Использование золошлаковых отходов ТЭС Кузбасса для возведения земляного полотна автомобильных дорог



В настоящее время возведение земляного полотна автомобильных дорог на территории Кемеровской области приходится, как правило, выполнять из переувлажненных глинистых грунтов, что делает крайне сложной задачу обеспечения требуемого качества работ, поскольку имеется явная связь между достигаемыми в процессе строительства значениями коэффициента уплотнения грунта и его увлажненностью (рис. 1) [1].

Рис. 1. Зависимость фактических значений коэффициента уплотнения грунтов от их увлажненности

Одновременно в энергетике Кузбасса остро стоит проблема утилизации золошлаковых отходов из отвалов тепловых электростанций (ТЭС).

Специальные исследования (например, [2]) и опыт строительства дорог [3, 4] показывают, что золошлаковые смеси (ЗШС) вполне могут применяться для устройства устойчивых насыпей автомобильных дорог. Прямое (без переработки) крупнотоннажное использование золошлаковых отходов ТЭС обеспечит наиболее быструю их утилизацию. При этом следует принимать во внимание необходимость лабораторных испытаний золошлаковых смесей для каждого объекта в отдельности.

Ниже, на примере Беловской и Кемеровской ГРЭС, рассмотрена возможность применения золошлаковых отходов ТЭС Кузбасса для устройства земляного полотна автомобильных дорог.

На золоотвале Беловской ГРЭС было отобрано 7 объединенных проб золошлаковых смесей. Физико-механические показатели материалов, подвергшихся испытаниям, приведены в табл. 1. В табл. 2 даны результаты испытаний золошлаковых смесей на пучинистость. Классификация по пучинистости принята по СП 34.13330.2012. Зерновые составы смесей отдельных проб существенно различаются, однако практически весь материал имеет размер до 5 мм, т. е. его следует классифировать как мелкозернистый (п. 4.5.4 ОДМ 218.2.031–2013 [5]). Для сооружения насыпей земляного полотна автомобильных дорог пригодны все типы золошлаковых смесей по зерновому составу. Величина потерь при прокаливании (в среднем — 5,3 %) соответствет среднему содержанию горючих [5], является допустимым.

Таблица 1

№партии	Результаты испытаний
	оптимальная влажность,% по массе	максимальная плотность скелета грунта, г/см3	коэффициент фильтрации, м/сут
1	9,5	1,57	0,73
2	10,5	1,60	0,16
3	13,0	1,37	0,07
4	10,9	1,59	0,105
5	11,5	1,60	0,09
6	21,5	1,38	0,04
7	10,2	1,56	0,19

Таблица 2

№партии	Среднее значение относительного морозного пучения,%	Группа золошлаковой смеси по степени пучинистости	Степень пучинистости
1	1,3	II	Слабопучинистый
2	1,6	II	Слабопучинистый
3	2,3	II	Слабопучинистый
4	1,5	II	Слабопучинистый
5	2,0	II	Слабопучинистый
6	5,8	III	Пучинистый
7	1,6	II	Слабопучинистый
Среднее значение	2,3	-	-

Основным критерием оценки пригодности золошлаковых смесей для возведения земляного полотна следует считать их морозоустойчивость [5]. Из табл. 2 видно, что золошлаковые смеси Беловской ГРЭС по степени пучинистости относятся, в основном, к слабопучинистым, пригодны для отсыпки земляного полотна автомобильных дорог без ограничений (ОДН 218.2.031–2013, п. 5.2.3). Поскольку в Беловском районе Кемеровской области при устройстве земляного полотна преобладают суглинки легкие и тяжелые пылеватые, применение вместо них золошлаковых смесей существенно повысит качество земляного полотна автомобильных дорог.

Физико-механические показатели золошлаковых смесей Кемеровской ГРЭС, подвергшихся испытаниям (всего 6 партий), приведены в табл. 3. Зерновые составы ЗШС существенно различаются, смеси относятся к мелко- и среднезернистым. Ограничений применения в земляном полотне по зерновым составам нет. Потери при прокаливании в среднем сотавляют 4,4 %, т. е. по содержанию горючих веществ ограничений нет.

Таблица 3

№партии	Результаты испытаний
	оптимальная влажность,% по массе	максимальная плотность скелета грунта, г/см3	коэффициент фильтрации, м/сут
1	16,7	1,60	0,085
2	25,0	1,34	0,075
3	27,0	1,29	0,073
4	8,0	1,97	0,10
5	16,9	1,63	0,084
6	8,3	1,95	0,099

В табл. 4 приведены результаты испытаний золошлаковых смесей Кемеровской ГРЭС на пучинистость. Классификация по пучинистости принята по СП 34.13330.2012. Смеси, имеющие значение относительного морозного пучения 4–10 %, относят к категории пучинистых.

Таблица 4

№партии	Среднее значение относительного морозного пучения,%	Группа золошлаковой смеси по степени пучинистости	Степень пучинистости
1	7,3	IV	Сильнопучинистый
2	9,7	IV	Сильнопучинистый
3	10,0	IV	Сильнопучинистый
4	1,1	II	Слабопучинистый
5	6,9	III	Пучинистый
6	1,7	II	Слабопучинистый
Среднее значение	6,11	-	-

Отбор проб золошлаковых смесей производился случайным образом, при этом выбиралась точка, от которой на расстоянии 1 м отбирали по 3 пробы. Всего было отобрано 18 проб, которые впоследствии объединили в 6 партий. Такой подход объясняется тем, что при погрузке золошлаковой смеси в автосамосвалы экскаватором (наиболее вероятный способ при использовании материала в дорожном строительстве) произойдет ее усреднение.

Из табл. 4 видно, что степень пучинистости золошлаковых смесей Кемеровской ГРЭС колеблется в широких пределах, после усреднедния материал пригоден для устройства насыпей автомобильных дорог при условии осуществления мероприятий по обеспечению устойчивости земляного полотна. При организации селективного отбора золошлаковой смеси, возможно использование без ограничений, в т. ч. и в рабочем слое.

Исследования показали, что золошлаковые смеси из отвалов Беловской и Кемеровской ГРЭС могут использоваться не только для возведения насыпей автомобильных дорог (хотя и в меньших объемах), см. табл. 5.

Таблица 5

Конструктивный элемент, материал	ГРЭС
	Кемеровская	Беловская
1. Насыпь автомобильных и железных дорог, элементов благоустройства территорий (кроме рабочего слоя)	+	+
2. Верхняя часть земляного полотна (рабочий слой)	(+)	+
3. Прослойка между земляным полотном и дорожной одеждой	+	+
4. Дренирующие слои дорожной одежды	–	–
5. Морозозащитные слои дорожной одежды	–	(+)
6. Основание дорожной одежды из неукрепленных материалов	(+)	(+)

В табл. 5 знак «+» означает, что применение возможно в естественном виде, без ограничений (дополнительных условий); знак «–» — применение невозможно; знак «(+)» — применение возможно с определенными ограничениями (дополнительными условиями.

Ниже даны некоторые пояснения к табл. 5. Земляное полотно автомобильных дорог, сооружаемых на территории Кемеровской области, в подавляющем большинстве случаев возводится из тяжелых или легких суглинков, глин. Причем, разновидности грунта обычно пылеватые. Их относительное морозное пучение 7 % и более (т. е. грунты сильно пучинистые и чрезмерно пучинистые). Особенно это относится к климатическому району III.Р.3 (по уточненному районированию, предложенному проф. В. Н. Ефименко), где в настоящее время ведется наиболее интенсивное дорожное строительство. Пучение грунтов земляного полотна существенно снижает транспортно-эксплуатационные показатели автомобильных дорог, приводит к большим затратам на содержание. Возведение земляного полотна из золошлаковых смесей гидоудаления в этих условиях технически целесообразно.

Для применения золошлаковых смесей Кемеровской ГРЭС в насыпях автомобильных и железных дорог, при планировке территорий, отсыпке стояночных площадок (парковок) и др. аналогичных элементов нет ограничений (кроме устройства рабочего слоя). Рабочий слой распространяется на глубину 1,2 м от поверхности цементобетонных и на глубину 1,0 м от поверхности асфальтобетонных покрытий для климатических районов II.Х.1, II.Г.2 и на 1,0 и 0,8 м соответственно в климатических районах III.Р.3, III.Х.4.

В рабочем слое могут применяться золошлаковые смеси Беловской ГРЭС без ограничений, Кемеровской ГРЭС — при условии селективного отбора. На практике должны выполняться ряд дополнительных условий: относительно небольшая дальность возки золошлаковой смеси; стимулирование подрядчиков; ориентация проектировщиков на решение задачи утилизации отходов ТЭС и др.

Поскольку достоверных и систематизированных сведений об опыте эксплуатации насыпей из золошлаковых отходов в условиях Кемеровской области нет, на первом этапе рекомендуется применять технологию отсыпки с чередованием слоев из ЗШС и глинистых грунтов. Золошлаковую смесь таким образом можно применять и при отсыпке насыпей из скальных грунтов (для заполнения пустот скального грунта, защиты его от переувлажнения). Эта технология потребует разработки специальных проектов производства работ (технологических карт), что не является существенной проблемой.

В верхней части земляного полотна золошлаковые смеси можно применять для улучшения физико-механических свойств природных грунтов. Для этого необходимо их смешение, укрепление комплексными вяжущими. В технической литературе приводится довольно много положительных примеров укрепления грунтов золошлаковыми смесями.

Для устройства прослойки между земляным полотном и дорожной одеждой (необходима в соответствии с СП 34.13330.2012, ПНСТ 265–2018) золошлаковые смеси пригодны без ограничений в естественном виде.

Устройство дренирующих слоев в дорожных одеждах автомобильных дорог, строящихся в условиях Кемеровской области, обязательно. К сожалению, свойства золошлаковых смесей не позволяют использовать их для этих слоев из-за низкого значения коэффициента фильтрации.

На территории Кемеровской области, как отмечалось выше, преобладают пучинистые, сильно- и чрезмерно пучинистые грунты. Это делает обязательным включение в состав дорожной одежды морозозащитных слов, поскольку глубина промерзания дорожной конструкции достигает 1,9–2,1 м. Для устройства морозозащитных слоев золошлаковые смеси Кемеровской ГРЭС не пригодны. Часть золошлаковых смесей Беловской ГРЭС применять можно (при условии селективного отбора или рассева).

При условии селективного отбора или специального рассева большую часть золошлаковых смесей Кемеровской и Беловской ГРЭС можно использовать в качестве смесей для расклинки при устройстве слоев дорожной одежды методом заклинки. Эта технология позволяет получить прочные и надежные слои, на которые (в отличие от слоев из оптимальных смесей) допускается укладывать асфальтобетонные покрытия. Особенно широкое применение золошлаковые смеси для расклинки могут найти на объектах дорожного благоустройства.

Литература:

1. Афиногенов, О. П. Совершенствование методов проектирования автомобильных дорог на основе дифференциации районирования [Текст]: монография / О. П. Афиногенов, С. В. Ефименко, А. О. Афиногенов. — Кемерово: ООО «Офсет», 2015. — 364 с.
2. Иванов, Е. В. Обоснование применения золошлаковых смесей для строительства земляного полотна с учетом особенностей водно-теплового режима: автореф. дис.... канд. техн. наук. — Омск, СибАДИ, 2014. — 23 с.
3. Кожуховский, И. С. Полезные отходы / И. С. Кожуховский, Ю. К. Целыковский // Автомобильные дороги. — 2012. — № 9. — С. 66–69.
4. Сиротюк, В. В. Золошлаковая смесь для земляного полотна / В. В. Сиротюк, Е. В. Иванов, А. А. Лунё // Автомобильные дороги. — 2016. — № 6. — С. 72–79.
5. ОДМ 218.2.031–2013. Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве / Росавтодор. — М., 2013. — 63 с.