Статья посвящена актуальной проблеме, применению шламов при строительстве автомобильных дорог. В работе рассматривается экологические и технологические аспекты данной проблемы. Строительство дорог отрасль, в которой расходуется большое количество природных ресурсов. По мнению многих исследователей, природные ресурсы можно заменить вторичным сырьём. Это решение даёт двойную выгоду, вторичное сырьё не ухудшает эксплуатационных и экологических характеристик дорог, а отходы в результате их применения в дорожном строительстве утилизируются.
Существуют множество методов по стабилизации грунта, все они могут быть полезны в определённых условиях, когда используются местные природные или промышленные компоненты. Продукцию, полученную в результате переработки шин, например, можно использовать в качестве модификатора асфальтобетона на основе резиновой крошки. Уже есть примеры применения этого компонента при строительстве дорог М11 и М4. Во многих странах в последнее десятилетие ведутся исследования по применению красного шлама в строительстве дорог. Это обусловлено тем, что этот отход получают при производстве алюминия и во всём мире этот компонент накоплен в большом количестве.
Красный шлам долгое время считался непригодным для использования отходом алюминиевой промышленности. Хотя В 80-е годы 20-го века в России красный шлам применяли для строительства дорог в нефтегазоносных районах Западной Сибири. На сегодняшний день ведутся научные исследования в России, Китае и других странах по возможности применения красного шлама в различных областях, находят всё новые и новые положительные качества. Наиболее эффективное применение в дорожном строительстве. Но красный шлам содержит потенциально опасные соединения, такие как радиоактивные элементы, а также тяжелые металлы. И применять этот компонент стоит с большой осторожностью.
Ключевые слова: автомобильные дороги, красный шлам, побочные продукты повторное использование отходов, стабилизация грунта.
The article is devoted to the actual problem, the use of sludge in the construction of roads. The paper considers the environmental and technological aspects of this problem. Road construction is an industry that consumes a large amount of natural resources. According to many researchers, natural resources can be replaced with secondary raw materials. This solution provides a double benefit, secondary raw materials do not impair the operational and environmental performance of roads, and the waste resulting from their use in road construction is disposed of.
There are many methods for soil stabilization, all of which can be useful in certain conditions when local natural or industrial components are used. Products obtained as a result of tire recycling, for example, can be used as an asphalt concrete modifier based on crumb rubber. There are already examples of the use of this component in the construction of the M11 and M4 roads. In many countries in the last decade, research has been carried out on the use of red mud in road construction. This is due to the fact that this waste is obtained during the production of aluminum and this component has been accumulated in large quantities all over the world.
Red mud has long been considered an unusable waste from the aluminum industry. Although In the 80s of the 20th century in Russia, red mud was used to build roads in the oil and gas regions of Western Siberia. To date, scientific research is being carried out in Russia, China and other countries on the possibility of using red mud in various fields, finding more and more positive qualities. The most effective application in road construction. But red mud contains potentially hazardous compounds such as radioactive elements as well as heavy metals. And this component should be used with great care.
Keywords: highways, red mud, by-products, waste reuse, soil stabilization.
В дорожном строительстве потребляется колоссальное количество природных ресурсов. Чтобы снизить это потребление, необходимо заменить часть природных ресурсов и новых материалов сырьем, полученным из вторичных ресурсов, — отходов, без ухудшения эксплуатационных и экологических характеристик дорог.
Промышленные отходы или побочные продукты, если они доступны вблизи мест их производства, обычно являются недорогими решениями. Стабилизация грунта вместе с повторным использованием промышленных отходов имеет потенциальное применение при строительстве дорожного основания и подстилающего слоя. Существует несколько методов для улучшения несущей способности почв, используемых с применением летучей золы, кокосовой стружки, сизаля, бамбука, дерева, пальмовых и кокосовых листьев, металла, нейлона и т. д. Добавление ила изменяет многие физические, химические и биологические аспекты почвы и может улучшить ее технические свойства [1].
Стабилизация органических или неорганических отходов может быть достигнута путем добавления промышленных побочных продуктов, таких как летучая зола, известь и портландцемент, или комбинации этих материалов, что часто приводит к пуццолановой реакции. Поццолановая реакция представляет собой простую кислотную реакцию между гидроксидом кальция Ca(OH)₂ или CH и силиевой кислотой H₄SiO₄. В результате образуется гель гидрата силиката кальция (CSH), который заполняет поры и укрепляет цементную матрицу.
Методы стабилизации используются для предотвращения или сведения к минимуму выброса загрязнителей в окружающую среду за счет образования твердой смеси, уменьшения площади поверхности для переноса загрязняющих веществ, улучшения характеристик обработки и снижения подвижности загрязняющих веществ. Стабилизированные грунты могут быть полезными строительными материалами во многих странах, особенно если используются местные природные или промышленные компоненты. Так же существуют другие методы, например, добавление осадка в почву с целью использования смеси почвы и осадка в слоях дорожного покрытия [2].
Продукцию, полученную в результате переработки шин, можно использовать в качестве модификатора асфальтобетона на основе резиновой крошки. В России за последние пять лет с применением такого модификатора было уложено порядка 15 млн кв. м дорог. Причем это трассы и федерального, и регионального назначения. Как пример — дороги, находящиеся в ведомстве ГК «Автодор». Это Центральная кольцевая автомобильная дорога (ЦКАД), М11, М4.
В процессе производства оксида алюминия образуется красный шлам — твёрдые высокотоксичные отходы. Эти отходы имеют красный цвет из-за высокого содержания оксида железа (III). Высокая щелочность красного шлама, а также наличие в нем тяжелых металлов и следовых радиоактивных элементов делает его утилизацию серьезной проблемой, вызывающей серьезные экологические проблемы, а именно загрязнение подземных вод. Более того, его мелкозернистые частицы легко разносятся ветром, вызывая тем самым загрязнение воздуха. В России уже накоплено более 600 миллионов тонн красного шлама, для всего мира эта цифра составляет примерно 4 млрд. тонн. Накопление и хранение красного шлама представляют собой одну из наиболее важных проблем алюминиевой промышленности, и поиск эффективных решений для его переработки ведется непрерывно.
Рис. 1. Сырье красный шлам
Красный шлам долгое время считался непригодным для использования отходом алюминиевой промышленности. Однако экономические затраты и экологические риски, связанные с его утилизацией, побудили компании и исследователей искать экологически чистые альтернативы для уменьшения объема отходов. Тем не менее лишь небольшой процент (<5 мас. %) повторно используется в конкретных странах в промышленных процессах, например, при производстве цемента [3].
Безопасная утилизация красного шлама обходится компаниям примерно в 2 % от общей стоимости глинозема, хотя некоторые источники указывают на 5 % стоимости производства алюминия. Это примерные затраты на надлежащее удаление красного шлама в некоторых странах. Ключом к решению экологических проблем, связанных с утилизацией красного шлама, является разработка технологий утилизации, которые потребляют значительное количество красного шлама или превращают его во вторичный ресурс.
Российские ученые разработали метод извлечения полезных металлов из токсичных отходов производства оксида алюминия, который позволит не только решить вопрос переработки представляющего угрозу для окружающей среды красного шлама, но и оптимизировать расходы на производство востребованных промышленностью соединений. Красный шлам содержит такие ценные вещества, как титан, кремний, железо, натрий и алюминий. В нем присутствует используемый для создания сверхтвердых сплавов и керамических материалов скандий, содержание которого может достигать 0.039 %, что для данного компонента является достаточно высокой концентрацией, а также ряд редкоземельных металлов. При этом красный шлам содержит столько же железа, сколько и бедные железные руды, т. е. минимум 26 %.
Исследования показывают, что данный вид промышленных отходов может использоваться в качестве адсорбента-коагулянта тяжелых металлов в сточных водах. Также он может служить катализатором различных процессов, таких как дегидратация спиртов, изомеризации олефинов, разложение сероводорода, и применяться для производства строительных материалов. Таким образом, эффективная переработка красного шлама представляет интерес как с промышленной, так и с экологической точки зрения [4].
В Китае так же в течение последних десятилетий исследователи работали над разработкой экологически безопасных и экономичных способов утилизации и использования красного шлама на основе его уникальных физических и химических свойств и минералогическими свойствами. Красный шлам содержит 10–20 % глинозема и 6–7 % кремнезема. Таким образом, красный шлам стал ценным материалом, а не бесполезным отходом, поскольку он имеет множество применений, в том числе: использование для изготовления кирпичей, стеклокерамики, в качестве адсорбента для удаления тяжелых металлов из водных растворов, при извлечении металлов, например Fe, при изготовлении катализаторов, его начали использовать в строительстве дорожного полотна. Среди этих различных применений производство строительных материалов и дорожное строительство потребляет огромное количество красного шлама.
Китайский исследователи разработали и изучили экологически чистый материал для основания дороги, который будет применяться в основании дороги с интенсивным движением и с приемлемыми свойствами выщелачивания, заменив природные материалы красным шламом и летучей золой. Были проанализированы механические свойства, характеристики гидратации и показатели экологичности полученного материала. По результатам испытаний образцы с наибольшим содержанием красного шлама и золы-уноса продемонстрировали наилучшие результаты при механических испытаниях, стойкости в воде и испытаниях на выщелачивание. Таким образом, они одобрили использование красного шлама и летучей золы при строительстве дорог. Учёные из КНДР нашли оптимальную пропорцию: 35 % красного шлама, 14 % летучей золы, 8 % извести, 15 % цемента и 28 % песка. После 28-дневного стандартного отверждения прочность на сжатие превышала 19 Мпа. Тем не менее, было проведено мало исследований по использованию красного шлама в качестве материалов для дорожного основания.
Грунты земляного полотна служат основой для дорожного покрытия. Однако слабые грунты земляного полотна подвержены набуханию и усадке при контакте с водой, растрескиванию, колееобразованию и образованию выбоин. Обычный подход, использование для замены слабого грунта земляного полотна прочной дробленой породой, имеет большой недостаток, заключающийся в высоких эксплуатационных расходах. Лучший способ улучшить прочность слабого грунта земляного полотна — это процесс стабилизации с использованием различных материалов. Таким материалом может быть красный шлам. Использование красного шлама в качестве потенциального материала земляного полотна исследовалось и сообщалось различными исследователями и других стран. Исследовали эффективность и поведение красного шлама, используемого в качестве подстилающего слоя и земляного полотна при строительстве дорог, исходя из его технических свойств. Были получены следующие результаты: удельный вес 2,9, оптимальное содержание влаги 23,25 %, максимальная плотность в сухом состоянии 1,81 г/см 3, предел текучести 31,20 %, UCS 0,191 МПа, CBR 7,5 % и 4 % в непропитанном.
На практике в России красный шлам активно применялся для строительства дорог ещё в 80-е годы 20-го века. Освоение нефтегазоносных районов Западной Сибири требовало ускоренного развития сети автомобильных дорог в этих районах. Одним из путей успешного решения задач по ускорению темпов дорожного строительства явилось широкое внедрение безвыторфовочных методов сооружения земляного полотна, что позволило значительно сократить объемы земляных работ, следовательно, повысить темпы дорожного строительства.
В последнее десятилетие множество компаний начали вкладываться в разработки новых строительных материалов на основе вторсырья, и, в частности, красного шлама.
Совсем недавно компания «Тиокомпозит» представила новую свою разработку серобетон, инновационный строительный материал, который может быть использован для производства дорожных плит, бордюрного камня, лотков дренажных каналов, щебня и других, востребованных при реализации инфраструктурных проектов материалов. Серобетон от традиционных материалов отличает высокая прочность, коррозионная стойкость, низкое водопоглощение и водопроницаемость, быстрый набор прочности и низкая стоимость. Дорожная плита из серного бетона представлена на рис. 2.
Рис. 2. Дорожная плита из серного бетона
В 2018 году была запущена в строй первая экспериментальная мобильная установка для производства изделий из серополимерного бетона. Далее предполагается создание опытно-промышленного производства с возможностью переработки до 100 тысяч тонн обезвоженного красного шлама в год (это порядка 300 тысяч тонн обычного шлама). Объем производства товарного бетона составит около 200 тыс. тонн. По итогам опытно-промышленной стадии участники проекта намерены получить более точные данные по технологическим параметрам и характеристикам материала и изделий на его основе. Пробные партии изделий будут использованы для апробации на строительных объектах и подготовки рынка. После чего будет принято решение о масштабировании проекта».
Как видно, все возможные применения красного шлама в литературе считаются технически успешными, но есть некоторые барьеры, препятствующие массовому применению красного шлама в промышленности. Самый большой из них заключается в том, что почти во всех ситуациях, когда красный шлам выступает в качестве заменителя, исходный материал очень доступен и дешев, и поэтому любые отрицательные характеристики становятся препятствием в его использовании [5].
Использование красного шлама отдельно или в сочетании с другими твердыми промышленными отходами в качестве альтернативы природным материалам при строительстве дорожных основ имеет много экологических и экономических преимуществ для общества. Однако существуют опасения по поводу того, что такие материалы могут загрязнять грунтовые и поверхностные водные системы. Красный шлам содержит потенциально опасные соединения, такие как радиоактивные элементы, а также тяжелые металлы. Поэтому крайне важно проводить экологические испытания.
Литература:
- Toshmatov D. A., Yusupov F. M., Baymatov G. A. The prepetion and properties of oil-mineralized binders from commercial oil sludge. Universum journal. 7(52) — Moscow. 2018.
- Зиновеев Д. В., Грудинский П. И., Дюбанов В. Г., Коваленко Л. В., Леонтьев Л. И. Мировой опыт переработки красного шлама — обзор. Часть I: пирометаллургические методы. Известия. Черная металлургия 2018;61(11):843–858.
- Реут, Ж. В. Строительство дорожной одежды капитального типа: учебнометодическое пособие для студентов специальности 1–70 03 01 «Автомобильные дороги» / Ж. В. Реут, Е. П. Ходан. — Минск: БНТУ, 2020. — 85 с
- Бондарева, Э. Д. Проектирование автомобильных дорог и элементов обустройства: учебное пособие для вузов / Э. Д. Бондарева, М. П. Клековкина. — 3-е изд., испр. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2022. — 398 с.
- Сабирзянов Н. А., Яценко С. П. Гидрохимические способы комплексной переработки боксита. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 386 с.
