пород более 70%. Кроме того, отходы после обогащения руды составляют более 200 млн т.
Рациональная область применения побочных продуктов горнодобывающих предприятий — это промышленность нерудных строительных материалов. Достигаемый экономический эффект обусловлен экономией капитальных вложений на производство нерудных материалов, сокращением объемов отвалов и затрат на транспортировку отходов, ликвидацией потерь в народном хозяйстве, связанных с отчуждением земельных угодий под отвалы и последующей их рекультивацией.
Для производства нерудных строительных материалов пригодны: попутно добываемые породы, сухие и мокрые отходы обогащения при добыче и переработке железных руд, флюсов и огнеупоров, цветных металлов; высевки (отсевы) при производстве строительного щебня из изверженных, метаморфических и осадочных пород; попутно добываемые породы и отходы обогащения при производстве асбеста и другие.
При добыче железных руд бурый железняк, содержащий 35—55% железа обычно в виде лимонита 2Fe203-3H20, обогащают промыванием водой. Мелкие частицы песка удаляют с помощью специальных барабанов и отсадочных машин.
Магнитный железняк содержит 50—72,5% железа в виде магнетита Fe304> Его обогащают электромагнитным способом в сепараторах.
Если руда содержит крупные и средние вкрапления магнетита, то ее дробят до кусков диаметром 25—30 мм и подвергаю
т сухой, магнитной сепарации в специальных полых барабанах, вращающихся вокруг осей, с электромагнитами. Магнетит, притягиваясь к поверхности барабана, отделяется QT пустой породы. Магнитный железняк с мелкими вкраплениями измельчают до частиц диаметром около 3 мм и направляют на мокрую магнитную сепарацию, где «пустая» порода — «хвосты» — уносится струей воды.
Побочными продуктами добычи железных руд являются кварцито-вые и близкие к ним породы, наличие которых в общем объеме разработок полезных ископаемых достигает 50%.
Железистые кварциты преимущественно состоит из оксидов железа и кремнезема. Непригодные для обогащения железистые кварциты и другие скальные породы вывозятся в отвалы. Однако из них можно изготавливать крупный заполнитель для особо тяжелого бетона, а также балластный материал для железнодорожного строительства.
Гранулометрический состав отвальных железистых кварцитов и других скальных пород колеблется в широких пределах. Истинная плотность их обычно составляет 2,8—4,6 г/см3, средняя плотность — 2600—4100 кг/м3, водопоглощение — 0,2—8%, морозостойкость достигает 200 циклов.
По химическому составу отходы горно-обогатительных комбинатов можно разделить на три группы (%): кварцевые (Si02 > 65), силикатные (Si02 < 65, Fe < 15) и железистые (Fe > 15). Отходы последней группы получают при обогащении железистых кварцитов низкой степени метаморфизма. Из-за высокой дисперсности и плотности, составляющей примерно 3000 кг/м3, их не рекомендуют как заполнитель бетона. Кварцевые отходы образуются при обогащении железистых кварцитов средних степеней метаморфизма, а силикатные — высоких. Отходы этих групп практически не содержат глинистых минералов и имеют форму зерен, отличную от шарообразной с шероховатой поверхностью.
Обогащенные кварцевые «хвосты» имеют среднюю плотность 1550—1900 кг/м3, модуль крупности их обычно равен 1,5—2.
Значительная часть перерабатываемой горной породы направляется в отвалы в виде кварцево-железистых шламов. Эти отходы представляют собой тонкодисперсный порошок, содержащий 10—30% фракции крупнее в, 14 мм. В состав шламовых отходов предприятий, например Криворожского бассейна, входит 60—80% кварца и 13— 18 оксидов железа. В небольших количествах входят оксиды алюминия, кальция, щелочных металлов, марганца и др. По гранулометрическому составу шламы близки к днепровскому речному песку, отличаясь от него несколько более высокими значениями пустотнос-ти, истинной и средней плотности.
Для использования шламов в бетонах эффективным является их фракционирование, осуществляемое с помощью гидравлических классификаторов. Работа таких классификаторов основана на различной скорости падения частиц разной массы в восходящем потоке воды.
Попутными продуктами добычи и переработки многих полезных ископаемых являются породы, состоящие в основном из силикатов магния. К ним относятся разновидности серпентинов — антигориты, хризотилы и др.
Наиболее значительный выход силикатов магния в виде отходов характерен для асбестовых обогатительных фабрик. При обогащении асбестосодержащих пород извлекается только около 8% сортового асбеста, а остальные 92% являются отходами. Наибольший интерес силикатно-магниевое сырье представляет для производства автоклавных материалов.
Для производства строительных материалов из вскрышных пород ценность представляет карбонатное и глинистое сырье. При открытой разработке железорудных месторождений карбонатное сырье чаще представлено маломергелистыми меловыми породами с содержанием 90—99% СаС03 и мергелистыми породами, содержащими 64—85% СаС03. Эти породы можно применять в производстве извести, цемента, минеральной ваты.
Область применения глинистых вскрышных пород разнообразна. В зависимости от физических свойств, химико-минералогического и вещественного составов глинистое сырье пригодно для производства керамических изделий, аглопорита, керамзита, цементного клинкера.
Велик объем горных работ на рудниках и карьерах, где добываются нерудные и неметалл орудные материалы, сырье для цементной и известковой промышленности. Доля промышленности нерудных строительных материалов в общем объеме отходов горнодобывающих отраслей составляет 12—15%.
При добыче облицовочного камня, переработке на щебень горных пород, производстве извести образуются отходы в виде отсевов, каменной муки, негабарита. Многообразие видов горных пород, их состава, технологических особенностей получения основных продуктов обусловливает и многообразие качественных характеристик отходов нерудных строительных материалов.
Наиболее массовыми отходами являются отсевы (высевки), образуемые при производстве строительного щебня и представляющие собой песчано-щебеночную смесь с максимальной крупностью щебня 10 мм и содержанием примесей до 10—25%. При производстве щебня из изверженных пород объем отсевов достигает 25%, а из осадочных — 45% от объема перерабатываемой горной массы. По приблизительным оценкам в России объем ежегодно образующихся на предприятиях нерудных строительных материалов отсевов дробления составляет при переработке изверженных пород 12—15 млн м3, карбонатных — 16—20 млн м3. Не находящие спроса отсевы направляются в отвалы, в которых скопились сотни миллионов кубометров отсевов.
Имеются большие запасы природных пористых горных пород (туф, известняк, ракушечник) и рыхлые породы вулканического происхождения (пемза, пепел и др.). Сплошные массивные горные породы используют для производства стенового пильного камня или облицовочных плит. При современном уровне их производства отходы от их добычи позволяют получать ежегодно до 60 млн м3 пористого щебня и песка.
При добыче пильного камня технологическими отходами являются каменные опилки с фракцией 0—5 мм, куски различной величины и негабаритный камень. Количество otxoдoв может превышать 50% объема разрабатываемого пласта.
Разнообразные виды отходов образуются в производстве различных искусственных строительных материалов в процессе технологической переработки сырья, а также как брак и др. Многие из этих отходов при невозможности их возвращения в основное производство могут быть использованы для получения строительных материалов.
Цементная пыль в производстве цемента появляется в результате переработки тонкодисперсных минеральных материалов. Общее количество улавливаемой пыли на цементных заводах составляет до 30% всего объема выпускаемой продукции. До 80% всего количества пыли выбрасывается с газами из клинкерообжиговых печей. Пыль, выносимая из печей, является полидисперсным порошком, содержащим при мокром способе производства 40—70, а при сухом — до 80% фракций размером менее 20 мкм. Минералогическими исследованиями определено, что в составе пыли содержится до 20% клинкерных минералов; из них двухкальциевого силиката |3- и у-модификаций — 8— 10, двухкальциевого феррита и четырехкальциевого алюмоферрита— 10—12, свободного оксида кальция— 2—14, щелочей— 1—8%. Основная масса пыли состоит из смеси обожженной глины и нераз-ложившегося известняка. Состав пыли существенно зависит от типа печей, вида и свойств применяемого сырья, а также способа улавливания.
Наиболее дисперсная и высокощелочная пыль осаждается в электрофильтрах. Удельная поверхность пыли в электрофильтрах достигает 5000—8000 см2/г, а пыли в осадительных камерах — 1000—4000 см2Д, что зависит от природы обжигаемого сырья и режима обжига, в частности температуры и скорости газового потока. Содержание щелочных оксидов в пыли, уловленной электрофильтрами, колеблется от 3 до 25%.
Различные виды пылей, представляющих интерес для использования, образуются в производстве различных материалов: извести, керамзита и др.
Отходы, образуемые при производстве асбестоцементных изделий (асбестоцементные отходы), подразделяются на сухие и мокрые: к первым относятся бой асбестоцементных изделий, обрезки листов и труб, стружка от механической обработки труб; ко вторым — осадки в водоочистительных аппаратах.
Состав сухих отходов такой же, как у асбестоцементных изделий. Мокрые отходы в основном состоят из гидратированных и карбонизированных зерен цемента с примесью мелких волокон асбеста. При большом водосодержании они приобретают свойства пульпы, а при растирании и перемешивании образуют пластичное тесто. Средняя плотность этого вида отхода в высушенном состоянии 250—300 кг/м3, теплопроводность — 0,052—0,064 Вт/(м • °С).
Значительные количества отходов в виде керамического и стекольного боя образуются на керамических предприятиях и строительных площадках. На керамических предприятиях, использующих твердое топливо в виде отходов (до 10 м3 на каждые 100 тыс. шт. кирпича), образуются также печные остатки, состоящие из смеси топливной золы с небольшим содержанием несгоревшего угля и керамической мелочи.