CC BY
38
УДК 625.855.4: 625.075
ШИЛ1Н I.B., к.т.н., доцент (АД1 ДВНЗ «ДонНТУ»), ГРИЦУК Ю.В., к.т.н., доцент (ДонНАБА), БУРИХ Г.М., магютрант (АД1 ДВНЗ «ДонНТУ»)
Утилiзацiя твердих вiдходiв промисловостi в дорожньому будiвництвi
Shilin I.V., Ph.D. of Technical Sciences,Associated Professor (AHI SHEE «DonNTU»), GritsukYu.V., Ph.D. of Technical Sciences,Associated Professor (DonNACEA), Burih G.M., undergraduate (AHI SHEE «DonNTU»)
Utilization of industrial solid waste in road building
Вступ
Зпдно i3 статистичними даними в Укрш'ш на територи 50 тис. гектарiв розмь щено 8,6 млрд. м (23 - 25 млрд. тонн) твердих вiдходiв промисловосп. Кожного року ця кшькють тiльки збшьшуеться, що обу-мовлено недостатнiми темпами ix переро-бки (щороку приблизно 0,1 - 0,12 млрд. м ).
Значну частку з накопичення твердих промислових вiдxодiв виробляе металур-гiйна промисловiсть. Згiдно звiтiв в процес виготовлення сталi на пщприемствах утво-рюеться 52 види рiзниx вiдxодiв. Не зважа-ючи на тенденщю реоргашзацп та реструк-туризацп галузi (частка киснево-конверто-рно'' сталi та електросталi в загальному об-сягу виробництва збiльшуеться за рахунок зменшення частки мартенiвського вироб-ництва, тобто виконуються роботи по зме-ншенню обсягiв виробництва шлакiв та шламiв), спостерiгаеться ix накопичення у вщвалах.
Таким чином, з одного боку спостерь гаеться постiйне накопичення твердих вщ-xодiв промисловостi та з шшого боку - по-стшний брак мшерально'' сировини для ви-конання дорожньо-будiвельниx робiт. Це обумовлюе необxiднiсть впровадження програм пов'язаних з уташзащею вiдвалiв твердих промислових вiдxодiв.
Анал1з досл1джень i публ1кац1й
На проблеми використання металур-гшних шлакiв (як доменних, так i мартешв-ських) у дорожньому виробницга звертали свою увагу багато фаxiвцiв [1-4]. Також слiд зазначити, що на тепершнш час в Укрш'ш розробленi та дiють Закон Украши «Про затвердження Загальнодержавно'' програми розвитку мшерально-сировинно' бази Украши на перюд до 2030 року»; Державна цшьова науково-теxнiчна про-грама розвитку та реформування прничо-металургiйного комплексу Украши на перюд до 2020 року; регюнальш програми енергозбереження та розвитку; регюнальш програми охорони навколишнього середо-вища тощо.
Вс щ дослщження та законодавчi та пiдзаконнi акти в тш чи iншiй мiрi врахо-вують питання утилiзацii твердих промислових вiдxодiв, в тому чи^ i використання вiдвальниx металургшних шлакiв.
Основний матерiал
Донецька область мае юторично ство-рену розвинену металургшну промисло-вiсть, пiдприемства яко'' добре вiдомi як в Укршш так i за ii межами. Це таю як: ПАО «МК «Азовсталь», ПАО «ММК iм.. Глшча», ПАО «Донецьксталь» (ДМЗ) та шшь
Тiльки в м. Марiуполь накопичилось близько 40 млн. тонн шлаку, в тому чист як доменного так i мартешвського. Марте-нiвськi шлаки утворюються в мартешвсь-ких печах у кшькосп 0,22 - 0,55 тонн на одну тону виготовлено'1 сталь
Утилiзацiя мартенiвського шлаку об-межусться тiльки застосуванням в аграрному секторi та в якостi флюав в доменних печах. Застосування в будiвельному вироб-ництвi мартенiвських шлаюв заважае:
- мартенiвський шлак мютить не менше 80% вуглекислого кальщю у виглядi силiкатiв кальцiю та магшю. Також в ньому присутш фосфор, марганець, дiоксид кременю, оксид залiза, карбiд кальцiю та шше;
- в складi мартенiвського шлаку е залишки металу (до 15%), в тому чист у виглядi скрапу (до 7%) та у виглядi королькiв (до 8%);
- середнш гранулометричний склад мартенiвських шлаюв складае: фракцiя 0-10 мм - 22,6%; фракщя 10-60 мм - 27,3%; фракщя 60-250 мм - 30,18%; фракщя бшьш 250 мм - 19,9%.
В металургшнш промисловосп, з метою покращення ситуацп з сировиною (ме-талобрухтом) вщомюпособи видобутку з вiдвальних шлакiв металу (у даному випа-дку метал - це чавун або сталь, яю зали-шаються на дш ковша зi шлаками). Шлаки зливають у вiдвал разом з металом, який мютився в ковшi тд шаром шлакiв. При випуску з доменно'1 печi, електропечi або мартешвсько'1 печi не представляеться мо-жливим роздiльно вилити метал i шлаки, тому в ковшi зi шлаками осаджуеться на дно метал. При перевезенш у вщвал на дш ковша осiдае метал i кристалiзуеться. Утво-рюеться великий шматок (корж) металу на днi ковша. Зазвичай розмiр шматка: дiаметр 0,8-1,4 метра, товщина 0,15-0,35 метра. За-значенi шматки (у металурги називають те-рмшом «корж металу») на вiдвалах скла-дуються разом зi шлаками. Тому втрати металу з вщвальним шлаками становлять 27% i бiльше. Отже, загальнi втрати металу становлять бшьш 30%.
Таким чином, переробка шлаюв повинна враховувати особливосп матерiалу (рис. 1). На першш стадп видiляють коржi металу шляхом розаву вiдвального шлакiв у барабаш, при цьому одержують два продукта - металевi коржi й шлаки. На другiй стадп шлаки промивають водою, при цьому одержують два продукти - митий шлак (великими шматками) та оксид кремшю й карбонат кальщю, яю утворюються в результат! природнього розкладання компонентсв шлаюв на оксид кремшю i карбонат кальщю.
Схематично цi реакцп можна пред-ставити у виглядi:
СаО- $Ю2+С02^СаС0э+$Ю2
Шлаки являють собою переважно од-нокальцiевий силiкат, двокальцiевий силь кат, трьохкальцiевий силiкат. У вiдвалах в шлаках вщбуваються наступнi реакцп роз-паду дво- та трьохкальцiевих силжатсв
3Са0&02^2Са0&02+Са0 2СаО- SiO2^CaO• SiO+CaO Са0^Ю2^Са0+&02
Оксид кальцiю реагуе з атмосферним дюксидом вуглецю з утворенням карбона-тiв кальцiю
Са0+С02^СаС0э
За нормативними вимогами твердi ча-стки оксиду кремшю й карбонату кальщю необхщно витягати зi шлакiв i використо-вувати для виробництва клiнкера.
На наступнш стадп iз промитого шлаку магштним збагаченням добивають корольки залiза, якi застосовують для ви-плавки сталi в електро- або мартешвських печах. Наступною стадiею е подрiбнення шлакiв у роторних дробарках з магштним збагаченням, внаслщок чого видшяють ок-сидне залiзо, яке теж направляють на пере-плавлення.
На останнш стадп шлаки пщдають розсiву на два продукти: шлаковий щебшь (фракцп 5-30 мм) i шлаковий шсок (фракцiя менше 5 мм).
Рис. 1 Схема ступенево! переробки шлак1в
Органо-мшеральш матер1али, у склад1 яких е, як орган1чн1 в'яжуч1 речовини (як забезпечують зв'язки 1 еластичн1сть сис-теми), так 1 м1неральн1 (здатш до пдратацп в'яжуч1), характеризуються коагуляцшно-кристал1зац1йними зв'язками. Сшввщно-шення коагуляцшно-кристал1зацшних кон-такт1в 1 обумовлюе деформацшно-мщнос-тн1 характеристики такого композиц1йного матер1алу [1, 2, 5].
Анал1з результат1в промислового впровадження показуе, що металургшш шлаки - ефективн1 зам1нники природних кам'яних матер1ал1в, як1 використовуються для буд1вництва й ремонту автомоб1льних дор1г. Як правило металург1йн1 шлаки по властивостях не поступаються матер1алам, що отримаш з природних твердих пор1д, а 1нод1 й перевершують його. I це не зважа-ючи на те, що застосування металургшних шлаюв, загалом, знижуе варт1сть буд1вниц-тва дорожн1х одяг1в на 14-15 % у пор1в-нянн1 з аналопчними конструкц1ями 1з гра-нгтних матер1ал1в [5-6].
З урахуванням ф1зико-мехашчних властивостей шлаковий щеб1нь, п1сок 1 !х сум1ш1 застосовують для улаштування вс1х вид1в конструктивних шар1в дор1г - пок-
ритт1в, основ, додаткових шар1в основи 1 т.п. А також спостер1гаеться перспективне використання шлаюв чорно! металургИ для зм1цнення Грунт1в при створенн1 основ ав-тодор1г.
Досв1д дорожнього буд1вництва показуе, що достатньо мщш основи автомобшь-них дор1г одержують 1з сумш1 щебен1в з активних шлак1в та слабких вапняюв. Ще-бн1 з мартешвських шлак1в з усп1хом вико-ристовують для заклинки дорожньо! основи, виготовлено! 1з гран1тного щебню.
При улаштуванш основи дороги шлаковий щебшь мае переваги в пор1внянш 1з гран1тним. Завдяки бшьшш шорсткост1 по-верхн1 зерен вш легше укочуеться. Якщо прийняти час укатки шару основи дороги 1з граштного щебен1в за одиницю, то час укатки шару тако! ж товщини з шлакового щебню складатиме 0,63-0,72. Також основа з шлакового щебню в1др1зняеться бшьшою довгов1чшстю.
Шлаковий щебшь мютить деяку кшь-к1сть др1б'язку, який значно зростае при укоченш п1д час улаштування дорожнього полотна. Порошкопод1бш сталеплавильш й доменн1 шлаки е низькомарочними в'яжу-чими й здатн1 утворювати монол1тну ос-
нову дороги, мщнють яко'1 значно пiдвищуe навт невелике додавання цементу й вапна в якосп активатора. Шлаковий тсок служить для виготовлення асфальтобетону й у якосп активно! мшерально'1 добавки.
Залежно вiд розмiру фракцюнований шлаковий щебiнь застосовують для верхшх i нижнiх шарiв основи дор^ I-V категорiй способом заклинки. У якосп розклинюю-чого матерiалу служать щебеневi сумiшi з активного шлаку фракцп 0-20 (40) мм. Об-робленi органiчними в'яжучими матерiа-лами щебш фракцп 10-20 мм застосовують також при улаштуванш верхнiх i нижнiх шарiв покриттiв дорiг категорiй.
Щебеневi сумiшi з активних i високо-активних шлакiв фракцп 0-70 (120) мм оптимального зернового складу використо-вують при улаштуванш верхшх i нижшх шарiв напiвжорстких основ дорiг кате-горiй. Щебеневi сумiшi з малоактивних шлаюв активiзують за допомогою СаС12, Na2CОз, CaSО4.
Особливiсть асфальтобетонних пок-риттiв, отриманих iз застосуванням сталеп-лавильних шлакiв - це вщсутнють дефор-мацiй зрушення навггь при iнтенсивному русi важкого транспорту. Роль основного в'яжучого в шлакових щебеневих сумiшах вiдiграють шлаковий тсок i порошок. На початковiй стадп експлуатацп дороги напь вжорстка основа з активного шлаку працюе як матерiал, несуча здатнiсть якого забез-печуеться щiльнiстю кiстяка й заклинкою щебеневих фракцiй. Такi основи не дають просiдання i мають пщвищений модуль пружностi 300-400 МПа. У процес експлуатацп вони перетворюються в монолiтну стiйку плиту. Модуль пружносп натвжор-стких пiдстав зростае до 1200 МПа.
Залежно вщ вимог до мщносп й дов-говiчностi влаштовують одно- або двоша-ровi основи зi шлакiв. Найбшьша товщина шару - до 20 см - при розмiру матерiалу до 110 мм; до 16 см - при розмiру матерiалу до 70 мм. Найменшу товщину шару встано-влюють iз таким розрахунками, щоб розмiр найбшьшо'1 фракцп становив не бшьш 0,70,75 товщини шару.
Матерiали iз цементу, шлакiв i грунту, використовуваш для рiзних конструкцiй шарiв пiдстав дорожнiх одягiв [6-7] мають досить високу мщнють (1,4-8,2 МПа), водо-стiйкiсть (0,96-1,17) i морозостшкють (0,710,82). Тривалий характер змщнення матерь алiв свiдчить про !х довговiчнiсть. Цей ви-сновок, заснований на лабораторних експе-риментах, цшком вiдповiдае результатам спостережень за модулем пружносп конс-трукцп дорожнiх одяпв експериментальних дiлянок - за 2 роки експлуатацп фактичний загальний модуль пружносп (153-330 МПа) дорожшх одяпв значно перевищив його проектне значення (138 МПа).
Вщповщно до вимог нормативних до-кументiв у дорожньому будiвництвi можна використовувати шлаки й золошлаки, що мають зерновий склад 0-40 мм, мщнють 300 кгс/см2, морозостшкють Мрз 25. Золи можна застосовувати в якосп мшерального порошку. При цьому в золi повинно бути не менше 45% часток дрiбнiше 0,071 мм. Не-обхщною умовою одержання високоякю-них органо-мшеральних сумiшей е висока адгезiя оргашчного в'яжучого до поверхнi мiнеральних матерiалiв. У зв'язку з цим для виготовлення органо-мшеральних сумшей на основi мартенiвського шлакового щебеню доцшьно використання анiонних ему-льсiй [8-9], оскшьки потеншаловизначаю-чим iоном часток мартешвського шлакiв е катiон Са2+, до того ж поверхню шлаюв до-цiльно модифiкувати вапном негашеним меленим (СаО) для прискорення швидкосп розпаду бггумно'1 емульсп, у той час як дисперсна фаза анюнних емульсш мае вiд'емний заряд.
На ринку Украши представлено широкий вибiр емульгаторiв для виробництва анюнних бггумних емульсiй, основними з яких е: асщол марки А-2 (ГОСТ 13302-27*); аксидол-милонафт (ГОСТ 13302-77*); ми-лонафт (ГОСТ 13302-77*); синтетичш жи-рнi кислоти (кубовий залишок) (ОСТ 38,01182-82 марка Б); контакт Петрова (ОСТ 38,01116-76); окислений петролатум (ТУ 38-301-96-83); сульфатне мило аре (ТУ 81-05-118-77); мило талове сире (ОСТ
13,184-83Е); другий жировий гудрон (ОСТУ 360-9121-63); госсиполова смола (кубовий залишок); смола древеснаомилена (ТУ 81-05-2-78); жирова маса (ТУ 18УзССР45-81); таловий пек (ТУ 81-05-8480); пек таловийоилений марки Б (ОСТ 13145-82); АЗОЛ 1018 (ТУ 2490-035-00205423-2007); дорос-ЕмА (ТУ 2482-02633452160-2012) тощо.
Для тдвищення якост органо-мше-ральних сумiшей на мартетвських шлаках iз застосуванням анюнно'1 б^умно'1 емульсп рекомендовано застосовувати лужн акти-ватори, у якостi яких зазвичай застосову-ють вапно й портландцемент. Водяний роз-чин Са(ОН)2, що утворюеться, як при гщра-тацп вапна, так i при гiдролiзi мiнералiв цементного клiнкера, дозволяе створити в органо-мшеральнш сумiшi лужне середо-вище з досить високим рН, що забезпечуе диспергування шлаюв за рахунок розриву ковалентних зв'язкiв Si-O-Si i Al-O-Si у ре-зультатi тдвищення юнно! сили середо-вища затвору введенням до й складу юшв, що володiють високими електродонорними властивостями.
Висновки
Таким чином, виготовлення органо-мшеральних сумiшей на мартенiвських шлаках дозволить не тшьки виконати про-граму утилiзацii твердих промислових вщ-ходiв а i розширити можливють виконання ремонтно-вiдновлюваних робiт на автомо-бiльних дорогах Украши.
Список лггератури:
1. Братчун В.И. О некоторых особенностях формирования структуры влажных дегтешлакобетонов/В.И.Братчун, А.Н. Бачурин // Сб. научных трудов «Использование отходов промышленности для производства строительных материалов». - К.: УМК ВО, 1990. - С.14-22.
2. Братчун В.И. Модифицированные дегти и дегтебетоны повышенной
долговечности / В.И. Братчун, В.А. Золотарев. - Макеевка, 1998 г. - 226 с.
3. Братчун В.И. Изучение особенностей гидратации отвального мартеновского шлака/ В.И. Братчун, В.А. Золотарев, В.А. Мымрин, В.Н.Левченко,
A.Н.Бачурин//Сб. трудов междунар. научно- технической конференции «Ресурсосбережение и экология промышленного региона»// Ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов. -Том 1. - Макеевка: ДонГАСА. - 1995.-С.25-29
4. Самодуров С.И. Асфальтовый бетон с применением шлаковых материалов / С.И. Самодуров - Воронеж.: Изд-во Воронежского университета, 1984. - 108 с.
5. Гоглидзе В.М. Основы совместной работы материалов с битумными и цементными вяжущими в полужестких дорожных покрытиях/ В.М.Гоглидзе, М.Ш.Дзидзиури// Труды СоюзДорНИИ. -М., 1971. - №4. - С.111-118
6. Ядыкина В.В. Повышение качества влажных органоминеральных смесей/
B.В.Ядыкина, А.И.Морозов, В.И.Шухов // Автомобильные дороги. - 1992. - №5-6. -
C.19-20.
7. Кузьмичев В.Т. Устройство полужестких слоев дорожных одежд из металлургических шлаков / В.Т.Кузьмичев, Л.Г.Лыженко, Л.М. Урман // Автомобильные дороги. - 1986. - №5. -С.56-57.
8. Братчун В.И. Поэтапная оптимизация составов асфальтошлакобетонов, приготовленных на анионной битумной эмульсии/ В.И. Братчун, Ю.В. Грицук // Материалы 40-го международного семинара по моделированию и оптимизации композитов «Моделирование и оптимизация в материаловедении». - Одесса: Астропринт, 2001. - С. 45-47.
9. Братчун В.И. Оптимизация составов асфальтошлакобетонов на анионной битумной эмульсии / В.И. Братчун, Ю.В. Грицук // Современные проблемы
строительства/ Ежегодный научно-технический сборник. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО «Лебедь», 2000. - т.П. - С.5-9.
Spysok literatury:
1. Bratchun V.I. O nekotorykh osobennostyakh formyrovanyya struktury vlazhnykh dehteshlakobetonov / Some peculiarities of structure formation wet tarslagconcrete/ V.I. Bratchun, A.N. Bachurin // Collection of scientific papers «Using the waste industry for the production of building materials». - K.: UMK BO, 1990. - P.14-22.
2. Bratchun V.I. Modyfytsyrovannye dehty y dehtebetony povyshennoy dolhovechnosty/ Modified tars and tarmacadam enhanced durability / V.I. Bratchun, V.A.Zolotarev - Makiyvka, 1998 -226 p.
3. Bratchun V.I. Yzuchenye osobennostey hydratatsyy otval'noho martenovskoho shlaka/ Study of features dump hydration of the open-hearth slag / V.I. Bratchun, V.A.Zolotarev, V.A.Mimrin, V.N. Levchenko, A.N. Bachurin// Coll. Intern works. Scientific and Technical Conference "Resource Saving and Ecology of the industrial region"// Saving technologies in the production of building materials. - Vol. 1. -Makeevka: DonSACEA. - 1995.-P.25-29
4. Samodurov S.I. Asfal'tovyy beton s prymenenyem shlakovykh materyalov/ Asphalt concrete using slag materials / S.I. Samodurov - Voronezh: Publishing House of the Voronezh State University, 1984. - 108 p.
5. Goglidze V.M. Osnovy sovmestnoy raboty materyalov s bytumnymy y tsementnymy vyazhushchymy v poluzhestkykh dorozhnykh pokrytyyakh/ Through joint work with bituminous materials and cement binder in the semi-rigid pavements / V.M. Goglidze, M.Sh. Dzidziuri// Proceedings SoyuzDorNII. - М., 1971. - №4. -P.111-118
6. Yadikina V.V. Povyshenye kachestva vlazhnykh orhanomyneral'nykh smesey/ Improving the quality of organic wet mixtures
/ V.V. Yadikina, A.I. Morozov, V.I. Shuhov// Avtomobyl'ni dorohy. - 1992. - №5-6. - P.19-20.
7. Kuzmichev V.T. Ustroystvo poluzhestkykh sloev dorozhnykh odezhd yz metallurhycheskykh shlakov/ Semi-rigid device pavement layers and slag / V.T. Kuzmichev, L.G. Lizhenko, L.M. Urman// Avtomobyl'ni dorohy. - 1986. - №5. - P.56-57.
8. Bratchun V.I. Poetapnaya optymyzatsyya sostavov asfal'toshlakobetonov, pryhotovlennykh na anyonnoy bytumnoy emul'syy/ Gradual optimization formulations asfaltoshlakobetonov prepared anionic emulsion / V.I. Bratchun, Yu.V. Gritsuk // Proceedings of the 40th International Workshop on Modelling and optimization of composites "Simulation and optimization in materials science." - Odessa: Astroprint, 2001. - P. 45-47.
9. Bratchun V.I. Optymyzatsyya sostavov asfal'toshlakobetonov na anyonnoy bytumnoy emul'syy/ Optimization of structure asfaltoshlakobetonov anionic emulsion / V.I. Bratchun, Yu.V. Gritsuk// Modern Problems of construction / Annual Scientific and Technical Collection. - Donetsk: Donetsk PromstroyNIIproekt, ООО «Lebed'», 2000. -vol.II. - P.5-9.
Анотацн:
В статп розглянуто питания щодо утитзацп вiдходiв металургшного виробництва для виконання будiвельних та ремонтно-вщновлювальних дорожшх робгг. Запропоновано способи використання мартешвських шлашв, в тому чи^ i сумюно з биумною емульаею, що дозволяе створити коагуляцшно-кристаллизацшну
мшроструктуру покриття. Розглянуто перспективи використання таких матерiалiв.
Ключов1 слова: Шлак, бетон, сумш, дорога, покриття, емуль^, структура
В статье рассмотрен вопрос утилизации отходов металлургического производства для выполнения строительных и ремонтно-восстановительных дорожных работ. Предложены способы использования мартеновских шлаков, в том числе и совместно с битумной эмульсией, что
позволит создать коагуляционно-
кристаллизационную микроструктуру покрытия. Рассмотрены перспективы использования таких материалов.
Ключевые слова: Шлак, бетон, смесь, дорога, покрытие, эмульсия, структура
The article deals with the issue of metallurgical wastes utilization for construction and repair restoration
of road works. It provides methods of using open-hearth slags, including the association with bitumen emulsion, thus providing a coagulation-crystallization coating microstructure The prospects of the usage of such materials are given.
Keywords: Slag, concrete, mixture, road, coating, emulsion, structure
