Применение шлама в дорожном строительстве
Библиографическая ссылка на статью:
// Современные научные исследования и инновации. 2012. № 10 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2012/10/17755 (дата обращения: 13.09.2020).
При строительстве автомобильных дорог находят все более широкое применение основания из грунтов и каменных материалов, укрепленных различными вяжущими. Это связано с тем, что при существующей высокой интенсивности движения на автомобильных дорогах неукрепленные основания уже не могут обеспечить сохранения в течение длительного времени требуемой ровности покрытия и несущей способности дорожной одежды в целом. Основания из материалов, укрепленных специальным вяжущим, не только прочны и долговечны, но и экономичны, поскольку открывают возможность использовать местные грунты, некондиционные каменные материалы и промышленные отходы взамен дорогостоящих привозных материалов.
В настоящее время в качестве вяжущих материалов стали применяться нестандартные отходные материалы, такие как активные золы уноса тепловых электростанций, металлургические шлаки и отходы других производств. Одним из таких материалов является нефелиновый шлам глиноземного комбината, выпускающего глинозем, соду и портландцемент. Из общего количества шлама производства глинозёма лишь небольшая часть используется глинозёмным комбинатом для выпуска портландцемента, остальной шлам поступает в отвал, который можно использовать при строительстве оснований дорожных одежд, как в исходном виде, так и в виде специально приготовленного вяжущего для укрепления местных грунтов.
В дорожном строительстве существует возможность укрепления грунтов следующими материалами: вяжущими, приготовленными из нефелинового шлама и молотым и немолотым нефелиновым шламом в сочетании с портландцементом. Рядовой отвальный нефелиновый шлам можно применять как в чистом виде, так и в смеси с минеральным заполнителем для устройства монолитных оснований [1].
Нефелиновый шлам относится к 3 классу радиоактивности может быть использован для дорожного строительства вне населенных пунктах. Использование нефелинового шлама в дорожном строительстве актуально, так как запасы его огромны, является вяжущим материалом, а также позволяет продлить дорожно-строительный сезон при низких температурах. Рядовой нефелиновый шлам, используемый как материал дорожного основания, обладает способностью омоноличиваться в момент уплотнения, приобретая начальную прочность на сжатие 1,0-1,2 МПа; и увеличивать ее со временем до 25 МПа и более в результате продолжающегося процесса гидратации двухкальциевого силиката. Уплотненный и затвердевший нефелиновый шлам морозостоек, обладает теплоизолирующим свойством, повышенной деформативностью и трещиностойкостью по сравнению с цементобетоном [1].
Благодаря содержанию большого количества b-двухкальциевого силиката в нефелиновом шламе обеспечивается возможность приготовления на его основе вяжущего материала, который используется для укрепления местных грунтов в дорожных основаниях, а также возможность использования рядового шлама в качестве материала для устройства из него монолитных оснований. Такой шлам может быть эффективно использован не только в дорожном строительстве, но и для получения цемента, щелочестойких строительных растворов и бетонов, для изготовления автоклавных строительных изделий, огнеупорных материалов, формовочных смесей, для известкования кислых почв и для некоторых других целей.
Вяжущие материалы из нефелинового шлама получают путем совместного помола высушенного нефелинового шлама и активатора твердения. Нефелиновое вяжущее состоит из 80 % нефелинового шлама, 15 % извести и 5 % гипса. Температура высушивания составляет не более 150 °С. В качестве активаторов твердения так же используется гипсовый камень при расходе 7 %, портландцемент или портландцементный клинкер при расходе 15 % массы вяжущего.
Грунты, укрепленные нефелиновыми вяжущими, нефелиновым шламом в сочетании с портландцементом, и рядовой отвальный нефелиновый шлам рекомендуется применять для устройства верхнего и нижнего слоев оснований под асфальтобетонное и цементобетонные покрытия, а также морозозащитного слоя в районах, не имеющих требуемых дренирующих материалов. Для устройства дорожных оснований из грунтов, укрепленных нефелиновыми вяжущими, разрешается применять все виды и разновидности крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов, за исключением глин с числом пластичности более 20. Нефелиновые вяжущие, предназначенные для укрепления грунтов, должны иметь марку не ниже 100 и прочность при изгибе после 28 суток твердения не менее 3 МПа, при сжатии – не менее 10 МПа.
В качестве верхних слоев оснований под усовершенствованные дорожные покрытия рекомендуется использовать следующие компоненты: цементобетон пониженных марок, каменные материалы, различные грунты, отходы промышленности, укрепляемые минеральными и органическими вяжущими материалами или отходами промышленности, обладающими вяжущими свойствами, например, молотый нефелиновый шлам, щебень [2].
Основные направления использования нефелиновых шламов в дорожном строительстве представлены на рисунке 1.
Рисунок 1– Схема применения нефелиновых шламов в дорожном строительстве
При укреплении грунтов нефелиновыми вяжущими смесь приготавливают двумя способами: в стационарной смесительной установке с последующей вывозкой смеси к месту укладки; грунтосмесительными машинами непосредственно на автомобильной дороге. При устройстве дорожных оснований из укрепленных грунтов смесь приготавливают в карьерной смесительной установке или на бетонном заводе. Смесь после профилирования уплотняют катками на пневматических шинах до требуемой плотности не менее 0,98 стандартной. Если разрыв во времени между устройством дорожного основания и укладкой покрытия составляет не более суток, то уход за свежеуложенным слоем укрепленного грунта не осуществляют.
Для укрепления нефелиновым шламом в сочетании с портландцементом рекомендуется использовать в зависимости от дисперсности нефелинового шлама следующие разновидности грунтов: несцементированные типа крупнозернистых песков, гравийно-песчаные смеси, различные крупнообломочные каменные материалы, в том числе и малопрочные – при использовании немолотого нефелинового шлама; несцементированные грунты, а также различные средне- и мелкозернистые, в том числе одномерные, пески, супеси легкие, крупные и пылеватые с числом пластичности не более 5 – при использовании только молотого нефелинового шлама. Немолотый нефелиновый шлам для укрепления грунтов применяют как в сухом виде, так и в состоянии естественной влажности. Наиболее эффективно использовать молотый нефелиновый шлам с дисперсностью, близкой к дисперсности портландцемента. Для укрепления грунтов, используют не только портландцемент, а также добавки каустической соды (NаОН), хлористого кальция (СаСl2).
При укреплении крупнозернистых песков, гравийно-песчаных смесей, различных каменных материалов, в том числе и малопрочных, применяют добавку портландцемента в количестве 7 % в сочетании с 15 % немолотого шлама или 5 % цемента с тем же количеством молотого шлама. При укреплении грунтов с использованием немолотого шлама для повышения морозостойкости предусматривают применение добавок легкорастворимых химических веществ типа NaOH или СаСl2 в количестве 1% массы шлама. При этом дозировка шлама в смеси может быть снижена ориентировочно на 5% массы шлама. При использовании молотого шлама влияние добавок NaOH и СаСl2 выражено менее ярко. Однако и в этом случае введение их в количестве 1% массы шлама также обеспечивает повышение морозостойкости укрепленного материала. При использовании молотого шлама в сочетании с портландцементом отношение указанных компонентов при условии их совместного смешения составляет ориентировочно 5 к 1 [3].
Для устройства монолитных дорожных оснований рекомендуется использовать рядовой отвальный нефелиновый шлам в сочетании с минеральным заполнителем или без него [4]. Нефелиновый шлам, используемый для устройства слоев дорожных одежд, должен удовлетворять следующим требованиям. Содержание в шламе комков размером 120 мм не должно быть более 15 %. Влажность шлама, укладываемого в дорожную одежду, не должна превышать 30 %. В качестве минерального заполнителя в смесях с нефелиновым шламом рекомендуется использовать крупнообломочные грунты (гравийные, дресвяные, щебенистые), а также гравийно- и щебеночно-песчаные смеси и крупные и средние пески. При проектировании и подборе составов смесей в случае использования нефелинового шлама без минерального заполнителя для устройства слоев дорожных одежд определяют его гранулометрический состав, оптимальную влажность и максимальную плотность. Оптимальная влажность шлама должна составлять 25 %. Ориентировочно соотношение в смеси шлама и заполнителя составляет 1 к 3 по массе. При устройстве слоя основания из нефелинового шлама в смеси с минеральным заполнителем или без него, необходимо проводить систематический контроль за влажностью материалов, толщиной слоя распределяемого материала и проектными уклонами, степенью уплотнения, ровностью основания и соответствием показателей физико-механических свойств уплотненного материала предъявляемым требованиям.
Хранение шлама осуществляется раздельно по видам. Немолотый шлам хранят под навесами в местах, защищенных от влаги, ветра, не допуская загрязнения его посторонними примесями. Молотый шлам хранят так же, как и цементы или другие минеральные вяжущие вещества [3].
По результатам патентного поиска на территории РФ был найден действующий патент на изобретение от 28.05.2007 RU 2352599. В данном патенте предложена композиция для ремонта асфальтобетонных покрытый. Изобретение относится к дорожному строительству и может использоваться при выполнении ремонтных работ асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов. Изобретение касается композиции для ремонта асфальтобетонного покрытия, включающей вяжущее, наполнитель, добавки и растворитель, в качестве вяжущего предложено использовать минеральные компоненты: высококальциевая зола-унос ТЭЦ и портландцемент, в качестве наполнителя предлагается использовать кварцевый песок, в качестве добавок использовать полимерные добавки и нефелиновый шлам алюминиевого производства. Для затворения предлагается использовать воду при следующем соотношении компонентов: высококальциевая зола-унос ТЭЦ 35 %; портландцемент 4 %; кварцевый песок 35 %; нефелиновый шлам алюминиевого производства 4 %; полимерные добавки 4 %; остальное вода. Применение такой композиции на основе минерального вяжущего позволит расширить сезон дорожно-ремонтных работ, улучшить сцепление ремонтного материала с асфальтобетонным покрытием, повысить срок службы и качество ремонтируемого покрытия [5].
Таким образом, целесообразно применять нефелиновый шлам при строительстве дорожных оснований как в виде специально приготовленного вяжущего для укрепления местных грунтов, так и в исходном рядовом виде в качестве материала монолитного основания. Необходимо так же отметить положительное влияние на прочность и морозостойкость грунтов, укрепленных нефелиновыми вяжущими. Применение таких вяжущих позволяет производить работы по исправлению ровности основания в определенный срок после окончания уплотнения. Использование нефелиновых вяжущих в технологии производства работ позволяет повысить темпы и улучшить качество дорожного строительства. Благодаря достаточной начальной прочности уплотненного нефелинового шлама и наличию у него тиксотропных свойств, движение транспорта по шламовому основанию можно открывать практически сразу после окончания его уплотнения, эксплуатировать основание под движением продолжительное время и, в случае необходимости, исправлять его ровность путем рыхления, повторного профилирования и уплотнения.
Применение нефелиновых шламов позволит сократить дефицит дорожно-строительных материалов, повысить темпы и качество дорожного строительства, увеличить долговечность автомобильных дорог и снизить их конечную стоимости. В виду того, что накопленный в отвалах нефелиновый шлам занимает огромную полезную площадь и создает постоянную опасность загрязнения почвы, атмосферы и окружающих водоемов, использование его в дорожном строительстве помимо достижения технико-экономического эффекта способствует решению задачи охраны окружающей среды.
Список использованной литературы
1 Бескровный В. М. Применение нефелинового шлама для строительства оснований автомобильных дорог в условиях Сибири. Диссертация. Омск, 1983.
2 СНиП 2.05.07-91. Утв. Постановлением Минстроя РФ от 05.03.1996 N 18-15.
3 Методические рекомендации по применению нефелинового шлама Ачинского глинозёмного комбината при устройстве оснований автомобильных дорог в районах Западной и Восточной Сибири. Минтрансстрой. Москва, 1981.
4 Государственный дорожный научно-исследовательский институт. Руководство по строительству оснований и покрытий автомобильных дорог из щебеночных и гравийных материалов. Москва, 1999.
5 Композиция для ремонта асфальтобетонных покрытий: пат. 2352599 РФ / Шевченко В. А., Иванова Л. А., Ширай Л. А., Богданов И. Я. СФУ. Опубл. 20.04.2009.
Количество просмотров публикации: Please wait
Применение отходов промышленности для строительства оснований
В конструкции дорожной одежды слои основания имеют наибольшую толщину. Поэтому их строительство сопряжено с большим расходом строительных материалов. В то же время слои оснований работают в более благоприятных условиях при сравнении с покрытиями, что позволяет широко использовать для их строительства местные материалы и отходы промышленности. Целесообразность их использования обосновывают технико-экономическими расчетами с учетом возможного уменьшения срока службы дорожной одежды в результате отказа от применения стандартных привозных материалов.
Помимо технико-экономической целесообразности применение при строительстве дорог отходов промышленности и вторичных ресурсов помогает решать экологические проблемы региона, высвобождая занимаемые отходами значительные территории, в том числе сельскохозяйственные земли.
Многообразие технических и технологических решений, характерных для дорожной отрасли, позволяет использовать при строительстве, ремонте и эксплуатации дорог практически все отходы промышленности. Исключение составляют отходы, имеющие повышенное содержание канцерогенов и радионуклидов.
Характерной особенностью этих материалов является неоднородность, что проявляется в нестабильности физико-механических и химических свойств. В связи с этим, возможность использования конкретного отхода или вторичного продукта необходимо выявлять путем проведения лабораторных исследований. Номенклатура отходов промышленности чрезвычайно велика и разнообразна. В зависимости от специализации производства различают металлургические шлаки и отходы металлургического и литейного производства, топливные шлаки и золы-уноса, отходы горнорудной промышленности, побочные продукты коксохимических предприятий, нефтегазовой промышленности, различных предприятий химической и деревообрабатывающей промышленности, отходы строительства.
Одними из наиболее широко известных видов отходов, которые внедрены в дорожное строительство, являются шлаки черной, цветной металлургии и фосфорного производства. Их утилизация является важным источником получения высококачественных материалов для дорожного строительства.
Шлаки представляют собой ценное сырье для приготовления нерудных материалов и минеральных вяжущих. Активные шлаки частично заменяют традиционные вяжущие (цемент, известь) при строительстве дорожных оснований и покрытий. Многолетний опыт дорожных организаций показывает, что себестоимость шлаковых дорожно-строительных материалов в два раза ниже себестоимости аналогичной продукции из естественных горных пород.
В наибольшей степени при строительстве дорожных оснований используют шлаки черной металлургии, особенно доменные. Более 50% доменных шлаков перерабатывают в гранулированные. Щебень и песок получают дроблением и грохочением шлака, разработанного в отвалах по аналогии с переработкой естественных горных пород.
Гранулированный шлак, получаемый путем быстрого охлаждения жидкого шлака, находит широкое применение как сырье для производства гидравлических вяжущих. Он может использоваться как самостоятельное медленнотвердеющее вяжущее при устройстве оснований из укрепленных грунтов и каменных материалов. Для ускорения схватывания и улучшения физико-механических показателей укрепленных материалов в смесь вводят гипс, цемент или известь.
Большое количество тепловых электростанций, работающих на угле, бесперебойно обеспечивают дорожную отрасль такими продуктами отхода, как сухая зола-уноса, шлак и золошлаковые смеси. Шлак и золошлаковые смеси в естественном состоянии и укрепленном виде широко применяют для строительства оснований и теплоизолирующих слоев. Золы-уноса сухого отбора, обладающие гидравлическими свойствами, используют в качестве вяжущего при обработке грунтов и каменных материалов.
В регионах, занимающихся добычей каменного и бурого угля, скапливаются громадные объемы отвальных шахтных пород и отходов углеобогащения. Эти отходы, находящиеся в террикониках, занимают значительные площади, исключая их из хозяйственной деятельности.
Отвальные породы и отходы углеобогащения представляют собой разновидность неоднородного по составу и свойствам техногенного грунта с различным содержанием угля, мелкозема, минеральных частиц различного гранулометрического состава. Зачастую наличие в отходах большого количества глинистых и пылеватых частиц, а также кислая среда не позволяют использовать их для строительства оснований в естественном состоянии.
В укрепленном виде несложно обеспечить отходам необходимые свойства для использования в качестве дорожного основания. При обработке отходов минеральными вяжущими в целях создания благоприятных условий для структурообразования и нейтрализации кислой среды в смесь вводят известь или аммиачную воду.
Среди многочисленных отходов нефтедобычи, нефтепереработки и коксогазового производства при строительстве и ремонте дорог наибольшее распространение получили нефтяные шламы и каменноугольные фусы. Используют шламы в основном при комплексном укреплении грунтов и слабопрочных каменных материалов для улучшения деформативных характеристик, повышения водо- и морозостойкости укрепляемых материалов. Каменноугольные фусы применяют в качестве органической добавки при комплексном укреплении минеральных материалов и грунтов.
Сама дорожная отрасль также является поставщиком отходов, используемых вторично при проведении строительных работ. Наиболее часто применяют материалы, полученные при разборке и ремонте дорожных одежд эксплуатируемых дорог. Бетонные покрытия и основания после дробления и грохочения превращают в щебень и песок. Сфрезерованные при проведении ремонтных работ старые асфальтобетонные покрытия в виде асфальтогранулята используют при изготовлении новых асфальтобетонных смесей, а также для строительства оснований путем обработки его различными вяжущими в процессе фрезерования покрытия мобильными фрезами-ресайклерами.
И так как, в настоящее время отдельных нормативных документов для оценки качества асфальтобетона и асфальтобетонных смесей с применением отходов не существует, оценка качества таких материалов будет производиться по ГОСТ 9128-2013. Данный норматив регламентирует производство лабораторных испытаний в соответствии с ГОСТ 12801-98. Несмотря на экологичность данного материала необходимо помнить, что от качества асфальтобетонного покрытия зависит безопасность людей. Например, при использовании гранулятов старого асфальтобетона (вторичное использование) сотрудниками Лаборатории испытаний конструктивных слоёв дорожных одежд и грунтов нередко выявлялись нарушения технологии производства, что приводило к ухудшению эксплуатационных свойств. В связи с этим, мы считаем, что внедрять разработки, позволяющие сохранять окружающую среду правильно, однако, необходимо при этом уделять особое внимание качеству технологий строительства для недопущения ухудшения его эксплуатационных свойств.
1. Шестоперов С.В. Дорожно-строительные материалы. Ч. 1. Учебник для вузов. М. : «Высшая школа», 1976. – 256 с.
2. Ольховиков В.М. Строительство дорожных оснований: Учебное пособие – М. : ООО «Техполиграфцентр», 2008. – 55 с.
3. Справочник дорожных терминов / Под ред. д-ра техн. наук проф. В. В. Ушакова. – М. : «ЭКОН – ИНФОРМ», 2005. – 256 с.