Применение золошлаковых отходов в дорожном строительстве Кузбасса | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 1 июня, печатный экземпляр отправим 5 июня.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №15 (253) апрель 2019 г.

Дата публикации: 10.04.2019

Статья просмотрена: 41 раз

Библиографическое описание:

Малыхин Р. Н. Применение золошлаковых отходов в дорожном строительстве Кузбасса // Молодой ученый. — 2019. — №15. — С. 41-44. — URL https://moluch.ru/archive/253/57950/ (дата обращения: 20.05.2019).



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.

Таблица 1

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)

0,54

Образцы испытание не выдержали (при полном водонасыщении полностью разрушились)

Суглинок тяжелый пылеватый, укрепленный ЗШС (расход 20 % от массы грунта)

0,56

Суглинок тяжелый пылеватый, укрепленный ЗШС (расход 25 % от массы грунта)

0,58

0,33

0,66

0,71

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).

Таблица 2

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,%

ЗШС — 15, цемент — 5

8,59

(М75)

5,09

(М40)

0,59

3,85

ЗШС — 15, цемент — 10

10,52

(М100)

6,34

(М60)

0,60

2,84

ЗШС — 15, цемент — 15

11,34

(М100)

6,84

(М60)

0,60

4,91

ЗШС — 20, цемент — 5

8,17

(М75)

4,58

(М40)

0,56

4,59

ЗШС — 20, цемент — 10

13,79

(М100)

5,91

(М40)

0,43

4,90

ЗШС — 20, цемент — 15

16,66

(М100)

6,91

(М60)

0,41

6,07

ЗШС — 25, цемент — 5

6,79

(М60)

5,10

(М40)

0,75

3,15

ЗШС — 25, цемент — 10

12,26

(М100)

7,35

(М60)

0,60

3,45

ЗШС — 25, цемент — 15

16,22

(М100)

13,89

(М100)

0,86

2,59

Из табл. 2 видно, что применение для укрепления грунтов золошлаковых смесей и цемента в качестве стабилизатора оказывает положительное влияние на прочностные характеристики грунтово-золошлаковой смеси. Все укрепленные образцы суглинка, при использовании цемента, обладают стойкостью к воздействию воды (не теряют форму и не разрушаются при полном насыщении водой), в отличие от образцов грунта, укрепленного 15 % и 20 % ЗШС, которые при воздействии воды теряют форму и прочностные характеристики.

Таким образом, установлено, что применение цемента и ЗШС оказывает положительное влияние на свойства грунта и грунта, укрепленного только золошлаковой смесью в объеме до 20 %. Наибольшей прочностью в сухом состоянии обладают образцы, укрепленные 20 % ЗШС и 15 % цемента, однако эти же образцы обладают наименьшей водостойкостью. Наибольшей водостойкостью и прочностью в водонасыщенном состоянии обладают образцы, укрепленные 25 % ЗШС и 15 % цемента.

С учетом проведенного эксперимента и мирового опыта можно предложить следующие меры по активизации применения золошлаковых отходов в дорожном строительстве Кузбасса:

  1. Поскольку себестоимость производства электроэнергии включает транспортирование, складирование и хранение золошлаковых отходов, ТЭС должны отпускать их потребителям бесплатно, что следует установить на законодательном уровне.
  2. С целью сокращения объемов золоотвалов (и связанных с ними затрат) энергетикам может быть выгодно взять на себя часть затрат на транспортирование ЗШО. Вопрос можно решить специальными соглашениями Администрации области, энергетиков и дорожников.
  3. Необходимо выполнить региональные исследования по изучению строительных свойств ЗШО основных ТЭС Кузбасса для предоставления проектным организациям необходимой информации.
  4. На региональном уровне обязать проектные организации предусматривать использование ЗШМ в проектах автомобильных дорог. Например, с использованием золоотвалов Кемеровской ГРЭС и Новокемеровской ТЭЦ вполне можно возвести земляное полотно Северного обхода г. Кемерово, строительство которого предполагается начать в ближайшие годы.
  5. Необходимо предусмотреть меры экономической поддержки дорожных организаций, применяющих ЗШО, и их экономического стимулирования.
  6. В современных условиях применять отходы практически не допускается: дорожные работы следует выполнять с применением строительных материалов, которые должны обладать набором строго нормированных характеристик (зерновой состав, морозостойкость и т. д.), поэтому тепловые электростанции должны предлагать на рынок именно строительные материалы (шлаковый щебень, песок и т. д.), а не отходы.

Литература:

  1. Официальная статистика по окружающей среде // Росстат. URL: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru/statistics/environment/ (дата обращения: 07.04.2019).
  2. Борисенко Л. Ф. Перспективы использования золы угольных тепловых электростанции. — М.: Геоинформмарк, 2001. — 68 с.
  3. Brooks R. M. Soil stabilization with fly ash and rice husk ash. // International Journal of Research and Reviews in Applied Sciences. — 2009. — Vol. 1(3). — P. 209–217.
  4. Самусева М. Н., Шишелова Т. И. Золошлаковые материалы — альтернатива природным материалам // Фундаментальные исследования. — 2009. — № 2. — С. 75–76;
  5. Lindon K. A. Properties and use of coal fly ash: Use of fly ash for road construction, runways and similar projects. — London, 2015. — 132 p.
  6. Мелентьев В. А. Состав и свойства золы и шлаков ТЭС. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 185 с.
  7. Hinweise zur Verwendung von Braunkohlenflugasche aus Kraftwerken mit Kohlenstaubfeue-rung im Erdbau// Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen. — 2003. — №.627. — S. 150–153
  8. ОДМ 218.2.031–2013 Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве — М: Росавтодор, 2015. — 64 с.
Основные термины (генерируются автоматически): дорожное строительство, цемент, полное водонасыщении, воздействие воды, масса грунта, Новокемеровская ТЭЦ, отход, смесь, полное насыщение, положительное влияние.


Похожие статьи

Применение золоминеральных смесей в основаниях дорожной...

− для строительства дорожного основания от 0,8 до 5,4 тыс. м3 — щебня или грунта

− золошлаковую смесь гидроудаления, когда золошлаковые отходы в виде золопульпы

Омские ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5 работают на Экибастузских углях. Золошлаковые отходы этих ТЭЦ относятся к...

Новые материалы в дорожном строительстве | Молодой ученый

Для полного удовлетворения этих требований целесообразно использовать наряду с кондиционными материалами и современными

При укреплении грунтов ШЩВ происходит взаимодействие между грунтами, вяжущим и щелочью, входящей в состав вяжущего, в...

Строительстве автомобильных дорог в пензенской области...

Влияние влажности на изменение объемной массы скелета, укрепленного грунта и его прочность изучали на различных грунтах: песке, супеси и суглинке. Установлено, что грунты, укрепленные шлакощелочным вяжущим, имеют максимальные значения объемной массы...

Оценка экономической эффективности геополимерных бетонов на...

Рассмотрены факторы, определяющие экономическую эффективность геополимерных бетонов в сравнении с традиционными бетонами на основе портландцемента. Показано, что за счет снижения стоимости вяжущего может быть достигнуто снижение себестоимости конструктивных...

Стабилизация грунтов методом использования... | Молодой ученый

В статье рассматриваются условия строительства в РФ на пучинистых грунтах. Для снижения воздействия морозного пучения были исследованы свойства грунтов, укрепленных гидрофобизаторами на основе продуктов нефтедобывающей промышленности (нефтешлама).

Влияние реакционно-активных добавок на прочностные свойства...

Революционные достижения в технике и технологии бетонов за последние годы связаны с долгожданной заменой самой «консервативной» рецептуры бетона «цемент-песок-щебень-вода», существующей с 1830 г., на новую, многокомпонентную.

Инновационные материалы — добавки и стабилизаторы для...

− наблюдается уменьшение водонасыщения обработанного грунта вплоть до полной водонепроницаемости. Практически полное отсутствие капиллярного подъема воды обеспечивает повышение допустимых нагрузок на дорожную одежду

Использование золы ТЭС в технологии геополимерных...

Приведены данные о эффективности применения золы ТЭС в производстве геополимерных вяжущих строительного назначения. Показано, что в России и других странах, не имеющих развитой индустрии утилизации промышленных отходов...

Обоснование способа снижения класса опасности химического...

- уменьшение негативного воздействия химического цеха Сакмарской ТЭЦ на состояние окружающей среды и здоровье работников

Максимальные нагрузки и солесодержание исходной воды наблюдаются в феврале и марте, таблица 2. Максимальный расход реагентов...

Похожие статьи

Применение золоминеральных смесей в основаниях дорожной...

− для строительства дорожного основания от 0,8 до 5,4 тыс. м3 — щебня или грунта

− золошлаковую смесь гидроудаления, когда золошлаковые отходы в виде золопульпы

Омские ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5 работают на Экибастузских углях. Золошлаковые отходы этих ТЭЦ относятся к...

Новые материалы в дорожном строительстве | Молодой ученый

Для полного удовлетворения этих требований целесообразно использовать наряду с кондиционными материалами и современными

При укреплении грунтов ШЩВ происходит взаимодействие между грунтами, вяжущим и щелочью, входящей в состав вяжущего, в...

Строительстве автомобильных дорог в пензенской области...

Влияние влажности на изменение объемной массы скелета, укрепленного грунта и его прочность изучали на различных грунтах: песке, супеси и суглинке. Установлено, что грунты, укрепленные шлакощелочным вяжущим, имеют максимальные значения объемной массы...

Оценка экономической эффективности геополимерных бетонов на...

Рассмотрены факторы, определяющие экономическую эффективность геополимерных бетонов в сравнении с традиционными бетонами на основе портландцемента. Показано, что за счет снижения стоимости вяжущего может быть достигнуто снижение себестоимости конструктивных...

Стабилизация грунтов методом использования... | Молодой ученый

В статье рассматриваются условия строительства в РФ на пучинистых грунтах. Для снижения воздействия морозного пучения были исследованы свойства грунтов, укрепленных гидрофобизаторами на основе продуктов нефтедобывающей промышленности (нефтешлама).

Влияние реакционно-активных добавок на прочностные свойства...

Революционные достижения в технике и технологии бетонов за последние годы связаны с долгожданной заменой самой «консервативной» рецептуры бетона «цемент-песок-щебень-вода», существующей с 1830 г., на новую, многокомпонентную.

Инновационные материалы — добавки и стабилизаторы для...

− наблюдается уменьшение водонасыщения обработанного грунта вплоть до полной водонепроницаемости. Практически полное отсутствие капиллярного подъема воды обеспечивает повышение допустимых нагрузок на дорожную одежду

Использование золы ТЭС в технологии геополимерных...

Приведены данные о эффективности применения золы ТЭС в производстве геополимерных вяжущих строительного назначения. Показано, что в России и других странах, не имеющих развитой индустрии утилизации промышленных отходов...

Обоснование способа снижения класса опасности химического...

- уменьшение негативного воздействия химического цеха Сакмарской ТЭЦ на состояние окружающей среды и здоровье работников

Максимальные нагрузки и солесодержание исходной воды наблюдаются в феврале и марте, таблица 2. Максимальный расход реагентов...

Задать вопрос