CC BY
176
Оригинальная статья / Original article УДК 911.37, 691.5; 625.81
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2227-2917-2018-4-98-104
НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕФТЕШЛАМОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
© М. Лофлера, В.Г. Шелеговь, Н.А. Слободчиковаc
аУниверситет прикладных наук
14406, Федеративная Республика Германия, г. Потсдам, 60 06 08 ^Иркутский национальный исследовательский технический университет 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
РЕЗЮМЕ: Строительство автомобильных дорог связано с использованием большого объема каменных материалов. В районах дефицита этого материала возникает необходимость в его транспортировании за многие сотни километров, что увеличивает стоимость этих материалов во много раз и является причиной удорожания строительства. Объемы местных дорожно-строительных материалов могут быть значительно увеличены в результате использования техногенных отходов промышленности для обработки грунтов. Вместе с этим доказана техническая и экономическая обоснованность использования местных малопрочных материалов, обработанных вяжущими веществами. В данной статье рассмотрена возможность применения отходов добычи, переработки и транспортировки нефти в дорожном строительстве. Применение в дорожном строительстве местных материалов, укрепленных вяжущими, считается эффективным спобобом, проверенным многолетним опытом. Встает вопрос о замене дефицитных органических вяжущих продуктами или отходами промышленности. Особого внимания заслуживают отходы нефтяной промышленности, в частности нефтешламы, содержащие в составе компоненты аналогичные компонентам битума. Нефтешламы по своему составу аналогичны битумам. Их можно применять при производстве асфальтобетонных смесей, в качестве органического вяжущего для укрепления местных грунтов и в качестве вяжущего для получения орга-номинеральных смесей. Применение нефтешламов в дорожном строительстве позволяет сохранить природные ресурсы, снизить стоимость строительства, реконструкции и капитального ремонта автомобильных дорог и снизить экологическую нагрузку в регионах. Определен оптимальный состав орга-номинеральных смесей дорожно-строительных материалов с использованием нефтешламов для применения в дорожном строительстве. В зависимости от состава и физико-механических свойств материалы с добавлением нефтешлама могут быть использованы для строительства слоев оснований дорожных одежд для автомобильных дорог III, IV, V категорий.
Ключевые слова: нефтешлам, автомобильные дороги, органоминеральные смеси, укрепленные грунты, отходы промышленного производства
Информация о статье: Дата поступления 08 августа 2018 г.; дата принятия к печати 10 сентября 2018 г.; дата онлайн-размещения 21 декабря 2018 г.
Для цитирования: Лофлер М., Шелегов В.Г., Слободчикова Н.А. Направления использования нефтешламов в дорожном строительстве. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018;8(4):98-104. DOI: 10.21285/2227-2917-2018-4-98-104
APPROACHES TO THE APPLIANCE OF OIL SLUDGE IN ROAD CONSTRUCTION Markus Lofler, Vladimir G. Shelegov, Nadezhda A. Slobodchikova
аМаркус Лофлер, профессор, e-mail: [email protected] Markus Lofler, Professor, e-mail: [email protected]
ьШелегов Владимир Георгиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, e-mail: [email protected]
Vladimir G. Shelegov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Automobile Roads, e-mail: [email protected]
сСлободчикова Надежда Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, e-mail: [email protected]
Nadezhda A. Slobodchikova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Automobile Roads, e-mail: [email protected]_
Potsdam University of Applied Sciences 60 06 08, Potsdam, 14406, Germany Irkutsk National Research Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation
ABSTRACT: Road construction is associated with the utilisation of a large amount of stone material. Regions lacking in this material necessitate its transportation over hundreds of kilometers, increasing the cost of the materials many times over and contributing to an over all increase in construction costs. The volume of local road-building materials can be significantly increased if industrial wastes from soil treatment are utilised. At the same time, the technical and economic feasibility of local low-strength materials treated with binders has been proven. This article discusses the possibility of the adaptation of waste products from the production, refining and transportation of oil for use in road construction. The road construction using local materials treated with binders is considered as an effective way proven by many years of experience. However, replacing hard to come by organic binders with industrial waste is still relevant. The wastes of the oil industry, particularly oil sludge, containing components similar to bitumen, are of particular interest. The composition of oil sludge appears to be similar to that of bitumen. Oil sludge is promising for the production of asphalt mixes in terms of organic binder for strengthening local soils and for the manufacture of organic-mineral mixtures. The implementation of oil sludge in road construction allows for the preservation of natural resources, reduction of construction costs and reconstruction and overhaul of roads, as well as a decrease in environmental burden in the regions. The optimal composition of organic-mineral mixtures for road-building materials using oil sludge in construction has been determined. Depending on the composition and physical-mechanical properties, materials containing the oil sludge additives present themselves as promising in road base building of III, IV and V road categories.
Keywords: oil sludge, highways, organic mixtures, fortified soils, industrial waste
Information about the article: Received August 08, 2018; accepted for publication September 10, 2018; available online December 21, 2018.
For citation: Lofler M., Shelegov V.G., Slobodchikova N.A. Approaches to the appliance of oil sludge in road construction. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2018;8(4):98-104. (In Russ.) DOI: 10.21285/2227-29172018-4-98-104.
Введение
Строительство, реконструкция и капитальный ремонт автомобильных дорог сопряжено с большим потреблением дорожно-строительных материалов, как правило имеющих высокую стоимость. В условиях увеличения объемов дорожного строительства возникает вопрос об экономии материальных ресурсов. В этом случае замена их отходами промышленности позволит значительно снизить стоимость строительства, реконструкции и капитального ремонта автомобильных дорог, а также позволит сохранить природные ресурсы.
Каждый год в Российской Федерации образуется боле 4млн т различных видов отходов производства и потребления. По данным Федеральной службы по надзору в сфере природопользования [1] на начало 2016 г. накоплено 39 384, 527 млн т отходов. При
этом более 75% от общей массы отходов производства и потребления составляют отходы от добычи полезных ископаемых таких как уголь, нефть и природный газ (рис. 1).
Особый интерес представляют отходы нефтяной промышленности. Добыча, транспортировка и переработка нефти оказывает огромное влияние на окружающую среду и приводит к серьезным экологическим последствиям. По разным оценкам в нашей стране ежегодно образуется свыше 3 млн т всех видов нефтешламов и к настоящему времени их накоплено более 100 млн т.
Методы
Нефтешламы - это сложные пастообразные физико-химические смеси, которые состоят из нефтепродуктов, воды и механических примесей (таблица). Все нефтешламы различаются по своим физико-химическим ха-
рактеристикам, что обусловлено разным составом исходного сырья, условиями окружающей среды, сроками хранения.
В частности, при долговременном накоплении нефтешламов их уг-
леводородный состав может видоизменяться в результате протекания таких процессов, как конденсация, полимеризация, изомеризация.
Рис. 1. Накопление отходов производства и потребления по видам экономической деятельности на начало 2016 г. Fig. 1. Accumulation of production and consumption waste by economic activity
at the beginning of 2016
Состав нефтешламов [2-4]
Content of oil sludge [2-4
Компонент Содержание, %
Нефтепродукты 10-56
Вода 30-85
Твердые примеси (глины, пески, окиси металлов и др.) 1,3-46
Различают следующие виды нефтяных шламов:
1. Придонные. Образуются на дне водоемов из-за аварийного нефте-ного разлива. Придонные нефтешламы могут образовываться если нефтераз-ливы оседают на дне емкостей, вмещающих большое количество воды.
2. Резервуарные. Накапливаются в результате хранения и перевозки нефти и нефтепродуктов в различных емкостях.
Одной из причин образования резервуарных нефтешламов является взаимодействие нефтепродуктов с влагой, кислородом, механическими примесями и материалом стенок резервуара.
В результате чего происходит частичное окисление исходных нефтепродуктов с образованием смолоподобных соединений, а также коррозия стенок резервуара.
3. Грунтовые. Данный вид нефтешламов образуется при попадании нефти в грунт в процессе переработки нефти или в результате аварийных разливов.
Загрязненные нефтью грунты считаются отходами после их размещения на специальных полигонах по переработке отходов.
4. Нефтешламы образующиеся при бурении скважин с использованием буровых растворов. В состав этих шламов может входить глинисто-коллоидная фаза, нефть, хи-
мически- и поверхностно-активные вещества.
5. Нефтешламы, образующиеся при добыче и очистке неф-
ти от содержащихся в ней солей, твердых углеводородов и механических примесей [3].
Рис. 2. Резервуарные нефтешламы Fig. 2. Reservoir oil sludge
Рис. 3. Грунтовые нефтешламы Fig. 3. Ground oil sludge
Результаты и их обсуждение
Нефтешламы по своему составу схожи с битумами, поэтому их использование в дорожном строительстве является одним из рациональных и перспективных способов их утилизации. Это позволит не только утилизировать экологически вредные и пожароопасные вещества, но и получать дорожно-строительные материалы низкой стоимости. В зависимости от состава и свойств нефтешламы можно использовать в дорожном строительстве в следующих направлениях:
1. При производстве асфальтобетонных смесей
Нефтешламы можно использовать в качестве поверхностно-активных веществ с целью улучшения сцепления с поверхностью зерен минерального материала (песка, щебня/гравия). Возможны следующие способы добавления нефтешламов в асфальтобетонную смесь:
- нефтяной шлам вводится в каменный материал в количестве 3%, затем температура смеси доводится до температуры 140-160 °С и подаются минеральный порошок и битум.
- нефтяной шлам в количестве 13% подается в нагретый до 160 °С песок и щебень. Далее вводится минеральный порошок, производится равномерное распределение компонентов в смеси. После чего добавляется вязкий битум температурой 140-160 °С и производится окончательное смешение. Введение нефтешлама обеспечивает хорошее обволакивание вяжущим минерального минерала и позволяет снизить расход вязкого битума до 2 % битума [4]. Нефтешламы также можно применять в качестве добавки к битуму. Установлено, что введение неф-тешламов в битумополимеры в количестве 1,5-60% увеличивает интервал пластичности в 1,5-2 раза, что положительно сказывается на трещинно-стойкости, теплоустойчивости асфальтобетонов. Добавка нефтешламов в битум до 60% по массе сохраняет исходную марку битума и позволяет снизить расход битума на 8%2. В работе И.В. Граматикова3 изложена возможность использования водосодержащих нефтешламов при производстве асфальтобетонных смесей. При этом получаются асфальтобетонные смеси с улучшенными физико-механическими характеристиками на основе кампаун-дирования водосодержащих нефтеш-ламов и анилиновой смолы с битумом в процессе вспенивания-вяжущего. Технология вспенивания позволяет равномернее распределить вяжущее в смеси, тем самым увеличивается поверхность минеральных зерен покры-
тая битумом и вода не будет иметь доступа к этой поверхности. Введение в битум нефтешламов увеличивает адгезию, что является резервом для снижения количества дорогостоящего битума в асфальтобетоне. Количество битума в асфальтобетонной смеси (6,5%) при введении нефтешламов снижается на 8%.
2. В качестве вяжущего для укрепления грунтов
Известны способы укрепления грунтов вяжущими на основе нефтеш-ламов1,3 [5, 6, 7].
Данные способы предполагают комплексное применение нефтешла-мов с неорганическими вяжущими (известь, известьсодержащие отходы производства, цемент и др.). Прочность образцов грунтов, укрепленных такими вяжущими, в водонасыщенном состоянии может достигать 1,0-1,8 МПа, водопоглощение 1,0-2,3%4 [2].
3. В качестве вяжущего для получения органоминеральных смесей
Нефтешламы, содержащие в своем составе значительное количество асфальтенов и смол возможно применять для получения органоминеральных смесей3. При этом повышается их прочность и снижается водопоглощение. Применение нефтешламов для производства органоминеральных смесей снижает стоимость устройства покрытий дорожных одежд автомобильных дорог. Смешение нефтешлама с
1Ильина О.Н. Обоснование технологии строительства оснований дорожных одежд из минеральных материалов, обработанных цементом с добавкой нефтешлама: автореф. ... дисс. канд. тех. наук. М., 2005. 18 с. / Ilina O.N. Proof of technology of construction of the bases of road clothes from the mineral materials processed by cement with addition of oil sludge: the abstract of the dissertation of Candidate of technical sciences. Moscow, 2005. 18 p.
2Давыденко О.В. Стабилизация структуры модифицированных битумных вяжущих дорожного назначения: дисс. ... канд. техн. наук. Самара, 1999. / Davydenko O. V. Stabilization of the structure of modified bitumen binders for road use: Candidate's Dissertation in technical sciences. Samara, 1999.
3Трифонов А.А. Органоминеральные дорожно-строительные материалы с использованием нефтешламов: дисс. ... канд. техн. наук. 2005. С. 194. / Trifonov A.A. Organomineral road-construction materials with the use of oil sludge: Candidate's Dissertation in technical sciences. 2005, pp. 194.
4Граматиков И.В. Утилизация нефтяного шлама и анилиновой смолы в дорожном строительстве (метод защиты окружающей среды): дисс. ... канд. техн. наук. Волгоград, 1999. 208 с. / Grammatikov I.V. Utilization of oil sludge and aniline resin in road construction (environmental protection method): Candidate's Dissertation in technical sciences. Volgograd, 1999. 208 p.
минеральными материалами можно производить на площадках временного хранения отмытого нефтешлама экскаватором [8-11] или
непосредственно на дороге при помощи дорожных фрез или автогрейдера.
Заключение
Учитывая вышеизложенное можно сделать вывод, что применение нефтешламов при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог является эффективным направлением их
вторичного использования, и позволяет:
1. Улучшить качество асфальтобетонных смесей за счет повышения механической прочности, водоустойчивости, морозостойкости, снижения водопоглощения, набухания;
2. Увеличить объемы использования местных грунтов в конструкциях автомобильных дорог и снизить себестоимость дорожных одежд;
3. Снизить экологическую нагрузку в регионах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сведения об образовании, использовании, обезвреживании, транспортировании и размещении отходов производства и потребления по форме 2-ТП (отходы), систематизированные по видам экономической деятельности за год [Электронный ресурс]. URL:http://38.rpn.gov.ru/opendata (22.08.2018).
2. Безрук В.М., Линцер А.В., Юрченко В.А., Илясов В.Ф. Применение нефтегрунта в строительстве автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1975. 72 с.
3. Руденская И.М., Руденский А.В. Органические вяжущие для дорожного строительства. М.: Транспорт, 1994. 255 с.
4. Нефтешламы - общее описание проблемы [Элетронный ресурс]. URL:http://www.mpoltd.ru/ poleznoe/282-nefteshlamy-obshchee.html (22.08.2018).
5. Турсумуратов М.Т., Бекбулатов Ш.Х. Использование шламов в дорожном строительстве // Вестник НИА РК. 2010. № 1. С.108-115.
6. А.с. №1470829 Композиция для устройства дорожных оснований. Е 01 С 7/36, Е 02 О 3/12.
7. А.с. №607870. Грунтобетонная смесь / Н.С. Колбас, А.И. Баранов, Т.С. Русинова, М.А. Ковалева. Е 01 С 7/36 С 08 Ь 95/00.
8. Баранов Д.С. Переработка нефтяных шламов битуминизированных песков // Автомобильные дороги. 1992. № 5-6. С. 18-19.
9. Юшков Б.С., Минзуренко А.А. О применении отходов нефтяной отрасли в дорожном строительстве // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2010. № 6. С. 41-45.
10. Шабуров С.С., Уласович Р.П. Органоминеральные смеси в основаниях и покрытиях автомобильных дорог в суровых климатических условиях // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2015. № 2 (13). С. 112-118.
11. Бурмистров Д.В., Скрыпников А.В., Козлов
B.Г., Кондрашова Е.В., Логачев В.Н. Возможность применения нефтеполимерных вяжущих в конструктивных слоях дорожной одежды автомобильных дорог // Системы. Методы. Технологии. 2016. № 3 (31).
C.147-154.
REFERENCES
1. Svedeniya ob obrazovanii, ispol'zovanii, obezvrezhivanii, transportirovanii i razmeshchenii otkhodov proizvodstva i potrebleniya po forme 2-TP (otkhody), sistematizirovannye po vidam ekonomicheskoi deyatel'nosti za god [Information on the formation, use, disposal, transportation and placement of production and consumption waste in the form of 2-TP (waste), systematized by types of economic activity for the year]. Available at: http://38.rpn.gov.ru/opendata (accessed 22 August 2018).
2. Bezruk V.M., Lintser A.V., Yurchenko V.A., Ilyasov V.F. Primenenie neftegrunta v stroitel'stve avtomobil'nykh dorog [Application of the oil soil in
road construction]. Moscow: Transport Publ., 1975. 72 p.
3. Rudenskaya I.M., Rudenskii A.V. Organiches-kie vyazhushchie dlya dorozhnogo stroitel'stva [Organic binders for road construction]. Moscow: Transport Publ., 1994. 255 p.
4. Nefteshlamy - obshchee opisanie problemy [Oil sludge General description of the problem]. Available at::http://www.mpoltd.ru/poleznoe/282-nefteshlamy-obshchee.html (accessed 22 August 2018).
5. Tursumuratov M. T., Bekbulatov Sh. Kh. The use of sludge in road construction Ispol'zovani-eshlamov v dorozhnomstroitel'stve. Vestnik NIA
RK [Bulletin of the NIA RK]. 2010, no. 1, pp. 108-115.
6. A.s. № 1470829 Kompozitsiya dlya ustroistva dorozhnykh osnovanii. E 01 S 7/36, E 02 O 3/12.
7. Kolbas N.S., Baranov A.I., Rusinova T.S., Kovaleva M.A. A.s. № 607870. Gruntobeton-nayasmes'.E 01 S 7/36 S 08 '' 95/00.
8. Baranov D.S. Processing of oil slurries of bitu-minized Sands. Avtomobil'nye dorogi [Automobile roads].1992,no. 5-6, pp. 18-19.
9. Yushkov B.S., Minzurenko A.A. The Ministry of Oil and gas industry on the use of waste in the construction of the oil and gas industry. Zashchita okruzhay ushche i sredy v neftegazovom kom-
plekse [Environment protection in the oil and gas complex]. 2010, no. 6, pp. 41-45.
10. Shaburov S.S., Ulasovich R.P. Organo-mineral mixtures in basements and road covers in severe climate conditions. Izvestiya vuzov. Inves-titsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate]. 2015, no. 2 (13), pp. 112-118.
11. Burmistrov D.V., Skrypnikov A.V., Kozlov V.G., Kondrashova E.V., Logachev V.N. Possibility to use petroleum polymer binders in the structural layers of road pavement roads. Sistemy. Me-tody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technologies]. 2016, no. 3 (31), pp. 147-154.
Критерии авторства
Лофлер М., Шелегов В.Г., Слободчикова Н.А. имеют равные авторские права. Шелегов В.Г., Слободчикова Н.А. несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution
Lofler M, Shelegov V.G., Slobodchikova N.A. have equal author's rights. Shelegov V.G., Slobodchikova N.A. bear the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
