ПРИМЕНЕНИЕ ЗОЛЫ-УНОСА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Классификация золошлаков:
Состав и свойства золошлаков зависят от состава минеральной части топлива, его теплотворной способности, режима сжигания, способа улавливания и удаления, места отбора золошлаков в улавливающих установках или в золоотвале.
1. Золошлаки по виду сжигаемого угля подразделяют на:
– антрацитовые, образующиеся при сжигании антрацита, полуантрацита и тощего каменного угля (АУ);
– каменноугольные, образующиеся при сжигании каменного, кроме тощего угля (КУ);
– буроугольные, образующиеся при сжигании бурого угля (БУ).
2. По химическому составу золошлаки делятся:
3. По содержанию горючих (потеря массы при прокаливании) золошлаки подразделяют: с низким содержанием горючих; со средним содержанием горючих и с высоким содержанием горючих.
4. По способу улавливания, удаления и месту отбора золошлаки подразделяются (рисунок 1):
Зола-унос (ЗУ) – это тонкодисперсный материал, размером менее 0,315 мм, образующийся из минеральной части твердого топлива, сжигаемого в пылевидном состоянии, и улавливаемый золоулавливающими устройствами из дымовых газов тепловых электростанций.
Шлак топливный (ШлТ) – это грубодисперсный материал размером от 0,315 мм и более, образующийся из минеральной части твердого топлива, агрегирующийся в топочном пространстве котлоагрегатов, и удаляемый снизу топки.
Золошлаковая смесь (ЗШС) – это полидисперсная смесь из золы-уноса и шлака топливного, образующаяся при их совместном удалении на тепловых электростанциях.
зола-унос шлак топливный золошлаковая смесь
Рисунок 1 – Золошлаки по способу улавливания.
Подробнее рассмотрим ЗУ [2].
В зависимости от типа золоулавливающих устройств ЗУ может улавливаться во влажном (ЗУВл) или сухом состоянии (ЗУСух).
По технологическим причинам ЗУВл потребителю не поставляется, а ЗУСух отгружают потребителю с помощью специальных золоотборных систем.
Золошлаки могут применяться при обработке материалов и укреплении грунтов в качестве:
– гранулометрической добавки для корректировки состава грунтов или каменных материалов;
– самостоятельного медленнотвердеющего вяжущего (только высококальциевая зола-унос);
– активной минеральной добавки смешанного вяжущего в сочетании с цементом или (и) известью.
Высококальциевая ЗУ, применяемая как самостоятельное вяжущее, должна обеспечивать равномерность изменения объема при дополнительном испытании образцов обработкой в автоклаве [2].
ЗУ – это зольная составляющая крупнозернистой и среднезернистой ЗШС, а также мелкозернистая ЗШС применяемые в качестве активной минеральной добавки, должны обеспечивать в смеси с портландцементом равномерность изменения объема при испытании образцов кипячением в воде.
ЗУСух улавливания, соответствующая требованиям, предъявляемым к порошкам марки МП – 2 по ГОСТ Р 52129 может отбираться на специальных золоотборных установках ТЭС, транспортироваться цементовозами (золовозами) и подаваться в расходные бункеры для минерального порошка на асфальтобетонных заводах для приготовления асфальтобетонных или органоминеральных смесей [3].
Приготовление минерального порошка из ЗШС или ЗУ, а также активация этих материалов должна осуществляться путем помола (механической активации) исходных материалов в шаровых мельницах, дезинтеграторах. Химическая активация осуществляется параллельно с механической путем добавления к измельчаемым золошлакам специальных органических веществ или извести. Наилучшие показатели дает активированный порошок из золошлаков с величиной удельной поверхности от 4,5 до 6,0 м 2 /кг.
– введение химических добавок;
– предварительная гидратация или карбонация;
При устройстве слоев из ОМиУГ с золошлаками, приготовленной на основе щебеночно-гравийно-песчаных материалов обработанных известью или высококальциевой ЗУ, движение построечного транспорта допускается открывать сразу после окончания уплотнения слоя.
Так же ЗУ применяться в цементобетонных основаниях автомобильных дорог для уменьшения расхода основного материала. Для жестких бетонных смесей рекомендуется использовать золы IV вида по ГОСТ 25818, но так же с технико-экономическими обоснованиями допускается использование других зол.
Из этого следует, что состав бетона следует подбирать из условий обеспечения требуемых значений прочности на растяжение при изгибе и на сжатие. Особенности гранулометрического, химико – минералогического, вещественного состава и пуццоланового действия золы, оказывают отрицательное влияние на морозостойкость бетонных оснований. Для компенсации этого влияния золы рекомендуется снижать цементно – водное отношение, а применять воздухововлекающие или газообразующие добавки.
Укладку смеси для бетона оснований с золой осуществляют так же, как и для обычных бетонных смесей, уплотняемых по технологии укладки. Распределение жесткой бетонной смеси с золой в слое основания перед уплотнением следует осуществлять с учетом запаса на уплотнение от 20 % до 30 %, который уточняется при пробном бетонировании. Открывать движение построечного транспорта, рекомендуется только после того, как бетон наберет не менее 90 % проектной прочности на сжатие и не менее 100 % проектной прочности на растяжение при изгибе.
При использовании в качестве основного вяжущего цемента открывать движение построечного транспорта допускается не ранее семи суток после окончания строительства слоя. В течение этого времени необходимо осуществлять уход [4].
Отгрузка потребителю производиться в сухом виде (ЗУСух) при этом ее влажность не должна превышать 2 % по массе. Допускается по согласованию поставщика с потребителем поставка золошлаков с большей влажностью. Отгружаемая ЗУ должна иметь маркировку, учитывая все виды и разновидности квалификационных признаков, поставляться в специальных силосов (бункеров) золоотборных установок на ТЭЦ.
Библиографические ссылки
«Укладка асфальтобетонных смесей» [Электронный ресурс]; URL: http://berma.am/ru/place-tech [дата обращения 06.11.2015].
ОДМ 218.2.031-2013. Методические рекомендации по применению золы – уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве [Текст]: взамен ВСН 185-75: издан на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 04.03.2013 г. № 2 50-рю. – М., 2013. – 67 с.
ГОСТ Р 52129 – 2003: Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей. Технические условия.
ОДМ 218.2.035-2013. Рекомендации по применению золы – уноса в бетоне оснований автомобильных дорог [Текст]: введен в первые: издан на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 22.07.2013 г. № 1046-р. – М., 2013. – 30 с.
Использование золошлаков в строительстве в контексте продления сроков эксплуатации золоотвалов ТЭЦ
К.т.н. С.Б. Горунович, ведущий инженер ПТО, «Усть-Илимская ТЭЦ» филиал ПАО «Иркутскэнерго», г. Усть-Илимск, Иркутская обл.
Введение
Известно, что для эксплуатации электрических станций, теплоэлектростанций (ТЭС) с угольными котлами на специально отведенной территории организуются склады хранения отходов от сжигания углей (золошлаков) – золоотвалы. С течением времени объемы накопленных золошлаков непрерывно растут, свободные емкости существующих золоотвалов уменьшаются. При этом утилизируется и используется не более 10% годового выхода золошлаков. Если такая тенденция сохранится, то в ближайшие 3-5 лет переполнение золоотвалов приобретёт массовый характер. В ПАО «Иркутскэнерго» приняли общую стратегию по золоотвалам с отказом от строительства новых с целью активизации усилий по оптимизации заполнения существующих емкостей и утилизации золошлаков. Очевидно, что наиболее эффективными, требующими минимума затрат, являются следующие методы утилизации золошлаков: 1) ремонт и строительство (тепловых сетей, дорог, площадок, дамб); 2) рекультивация угольных разрезов и свалок. В Иркутской области успешно действует акционерное общество ЗАО «Иркутсксзолопродукт», которое занимается сертификацией золошлаков золоотвалов ПАО «Иркутскэнерго» и реализацией продукции на основе золошлаков (рис. 1).
Рис. 1. Отбор золошлаков на золоотвале ПАО «Иркутскэнерго»
(фото с сайта http://zolprod.irkutskenergo.ru).
Классификация и свойства золошлаков
Очевидно, что состав и свойства золошлаков зависят от состава минеральной части топлива, типа системы пылеприготовления, режима сжигания, способа улавливания и удаления, места отбора золошлаков в улавливающих установках или на золоотвале. По способу улавливания, удаления и месту отбора золошлаки подразделяются на золу-унос (мелкие несгоревшие частицы топлива из-под установок золоудаления), шлак топливный (тугоплавкий остаток твердого топлива из-под котлов) и золошлаковую смесь (ЗШС). Для дорожного строительства используются все компоненты как в отдельности, так и в смеси (ЗШС). По виду сжигаемого угля золошлаки можно поделить на сланцевые, каменноугольные, буроугольные, образующиеся при сжигании торфа. По химическому составу золошлаки принято делить на высококальциевые (активные) и низкокальциевые (инертные, кислые). Данная классификация особенно удобна для оценки возможности использования ЗШМ при возведении технологических дамб золоотвалов ТЭС, дорожного строительства и производства строительных материалов [2] (табл. 1).
Показатели качества оцениваются в зависимости в зависимости от химического состава (в %) по следующим формулам:
В соответствии со значением основного модуля Mo ЗШМ также условно разделяют на основные
Согласно требований Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ для отбора золошлаков на золоотвалах специализированными проектными организациями (стоит отметить, например, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева) разрабатывается проектная и рабочая документация. В случае совместного гидрошлакозолоудаления, проектом, как правило, предусматриваются мероприятия по выделению «карт» – огороженных технологическими дамбами площадок на золоотвалах. Карты условно делятся на «рабочие» – где производится заполнение золоотвала (например, золошлаковой пульпой), и карты отбора – где производятся мероприятия по подготовке золошлаков к отгрузке (например, осушение).
Морозостойкость – свойство особенно актуальное в строительстве в северных регионах России. Исследования [2] показывают, что частицы золы и жидкого шлака (полученного путем жидкого шлакоудаления) морозостойки (гранулометрический состав этих материалов до и после испытаний остается неизменным), а частицы твердого шлака – не морозостойки.
ОДМ 218.2.031-2013 определяет основным критерием оценки пригодности ЗШС для сооружения земляного полотна степень морозной пучинистости по ГОСТ 25100-2011. Степень морозной пучинистости – характеристика, отражающая способность грунта к морозному пучению, выражается относительной деформацией морозного пучения.
При оценке применяемых золошлаковых смесей из золоотвалов для сооружения земляного полотна автомобильных дорог по критерию морозоустойчивости (степени пучинистости) установлено, что наиболее однородными и пригодными для сооружения земляного полотна являются каменноугольные золошлаковые смеси при условии жидкого шлакоудаления у котлов (0,015 ÷ 0,035) [3]. Согласно ОДМ 218.2.031-2013 ЗШС, величина относительной деформации морозного пучения которой не превышает 0,035, применяют для возведения насыпей земляного полотна без ограничений.
Гранулометрический состав играет важную роль при гидротранспорте ЗШС на золоотвалы (гидрошлакозолоудалении), создании устойчивой системы оборотного водоснабжения, для дальнейшего использования золошлаков в качестве строительных материалов. Гранулометрический состав является критерием для деления золошлаковых материалов на золу (золу-унос) и шлаки. Условной границей между ними можно принять частицы размером 0,25 мм: более мелкие материалы относят к золам, более крупные – к шлакам [3]. В источнике [2] приводятся следующие обобщенные данные по гранулометрическому составу: зола в основном представлена фракциями 0,01 ÷ 0,1 мм; средняя крупность жидкого шлака – 2,5 ÷ 9,0 мм; средняя крупность твердого шлака при отсутствии дробилок – 0,12 ÷ 10 мм; средняя крупность твердого шлака при наличии дробилок – 0,25 ÷ 4 мм.
Согласно ОДМ 218.2.031-2013 для сооружения дорожных слоев без укрепления в наибольшей степени пригодна крупнозернистая и среднезернистая ЗШС, т.е. ЗШС с наибольшей шлаковой составляющей (шлаковый щебень – частицы размером свыше 5 мм) и шлаковый песок (частицы от 0,315 до 5 мм).
При гидротранспорте ЗШС по пульпопроводам на золоотвал одной из основных задач при эксплуатации золоотвала является создание устойчивой боковой зоны – части откоса намыва, которые примыкают к ограждающей дамбе. Очевидно, что боковая зона должна обладать достаточными прочностными и антифильтрационными свойствами для эффективной и безопасной эксплуатации золоотвала [2]. В дальнейшем, как правило, из этой зоны производится отбор золошлаков.
Данные о зерновом и химическом составах на золоотвалах гидроудаления показывают, что ЗШС по зерновому составу неоднородны. Золошлаковые грунты по ГОСТ 25100-82 могут быть отнесены к пескам – от гравелистого до пылеватого. Большей средней крупностью характеризуются ЗШС от сжигания каменных углей, меньшей – от сжигания бурых углей. Исследование проб ЗШС, отобранных из отвалов на разных расстояниях от места слива золопульпы, показало, что по мере удаления от него дисперсность смесей возрастает, и если на расстояниях до 50 м преобладают шлаковые фракции, то на расстояниях 200 ÷ 300 м – зольные с частицами размером менее 0,25 мм. Это дает основание для выделения в пределах отвала зон фракционирования: шлаковой – с преобладанием фракций шлака (>0,25 мм), золошлаковой – с преобладанием фракций золы ( 5 МПа [2].
ГОСТ 3344-83 приводит понятие «активность шлаков», которое характеризует как прочность образцов на сжатие, изготовленных из молотого шлака. При этом если прочность образцов молотого шлака свыше 5 МПа, шлак считается высокоактивным и его использование в дорожном строительстве является предпочтительным. Можно предполагать, что жидкие шлаки по данному критерию являются в основном высокоактивными.
Использование золошлаков в строительстве
При строительстве и ремонте теплосетей используются грунтовые материалы: щебень, песок, смеси щебеночно-гравийно-песчаные. Например, при укладке железобетонных лотков, опор, монтаже тепловых камер часто необходима замена существующего грунта, который не соответствует критериям плотности, несущей способности, морозостойкости. К таким грунтам обычно можно отнести рыхлые и глинистые грунты (растительный слой почвы, пылеватые пески, торфы, илы, глины, суглинки, супеси). При укладке железобетонных изделий данные грунты рекомендуется удалить до существующих уплотненных слоев или слоев, которые можно уплотнить до необходимой проектной плотности. Если существующий грунт склонен к пучинистости, замену грунта производят на глубину промерзания. После уплотнения существующего ложа укладывается непросадочный, морозостойкий грунт (обычно щебень или щебеночно-гравийно-песчанная смесь) в качестве которого можно использовать морозостойкую ЗШС крупного или среднего состава с послойным уплотнением (трамбованием). ГОСТ 25607-2009 допускает добавку в щебеночно-гравийно-песчанные смеси золошлаков при недостатке в смеси мелких фракций.
При прокладке или перекладке теплосетей под дорогами и тротуарами рекомендуется либо полная (под дорогами), либо частичная замена грунта (на глубину 10-20 см). Грунт, используемый в качестве замены, должен соответственно отвечать требованиям щебеночно-гравийно-песчанных смесей используемых в качестве оснований (ГОСТ 25607-2009) или требованиям ЗШС для дорожного строительства (ОДМ 218.2.031-2013).
Вопросам использования золошлаков в дорожном строительстве посвящены многие документы (например, [4, 5]). Соответственно для строительных работ при прокладке и ремонте теплосетей они вполне применимы, тем более в случаях прокладки теплосетей под дорогами и тротуарами. Согласно ОДМ 218.2.031-2013 для сооружения насыпей земляного полотна пригодны все типы ЗШС по зерновому составу с величиной потерь при прокаливании, соответствующей низкому и среднему содержанию горючих, удовлетворяющие следующим требованиям:
а) удельная эффективная активность природных радионуклидов для всех видов золошлаков не должна превышать требований ГОСТ 30108 и НРБ-99/2009. (Как правило, золошлаки относятся к первому классу по удельной эффективной активности ЕРН (эфф. A) природных радионуклидов, поэтому они могут применяться без ограничений во всех дорожных конструкциях);
б) по Федеральному закону от 24.06.1998 г. № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» по степени негативного воздействия на окружающую среду золошлаки должны относиться к пятому классу – «практически неопасные отходы». В противном случае их применение должно сопровождаться внедрением специальных мероприятий, предусмотренных ФЗ и приказом от 30 сентября «Об утверждении порядка введения 2011 г. № 792 Министерства государственного кадастра отходов природных ресурсов Российской Федерации»;
в) золошлаки не должны содержать посторонних загрязняющих включений (строительного мусора, грунта, древесных остатков и др.).
Рекомендуемый состав дорожной насыпи согласно ОДМ 218.2.031-2013 представлен на рис. 2 (рисунок взят из того же источника).
Рис. 2. Схемы поперечных профилей дорожной насыпи с применением ЗШС:
(рисунок с сайта http://zolprod.irkutskenergo.ru).
Необходимо учитывать, что в зависимости от вида топлива и условий его сжигания в ЗШМ могут содержаться несгоревшие органические частицы топлива. Поэтому при производстве бетонов и строительных растворов потеря массы при прокаливании (п.п.п.) должна быть не выше 3÷25% в зависимости от вида исходного топлива [4]. Эта характеристика может также служить критерием количества посторонних загрязняющих включений в золошлаках при использовании их в строительстве.
Использование золошлаков обуславливает проведение дополнительных мероприятий по охране окружающей среды при разработке золоотвалов и в процессе дорожного строительства, если золошлаки в результате транспортирования теряют первоначальную влажность, высыхают и пылят. Использование зол уноса в дорожном строительстве не требует проведения дополнительных мероприятий по охране окружающей среды по сравнению с применением традиционных материалов (цемента, извести) [3].
Возведение технологических дамб на золоотвалах, строительство подъездов и дорожных насыпей на территории золоотвалов является важной технологической задачей при организации мероприятий по подготовке (осушению), отгрузке и вывозу золошлаков. Некоторые рекомендации по строительству технологических дамб, в т.ч. дамб «наращивания», которые могут служить для увеличения емкости золоотвала, перечислены в [2]:
1) по химико-минералогическому составу для дамб пригоден материал с высокой цементирующей способностью с суммарным наличием кальций- и магний содержащих минералов СаО + MgO на окисную форму 25% и более;
2) по гранулометрическому составу – содержание шлаковых фракций в количестве более 20%.
Согласно известной практике при строительстве технологических дамб также используются ЗШС, не обладающая цементирующей способностью в сочетании с суглинками (50% на 50%), с усилением поверхности щебнем или крупнообломочными грунтами.
Пример
Приведем пример характеристики золошлаков Усть-Илимской ТЭЦ на основании паспортов на ЗШС и золу уноса (табл. 3).
Таблица 3. Характеристики золошлаков Усть-Илимской ТЭЦ.
п/п
K = 0,82
При непосредственном перемещении по уплотненным слоям ЗШС транспортных средств, расчеты, также, как и практический опыт, показывают, что несущая способность ЗШС, как правило (для большинства видов ЗШС), является недостаточной для тяжелого автомобильного транспорта. Разрушение поверхностного слоя приводит к образованию глубокой колеи, что в дальнейшем приводит покрытие в негодность. Расчеты показывают, чтобы предотвратить образование глубокой колеи, удельное давление на грунт не должно превышать 0,1 МПа, что достижимо только при использовании автомобильного транспорта с нагрузкой на ось менее 2 тс и гусеничного. В данном случае необходимы дополнительные мероприятия по увеличению контактной прочности поверхности, например, обработкой органическими и минеральными вяжущими, активной золой уноса (согласно ОДН 218.046-01). При этом структурная прочность насыпи из ЗШС, как целого, не вызывает опасения [7]. В практическом смысле это означает, что кратковременное нахождение тяжелого транспорта на гребне насыпных дамб допустимо, с последующим ремонтом (подсыпкой и планированием) поверхности.
В заключении можно сказать, что широкое использование ЗШС для строительства дорожных насыпей выглядит очень привлекательно. Не трудно подсчитать, что на 1 км дорожной насыпи (с высотой 4 м, шириной поверху 12 м, откосами 1:1,5) можно использовать средний годовой выход золошлаков крупной теплоэлектростанции, соразмерной с Усть-Илимской ТЭЦ (около 80 тыс. м 3 ).
Выводы
1. Утилизация золошлаков является актуальной задачей для энергогенерирующих компаний, которая попутно позволяет продлить срок эксплуатации хранилищ золошлаков – золоотвалов.
2. Сертификация золошлаков позволяет перенести последние из разряда золошлаковых отходов в золошлаковые материалы (ЗШМ).
3. При решении вопроса об использования ЗШС в строительстве необходимо учесть их основные характеристики: потерю массы при прокаливании, показатели активности, плотность скелета (насыпную) и агрегатную (истинную) плотность, влажность, гранулометрический состав (модуль крупности), морозостойкость, класс радиационной безопасности и класс опасности для окружающей природной среды.
4. В качестве подушек и оснований, наиболее предпочтительно использовать каменноугольную, образованную при жидком шлакоудалении, крупнозернистую с низким числом посторонних включений ЗШС.
5. Прочностные расчеты показывают, что подушки и насыпи из ЗШС имеют значительную несущую способность.
6. В настоящее время не существует принципиальных препятствий для широкого использования ЗШС в различных видах строительства. При выборе и заказе ЗШС удобно использовать нормы для дорожного строительства.
Литература
1.Горбунов В.В., Галенская Л.П., Сеякаев М.А. Стратегия использования золошлаков // Экология производства. 2011. № 1.
2. Пантелеев В.Г., Мелентьев В.А., Добкин Э.Л., Агеев Г.С., Кириллов В.Н., Ларина Э.А., Матюшин В.М., Большакова Ю.С., Гольдина Т.М., Сергеева Т.Е. Золошлаковые материалы и золоотвалы. М.: Энергия, 1978.
3. «Основные направления и способы использования золошлаковых отходов тепловых электростанций» // Технические статьи [Электронный ресурс] URL: http://somillial.ucoz.ru/news/ispolzovanie_zoloshlakovykh_otkhodov_tehs/2013-03-12-68 (дата обращения 20.04.2015).
4. Путилин Е.И., Цветков B.C. Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог. Обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС. М.: СОЮЗДОРНИИ, 2003.
5. Методические рекомендации по определению экономически рациональной области использования отходов ТЭЦ и ГРЭС в дорожном строительстве. М.: СОЮЗДОРНИИ, 1987.
6. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1979.
7. Горунович. С.Б. Несущая способность дамб и дорожных насыпей из золошлаков ТЭЦ // Механики XXI веку. 2015. №14. С.272-276.