Вторичные ресурсы черной металлургии

ДОРОЖНАЯ ОТРАСЛЬ ЯВЛЯЕТСЯ КРУПНЕЙШИМ ПОТРЕБИТЕЛЕМ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ. ЧТОБЫ СНИЗИТЬ ОБЪЕМ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ, А ЗАОДНО УЛУЧШИТЬ ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ СИТУАЦИЮ, НЕОБХОДИМО ЗАМЕНИТЬ ЧАСТЬ НОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ВТОРИЧНЫМИ РЕСУРСАМИ ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Одним из наиболее перспективных материалов такого типа являются вторичные продукты черной металлургии, которые активно применяются в дорожном строительстве во всем мире, представляя собой стабильный источник техногенного сырья для строительства автомагистралей различного класса.

СЫРЬЕ БУДУЩЕГО

Эффект от использования вторичных материалов металлургической отрасли заключается в следующем:

– снижение негативного воздействия на экологию при уменьшении объемов накопленного ущерба (сокращение выбросов СО2);

– уменьшение выбросов парниковых газов при производстве строительных материалов (особенно портландцемента) за счет использования вторичных материалов как компонентов;

– повышение производительности цементных заводов за счет снижения клинкер-фактора – снижение риска возникновения дефицита цемента при реализации инфраструктурных проектов;

– позитивный технико-экономический эффект при использовании локальных сырьевых компонентов/ строительных материалов – снижение затрат на строительные материалы/обеспечение сырьевой безопасности объектов;

– экономия невосполнимых природных ресурсов и энергии, затрачиваемой на их извлечение;

– предотвращение промышленных захоронений. Ежегодный выход шлаков черной металлургии в нашей стране составляет порядка 27 млн тонн.

Если разместить этот материал в одном терриконе, то его высота составит 226 м, а диаметр основания – 540 м. Этого количества достаточно, чтобы устроить слой основания дорожных одежд на автотрассах протяженностью 3300 км или на 2000 км устроить всю дорожную одежду, включая асфальтобетонное покрытие. Наиболее успешным примером вовлечения шлаков черной металлургии в хозяйственный оборот демонстрирует Германия, которой удается перерабатывать до 95% объема ежегодного их выхода. В России этот результат гораздо скромнее – всего около 36%.

Экологическая целесообразность использования попутных продуктов выражается в том, что, с одной стороны, уменьшаются объемы накопления отходов на полигонах и отвалах, с другой – это позволяет избежать добычи нового природного сырья, обеспечивается «новая жизнь» для уже полученных побочных продуктов. При производстве чугуна и стали образуется металлургический шлак, который представляет собой поток расплава с температурой от 1500 до1600°С. По способу получения и составу (в основном состоит из оксидов кальция, кремния, магния и железа) шлаки очень похожи на природные магматические породы. Но в отличие от вулканов процессы охлаждения и затвердевания не предоставлены воле случая, а контролируются разработчиками. Использование передовых техник обработки позволяет управлять характеристиками готового продукта и гарантировать достижение требуемых параметров.

Шлак черной металлургии – это четыре разных материала: доменный шлак воздушного охлаждения, гранулированный доменный шлак, сталеплавильный конверторный шлак, сталеплавильный электродуговой шлак. В основном шлаки черной металлургии в дорожной отрасли применяются в качестве заполнителя для горячих и холодных асфальтов, для цементобетонных смесей в дорожном строительстве, противоскользящего слоя, слоев основания, замены вяжущего при стабилизации грунта. Продукты черной металлургии могут быть использованы во всех без исключения конструктивных слоях автодорог.

В дорожной одежде металлургический шлак применяется в составе асфальтобетона (верхний и нижний слой покрытия, верхний слой основания), в жестких дорожных одеждах, несущих и дополнительных слоях основания, в роли укрепления земляного полотна, обочин и откосов. Из шлаков изготавливаются заполнители (щебень и песок), а также наполнители (минеральный порошок) для всех видов и типов асфальтобетона. Применение доменного щебня в дорожном строительстве позволяет добиться эффективной стоимости кубического метра уложенного материала.

Использование сталеплавильного щебня в качестве крупного и мелкого заполнителя (минерального порошка) позволяет получать асфальтобетонные смеси, которые характеризуются повышенной устойчивостью к накоплению пластических деформаций, а, следовательно, являются более долговечными. Поэтому этот вид асфальтобетонной смеси может применяться в качестве верхнего слоя покрытия или же слоя износа на автодорогах с высокой интенсивностью движения. Шлаковый щебень можно применять во всех типах асфальтобетона за исключением высокоплотных и плотных типа А марки I. Вне зависимости от используемой методики проектирования смеси шлаки черной металлургии позволяют обеспечить выполнение самых жестких требований к асфальтобетону.

Кстати, асфальтобетон на базе доменного щебня неоднократно использовался ранее и в СССР, и в других странах. Однако сталеплавильный щебень в асфальтобетоне – новшество не только для России, но и во всем мире. Металлургический шлак вполне успешно применяется и в элементах обустройства, таких как остановочные площадки, бермы дорожных знаков и пр.

К УСЛУГАМ ДОРОЖНИКОВ

Одним из ключевых моментов является определение предпосылок разработки активной добавки к бетонам на основе молотых доменных гранулированных шлаков. Тенденция последних лет на снижение производства шлакопортландцемента и цементов с минеральными добавками, в частности доменного гранулированного шлака, привела многих металлургов к необходимости разработки самостоятельной минеральной добавки в бетоны. Производители бетона, изделий из бетона и сухих строительных смесей могут приобрести как молотый гранулированный шлак в чистом виде, так и в составе готовых цементных смесей, выпускаемых предприятиями цементной промышленности. Мировой опыт применения данного продукта известен и достаточно распространен, в России – значительно меньше, но также успел получить развитие.

Поскольку сам гранулированный шлак – достаточно дешевое сырье и, соответственно, затраты на доставку существенно влияют на потенциальную экономическую эффективность его применения, необходимо, чтобы крупные потребители продукции находились в зоне логистической доступности. В таких регионах, где нет масштабного гражданского и промышленного строительства, важным потребителем строительных материалов становится сегмент дорожного строительства. Кроме традиционной добавки молотого гранулированного шлака в товарный бетон, с учетом свойств, улучшающих трещиностойкость и сульфатостойкость бетонной смеси, существенным рынком материала может стать частичное замещение цемента в составе дорожных бетонов, а также использование в качестве вяжущего при укреплении грунта в дорожном строительстве для удешевления данного вида работ.

Свое развитие получают бетонные дороги с добавлением молотого доменного гранулированного шлака (МДГШ) в бетонную смесь. В этом случае упор делают на применение более эффективных бетонных покрытий с экономией на замене цемента более дешевым вяжущим на основе доменного гранулированного шлака. Данное направление будет иметь перспективу при более широком развитии цементобетонного дорожного строительства в целом. Предлагаемое решение использования МДГШ кроется в устройстве покрытия автомобильных дорог бетоном В30 (по ГОСТ 22633-2012) с содержанием 40% молотого доменного гранулированного шлака взамен цемента. Преимущества продукта заключаются в двукратном снижении объема дорожных ремонтов, уменьшении себестоимости до 25% и увеличенной износостойкости.

Технология устройства дорожного полотна предполагает выполнение морозозащитных и дренажных слоев основания из гранулированного шлака, а износостойкого покрытия – из прочного бетона. Согласно предлагаемой технологии дорожная одежда включает грунтовое основание, слой гранулированного шлака (толщина 15 см), слой из фрикционного камня (толщина 30 см), слой цементобетона В30 с применением молотого гранулированного шлака с заменой 40% цемента (толщина 15 см). Результаты практических испытаний бетонных дорог по новой технологии покрытия показали, что фактическая прочность бетона на сжатие, растяжение и изгиб превысила требуемое значение. Проведенный в течение двух лет мониторинг продемонстрировал отсутствие трещин и соответствие классу бетона В40.

Об инновационности технологии говорит патент на изобретение «Высокопрочного бетона с заменой 40% цемента на молотый доменный гранулированный шлак». Доказано, что разработанная технология с добавлением МДГШ в тонную смесь без потери свойств и применение гранулированного шлака в основании дороги позволяет снизить стоимость строительства минимум на 10–15%. Рассчитан и экологический эффект, выраженный в снижении СО2 на четыре тыс. тонн в год. Помимо всего, опробованная технология укладки жесткой укатываемой бетонной смесью позволяет сократить сроки строительства на 30% без потери качества в сравнении с технологией с подвижным бетоном. Это подтверждают полноценные испытания на автомобильном полигоне.

Разновидностью бетонного покрытия стал цементобетон В30 Вtb 4.0 F2 300 по ГОСТ 22633-2012 с применением МДГШ с заменой 40% цемента. Для устройства покрытия использовалась жесткая укатываемая цементобетонная смесь, соответствующая марке по жесткости Ж4 (31–50 секунд) в соответствии с ГОСТ 7473-2010, которая доставлялась на объект самосвалами и укладывалась с помощью асфальтоукладчика. Доказано также, что строительство по технологии укладки жесткой бетонной смеси дешевле метода с подвижным бетоном на 30% без потери качества. Гранулированный шлак можно использовать в основании для замены песка в качестве дренажного и морозозащитного слоя. Через год по результатам мониторинга установлено: 1) отсутствие трещин; 2) класс бетона соответствует В40.

Заслуживает внимания применение модифицированных смесей на основе гранулированного доменного шлака как для укрепления грунтовых дорог с переходным типом покрытия, так и для укрепления грунта в основании дорог с твердым покрытием. Достоинства продукта заключаются в снижении себестоимости на 10– 15% в перспективе 10 лет (за счет снижения объема ремонтов), сокращении сроков строительства в 5 раз, снижении числа самоходной техники для вывоза грунта, возможности использования местных грунтов вместо дорогих привозных компонентов. Кроме того, технология может применяться в виде основания под покрытие, что позволяет снизить толщину дорожных конструктивных слоев. Технология предполагает перемешивание локальной почвы с комплексным связующим. Вместо снятия грунта требуется его фрезерование и смешивание с минеральным вяжущим. В составе комплексного связующего может быть использован молотый доменный гранулированный шлак, гранулированный шлак и шлак внепечной обработки стали.

Метод стабилизации основан на использовании грунтового основания, стабилизированного грунта с применением комплексного вяжущего толщиной 30 см, несущего основания и износостойкого покрытия (для дорог переходного типа). Результаты практических испытаний укрепления грунта по новой технологии выражаются в замене пучинистого грунта на гранулированный шлак или перемешивание локального грунта с модифицированным граншлаком, что создает инновационные и экологичные решения, повышающие качество основания под покрытие и дорог переходного типа.

К сказанному нужно добавить, что результаты испытаний замены пучинистого грунта на гранулированный шлак показали: последний относится к группе песков по зерновому составу мелкий и средний. Коэффициент фильтрации от 2,9 до 30 м/сутки, коэффициент уплотнения 0,98, глинистые частицы отсутствуют. За два года эксплуатации дорог в результате замерзания/оттаивания нарушений покрытия не наблюдалось. Результат по прочности локально укрепленного грунта превысил проектную марку М75 и составил 9 МПа, прочность скелета грунта в кольце достигла 1,85 г/см3 , коэффициент уплотнения – 0,98. Рассчитано, что технология укрепления грунта по себестоимости сопоставима с базовой технологией для дорог переходного типа. Но в перспективе 10 лет технология укрепления грунта станет дешевле на 374 руб/м2 за счет снижения объема дорожных ремонтов.

Доказано сокращение сроков строительства в 5 раз за счет отсутствия требуемой выборки слабых грунтов и вывоза с площадки складирования и снижение количества самосвалов и техники для вывоза грунта. По истечении периода осень-зима-весна, несмотря на перепады температуры, качество дорожного полотна сохранилось. По показателю «модуль упругости» укрепленное полотно в 3 раза превышает асфальтовое покрытие. Указанное решение защищено патентом на изобретение «Состав для укрепления грунта».

Несмотря на эффективность применения описанных технологий, существуют сдерживающие факторы их реализации. Среди них отсутствие специализированных полигонов (участков дорог) для отработки инновационных технологий или необходимого специального режима опытно-промышленного испытания. Сложность применения в случае отсутствия данного материала в стандартах (ГОСТ, строительных нормах) или ограничений. При необходимости внесения изменения в стандарт перекрестно затрагивается большой ряд других нормативно-технических документов. Отсутствие необходимой спецтехники, которую сложно привлечь на небольшой объем работ под ОПИ. Устаревшая система сметно-нормативного регулирования ценообразования.

Необходимо содействие в корректировке нормативной базы для применения новых продуктов/технологий в дорожном строительстве с увеличением доли гранулированного шлака в бетонной смеси для дорожного строительства свыше 15% при химической активации. В этой связи требуется внести изменения в ряд стандартов: ГОСТ 26633-2015, ГОСТ 33174-2014, ГОСТ 55224-2020, ГОСТ 32730-2014, ГОСТ Р 58770.

Валерий Васильев

Фото автора и НЛМК