CC BY
69
УДК 625.8
П.Ю. Дьяконов
ФГБОУВПО «МГСУ»
УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
В настоящее время в РФ скопилось большое количество золы и шлаков, утилизация которых наиболее перспективна в дорожном строительстве, так как позволяет захоронить их максимальное количество. Физико-механические свойства этих материалов зависят от множества факторов и нуждаются в тщательном определении. При обработке золошлако-вых материалов методом интенсивного динамического уплотнения получены результаты, соответствующие требованиям, предъявляемым нормативными документами к насыпи автодорог
Ключевые слова: золошлаковые смеси, интенсивное динамическое уплотнение, затор-фованный грунт, физико-механические свойства, отходы теплоэнергетики.
В ХХ в. потребление минерального сырья в мире на душу населения значительно увеличилось. Если народонаселение с 1900 по 1999 г. увеличилось примерно в 4 раза, то годовая добыча вещества литосферы выросла более чем в 14,6 раза. При производстве полезной для человека продукции образуются отходы переработки и значительный объем сопутствующих пород. Совокупные мировые объемы добычи полезных ископаемых оцениваются в 280 млрд т в год, при этом общий объем отходов составляет 644,94 млрд т. В накоплении отходов значителен вклад энергетики, работающей на твердом топливе. Так, при общей мировой добыче угля 30 млрд т в год образуется отходов 100,5 млрд т, из которых 10,5 млрд т составляют золы и зо-лошлаковые материалы [1].
Для отечественной теплоэнергетики характерно накопление значительных объемов золошлаковых смесей (ЗШС) в советский период, при малых объемах их утилизации. (В дальнейшем будем использовать термин и аббревиатуру ЗШС, так как в строительстве используется материал, состоящий из смеси золы и шлака.)
Так, с 1965 по 1975 г., в стабильный период развития мировой экономики, в СССР количество получаемых ЗШС в энергетике выросло с 40 до 70 млн т в год. Такая интенсивность накопления ЗШС сохранялась и в дальнейшем, а утилизировалось всего около 3 % ЗШС. В ведущих странах Западной Европы эти цифры были: для Англии 9 и 20 млн т в год, для Франции 4 и 5 млн т в год, а утилизировалось соответственно 40 и 50 % ЗШС. В США, обладающих большими территориями, в названные годы было получено 20 и 40 млн т ЗШС, а утилизировано всего 6 % [2].
Из приведенных данных видно, что причиной накопления больших запасов ЗШС в нашей стране стало широкое использование твердого топлива в электроэнергетике, при низком уровне утилизации продуктов их сжигания. Имея возможность складирования ЗШС, отечественная энергетика, как и энергетика США, делегировала задачу широкого использования отходов будущим поколениям. На описываемый период времени в мировом хозяйстве 39 % ЗШС использовалось в производстве цемента и бетона, 15 % — газобетона и легких наполнителей, 41 % — при строительстве дорог. Производство строительных материалов, а также использование в цементе и бетоне, требуют от ЗШС наличия вяжущих свойств.
По классификации Урал ВТИ золошлаковые материалы твердых топлив тепловых электростанций в зависимости от общего содержания кальция (СаО) подразделяют на три группы. Самоотвердевающий материал (СаО > 20.. .60 %) используется для
© Дьяконов П.Ю., 2012
175
вестник 812012
дамб золоотвалов, как местное вяжущее и добавки в изделия на его основе, автоклавного твердения. Материал, требующий интенсификации твердения (СаО = 5...20 %), используется для производства изделий, твердеющих при тепловой обработке с активаторами. Инертный материал (СаО < 0,5.5 %) применяется в дорожном строительстве, производстве кирпича, зольного гравия [2].
Эта классификация, как и предложенная Г.Н. Сиверцевым [3], основана на минералогическом составе вмещающих пород и определяет степень химической инертности ЗШС. А для использования золошлаковых материалов в строительстве (в частности, дорожном) в качестве искусственных грунтов, необходимо знать их физико-механические свойства.
Интересно, что в [4] приводится ряд работ, описывающих использование ЗШС в дорожном строительстве для укрепления грунтов насыпи, т.е. опять же в качестве вяжущего. Несмотря на кажущуюся перспективность применения больших объемов ЗШС для возведения насыпи автодорог, строители относятся к этому материалу настороженно, стараясь его не использовать, и этому есть объяснение.
ЗШС представляют собой смесь двух материалов: золы и шлака. Зола — продукт сжигания топлива, который выносится дымовыми газами из топки котла и улавливается золоуловителями. Шлак — материал, который скапливается по мере сгорания топлива в шлакосборниках. Золой считается материал, крупность частиц которого не более 0,25 мм; шлаком — материал крупностью частиц больше 0,25 мм.
Удаление и складирование золошлаковых материалов может быть гидравлическим (мокрым) или пневматическим (сухим). Удаление золошлаковых материалов из топок обычно производится гидравлическим способом раздельно или совместно. При раздельном удалении шлак и зола транспортируются по отдельным пульповодам и складируются в отвал раздельно, образуя зоны шлаковых и зольных отложений. При совместном удалении за счет сегрегации в золоотвалах образуются три зоны: шлаковые отложения (содержащие 80.90 % шлака); золошлаковые (40.60 % шлака) и зольные отложения.
Зола состоит в основном из частиц размером 0,01.0,1 мм. Максимальная фракция 1...2 мм, средняя крупность 0,03.0,07 мм при коэффициенте разнозернистости П = 3.6. Шлак представлен в основном фракциями 0,1.20 мм, максимальный размер частиц 40.60 мм, минимальный 0,04 мм. Коэффициент разнозернистости зависит от того, подвергался ли материал дроблению или нет, и изменяется в широких пределах п = 3.100.
Золошлаковый материал состоит из частиц, имеющих замкнутые поры, поэтому плотность слагающего его вещества больше плотности частиц. Для золы это превышение незначительное 4.5 %, для шлака от 2 до 35 %, среднее ~ 15 %.
В зависимости от способа удаления из котлоагрегата шлак может быть жидким и твердым. Первый имеет предел прочности на сжатие, полученный при испытаниях кубика с ребром 2 см, К = 200 МПа, второй К = 0,5.1,5 МПа, в зависимости от ис-
^ г г ? сж ' г сж ' '
ходного угля.
При статических нагрузках шлак дробится. Для жидкого шлака предельная нагрузка дробления составляет 2.5 МПа, для твердого — 0,02.0,08 МПа. Частицы золы и жидкого шлака морозостойки, а твердого шлака — не морозостойки [4].
Однако как отмечается в [2], эти особенности ЗШС не являются ограничением для устройства различных сооружений на основаниях из золошлаковых материалов. Можно использовать ЗШС и для возведения грунтовых сооружений.
В строительстве используются ЗШС, разрабатываемые на золо- и шлакоотвалах предприятий, сжигающих твердое топливо. Разработка этих отвалов производится таким образом, что на строительную площадку, как правило, попадают грунтовые материалы, фракционный состав и механические свойства которых различны. По
сути это смеси разных по фракционному составу золошлаков. Эти смеси нуждаются в тщательных исследованиях физико-механических свойств перед их использованием в качестве грунтовых материалов, применяемых для возведения грунтовых сооружений.
В 1989 г. на подходе к мосту через р. Москва на скоростной автомагистрали Ховрино-Борисово был уплотнен небольшой участок (около 100 м длиной) насыпи автодороги, сложенной ЗШС. Этот объект расположен на территории Люблинских полей фильтрации (ЛПФ). Трасса автодороги проходила по иловым картам. Ввиду отсутствия песчаного грунта, который обычно использовался для засыпки иловых карт ЛПФ, после частичной выемки осадка насыпь автодороги была отсыпана золой и шлаком ТЭЦ завода ЗИЛ.
Засыпка производилась в зимнее время со льда широким фронтом (до 50 м) слоем небольшой толщины (до 1,0 м). В результате не удалось выдавить иловый осадок, который оказался погребенным под слоем ЗШС мощностью 3,2...6,7 м. Мощность погребенного илового осадка составила 0,5.2,3 м.
В общем по ЛПФ естественное основание иловых карт сложено суглинком мощностью около 1 м с расчетным сопротивлением Я = 1.1,5 кг/см2, а ниже мелким и средним песком с расчетным сопротивлением Я = 1,5 кг/см2. Подстилающие грунты — гравийно-галечниковые отложения мощностью до 8 м [5].
По данным динамического зондирования, верхний полутораметровый слой ЗШС насыпи автодороги, уплотненный проходящими механизмами и 10-тонным виброкатком Р8Б-25РБ шведской фирмы Буиарас, имел плотность р^ = 1,50.1,55 г/см3 и коэффициент уплотнения Ксот= 0,90...0,93. Ниже лежал слой плотностью р^ = 1,41.1,46 г/см3, с коэффициентом уплотнения Ксош = 0,84.0,87. Затем следовал «провал», т.е. при зондировании штанга проваливалась под собственным весом. Мощность этого «слабого слоя» составляла 2,2 м. На глубине 4,5 м залегал слой ЗШС мощностью 2,2 м, плотностью р^ = 1,43.1,49 г/см3, подстилаемый более плотными суглинками р^ = 1,59 г/см3, а ниже песками средней плотности с расчетным сопротивлением 1,5 кг/см2. Поэтому было необходимо выяснить возможности:
уплотнения ЗШС насыпи и придания ЗШС требуемых проектом прочностных и деформационных свойств;
вытеснения осадка из-под возведенной насыпи.
Были определены физико-механические свойства слагающих насыпь ЗШС. Среднее содержание частиц мельче 0,25 мм на пикетах 72—76 составило 71.77 %, на пикетах 77—78 — 50 %. Удалось выделить 4 различающиеся по гранулометрическому составу смеси. Их физические свойства приведены в табл. 1.
Табл. 1. Физические свойства золошлаковой смеси
№ смеси Количество частиц мельче 0,25 мм, % Плотность частиц, г/см3 Максимальная плотность скелета, г/см3 Оптимальная влажность, %
1 Менее 50 2,39 1,67 11,0
2 50.65 2,40 1,52 14,3
3 65.80 2,29 1,37 25,8
4 Более 80 2,34 1,05 40,7
Компрессионные испытания монолитов ЗШС, отобранных на разных глубинах и проведенных в диапазоне нагрузок 0.1 МПа, дали результаты, приведенные в табл. 2.
ВЕСТНИК
8/2012
Табл. 2. Результаты компрессионных испытаний ЗШС
№ п/п Глубина отбора монолита, м Коэффициент пористости Плотность скелета г/см3 Влажность, % Модуль осадки, мм/м Модуль деформации, МПа
1 1,4 0,431 1,37 20,0 22,0 7,2
2 3,0 0,431 1,23 30,0 61,2 7,8
3 1,0.1,5 0,567 1,53 15,0 20,0 10,7
4 4,0 0,562 1,52 18,0 35,0 5,6
5 1,5 0,647 1,39 21,0 25,6 9,7
6 3,5 0,647 1,37 21,0 55,0 6,0
Результаты испытаний монолитов на сопротивляемость сдвигу (в диапазоне нагрузок 0,1.0,3 МПа) приведены в табл. 3.
Табл. 3. Сопротивляемость ЗШС сдвигу
№ п/п Влажность, % Сцепление, МПа Угол внутреннего трения, град
1 48.53 0,055 25
2 47..51 0,015 32
3 40.42 0,010 33
4 46.50 0 31,5
5 48 0,01.0,02 31
6 19,5 0 28
7 20 0 26,5
Результаты лабораторных испытаний модельных золошлаковых смесей на сдвиг при оптимальной влажности, проведенные для прогноза ожидаемых, после уплотнения методом интенсивного динамического уплотнения (ИДУ) свойств ЗШС приведены в табл. 4. Испытания проведены в диапазоне нагрузок 0,1.0,3 МПа.
Табл. 4. Сопротивляемость ЗШС сдвигу
№ смеси Количество частиц мельче 0,25 мм, % Влажность, % Угол внутреннего трения, град. Сцепление, МПа
При испытаниях Оптимальная
1 Менее 50 11,0 11,0 31,0 0,016.0,028
2 50.60 15.20 14,3 30,0 0,014.0,022
3 65.80 22.25 25,8 29,0..31,5 0,009.0,015
По приведенным в табл. 1—4 данным в МАДИ были выполнены расчеты, которые показали [5], что:
расчетная осадка насыпи мощностью 4 м без учета осадки заторфованной прослойки грунта составит 0,53 м;
осадка заторфованной прослойки мощностью 1,5 м с учетом смешения ЗШС с торфом в пропорции 1 к 4 составит — 0,76 м. Однако такого смешения без дополнительного воздействия (например, экскавации) не происходит, и тогда осадка слоя 1,5 м составит — более 1,2 м;
общая максимальная осадка насыпи может превысить 1,73 м.
Нетрудно заметить, что физико-механические свойства ЗШС, приведенные в указанных табл., не коррелируются в характерные для грунтовых материалов зависимости. Требуются дополнительные исследования прочности и деформируемости ЗШС в зависимости от гранулометрического состава, влажности и других характеристик. Именно это обстоятельство сдерживает использование зол и шлаков в качестве земляного полотна автодорог.
Для уплотнения насыпи автодороги и вытеснения из-под нее илового осадка был применен метод ИДУ.
После ИДУ насыпи, выполненного на опытной площадке размером 24*24 м, рядами, параллельными оси автодороги по сетке 4*4 м, как описано в [1], осадок из-под насыпи был отжат в стороны. На глубину до 4-х м плотность ЗШС составила р^ = 1,51.1,53 г/см3, а коэффициент уплотнения Ксош = 0,9.0,92. Ниже до глубины 6,5 м плотность была р^ = 1,47.1,49 г/см3, при коэффициенте уплотнения К = 0,88.0,89.
сош
Предполагалось выполнить три производственных этапа уплотнения. Однако, видя позитивные результаты опытного уплотнения насыпи, и проектная, и строительная организации обратились с просьбой ограничиться двумя производственными этапами. Результаты оказались следующими: на глубине до 4,5 м удалось добиться плотности р^ =1,53.1,59 г/см3, коэффициент уплотнения Ксош = 0,90.0,93, преобладающий коэффициент уплотнения Ксош = 0,93. Ниже, до глубины 6,5 м, залегал слой грунта плотностью р^ = 1,48.1,52 г/см3 с коэффициентом уплотнения Ксош = 0,88.0,91. Это удовлетворяло требованиям проекта, разработанного институтом Мосинжпроект, в соответствии со СНиП 2.05.02—85 «Автомобильные дороги».
Работы, проведенные на подходе к мостовому переходу, показали:
техническую возможность уплотнения отсыпанных в воду золошлаковых смесей (ЗШС) и отжима заторфованного осадка из-под насыпи автодороги в ее боковые зоны методом ИДУ;
необходимость проведения дополнительных (по сравнению с рекомендованными СНиП 1.02.07—87 «Инженерные изыскания для строительства») исследований физико-механических характеристик ЗШС для определения прочности и деформируемости насыпи земляного полотна автодороги, отсыпаемой золошлако-выми материалами.
Библиографический список
1. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П. Минерально-сырьевой комплекс и естественная биота Земли // Геоэкология. 2002. № 6. С. 483—489.
2. МатюшА.Н., Хусенский И.К. Использование летучей золы в ГДР и ФРГ // Энергохозяйство за рубежом. 1973. № 4. С. 8—9.
3. Сиверцев Г.Н. Классификация и характеристики шлаков как строительного сырья : науч. сообщение. М. : ЦНИПС, 1955. Вып. 18. 20 с.
4. Золошлаковые материалы и золоотвалы / под ред. В.А. Мелентьева. М. : Энергия, 1978. 295 с.
5. Дьяконов П.Ю., Потапов А.Д., Болтунов В.А. Применение тяжелых трамбовок при возведении насыпей в транспортном строительстве // Вестник МГСУ 2009. № 1. С. 97—99.
Поступила в редакцию в июне 2012 г.
Об авторе: Дьяконов Петр Юрьевич — кандидат технических наук, научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, (8499) 188-15-87, geolog305@yandex.ru.
Для цитирования: Дьяконов П.Ю. Утилизация отходов теплоэнергетики в дорожном строительстве // Вестник МГСУ 2012. № 8. С. 175—180.
ВЕСТНИК 8/2012
P.Yu. D'yakonov
USING WASTE PRODUCTS OF HEAT-AND-POWER ENGINEERING IN ROAD BUILDING
A substantial amount of waste products of heat-and-power engineering has been accumulated in Russian Federation up to the present time. The waste products include ash and other waste materials. Their utilization is of particular significance in road building because this sector demonstrates a high consumption rate of thermal engineering waste.
Physical and mechanical properties of the materials in question are different from the natural properties of the soil, and they are determined by a variety of factors. Civil engineers tend not to apply any waste products of heat-and-power engineering in soil building. The reason for that is that the properties of these materials have not been examined thoroughly enough. The findings of the examination of the properties of ash and waste products performed using the method of intensive dynamic compacting satisfy the set of requirements developed by the road building authorities with reference to the characteristics of the road embankment.
Key words: ash and waste mix, intensive dynamic compacting, peated soil, physical and mechanical properties, heat-and-power engineering waste products.
References
1. Trubetskoy K.N., Galchenko Yu.P. Mineral'no-syr'evoy kompleks i estestvennaya biota Zemli [Sector of Mineral Raw Materials and Natural Biota of the Earth]. Geoekologiya [Geoecology]. 2002, no. 6, pp. 483—489.
2. Matyush A.N., Khusenskiy I.K. Ispol'zovanie letuchey zoly v GDR i FRG [Use of Fly Ash in GDR and FRG]. Energokhozyaystvo za rubezhom [Management of International Power Systems]. 1973, no. 4, pp. 8—9.
3. Sivertsev G.N. Klassifikatsiya i kharakteristiki shlakovkak stroitel'nogo syr'ya [Classification and Characteristics of Slacks as Building Materials]. Moscow, TsNIPS Publ., 1955, no. 18, p. 20.
4. Melent'ev V.A. Zoloshlakovye materialy i zolootvaly [Ashes and Ash Dumps]. Moscow, Energiya Publ., 1978, p. 5.
5. D'yakonov P.Yu., Potapov A.D., Boltunov V.A. Primenenie tyazhelykh trambovok pri vozvedenii nasypey v transportnom stroitel'stve [Application of Heavy Hammers in Construction of Embankments in Road Building]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2009, no. 1, pp. 97—99.
About the author: D'yakonov Petr Yur'evich — Candidate of Technical Sciences, Researcher, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; geolog305@yandex.ru; +7 (499) 188-15-87.
For citation: D'yakonov P.Yu. Utilizatsiya otkhodov teploenergetiki v dorozhnom stroitel'stve [Using Waste Products of Heat-and-power Engineering in Road Building]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 8, pp. 175—180.
