ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕМОНТЕ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ И ОСНОВАНИЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

DOI 10.52170/1815-9265_2021_57_42 УДК 625.7

А. Т. Пименов, В. С. Прибылов

Обоснование возможности применения отходов металлургических производств при строительстве и ремонте дорожных покрытий

и оснований

Поступила 26.10.2020

Рецензирование 11.12.2020 Принята к печати 09.04.2021

Статья посвящена результатам исследований и анализу физико-механических свойств запроектированных на основе отходов металлургического производства шлакоасфальтобетонных смесей. Целью работы является обоснование возможности применения металлургических шлаков Новокузнецкого металлургического комбината (Кемеровская область) в качестве заполнителя минерального остова асфальтобетона дорожных покрытий с целью повышения его эксплуатационной надежности. Металлургические шлаки представляют собой сравнительно дешевое вторичное сырье для приготовления строительных растворов и смесей различного функционального назначения. Проведенные исследования определили возможности их применения в качестве структурообразующего материала, в том числе в составе асфальтобетонных смесей для дорожного строительства. Полученные на базе ФГБОУ ВО «НГАСУ» (Сибстрин) результаты позволили подобрать оптимальные составы таких шлакоасфальтобетонных смесей, соответствующих установленным в ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерас-фальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия» и ОДМ 218.3.087-2017 «Рекомендации по применению асфальтобетонных смесей на основе металлургических шлаковых материалов для условий Центрального федерального округа» требованиям.

Рассматриваемый вопрос является актуальным с точки зрения поиска более эффективных строительных материалов (снижение себестоимости приготовления до 10-25 %) в условиях развития ресурсосберегающих технологий и повышения требований к экологической обстановке регионов РФ. Следует отметить, что в сфере дорожного хозяйства на фоне реализации национального проекта «Безопасные и качественные автомобильные дороги», оптимизации рынка дорожно-строительной продукции и поиска новых и наилучших технологий металлургический шлак может стать альтернативой природным материалам при строительстве и ремонте дорожных покрытий и оснований городских улиц и дорог различных технических категорий.

Ключевые слова: ресурсосберегающие технологии, отходы металлургических производств, металлургические шлаки, асфальтобетонные смеси.

Известно, что от качества покрытия автомобильной дороги напрямую зависят ее потребительские качества. Среди них следует выделить безопасность движения транспортного потока, определяемую степенью соответствия транс-портно-эксплуатационных параметров и характеристик верхних слоев дорожной конструкции требованиям нормативно-технических документов. С 2017 г. с целью приведения транс-портно-эксплуатационного состояния дорожной сети городских агломераций и сети дорог регионального значения в соответствие с нормативными требованиями (не менее 85 и 50 % от общей протяженности), а также во исполнение Указа Президента Российской Федерации от 7 мая 2018 г. № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» на территории субъектов Российской Федерации был развернут национальный проект «Безопасные и качественные автомобильные дороги» (БКАД).

Следует отметить, что развитие транспортной инфраструктуры требует оптимизации существующих технологий строительства. В связи с этим важную роль приобретают дорожно-строительные материалы, которые в процессе их производства, эксплуатации и последующей регенерации позволят продлить жизненный цикл и связанные с ним межремонтные сроки конструкций дорожных одежд за счет минимизации появления дефектов от разрушений под нагрузкой, вымывания, пластических деформаций и др., т. е. увеличить уже упомянутые выше потребительские качества автомобильной дороги.

На основании вышесказанного к концу 2024 г. предлагается внедрение в дорожную деятельность в рамках нацпроекта БКАД так называемых новых и наилучших технологий, материалов и технологических решений повторного применения, позволяющих увеличить не только качество и темпы самих строительно-

монтажных работ, но и получить надежный, конкурентоспособный и долговечный продукт в виде законченного ремонтом или строительством участка автомобильной дороги.

В сфере дорожного хозяйства наиболее перспективным объектом исследования материалов для повторного применения могут стать отходы металлургических производств. Металлургические шлаки представляют собой сравнительно дешевое вторичное сырье для приготовления строительных растворов и смесей различного функционального назначения. Проведенные ранее исследования [1-9] определили возможности их применения в качестве структурообразующего материала как заполнителя минерального остова асфальтобетонных смесей для целей дорожного строительства. На базе лаборатории кафедры строительных материалов, стандартизации и сертификации ФГБОУ ВО «НГАСУ» (Сибстрин) была проведена серия экспериментов по изучению состава, структуры и свойств шлаков Новокузнецкого металлургического комбината (Кемеровская область).

Результаты лабораторных исследований металлургических шлаков позволили подобрать оптимальные составы плотной и пористой шлакоасфальтобетонных смесей, соответствующих установленным ГОСТ 9128-2013 [10] и ОДМ 218.3.087-2017 [11] требованиям (табл. 1, 2).

Подбор составов осуществлялся с учетом обеспечения максимальной плотности и минимальной пористости минеральной части шлако-асфальтобетонных смесей по предельным кри-

вым. Применяемый отвальный шлак не подвергался предварительной переработке за исключением его фракционной сегрегации. Анализ полученного зернового состава (табл. 3, 4) свидетельствует о соответствии запроектированных смесей требованиям технических условий [10, 11]. Рассматриваемые металлургические шлаки не подвержены распаду, а с точки зрения воздействия на окружающую природную среду относятся к четвертому классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76 [12].

Анализ физико-механических свойств и характеристик плотной и пористой асфальтобетонных смесей на шлаковых заполнителях (рис. 1, табл. 5, 6), учитывающих реальные условия эксплуатации исследуемого материала (сдвигоустойчивость, трещиностойкость, водо- и теплостойкость [13, 14]), указывает на их соответствие требуемым значениям по ГОСТ 9128-2013 и ОДМ 218.3.087-2017, несмотря на несколько более высокую исходную битумоемкость заполнителя.

Установленная в результате экспериментов длительная водостойкость образцов (свыше 1,0), превышающая установленные требования по ГОСТ 9128-2013 и ОДМ 218.3.087-2017, предопределена способностью металлургического шлака к кристаллизации уже как гидравлического вяжущего. Образуется так называемая коагуляционно-кристаллизационная микроструктура, которая способствует появлению у будущего асфальтобетонного покрытия/основания свойств повышенной прочности [14], что особенно важно при его эксплуатации в сложных природных условиях.

Таблица 1

Материалы для приготовления плотной асфальтобетонной смеси на шлаковых заполнителях

Материал Содержание в смеси, % (битум сверх 100 %) Содержание в смеси, % (битум в 100 %)

Шлак мартеновский смеси фракций 5-20 мм 42,00 39,05

Шлак конвертерный фракции 0-5 мм 45,00 42,86

Шлак печь-ковш 13,00 12,38

Битум нефтяной дорожный вязкий 6,00 5,71

Материал Содержание в смеси, % (битум сверх 100 %) Содержание в смеси, % (битум в 100 %)

Шлак мартеновский фракции 20-40 мм 15,00 14,35

Шлак мартеновский смеси фракций 5-20 мм 30,00 28,71

Шлак конвертерный фракции 0-5 мм 50,00 47,85

Шлак печь-ковш 5,00 4,78

Битум нефтяной дорожный вязкий 4,50 4,31

Таблица 2

Материалы для приготовления пористой асфальтобетонной смеси на шлаковых заполнителях

Рис. 1. Определение показателей физико-механических свойств шлакоасфальтобетона

Таблица 3

Зерновой состав минеральной части запроектированной шлакоасфальтобетонной смеси, соответствующей мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси, тип Б (по ГОСТ 9128-2013)

Материал Содержание зерен мельче данного размера, мм, остатки на ситах, % по массе

20 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071 Менее 0,071

Шлак мартеновский смеси фракций 5-20 мм 35,38 15,33 8,65 - - - - - - -

Шлак конвертерный фракции 0-5 мм 45,00 42,41 37,90 29,06 23,01 14,84 8,66 1,51 - -

Шлак печь-ковш 13,00 13,00 13,00 13,00 13,00 13,00 10,43 9,10 6,38 -

Битум нефтяной дорожный вязкий - - - - - - - - - -

Минеральная часть запроектированной смеси 93,38 70,74 59,55 42,06 36,01 27,84 19,08 10,61 6,38 -

Минеральная часть мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси, тип Б, для верхних слоев покрытий (табл. 3 [10]) 90-100 70-100 50-60 38-48 28-37 20-28 14-22 10-16 6-12 -

Таблица 4

Зерновой состав минеральной части запроектированной шлакоасфальтобетонной смеси, соответствующей крупнозернистой пористой асфальтобетонной смеси по ГОСТ 9128-2013

Материал Содержание зерен мельче данного размера, мм, остатки на ситах, % по массе

40 20 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071 Менее 0,071

Шлак мартеновский фракции 20-40 мм 13,65 - - - - - - - - -

Шлак мартеновский смеси фракции 5-20 мм 30,00 24,76 - - - - - - - - -

Шлак конвертерный фракции 0-5 мм 50,00 50,00 47,12 42,11 32,29 25,57 16,49 9,62 1,68 - -

Шлак печь -ковш 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 4,01 3,75 2,45 -

Битум нефтяной дорожный вязкий - - - - - - - - - - -

Минеральная часть запроектированной смеси 98,65 79,76 52,12 47,11 37,29 30,57 21,49 13,63 5,43 2,45 -

Минеральная часть пористой крупнозернистой смеси (табл. 2 [10]) 90-100 75-100 52-88 40-60 28-60 16-60 10-60 8-37 5-20 2-8 -

Таблица 5

Результаты определения показателей физико-механических свойств запроектированной плотной

шлакоасфальтобетонной смеси

Показатель Запроектированная плотная шла-коасфальтобе-тонная смесь Мелкозернистая плотная асфальтобетонная смесь, тип Б, марка II по ГОСТ 9128-2013 (для II-III ДКЗ) Шлаковая асфальтобетонная смесь по ОДМ 218.3.087-2017

Средняя плотность, г/см3 2,37 Не нормируется Не нормируется

Водонасыщение 1,7 1,5 8-10

Предел прочности при сжатии при температуре 50 °С, МПа 2,6 Не менее 2,0 Не менее 1,0

Предел прочности при сжатии при температуре 20 °С, МПа 4,4 Не менее 2,2 Не менее 2,2

Предел прочности при сжатии при температуре 0 °С, МПа 7,0 Не более 12,0 Не более 12,0

Водостойкость 0,87 Не менее 0,85 Не менее 0,85

Сдвигоустойчивость: по коэффициенту внутреннего трения 0,88 Не менее 0,81 Не менее 0,81

сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С, МПа 0,66 Не менее 0,35 Не менее 0,35

Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С и скорости деформирования 50 мм/мин, МПа 2,8-3,0 3,0-6,5 2,5-6,0

Рис. 2. Сравнение сметной стоимости приготовления асфальтобетонных смесей*

Таблица 6

Результаты определения показателей физико-механических свойств пористой шлакоасфальтобетонной смеси

Показатель Запроектированная пористая шлакоасфальто-бетонная смесь Крупнозернистая пористая асфальтобетонная смесь марка II по ГОСТ 9128-2013 Шлаковая асфальтобетонная смесь по ОДМ 218.3.0872017

Средняя плотность, г/см3 2,43 Не нормируется Не нормируется

Водонасыщение,% 12,8 4-10 14-18

Водостойкость 0,95 Не менее 0,6 Не менее 0,7

Предел прочности при сжатии при температуре 50 °С, МПа 1,67 Не менее 0,5 Не менее 0,5

Исследования Харьковского автомобильно-дорожного института (ХАДИ) показали [14, 15], что формирование асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов продолжается длительное время и полученное дорожное покрытие соответствует плотности образцов, уплотненных в лабораторных условиях нагрузкой 30 МПа. В процессе эксплуатации покрытий происходит перераспределение пористости - уменьшается объем пор большого диаметра [15]. Такое перераспреде-

* При расчете сметной стоимости приготовле-

ния шлакоасфальтобетонной смеси был принят прейскурант цен (по состоянию на 2019 г.) на переработанный сталеплавильный шлак ООО «Технологии рециклинга» (г. Новокузнецк). При самостоятельной переработке отвального шлака стоимость такой смеси может отличаться в меньшую сторону. Расстояние доставки исходных компо-

ление пористости оказывает положительное влияние на повышение морозостойкости шла-коасфальтобетона [15]. Также следует отметить, что опыт ХАДИ оправдывает используемую в SuperPave** теорию достижения асфальтобетоном в процессе его эксплуатации под нагрузкой «целевой» величины остаточной пористости без существенных пластических деформаций, которые, в свою очередь, не оказывают влияния на безопасность дорожного движения. В настоящее время, используя указан-

нентов смеси на строительную площадку к асфальтобетонному заводу при расчетах не превышало 100 км.

** SuperPave (от англ. Superior Perfoming Asphalt Pavements) - разработанная в США система объемно-функционального проектирования асфальтобетонных смесей для дорожных покрытий с повышенными эксплуатационными характеристиками.

ную выше методологию объемно-функционального проектирования, в ФГБОУ ВО «НГАСУ» (Сибстрин) продолжается работа по подбору составов асфальтобетонных смесей на сталеплавильных шлаках и проведению имитационных испытаний уже с учетом эксплуатационных особенностей работы асфальтобетона в дорожном покрытии.

Целесообразность применения металлургических шлаков в составе асфальтобетонных смесей также обуславливается их экономической эффективностью (рис. 2), что в рамках реализации в РФ национальных проектов по ресурсо- и энергосбережению [16] сможет привлечь к такому вторичному сырью дополнительный интерес со стороны подрядных строительных организаций, осуществляющих дорожно-строительные работы вдали (свыше 100 км) от природных карьеров.

Таким образом, металлургический шлак может стать эффективной заменой природным строительным материалам при приготовлении шлакоасфальтобетонных смесей для городских улиц и дорог различных категорий. Однако для внедрения вторичного сырья в производство строительных материалов, в частности приготовление асфальтобетонных смесей для дорожно-строительной отрасли, требуется проведение серьезной методологической работы с металлургическими предприятиями РФ и дальнейшее практическое развитие имеющейся у дорожников нормативно-технической документации. Результаты проведенных в ФГБОУ ВО «НГАСУ» (Сибстрин) исследований смогут стать основой для разработки практических рекомендаций по применению асфальтобетонных смесей на основе металлургических шлаковых материалов для условий Сибирского и Дальневосточного федеральных округов.

Библиографический список

1. Марьев В. А., Руденский А. В. Использование вторичных материальных ресурсов при строительстве и ремонте автомобильных дорог - важный резерв ресурсосбережения // Дороги и мосты. 2017. № 37/1. С. 11-24.

2. Гриневич Н. А. Металлургические шлаки в дорожном строительстве. Управление инновациями в дорожном хозяйстве // Сборник научных трудов ГИПРОДОРНИИ. 2014. № 5 (64). C. 124-129.

3. Юшков В. С., Пугин К. Г. Разработка асфальтобетонной смеси с использованием отходов производства // Вестник МГСУ. 2014. № 6. С. 99-104.

4. Пугин К. Г. Использование отходов металлургии в асфальтобетонах // Строительные материалы. 2011. № 10. С. 26-27.

5. Расстегаева Г. А. Асфальтобетон с применением отходов шлаковатного и литейного производства // Строительные материалы. 1993. № 1. С. 11-12.

6. Самодуров С. И. О долговечности шлаковых асфальтобетонных покрытий. Ростов н/Д, 1980. C. 21-31.

7. Артемова А. В. Активированный минеральный порошок на основе металлургических шлаков и его роль в асфальтобетоне // Леса России и хозяйство в них. 2009. C. 85-91.

8. Василовская Г. В., Назиров Д. Р. Применение отходов промышленности в качестве минерального порошка в асфальтобетоне // Вестник ИрГТУ. 2013. № 10 (81). C. 153-157.

9. Копылов В. Е., Буренина О. Н. Минеральное сырье Республики Саха (Якутия) для производства асфальтобетонов // Науковедение. 2016. Т. 8, № 1. С. 177-181. URL: https://doi.org/doi.org/ 10.15862/47TVN116 (дата обращения: 23.10.2020).

10. ГОСТ 9128-2013. Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полиме-расфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия. Введ. 2014-11-01 // Техэксперт : сайт. URL: http://gostexpert.ru/gost/gost-9128-2013 (дата обращения: 23.10.2020).

11. ОДМ 218.3.087-2017. Рекомендации по применению асфальтобетонных смесей на основе металлургических шлаковых материалов для условий Центрального федерального округа : утв. и введ. в действие распоряжением Федерального дорожного агентства от 20 апреля 2017 г. № 744-р // Гарант: информ.-правовое обеспечение : сайт. URL: http://base.garant.ru/71662856/ (дата обращения: 23.10.2020).

12. ГОСТ 12.1.007-76. Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности (с изм. № 1, 2). Введ.1977-01-01 // Техэксперт : сайт. URL: http://gostexpert.rU/gost/gost-12.1.007-76 (дата обращения: 23.10.2020).

13. Пименов А. Т., Прибылов В. С. Влияние сталеплавильных шлаков в составе асфальтобетона дорожных покрытий на их свойства в процессе эксплуатации // Ресурсосбережение и экология строительных материалов, изделий и конструкций. 2018. C. 306-309.

14. Пименов А. Т., Прибылов В. С. Применение шлаковых заполнителей в составе асфальтобетона для повышения долговечности дорожных покрытий // Вестник СибАДИ. 2019. № 16 (6). С. 766-779. URL: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2019-6-766-779 (дата обращения: 23.10.2020).

15. Дорожные одежды с использованием шлаков / А. Я. Тулаев, М. В. Королев, В. С. Исаев, В. М. Юмашев ; под ред. А. Я. Тулаева. М. : Транспорт, 1986. 221 с.

16. Распоряжение Правительства РФ от 10.05.2016 № 868-р (ред. от 23.11.2016) «О Стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года» // Правительство России : офиц. сайт. URL: http://government.ru/docs/22980/ (дата обращения: 20.10.2020).

A. T. Pimenov, V. S. Pribylov

Substantiation of Possible Using Metallurgical Production Waste in the Road Surface

and Base Construction and Repair

Abstract. The article is devoted to the research and analysis results of the physical and mechanical properties of slag-asphalt concrete mixtures designed on the metallurgical production waste basis. The purpose of the study is to substantiate the possible using metallurgical slags of the Novokuznetsk metallurgical plant (Novokuznetsk, Kemerovo region) as a filler for the mineral skeleton of asphalt concrete road surfaces in order to increase its operational reliability. Metallurgical slags are relatively cheap secondary raw materials for the preparation of mortars and mixtures for various functional purposes. The conducted research has determined the possibilities of their application as a structure-forming material, including in the composition of asphalt concrete mixes for road construction. Obtained on the basis of NSUACE (Sibstrin) the results of the studies allowed selecting the optimal compositions of such slag-asphalt-concrete mixtures, compliant with the GOST 9128-2013 "Asphaltic concrete and polimer asphaltic concrete mixtures, asphaltic concrete and polimer asphaltic concrete for roads and aerodromes. Specifications" and ODM 218.3.087-2017 "Recommendations for the use of asphalt concrete mixtures based on metallurgical slag materials for the conditions of the Central Federal district" requirements.

This issue is relevant from the point of view of finding more efficient construction materials (reducing the cost of preparation to 10-25 %) in the context of the development of resource-saving technologies and increasing requirements for the environmental situation in the regions of the Russian Federation. It should be noted that against the implementation of the national project "Safe and high-quality roads" in the road sector, optimization of the market for road construction products and search for new and best technologies, metallurgical slag can become an alternative to natural materials in road surfaces and foundations of city streets and roads of various technical categories construction and repair.

Key words: resource-saving technologies; waste of metallurgical production; metallurgical slag; asphalt-concrete mixtures.

Пименов Александр Трофимович - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные материалы, стандартизация и сертификация» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин). E-mail: pimenov.alecsandr@yandex.ru

Прибылов Вячеслав Сергеевич - аспирант кафедры «Строительные материалы, стандартизация и сертификация» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин). E-mail: pribylov_ws@mail.ru