Применение золошлаковых отходов в дорожном строительстве
Библиографическая ссылка на статью:
Шамбер О.Ю., Голубничий А.А. Обоснование рекомендаций по применению золошлаков в дорожно-строительных работах // Современная техника и технологии. 2017. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2017/01/11874 (дата обращения: 11.09.2020).
Золошлаковые материалы имеют перспективу широкого применения в целях ресурсосбережения, поэтому наиболее рациональным будет их вовлечение в дорожное строительство. В зависимости от состава шлаков его фракционного размера и вида он может быть использован в различных слоях оснований дороги.
О выборе того или иного вида шлака можно судить об износостойкости дорожного покрытия. Так, например, использование золы уноса в качестве добавки при строительстве автомобильных дорог способствует укреплению дорожного покрытия засчет взаимодействия с цементом или известью. Использование данного компонента отдельно также придаёт раствору особые гидравлические свойства. Золошлаковые отходы применяют для возведения насыпей земляного полотна, целесообразность применения золы-уноса и золошлакового материала устанавливается для каждого конкретного случая, исходя из следующих характеристик:
Основным признаком соответствия золошлаковой смеси для строительства дорожного полотна является показатель морозостойкости, который характеризуется величиной относительного морозного пучения (Кпуч). «Величина морозного пучения представляет собой отношение вертикальной деформации пучения при промораживании образца к его первоначальной высоте, выраженной в процентах» [1].
В зависимости от величины степени морозоустойчивости их классифицируют на: непучинистые (менее 1%), слабопучинистые (1-3%), очень пучинистые (более 10%) [1].
Золошлаковые смеси, относящиеся к категориям непучинистых и слабопучинистых, применяют при возведении насыпей без каких-либо ограничений. Материалы, у которых степень морозного пучения превышает 10%, допускаются лишь после проведения комплекса мероприятий, направленных на обеспечение устойчивости земляного полотна, особенно верхних его слоев, находящихся в зоне промерзания.
Традиционные материалы уступают золошлаковым по ряду показателей, к которым, прежде всего, относят экономические (доступность и дешевизна применения данной технологии).
Определим основные потребности в дорожно-строительном материале на 1 км строящейся дороги (Таблица 1).
Таблица 1– Сводная ведомость дорожно-строительных материалов [2].
Применение золошлаковых отходов в дорожном строительстве Кузбасса
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 10.04.2019 2019-04-10
Статья просмотрена: 1275 раз
Библиографическое описание:
Малыхин, Р. Н. Применение золошлаковых отходов в дорожном строительстве Кузбасса / Р. Н. Малыхин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 15 (253). — С. 41-44. — URL: https://moluch.ru/archive/253/57950/ (дата обращения: 11.11.2020).
Ключевые слова: дорожное строительство, золошлаковые отходы
По данным Росстата за 2017 год в Российской Федерации почти 40 % всей электроэнергии было выработано на тепловых электростанциях (ТЭС). При этом образовалось около 20 млн. т золошлаков, из которых утилизировано только 800 тыс. т, что составляет 4 %, причем ситуация с крайне низким уровнем утилизации многие годы остается неизменной [1]. Складирование такого объема золошлаковых материалов имеет негативные экологические аспекты: потребление воды, загрязнение почвы, сточные воды, отрицательное влияние на грунтовые воды, загрязнение воздуха при пылении отвалов. Поэтому решение проблемы утилизации золошлаков весьма актуально, особенно для Кузбасса.
Золошлаковые отходы теплоэлектростанций (ЗШО) — это твердые продукты сгорания углей, состоящие в основном из породообразующих компонентов. Минеральная часть угольного топлива на 85–95 % состоит из глинистых минералов, аргиллитов, алевролитов. Остальные 5–15 % — соединения, главным образом, железа, кальция и микроэлементов [2].
Золошлаковые отходы представляет собой мелкозернистый материал, у которого почти 30 % зёрен имеет размеры от 1 до 5 мм. Характеристики золошлаков различаются на разных ТЭС, так как определяются минералогическим составом угля, подготовкой топлива к сжиганию, технологией сжигания, системой очистки дымовых газов от золы и способом её транспортировки в золоотвалы.
Анализ зарубежного опыта показывает, что одной из наиболее перспективных сфер их утилизации может быть дорожное строительство, однако в России дорожники золошлаковые отходы используют крайне редко. Причем, дальше призывов к применению ЗШО и обвинений в нежелании решать проблему дело не идет. Необходима объективная оценка ситуации, которая позволит решить проблему.
В Западной Европе наиболее прогрессивной в решении проблемы применения отходов ТЭС для дорожного строительства считается Франция, где используется «сухое» удаление отходов. Вырабатываемая зола-уноса, в зависимости от своего состава и свойств, применяется для всех элементов дорожной конструкции, и может использоваться как для верхних слоев конструкции оснований в качестве компонента вяжущего, так и для нижних слоев как укрепленный минеральный материал. Также золошлаковые смеси (ЗШС) применяют в теле дорожной насыпи как техногенный грунт. Например, на севере Франции, в Ленс-ла-Бассе, трасса RN 47 длиной 7,5 км построена с использованием почти 50 000 тонн золы. Данная дорога почти на 70 % состоит из золы, и представляет собой пример эффективной утилизации ЗШО. Для организации процесса утилизации во Франции существуют государственные льготы для бизнеса, использующего золу, и введены запреты на использование других, более затратных строительных материалов, таких как грунт и песок. Поэтому почти сто процентов золы идет в дальнейшую переработку и утилизацию.
В США применяют для строительства золу-уноса и золу гидроудаления. Зола-уноса служит для замены портландцемента в бетонах и цементных растворах, а также заполнителем в дорожных основаниях и насыпях. Использование данного золы позволяет улучшить некоторые характеристики бетонов, в том числе повысить их прочность и увеличить долговечность готового бетонного изделия. Например, бетон, 50 % цемента которого заменили золой-уноса, называется бетоном с высокой концентрацией золы (HFC). Данный бетон обладает низким выходом температуры при гидратации, уменьшенной усадкой после высыхания и лучшей технологичностью. Зола гидроудаления утилизируется в качестве заполнителя для бетона и холодных асфальтобетонов, а также в качестве структурного заполнителя для насыпей и цементных оснований автомобильных дорог
Еще в 1983 г. в США были приняты нормы об обязательном применении зольных отходов в дорожном строительстве. Массовое использование золы в строительстве дорог началось с 1986 г. Сейчас, чтобы стимулировать более широкое использование продуктов сгорания угля, Федеральное агентство по охране окружающей среды, министерство энергетики и Федеральное управление автомобильных дорог, а также Американская ассоциация по производству золы угля и Группа по утилизации твердых бытовых отходов совместно спонсируют «Партнерство использования продуктов сжигания угля». Проект предназначен для того, чтобы помочь строительным организациям и энергетическим компаниям понять экологические преимущества и потенциальные последствия употребления продуктов сгорания угля в различных целях, а также стимулировать их полезное использование [5].
В Германии для продуктивного использования ЗШМ на многих электростанциях возводят силосы емкостью 40–60 тыс. т и обязательно строят небольшие силосы с суточной и двухсуточной ёмкостью, из которых впоследствии отбирают пробы для лабораторного анализа золы, и в которых она посредством технологических методов перемешивания и объёмного дозирования по фракционному составу приводится к необходимым нормативным требованиям, после чего зола загружается в основные силосы-хранилища. Побочные продукты ТЭС экспортируются в соседние страны. Для золы-уноса необходимо наличие сертификата о пройденных лабораторных испытаниях, если она идёт в стройиндустрию. Ежегодно в Германии 3,1 млн. т цемента заменяется ЗШО. Благодаря этому экономятся ресурсы и энергия, необходимая для производства цемента, а также окупаются затраты на силосы, транспорт и зарплату [7].
В Южной Африке золу-уноса усиливали различными видами цементов и утилизировали в качестве стабилизатора грунта для дорожного строительства. Результаты специальных исследований показали, что зола-уноса, обогащенная цементом, не является вредной для человека и окружающей среды. Кроме того, доказано, что смеси золы-уноса с инертными материалами (песок, рисовая шелуха и т. д.) достигают от 50 до 70 % прочности материалов, укрепленных цементом. В целом эксплуатация золы-уноса для стабилизации грунтов в дорожном строительстве имеет технические преимущества при правильном использовании. Сегодня в ЮАР, при финансовой государственной поддержке, проводится экспериментальное строительство трасс из золы-уноса [3].
Однако утилизация золошлаков в строительстве имеет проблемы технического и организационного характера. Зола неоднородна по своему составу и размеру, а строительная промышленность определяет чёткие требования к данным параметрам. Также, из-за неоднородности своего происхождения, в составе ЗШО могут находиться нежелательные для различных производств компоненты. К примеру, использование золошлаковых отходов в изготовлении пористых заполнителей лимитируется содержанием серы, углерода, оксидов железа, кальция и магния. В фабрикации кирпича нормируются оксиды кальция, серы, алюминия.
Для большинства производств требуется сухой материал, а в золоотвале он всегда влажный, что также добавляет трудностей строительным организациям. ЗШО, получаемые при сжигании углей различного происхождения, имеют разнящийся минералогический и химический состав и, поэтому, вынуждают подбирать индивидуальный процесс обработки и рациональный вид эксплуатации. Эти процессы подразумевают трудоёмкие лабораторные и заводские испытания [4].
Для определения влияния ЗШО на глинистые грунты Кемеровской области, в испытательной лаборатории ООО «Кузбасский центр дорожных исследований» (с применением поверенных средств измерений и аттестованного в установленном порядке испытательного оборудования) были проведены опыты по укреплению глинистых грунтов при помощи золошлаковой смеси Новокемеровской ТЭЦ и цемента М400 ЦЕМ II/A-Ш 32,5Б Топкинского завода.
Для испытаний использовалась мелкозернистая золошлаковая смесь гидроудаления (ЗШС) из отвала Новокемеровской ТЭЦ с оптимальной влажностью 33,35 % (по ГОСТ 22733–2016) и суглинок тяжелый пылеватый (получен на строительстве автомобильной дороги Ленинск-Кузнецкий — Кемерово, км 255 — км 274). Физико-механические показатели суглинка, укрепленного золошлаковой смесью, приведены в табл. 1. испытания проведены в возрасте 28 суток по ГОСТ 23558–94.
Наименование
пробы
Прочность на сжатие воздушно-сухих образцов, МПа
Прочность образцов на сжатие, подверженных полному водонасыщению втечение 48 ч, МПа
Водостойкость образцов при полном водонасыщении
Водонасыщение образцов при полном водонасыщении,%
Суглинок тяжелый пылеватый, укрепленный ЗШС (расход 15 % от массы грунта)
Образцы испытание не выдержали (при полном водонасыщении полностью разрушились)
Суглинок тяжелый пылеватый, укрепленный ЗШС (расход 20 % от массы грунта)
Суглинок тяжелый пылеватый, укрепленный ЗШС (расход 25 % от массы грунта)
В результате испытаний установлено, что применение ЗШС в качестве стабилизатора оказывает незначительное влияние на прочностные показатели грунта. Укрепленные образцы не достигли показателей минимальной марки по прочности на сжатие по ГОСТ 23558–94. В то же время, образцы грунта, укрепленного 15 % и 20 % ЗШС, не обладают стойкостью к воздействию воды (теряют форму и разрушаются при полном насыщении водой), в отличие от образцов грунта, укрепленного 25 % ЗШС, которые при водонасыщении незначительно теряют прочностные характеристики и сохраняют форму при воздействии воды.
Результаты испытаний суглинка тяжелого пылеватого, укрепленного золошлаковой смесью и цементом марки 400 ЦЕМ II/A-Ш 32,5Б, приведены в табл. 2 (испытания выполнены по ГОСТ 23558–94; ГОСТ 22733–2016).
Содержание золошлаковой смеси (ЗШС) ицемента (в% от массы грунта)
Прочность на сжатие воздушно-сухих образцов, МПа
Прочность на сжатие, после водонасыщения втечение 48 ч, МПа
Водостойкость образцов при полном водонасыщении
Водонасыщение образцов при полном водонасыщении,%
Использование золошлаковых отходов при строительстве дорог
Ежегодно на территории Российской Федерации образуется около 20 млн т золошлаковых отходов, ненадлежащая утилизация которых оказывает отрицательное воздействие на экологию и здоровье граждан. Одним из эффективных способов утилизации ЗШО является использование их в сфере дорожного строительства, как это делают во многих странах. Однако в России этот способ не получил должной популярности. В рамках данной статьи рассмотрен опыт других стран в утилизации ЗШО, а также приведен анализ их воздействия, проведенный специалистами, занимавшимися исследованием в данном направлении.
Согласно данным Федеральной службы государственной статистики, в 2017 г. на территории Российской Федерации выработка порядка 40 % электроэнергии была осуществлена при помощи ТЭС (теплоэлектростанций). В результате работы тепловых электростанций образовалось около 20 млн т золошлаков. Из этого объема утилизации была подвергнута лишь малая часть (менее 5 %) — порядка 800 тыс. т. При этом неутешительная ситуация, связанная с утилизацией указанных отходов, сохраняется на территории страны уже не первый год. Складирование золошлаков в больших объемах, в свою очередь, оказывает существенное отрицательное воздействие на экологию. В частности, загрязнению подвергаются вода, почва, а также воздух. Это негативно влияет на здоровье населения — именно поэтому данная проблема требует решения, и чем раньше, тем лучше. Существует ряд регионов, для которых проблема, связанная с утилизацией золошлаковых отходов, является наиболее актуальной — в их числе Кузбасс.
ЗШО (золошлаковые отходы) — это твердые продукты сгорания угля, которые преимущественно состоят из породообразующих компонентов. Если говорить о минеральной части угольного топлива, то ее состав следующий:
— 5–15 % — соединений (преимущественно кальция, железа и микроэлементов).
— 85–95 % — глинистых минералов, алевролитов, аргиллитов.
Внешне золошлаковые отходы представляют собой мелкозернистый материал, в котором треть составляют зерна, размер которых варьируется от 1 до 5 мм. На различных теплоэлектростанциях применяются золошлаки с разными характеристиками. Это связано с тем, что они зависят от состава угля, технологий, применяемых для подготовки топлива к сжиганию, метода сжигания, а также системы очистки от золы дымовых газов и способов ее перевозки в золоотвалы.
Если обратиться к опыту иностранных государств, то можно увидеть, что наиболее перспективным способом является их утилизация через дорожное строительство. Но, к сожалению, на территории Российской Федерации указанный метод дорожно-строительными компаниями используется очень редко. При этом достаточно часто можно столкнуться с призывами к использованию данного метода и обвинениями в нежелании решать имеющуюся проблему.