CC BY
112
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 622.271.45:625.71.8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ГОРЕЛЫХ ПОРОД ШАХТНЫХ ОТВАЛОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
© 2014 г. Н.И. Буравчук, О.В. Гурьянова, Г.Н. Пак
Буравчук Нина Ивановна - канд. хим. наук, ст. науч. сотр., зав. лаб. ресурсосберегающих технологий, НИИ механики и прикладной математики им. И.И. Воровича, Южный федеральный университет. Тел. (863) 297-52-24. E-mail: burav@math.rsu.ru
Гурьянова Ольга Владленовна - ст. науч. сотр., НИИ механики и прикладной математики им. И.И. Воровича, Южный федеральный университет. Тел. (863) 297-52-24. E-mail: burav@math.rsu.ru
Пак Григорий Наумович - ст. науч. сотр., НИИ механики и прикладной математики им. И.И. Воровича, Южный федеральный университет. Тел. (863) 297-52-24. E-mail: burav@math.rsu.ru
Buravchuk Nina Ivanovna - Candidate of Chem. Sciences, head. lab. resource-saving technologies, senior scientific researcher, Research Institute of Mechanics and Applied Mathematics I.I. Vorovica of the Federal State Educational Establishment of the Maximum Vocational Training South Federal University. Ph. (863) 297-52-24. E-mail: burav@math.rsu.ru
Guryanova Olga Vladlenovna - senior scientific researcher, Research Institute of Mechanics and Applied Mathematics I.I. Vorovica of the Federal state educational establishment of the maximum vocational training South Federal University. Ph. (863) 297-52-24. E-mail: burav@math.rsu.ru
Pak Gregory Naumovich - senior scientific researcher, Research Institute of Mechanics and Applied Mathematics I.I. Vorovica of the Federal state educational establishment of the maximum vocational training South Federal University. Ph. (863) 297-52-24. E-mail: burav@math.rsu.ru
Приведены физико-механические свойства материалов из горелых пород шахтных отвалов. Показана возможность применения материалов из горелых пород для устройства конструкционных слоев дорожной одежды автомобильных дорог.
Ключевые слова: горелые породы; шахтные отвалы; дорожная одежда; щебень; щебеночно-песчаные смеси из горелых пород.
Physic mechanical properties of materials from burned breeds of mine dumps are given. Possibility of application of materials from burned breeds for the device of constructional layers of road clothes of highways is shown.
Keywords: burned breeds; mine dumps; road clothes; rubble; crushed-stone-sand mixes from burned breeds.
Дорожное строительство является наиболее мате-риалоемкой областью по использованию нерудных строительных материалов. В этой отрасли остро стоит вопрос как о повышении качества конструктивных слоев дорожной одежды, так и о замене природных материалов, особенно привозных из других регионов, на местное, более дешевое сырье. В связи с этим исследована возможность использования в дорожном строительстве пород шахтных отвалов.
Среди полезных ископаемых, имеющихся в Ростовской области, большая часть приходится на уголь. В области ранее довольно активно развивалась угольная отрасль, связанная с добычей и переработкой угля. И поэтому в угольно-промышленных районах сосредоточены в отвалах огромные запасы шахтных пород, попутно добываемых при разработке угольных месторождений, извлекаемых
на поверхность и складированных в отвалах. Некоторые из этих пород представлены негорелыми породами, другие - горелыми и перегоревшими. Такие отходы представляют собой новый вид сырья - техногенного. Скопления этих отходов по количеству и качеству содержащегося сырья, пригодного для выпуска полезной продукции, следует отнести к техногенным месторождениям [1, 2].
Техногенные отходы отличаются большим разнообразием свойств. Это приводит к необходимости разработки для каждого вида отхода особых методов подготовки. Как справедливо отмечает академик В.И. Соломатов [1], для эффективного использования техногенных отходов нужен принципиально новый подход к их утилизации, санитарно-гигиенической оценке, разработке методов кондиционирования и хранения.
Пустые шахтные породы привлекательны как перспективные источники техногенного сырья для различных отраслей индустрии. Использованием этих отходов можно пополнить сырьевую базу нерудных материалов для дорожно-строительного комплекса. Особенно это актуально в связи с выполнением задач областной долгосрочной целевой программы «Развитие сети автомобильных дорог общего пользования в Ростовской области на 2015 - 2020 годы». По этой программе кроме мероприятий по ремонту, замене или восстановлению конструктивных элементов дорожной одежды существующих автомобильных дорог, предусмотрено строительство около 1,5 тыс. км муниципальных дорог IV категории, в сооружении которых в первую очередь могут найти применение заполнители из горелых пород шахтных отвалов.
Породная масса отвала представлена в основном глинистыми породами, а также песчанисто-глинистыми, слабо песчанистыми, песчаниками, встречаются углистые и глинистые сланцы. В отвале породы разнородны по прочности, физико-механическим свойствам, минеральному составу, степени термической измененности, зерновому составу, плотности и окраске. Наряду с очень прочными породами, имеются и слабые разновидности. Хорошо обожженные породы имеют темный цвет, слабообожженные породы характеризуются светлыми тонами. В горелых отвалах встречаются прослои в виде линз из негорелых пород и переплавленные породы, они имеют темно-серый цвет и обладают характерной пористой структурой. Зерновой состав пород в отвалах колеблется в широком диапазоне - от крупных кусков до мелкого щебня, гравия и песка, а также пылевато-зольной массы. Большинство пород, слагающих отвалы, видоизменено в процессе самообжига. Наибольшие изменения претерпели глинистые породы. Алевролиты и песчаники имеют значительно меньшие изменения. Сланцевые аргиллиты представляют сильно измененные глинистые породы. По физико-механическим свойствам горелые шахтные породы можно отнести к III типу горных пород, включающему неоднородные по прочности породы, содержащие слабые разности. Глинистые породы углевмещающих отложений подвержены уплотнению, в результате которого они превращаются в камнеподобные (лити-фицированные) породы. Наличие в горелых породах обломочного материала, скрепленного пелитовым и кремнеземистым породным цементом до состояния конгломерата, обеспечивает их водостойкость (нераз-мокаемость) и механическую прочность.
Показатель неоднородности состава и свойств шахтных пород выше неоднородности природного полиминерального сырья. Поэтому для получения из горелых пород материала требуемой прочности и долговечности необходимо производить переработку шахтных пород с обогащением по прочности. Для
переработки пород на отвалах устанавливают дро-бильно-сортировочные комплексы. Эффективность переработки породной массы достигается при сочетании предварительного грохочения с обогащением по прочности. Обогащение по прочности можно осуществлять в несколько стадий дробления и грохочения. Удаление слабых пород улучшает прочностные качества остального дробленого материала. По результатам многолетних исследований горелых шахтных пород [3] сделан вывод о том, что для получения кондиционной продукции в технологии переработки должно быть предусмотрено как минимум две стадии дробления. Последующие стадии дробления устанавливаются по мере необходимости. Переработку пород проводят по технологической схеме, включающей следующие основные операции: предварительное грохочение для отбора мелочи перед первичным дроблением; дробление для получения требуемых по крупности фракций щебня; сортировку продуктов дробления на заданные фракции; транспортировку и складирование готовой продукции. При переработке исследуемой породы с каждой последующей стадией дробления качество получаемых материалов из шахтных пород (щебня, щебеночно-песчаных смесей, отсевов дробления) улучшается: повышается прочность, снижается пустотность, количество пластинчатых и игловатых частиц и пылевидной фракции, содержание зерен слабых пород, улучшается форма зерен, стабилизируются все показатели заполнителей.
Испытание физико-механических материалов из дробленых пород проводилось в соответствии с нормативными документами на нерудные строительные материалы, а также с учетом требований технических условий на материалы из горелых пород шахтных отвалов, в которых отражены требования, учитывающие специфические свойства пород. Результаты исследований физико-механических свойств щебня различных фракций и отсевов дробления из горелых пород приводятся в табл. 1, 2.
Заполнители из горелых шахтных пород по качеству не уступают аналогичной продукции из традиционно используемого сырья и даже имеют некоторые преимущества: не содержат илистых и глинистых частиц и других засоряющих примесей; глины в комках; из-за микропористости частиц легче по насыпному весу; отличаются хорошим сцеплением с вяжущими. Щебень выдерживает испытания на устойчивость структуры против всех видов распада. Поверхность частиц неокатанная, рваная, шероховатая, на поверхности частиц не содержатся глинистые и другие засоряющие примеси. В результате термического воздействия частицы породы приобрели пористое строение. Однако низкие значения водопоглощения свидетельствуют о том, что большинство пор у частиц щебня имеет закрытый характер. Наличием пористости объясняется пониженная, в сравнении с природным щебнем, насыпная плотность.
Таблица 1
Показатели качества щебня из горелых шахтных пород
Основные показатели качества щебня Значение показателей для фракций, мм
5 - 10 10 - 20 20 - 40 40 - 80 (70)
Марка по прочности при испытании на дробимость 800; 1000; 1200 600; 800; 1000; 1200 600; 800; 1000; 600; 8000; 1000
Марка по морозостойкости, не менее F15; F25; F50 F25; F50; F100 F25; F50; F100 F25; F50
Марка по водостойкости В1; В2 В1; В2 В1; В2 В1; В2
Марка по истираемости И1; И2 И1; И2 И1; И2 И1; И2
Насыпная плотность, кг/м3 1120 - 1240 1100 - 1260 1140 - 1290 1160 - 1300
Истинная плотность, г/см3 2,66 - 2,68 2,67 - 2,69 2,66 - 2,69 2,65 - 2,71
Содержание пылевидных и глинистых частиц, % 0,90 - 1,50 0,70 - 1,15 0,08 - 0,93 0,05 - 0,08
Содержание глины в комках, % Практически отсутствует
Содержание пластинчатых и игловатых зерен, % 20,0 - 27,0 18,0 - 30,0 1,25 - 3,85 3,2 - 11,8
Содержание зерен слабых пород, % 4,50 - 8,0 7,0 - 9,0 1,77 - 2,30 1,1 - 2,7
Водопоглощение, % 3,3 - 4,5 3,0 - 5,5 2,70 - 3,86 0,05 - 1,00
Потери при прокаливании, % 3,5 - 4,7 2,85 - 3,70 1,70 - 1,90 2,0 - 3,2
Устойчивость структуры против всех видов распада, потеря массы при распаде, % 0,13 - 0,75 0,25 - 1,05 0,32 - 1,13 0,65 - 1,33
Содержание оксида кальция, % 1,15 - 1,40 1,13 - 1,24 1,07 - 1,18 1,03 - 1,36
Содержание оксида магния, % 0,77 - 1,20 1,13 - 1,30 1,03 - ,1,27 1,05 - 2,52
Содержание серы, сульфатов в пересчете на SO3, % 1,28 - 2,15 1,25 - 1,48 1,16 - 1,27 1,13 - 1,48
Содержание пирита в пересчете на SO3, % 0,17 - 0,38 0,03 - 0,04 0,02 - 0,08 0,04 - 0,08
Содержание щелочных оксидов (Na2O + K2O), % 3,50 - 4,25 2,18 - 3,51 2,70 - 3,27 2,95 - 3,30
Класс материалов по величине Аэфф ЕРН I I I I
Таблица 2
Показатели качества отсевов из горелых шахтных пород
Основные показатели качества отсева (фракция св. 0 до 5,0 мм) Значение показателей
Марка щебеночной фракции по прочности при испытании на дробимость: фракция от 5 до 10 мм 400; 800
Марка по пластичности (фракция менее 0,63 мм) Пл2
Насыпная плотность, кг/м3 1150 - 1320
Истинная плотность, г/см3 2,67 - 2,69
Содержание пылевидных и глинистых частиц, % 1,58 - 3,75
Устойчивость структуры щебеночной фракции против всех видов распада, потеря массы при распаде, %: фракция от 5 до 10 мм 0,70 - 1,3
Коэффициент фильтрации, м/с 6,80 - 7,32
Содержание щебеночной фракции от 5 до 10 мм, % 25,3 - 28,7
Потери при прокаливании, % 5,0 - 6,0
Содержание оксида кальция, % 1,15 - 1,40
Содержание оксида магния, % 0,77 - 1,20
Содержание серы, сульфатов в пересчете на SO3, % 1,28 - 2,15
Содержание пирита в пересчете на SO3, % 0,17 - 0,38
Содержание щелочных оксидов в пересчете на Na2O и K2O, % 3,50 - 4,25
Класс материалов по величине Аэфф ЕРН I
В щебне не содержатся примеси и компоненты, относимые к вредным примесям, могут присутствовать метаморфизованные несгоревшие частицы топлива. По составу они отличны от исходного топлива и состоят из продуктов коксования (полукоксовые и коксовые остатки). Они стойки против окисления и долговечны при воздействии влаги и перепада температуры. Форма зерен щебня кубовидная, пластинчатая и угловатая.
Получение из горелых пород кубовидного щебня может быть обеспечено за счет оптимизации технологических параметров оборудования. Сегодня существует отечественное оборудование, принцип работы которого позволяет учитывать свойства перерабатываемых пород и обеспечивать выход щебня по форме частиц и свойствам, отвечающим требованиям потребителя.
Отсевы дробления горелых пород по зерновому составу соответствуют песчано-гравийной смеси. Песчаная фракция отсевов дробления пород по физико-механическим свойствам может соответствовать пескам I или II класса. Их можно использовать как строительные пески. По модулю крупности пески относятся к крупному и среднему. Отсевы не подвержены морозному пучению, практически не размокают и не набухают в воде. По фильтрационной способности отсевы относятся к водопроницаемым. Щебень, щебеночно-песчаные смеси и песок из горелых пород по техническим характеристикам и показателям качества соответствуют требованиям, которые предъявляются государственными стандартами к заполнителям из природного камня, а также техническими условиями на заполнители из горелых пород шахтных отвалов для дорожного строительства
Представляет практический интерес взаимодействие щебенок из горелых пород с битумом. Степень прилипания вяжущего к поверхности щебня оказывает решающее влияние на прочность и долговечность конструктивных слоев дорожной одежды, обработанных органическими вяжущими материалами. Сцепление щебня из горелых пород с битумом определялось по методу СоюздорНИИ [4]. Выполненные исследования показывают хорошее сцепление его с битумом, что противоречит представлениям о взаимодействии битумов с кислыми породами.
Однако на сцепление заполнителей и наполнителей из техногенного сырья с вяжущими материалами оказывает влияние природа поверхности минеральных частиц, наличие активных центров на их поверхности, отличающихся повышенным энергетическим потенциалом [5]. Появление таких центров на поверхности горелых шахтных пород обусловлено спецификой их происхождения и связано с наличием ряда структурных дефектов, возникающих при физико-химических процессах, происходящих при высоко-
температурном обжиге углесодержащих шахтных пород. При выполнении определений практически не наблюдалось обнажения щебня, пленка битума полностью сохраняется на поверхности щебенок. Сцепление щебня из горелых пород с битумом по принятой системе оценки - отличное.
Практический опыт использования углеотходов в дорожном строительстве имеется во всех угольных регионах. Развивается направление по использованию горелых пород в дорожном строительстве и в Ростовской области [6]. Экспериментальный участок технологической дороги эксплуатируется в пос. Киселево. Это участок подъездной автомобильной дороги к промплощадке предприятия выполнен с использованием в подстилающем и нижнем слоях основания материалов из горелых пород отвала бывших шахт им. Кирова и Воровского. Промышленное испытание технологии строительства оснований и покрытий с применением материалов из горелых пород проводилось на опытных участках технологических и подъездных дорог, промплощадок и тротуаров. Испытания щебня из горелых пород в основании дорог IV и V категорий с устройством покрытий облегченного, переходного и низшего типов проведены на шахтах «Алмазная», «Замчаловская», «Восточная» (бывшая шахта им. 50-летия Октября). На опытных участках дорог применялись горелые породы отвала бывшей шахты № 26. Для устройства дополнительных и нижних слоев оснований можно использовать щебень после первого дробления с размером зерен от 20 до 150 мм. Для нижних и средних слоев оснований применяется щебень фракции от 40 до 80 и от 80 до 150 мм; для верхних слоев оснований и покрытий -от 20 до 40 и от 40 до 80 мм. Щебень из горелых пород хорошо уплотняется. Поэтому наиболее эффективно укладывать его по способу заклинки или способу оптимальных смесей. Расклинцовку слоя щебня следует производить фракциями мелкого щебня с последовательно уменьшающимися размерами: 20 -40, 10 - 20 и 5 - 10 мм. Для расклинцовки можно использовать также смесь фракций: от 5(3) до 20, от 0 до 20 и от 0 до 10 мм.
Технологический процесс устройства слоев сводился к разравниванию породы и уплотнению спланированной поверхности легкими или средними катками. Образующиеся просадки выравнивали, рассыпая горелую породу меньшей крупности. В дальнейшем при максимальной толщине слоя до 20 см пропускали тяжелые катки. Общее число проходов катка составляет 15 - 18. Уплотнение заканчивали, когда прекращались деформации после прохода тяжелого катка, а плотность породы достигала значения 1,85 - 1,90 г/см3. Для повышения плотности щебень увлажняли. В сухое время года расход воды для полива 4 - 5 л/м2. В последующих слоях оснований и по-
крытии и для расклинцовки следует применять щебень, полученный при повторном дроблении горелых пород.
Для получения плотного и прочного монолитного щебеночного слоя необходимо обеспечить правильный режим полива. В начале уплотнения в рыхлой россыпи отдельные зерна щебня легко распределяются и взаимно перемещаются. При этом крупные фракции щебня выполняют роль своеобразного пространственного каркаса. Мелкие частицы заполняют пустоты каркаса. В этот период уплотнение можно производить без полива. Когда первоначальная осадка слоя будет достигнута, для дальнейшего уплотнения требуется преодоление трения между частицами. Вода в этом случае облегчает уплотнение, а также увлажняет мелочь и пыль из хорошо обожженной породы, получающиеся от облома кромок щебня в процессе укатки. Окончательное уплотнение до заданной плотности проводится без полива. С течением времени увлажненная пыль цементируется и упрочняет структуру щебеночного слоя. Ориентировочный расход воды 12 - 20 л/м2.
Испытания щебня из горелых пород в дорожном строительстве проводились путем сравнения состояния опытных участков дороги через определенные промежутки времени их эксплуатации (два раза в течение трех лет). С опытных участков дороги отбирались на испытание пробы щебня в разные сроки эксплуатации дороги. Опытные участки подготовлены различными способами. Результаты обследования состояния экспериментальных участков дороги показывают, что на хорошо уплотненных участках дороги отклонение в ширине конструктивного слоя, уклонах дороги, высоте основания не превышают допускаемых пределов. С опытных участков дороги отбирались на испытание пробы щебня в разные сроки эксплуатации
дороги. На шахте «Алмазная» выполнен участок дороги длиною 120 м (рисунок).
Объем уложенной породы 205 м3, толщина основания 20 см, которое выполнено из фракционированного щебня: нижний слой - из фракции от 20 до 80 мм, верхний - их фракции от 5 до 20 мм с пропиткой битумом. На основание нанесено двухслойное покрытие из асфальтобетона: верхний слой - мелкозернистый, нижний - крупнозернистый асфальтобетон. Прочность и гранулометрический состав щебня из основания дороги с асфальтобетонным покрытием (шахта «Алмазная») не изменились в процессе эксплуатации дороги. Фракция щебня от 20 до 80 мм имеет марку по прочности 600, фракция от 5 до 20 мм - 1000.
На участках дороги низшего типа (шахты «Восточная» и «Замчаловская») существенных изменений в прочности щебня не произошло. Состояние опытных участков дороги удовлетворительное. Разрыхления и просадки щебня не наблюдалось. Одно из преимуществ применения щебня из горелых пород в дорожном строительстве состоит в том, что благодаря его легкой уплотняемости и цементирующей способности пылевидной фракции достигается плотная упаковка зерен заполнителя и создается монолитная конструкция повышенной прочности и устойчивости. Устроенные по способу заклинки основания имеют прочность, достаточную для возведения вышележащих слоев дорожной одежды. Результаты испытаний физико-механических свойств щебня и щебеночно-песчаных смесей из горелых пород, положительный практический опыт по использованию их в дорожном строительстве подтверждают пригодность этих материалов для устройства подстилающих слоев и оснований дорог. Качественные заполнители из горелых пород можно применять во всех слоях дорожной одежды.
Конструктивный поперечный профиль автопроездов с шириной проезжей части 4,5 - 6,0 м. Конструкция дорожной одежды: 1 - среднезернистый асфальтобетон, h = 4 см; 2 - крупнозернистый асфальтобетон, h = 5 см; 3 - горелопородный щебень, пропитанный битумом, h = 6,5 см; 4 - основание из горелопородного щебня, h = 20 см; 5 - песчаный подстилающий слой, h = 10 см
Общим условием использования шахтных пород в дорожном строительстве является соответствие прочности сооружаемых из них слоев дорожной одежды тем механическим и физико-механическим воздействиям, которые можно ожидать в данном слое.
Для принятия решения об использовании минеральных материалов из горелых пород необходимо предварительно провести комплексную оценку этого техногенного сырья. Методика комплексной оценки шахтных пород включает три этапа:
- на первом этапе необходимо выполнить инженерно-геологическое изыскание шахтных для получения необходимой информации о характере залегания материалов, распределении влажности, плотности по глубине отвала, степени однородности, способе получения пород;
- на втором этапе осуществляют инженерно-геологическую оценку показателей физико-механических свойств пород и материалов из них, определенных в лаборатории; устанавливают возможность и условия их использования в основаниях дорожных одежд и земляном полотне;
- на третьем этапе с учетом полученных лабораторных данных выполняют технико-экономическое обоснование целесообразности использования тех или иных материалов из пород в конкретных конструкциях автомобильной дороги. В случае положительного решения разрабатываются специальные рекомендации по конструкции земляного полотна и дорожных одежд из пород конкретного шахтного отвала и особенностям технологии их строительства.
Поступила в редакцию
За счет меньшей стоимости материалов из горелых пород (на 25 - 30 % ниже стоимости природных заполнителей) и снижения трудоемкости при возведении слоев дорожной одежды уменьшается общая стоимость работ строительства дорог.
Литература
1. Соломатов В.И. Новый подход к проблеме утилизации отходов в стройиндустрии // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2000. № 1. С. 28.
2. Трубецкой К.Н., Уманец В.Н. Комплексное использование техногенных месторождений // Горный журнал. 1992. № 1. С. 12.
3. Буравчук Н.И., Рутьков К.И. Переработка и использование отходов добычи и сжигания твердого топлива. Ростов н/Д., 1997. 224 с.
4. Лысихина А.И. Дорожные покрытия и основания с применением битумов и дегтей. М., 1962. 360 с.
5. Ядыкина В.В. Влияние активных поверхностных центров кремнеземсодержащих минеральных компонентов на взаимодействие с битумом // Изв. вузов. Строительство. 2003. № 9. С. 75.
6. Буравчук Н.И., Гурьянова О.В., Айрапетьян М.А. Использование пород шахтных отвалов для устройства земляного полотна // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. № 6. С. 100.
17 августа 2013 г.
