Золошлаки в дорожном строительстве: виды, химический состав, применение, ГОСТы

Золошлаки в дорожном строительстве

В Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035, представленной Минэнерго и утвержденной правительством еще в 2020 году, указано, что показателем решения задачи по уменьшению отрицательного воздействия деятельности организации топливно-энергетического комплекса на окружающую среду является доля утилизированных и обезвреженных отходов в общем объеме образованных отходов. В соответствии со стратегий, к 2024 году эта доля должна составлять 15%, а к 2035 году — 50%. Планы вполне реалистичные, даже с учетом того, что на сегодняшний день показатель утилизированных отходов в нашей стране не превышает 10%.

• Золошлаки ТЭЦ, ТЭС и ГРЭС
• Классификация золошлаков по химическому составу
• Применение золошлаков в дорожном строительстве
• Стандарты, регламентирующие использование золошлаков в дорожном строительстве
• Плюсы применения золошлаков в дорожном строительстве

Что такое золошлаки ТЭЦ, ТЭС и ГРЭС

Золошлаки теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), тепловых электростанций (ТЭС) и государственных районных электростанций (ГРЭС) — это промышленные отходы, образованные в процессе сжигания горных пород с целью получения тепловой и электрической энергий. К примеру, при сжигании порошкообразного угля современным факельным методом образуется некоторое количество несгоревших частиц. При этом одни из них — более крупные — оседают на дне котла, другие — более мелкие — вместе с дымовыми газами поднимаются наверх и поступают в систему фильтрации.

Разная дисперсность частиц, полученных в процессе сжигания твердого топлива, определила разделение золошлаков на три вида:

• золу уноса — мелкодисперсный материал с размером частиц до 0,314 мм, извлекаемый путем очистки дымовых газов
• топливный шлак — крупнодисперсный материал, представляющий собой спеченную часть остатка породы, с размером частиц более 0,314 мм
• золошлаковую смесь (ЗШС) — смесь топливного шлака с золой уноса, образованную во время подачи отходов в золоотвал. Шлаковая часть ЗШС состоит из шлакового песка с размером частиц от 0,314 до 5 мм, и шлакового щебня c размером фракций более 5 мм

Порядка 90% всех отходов ТЭЦ при сжигании твердого топлива составляет золошлаковая смесь, которая через систему трубопроводов поступает в специальные открытые отвалы, расположенные возле предприятия. На сегодняшний день в России на таких отвалах накопилось более 1,6 млрд тонн ЗШС — невероятная цифра.

Хорошая новость заключается в том, что золошлаки не оказывают вредного влияния на окружающую среду, прежде всего в силу происхождения горных пород, из которых в дальнейшем образуются промышленные отходы. В соответствии с Федеральным классификационным каталогом отходов золошлаковая смесь относится к одному из двух классов опасности отходов — малоопасные (IV) или безвредные (V). Выбор того или иного класса определяют расчетным или экспериментальным методом оценки опасности материалов. Как правило, ЗШС относят к V классу.  

Классификация золошлаков по химическому составу

Химический состав золошлаков является наиболее важным показателем, определяющим свойства и дальнейшее использование этого вида отходов. Он связан с используемым при сжигании твердым топливом, в качестве которого применяют преимущественно каменные и бурые угли. В зависимости от того, с какого месторождения был привезен тот или иной вид горной породы, зависит химический состав золошлаков. К примеру, зола уноса, полученная при сжигании Подмосковного угля, в процентном отношении содержит:

• SiO2 — от 46 до 55
• Al2O3 — от 22 до 39
• Fe2O3 — от 5 до 17
• CaO — от 2 до 5
• MgO — от 0,2 до 2,4
• K2O — от 0,2 до 1
• Na2O — от 0,2 до 0,7
• SO3 — от 0,2 до 1,6
• CaOсв — 1

Для сравнения: зола уноса, полученная из Березовского угля, в процентном отношении включает в себя:

• SiO2 — от 13 до 45
• Al2O3 — от 6 до 16
• Fe2O3 — от 5 до 13
• CaO — от 34 до 60
• MgO — от 5 до 10
• K2O — от 0,2 до 1
• Na2O — от 0,1 до 1,1
• SO3 — от 1 до 18
• CaOсв — от 5 до 24

То есть в одинаковых горных породах, выработанных в разных регионах России, содержится разное количество химических соединений. На примере выше можно увидеть явное отличие в процентном объеме свободного оксида: в первом случае показатель равен 1, а во втором — от 5 до 24. Важно уточнить, что наличие кальция в свободном или связанном виде является одним из главных критериев, определяющих способность золы и шлака проявлять свои вяжущие свойства.    

ОДМ 218.2.031-2013 «Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве» разделяет золошлаки по химическому составу на высококальциевые и низкокальциевые. В соответствии с документом в первом случае отходы должны содержать не менее 20% CaO + MgO, а во втором — менее 20%.     

Обзорная информация «СоюзДорНИИ» от 2003 года — «Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог» — более полно раскрывает тему химического состава золошлаков, разделив их на два вида — основные и кислые.

Основные золы содержат более 10‒15% оксида кальция, а также характеризуются наличием гидравлически активных компонентов, что позволяет использовать их в качестве самостоятельного вяжущего материала.

Кислые золы содержат менее 10‒15% оксида кальция, и могут применяться как активные минеральные добавки.  

Более того, разное соотношение химических соединений в золошлаках классифицирует их на три группы активности:

• активные, с общим содержанием оксида кальция от 20 до 60%, свободного оксида кальция — до 30%
• скрыто активные, с общим содержанием оксида кальция равным от 5 до 20%, свободного оксида кальция — до 2%
• инертные, с низким содержанием оксидов кальция и магния, свободного оксида кальция — до 1%. При этом материал данной группы может вообще не содержать свободного оксида кальция

Таким образом, химический состав золошлаков определяет их использование для конкретных видов работ в дорожном строительстве. Активные золошлаки характеризуются высоким модулем основности, обладают свойством самостоятельно твердеть, а значит их можно применять в качестве единственного вяжущего при производстве смесей. Скрыто активные золошлаки имеют низкий модуль основности, что предполагает использование этого материала в качестве комплексного вяжущего с обязательным добавлением активаторов твердения. Если отходы первых двух групп подходят для создания слоев основания или даже покрытия дорог, то инертные золошлаки применяют только в качестве грунтов техногенного происхождения.

Применение золошлаков в дорожном строительстве

Очевидно, что золошлаки, полученные в результате сжигания твердого топлива разного происхождения, обладают разными свойствами, основными из которых являются зерновой состав, насыпная и истинная плотности, водонасыщение, а также способность к морозному пучению. Показатели этих свойств определяют возможность применения отходов в дорожном строительстве с разной степенью ограничений.

ОДМ 218.2.031-2013 указывает, что золошлаковые смеси могут применяться для сооружения земляного полотна, создания конструктивных и дополнительных слоев дорожной одежды (морозозащитных, дренирующих и других), укрепления грунтов. Более того, в отраслевом документе сказано, что ЗШС, а также топливные шлаки могут использоваться при производстве асфальтобетонной смеси по ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия», а также органоминеральной смеси по ГОСТ 30491-2012 «Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия», то есть взаимодействовать в процессе смешивания компонентов с битумом. В реальных условиях такой вариант применяют редко: дело в том, что золошлаковые смеси достаточно пористые, им свойственна высокая битумоемкость, а это ведет к увеличению расхода дорогостоящего нефтепродукта.  

Использование ЗШС или топливных шлаков при создании «новых» асфальтобетонных смесей «Superpave» и «Евроасфальт» не регламентировано. В этом смысле большие возможности открываются для применения в дорожном строительстве золы уноса.

Зола уноса может быть использована не только в качестве самостоятельного вяжущего, к примеру, при укреплении грунтов, но и применяться как минеральный порошок при создании асфальтобетонных смесей, за исключением щебеночно-мастичных составов, в соответствии со стандартами ГОСТ Р 52129-2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей. Технические условия» и ГОСТ 32761-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Порошок минеральный. Технические требования».

Таким образом применение золошлаков в дорожном строительстве может быть успешно реализовано для:

• сооружения насыпи земляного полотна
• устройства дополнительных слоев оснований дорожных одежд
• создания конструктивных слоев дорожных одежд
• укрепления грунтов

Стандарты, регламентирующие использование золошлаков в дорожном строительстве

Разнообразие способов применения золошлаков в дорожном строительстве и постепенное развитие направления вторичного использования промышленных отходов, определили обширный список взаимосвязанных стандартов, так или иначе регламентирующих применение золы уноса, топливных шлаков и золошлаковых смесей в дорожном строительстве. Среди них:

— ОДМ 218.2.031-2013 «Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве»

— ГОСТ 3344-83 «Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства. Технические условия»

— ГОСТ 23558-94 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия»

— ГОСТ 30491-2012 «Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия»

— ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация»

— ГОСТ Р 70452-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Грунты стабилизированные и укрепленные неорганическими вяжущими. Общие технические условия»

— ГОСТ Р 70453-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Грунты, укрепленные органическими вяжущими. Общие технические условия»

— ГОСТ Р 70196-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Комплексные минеральные вяжущие для стабилизации и укрепления грунтов. Технические условия»

— ГОСТ 25592-2019 «Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия»

— ГОСТ 25818-2017 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия»

— ГОСТ Р 59628-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Жесткие дорожные одежды. Типовые конструкции»

— ГОСТ Р 52129-2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей. Технические условия»

— ГОСТ 32761-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Порошок минеральный. Технические требования»

При работе по направлению использования золошлаков в дорожном строительстве стоит также выделить ценность обзорной информации, представленной «СоюзДорНИИ» в документе «Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог» от 2003 года.  

Плюсы применения золошлаков в дорожном строительстве очевидны:

• снижение общего объема накопленных отходов в золоотвалах
• увеличение качества дорог, например, за счет замены использования песчаного или суглинистого грунта золошлаковой смесью, которая по отдельным показателям демонстрирует лучший результат
• повышение экологичности
• снижение стоимости строительства объектов транспортной инфраструктуры, конечно, учитывая небольшое расстояние между золоотвалом или ТЭЦ до места устройства дороги или производственной площадки
• получение дополнительной прибыли предприятиями, сжигающими твердые породы

Выполнение задач Энергетической стратегии со стороны промышленности позволит предприятиям, в том числе строительной отрасли, а также государственным организациям, сделать шаг не только к экологичности производства, но и к положительным изменениям в нормативно-технической документации, способствующей высокому качеству устройства будущих дорог России.