Опыт и перспективы применения золошлаковых отходов при строительствеавтомобильной дороги (на примере Московской области)

Введение 8
1 Состояние вопроса, особенности золошлаковых отходов как техногенных грунтов 10
1.1 Вопросы образования, складирования, накопления золошлаковых отходов и эксплуатация золошлакоотвалов тепловых электростанций 10
1.2 Особенности химического, физико-механического и минералогического состава золошлаковых отходов 14
1.3 Структурные особенности золошлаковых отходов 19
1.4 Состояние вопроса по исследованию золошлаковых отходов как техногенных грунтов для сооружения земляных сооружений 26
1.5 Укрепление грунтов золошлаковыми отходами 30
2 Применение золошлаковых отходов при строительстве автомобильных дорог в мире и его научное обоснование 32
2.1 Анализ мировой практики применения золошлаковых отходов 32
2.2 Применение золы донного угля в качестве заменителя заполнителя в насыпных покрытиях автомобильных дорог, звукопоглощающих стенах и асфальтобетонных смесях 34
3 Применение золошлаковых отходов при строительстве в Московской области.…………………...……………………………………………………………39
3.1 Опыт применения золошлаковых отходов при строительстве пересечения на перегоне автомобильной дороги Михнево – Жилево (г. Кашира, 2016 г) 39
3.2 Опыт применения золошлаковых отходов при строительстве пересечения автомобильной дороги М-5 - Лыткаринского шоссе (г. Москва, 2019 г) 42
4 Перспективы применения золошлаковых отходов при строительстве автомобильных дорог России 48
5 Техническое обоснование применения золошлаков, зол-уноса и материалов на их основе при строительстве автомобильных дорог 53
6 Технология и организация строительства земляного полотна участка автомобильной дороги 56
7 Экономический эффект от применения золошлаковых отходов 65
8 Экологическая оценка применения золошлаковых отходов для строительства насыпей земляного полотна 73
Заключение 75



Приложение А Список использованных источников
Приложение Б Комплект документов для защиты магистерской диссертации..
Приложение В Иллюстрационный материал
Приложение В1Технология образования, складирования, накопления и эксплуатация золошлаковых отвалов ТЭЦ……………………………………….. 1
Приложение В2Свойства золошлаковых отходов………………………………...2
Приложение В3 Структура золошлаковых отходов ………………………………3
Приложение В4 Мировой опыт применения золошлаковых отходов…………...4
Приложение В5 Опыт применения золошлаковых отходов при строительстве автомобильных дорог в Московской области……………………………………..5
Приложение В6 Перспективы применения золошлаковых отходов в России…..6
Приложение В7 Нормативное обеспечение применения ЗШО…………………..7
Приложение В8 Технологическая схема при сооружении насыпи земляного полотна из золошлаковых отходов…………………………………………………8
Приложение В9 Экономический эффект от применения ЗШО…………………..9
Приложение В10 Экологические последствия золоотвалов…………………….10

Весь текст будет доступен после покупки

В настоящее время в России в отвалах и терриконах накоплено огромное количество золошлаковых отходов теплоэлектростанций.
Золошлаковые отходы (ЗШО) — вид отхода, образованный в процессе сжигания угля, имеющего большую зольность, в котле на тепловых электростанциях (ТЭЦ).
По данным Минприроды России, в стране ежегодно образуется на угольных ТЭС более 22 млн. тонн ЗШО, из которых лишь 10–15 % находят своё дальнейшее применение.
Золоотвалы в России занимают примерно 30 тыс. га территории.
Зола и шлак — это минеральная несгорающая часть угля. При правильном сборе и удалении ее можно использовать для строительства автомобильных дорог. Применяют два вида ЗШО, получаемых после удаления:
1. золу уноса сухого улавливания, когда зола, поступающая с электрофильтров и из циклонов ТЭС в золосборники, направляется специальным пневмотранспортом в силосные склады либо непосредственно в транспортные средства потребителей;
- медленнотвердеющее самостоятельно вяжущее для возведения насыпей земляного полотна из упрочненных грунтов и каменных материалов;
- в комбинации с неорганическими связывающими (цемент или известь), как активная гидравлическая примесь, для строительства насыпи;
- при подготовке асфальтобетонной смеси, возможно, использование золы, как при добавлении к минеральному порошку, так и для его замены [1]

Весь текст будет доступен после покупки

1 Состояние вопроса, особенности золошлаковых отходов как техногенных грунтов
1.1 Вопросы образования, складирования, накопления золошлаковых отходов и эксплуатация золошлакоотвалов тепловых электростанций
Тепловые электрические станции (ТЭС), вырабатывая электроэнергию и тепло, оказывают негативное влияние на окружающую природную среду, загрязняя воздух, воду и землю. Наряду с выбросами в воздушный бассейн продуктов сгорания топлива и сбросами в водоемы сточных вод на ТЭС образуются отходы производства и потребления. При сжигании твердого топлива образуются золошлаковые отходы, количество которых определяется, главным образом, зольностью исходного топлива. Ввиду большого количества золошлаковых отходов их трудно складировать, особенно на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), расположенных в пределах городской застройки [3].
Основным топливом для ТЭЦ России служит природный газ. Также в приоритете каменный уголь, бурый уголь, нефтяное топливо и торф.
На рисунке 1.1 мы можем видеть расход доля угля в выработке электроэнергии.

Рисунок 1.1–Диаграмма доли угля в выработке электроэнергии
Такие отходы удаляются из сжигающих установок. Как правило, на трубах стоят специальные золоуловители, а более тяжелые элементы золы оседают в печи. Шлаки, образовавшиеся в топке, измельчают. Время от времени установку очищают от скопившейся золы и шлака, помещая эти отходы на специальные площадки – шлакоотвалы.
На золошлаковых отвалах должны соблюдаться определенные правила хранения, поскольку воздействие таких природных факторов, как образование талых вод, дождевых потоков, ветровой эрозии, приводят к размыванию и выдуванию отходов [4].
Тем самым в водоемы, подземные воды и атмосферу попадают различные токсичные элементы: пыль, микрочастицы угля, металлов, хлористых соединений, по сути, они считаются опасными токсичными отходами, многие из которых имеют более высокий класс опасности, чем сами золошлаки.
Экологически безопасное хранение золошлаковых отходов возможно только на специально оборудованных полигонах, создаваемых вдали от населенных пунктов, с четким соблюдением природоохранного законодательства.
Золошлаковые отходы – несгораемый остаток, возникающий в результате сжигания угля (природного газа) на ТЭЦ.
По федеральному классификационному каталогу отходов (ФККО), золошлаковые имеют 5 класс опасности, следовательно, считаются практически неопасными отходами, которые не угрожают состоянию окружающей среды.
Золошлакоотвал – сооружение, предназначенное для складирования и хранения продуктов сгорания ТЭЦ. Отходы могут располагаться на золошлакоотвале от пяти до десяти лет. Санитарно-эпидемиологические требования к размещению, устройству, технологии, режиму эксплуатации и рекультивации золошлакоотвалов установлены СанПиН 2.1.7.1322-03. Когда уголь сжигается на тепловой электростанции, то образуются два вида твердых отходов: шлак и зола-унос. Эти отходы сбрасываются в золоотвалы, где хранятся на открытом воздухе, являясь неиспользуемым сырьем – антропогенные отложения, в которых сосредоточены ценные микроэлементы [5], [6].
Требования к эксплуатации золошлакоотвалов регламентированы СО 34.27.509-2005 «Типовая инструкция по эксплуатации золошлакоотвалов».
Для обеспечения работоспособного состояния и безаварийной работы ЗШО руководство ТЭС и эксплуатационный персонал должны осуществлять:
? эксплуатацию ЗШО в непрерывном режиме с нормальным уровнем безопасности;
? рациональное использование емкости ЗШО (наращивание, разработка золошлаковых отходов с последующим намывом, равномерное заполнение секций);
? эффективный намыв золошлаковых отходов и обеспечение оптимальных режимов эксплуатации (равномерность заполнения секции ЗШО, возврат на ТЭС вод, осветленных в отстойном пруду, и т.п.);
? организацию и проведение систематического контроля за состоянием ЗШО и прилегающей к нему территории, за технологическими параметрами;
? постоянное техническое обслуживание с ведением документации;
? своевременное проведение профилактических мероприятий и ремонтных работ для поддержания технически исправного состояния;
? эксплуатацию ЗШО в соответствии с природоохранными нормами и выполнение природоохранных мероприятий;
? эксплуатацию, обслуживание, ремонт силами и средствами, достаточными для выполнения вышеперечисленных требований;
? меры, обеспечивающие готовность к локализации и ликвидации чрезвычайных ситуаций при возникновении опасных повреждений и аварий;
? комплекс мер, способствующих максимальному использованию золошлаковых отходов в качестве строительных и других материалов в различных отраслях.
Место хранения золошлаковых отходов (ЗШО практически синоним ЗШС) – золоотвал – это ответственное гидротехническое сооружение, предназначенное для складирования золы и шлака, удалённых с тепловой электростанции. Как правило, он состоит из нескольких секций (ограниченных дамбами обвалования), пруда с осветлённой водой, системы дренажей для отвода лишней воды [7].
Отвалы служат для долговременного захоронения отходов, и, по мере поступления новых золошлаков, расширяются за счёт строительства новых секций или наращиваются за счёт увеличения высоты окружных дамб обвалования. На каждом золоотвале устраивают пруд, покрывающий поверхность массива и предотвращающий пыление на окружающие территории. Площади отвала исчисляются сотнями, а иногда и тысячами гектар, при высотах дамб до 15 – 20 метров.
Кроме того, собственник ТЭС должен обеспечить финансирование мероприятий по обеспечению безопасности ЗШО (в необходимых объемах) и созданию резерва свободной емкости складирования золошлаковых отходов [8].
Вопрос переработки в России по переработки золошлаковых отходов составляет 10 %, что является низким показателем переработки в экономически развитых странах (рисунок 1.2).
Лидерами в переработки ЗШО являются Англия и Германия, так как данные отходы перерабатываются практически полностью, а также Китай и Польша (переработка составляет более 80%).

Рисунок 1.2–Страны лидеры по переработке золошлаковых отходов
Золошлаки хранятся насыпью, навалом, в виде гряд. На открытых площадках необходимо соблюдать следующие условия:
1. хранилища должны располагаться с подветренной стороны по отношению к населенным пунктам;
2. по периметру площадки должна быть выполнена обваловка и обособленная сеть водостоков.
Для защиты грунтовых и поверхностных вод необходимо проводить следующие мероприятия:
1. фильтровать воду (с помощью ограждающих дамб и обустройства специального ложа);
2. перехватывать и отводить воду на очистные сооружения.
Такие условия могут быть выполнены за счет глинистых водонепроницаемых грунтов, что следует учитывать при выборе места расположения площадки.
Во избежание выдувания золы следует закреплять откосы и гребни золошлаковых насыпей и следить за состоянием пространства между ними.
Кроме того, необходимо следить за территорией, примыкающей к хранилищу. Должен быть запрещен проезд, сброс мусора и иная деятельность посторонних лиц.
Согласно Федеральному закону “Об отходах производства и потребления” от 24/VI 1998 г. ? 89-ФЗ предприятия обязаны проводить инвентаризацию отходов и объектов их размещения, стремиться к уменьшению образования отходов и максимальному вовлечению отходов в хозяйственный оборот.
1.2 Особенности химического, физико-механического и минералогического состава золошлаковых отходов
Для определения химического состава золошлаковых отходов, был произведен отбор проб золы по методике РД 34.09.603-88.
Химический состав сильно зависит от минерального состава сжигаемых углей и может сильно отличаться на разных электростанциях. Состав исследуемых золошлаковых материалов характеризуется низким содержанием оксида кальция, средним содержанием оксида алюминия и высоким оксида железа. Основными компонентами являются оксиды кремния и алюминия.
Таблица 1.1- Химический состав пробы золошлакового отхода

Элемент Золоотвал, %
1 2 3
SiO2 55,7 56,25
CaO 6,8 6,84
Al2O3 21,83 21,84
MgO 1,95 1,65
Fe2O3 7,44 7,4
FeO 6,69 6,66
K2O 3,53 3,44
Классификация золошлаков
Состав и свойства золошлаков зависят от состава минеральной части топлива, его теплотворной способности, режима сжигания, способа улавливания и удаления, места отбора золошлаков в улавливающих установках или в золоотвале. [9]
1. Золошлаки по виду сжигаемого угля подразделяют на:
– антрацитовые, образующиеся при сжигании антрацита, полуантрацита и тощего каменного угля (АУ);
– каменноугольные, образующиеся при сжигании каменного, кроме тощего угля (КУ);
– буроугольные, образующиеся при сжигании бурого угля (БУ).
2. По химическому составу золошлаки делятся:
– на высококальциевые
– низкокальциевые
Одним из основных показателей сырьевых материалов является их гранулометрический состав. Чем больше содержание микродисперсных частиц, тем выше пластичность материала. Следовательно, сырье будет обладать высокой связанностью, что положительно скажется на прочностных характеристиках готовых изделий, также гранулометрический состав важен для определения адсорбционных способностей материала.
Анализ гранулометрического состава показал, 60 % частиц составляет размер от 10 до 70 мкм. Размер и морфология частиц золошлаков представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3–Микрофотографии частиц золошлакового отхода
На фотографии видно, что частицы золошлакового материала представляют собой шарики и агрегаты компактной формы, размер частиц которых составляет от 10 до 100 мкм. Из приведенных данных можно сделать вывод, что данный материал является очень тонкодисперсным.
Для определения возможности дальнейшего использования золошлаковых отходов необходимо определить основные классификационные признаки: модуль кислотности и основности, силикатный модуль и коэффициент качества. Для проб с золошлакоотвала получены следующие классификационные признаки: модуль кислотности – 4,7; модуль основности – 0,16; силикатный модуль – 1,9; коэффициент качества – 0,54.
Полученные данные свидетельствуют, что золошлаковые отходы относятся к кислому типу зол. Кислые золы отличаются не стабильным химическим составом, малым количеством свободного оксида кальция и большим содержанием оксида кремния. Такие золы не обладают самостоятельными вяжущими свойствами, но при добавлении интенсификаторов твердения становятся вяжущими[7].
Свойства тех или иных ЗШС определяет их химический состав, который главным образом зависит от состава твёрдого топлива. Поскольку состав минеральной составляющей углей в месторождениях неоднороден, существуют некоторые колебания химического состава и свойств зол и шлаков ТЭС [7].
Химический состав большинства ЗШС ТЭС Российской Федерации соответствует кислым по классификации [7] (таблица 1.2), следовательно, не способным к самостоятельному твердению даже при тепловлажностной обработке.
Таблица 1.2 – Классификация золошлаков ТЭС
Вид Разновидность Содержание элементов, % по массе, в расчёте на оксиды
CaO+MqO SiO2+Al2O3 F2O3+FeO+ R2O SO3
1 2 3 4 5 6
I Высококальциевые Высокосульфатные (I-А) не менее 20 - - не менее 5
Низкосульфатные (I-Б) менее 5
II Низкокальциевые Кислые (II-А) менее 20 не более 70 не менее 10 -
Сверхкислые (II-Б) более 70 менее 10
Из всех исследованных материалов, только золошлаки от сжигания бурого угля некоторых разрезов Канско-Ачинского месторождения содержит значительное количество оксида кальция, и могут проявлять вяжущие свойства
В таблице 1.3 представлены данные химического анализа проб золошлаков ТЭС России и усреднённые данные по природным грунтам [10]. При оценке пригодности той или иной ЗШС, особое внимание необходимо уделять суммарному содержанию оксидов кальция и магния (CaO и MgO), а также количеству потерь при прокаливании (п.п.п).
В качестве грунта земляного полотна автомобильных дорог предпочтительно использовать ЗШС относящиеся к кислым или сверхкислым по классификации [7]. Величина п.п.п. должна соответствовать низкому или среднему содержанию горючих веществ (по классификации [7]), поскольку содержание органики может влиять на изменения свойств ЗШС во времени.
Таблица 1.3 – Химический состав золошлаков (данные РАО «ЕАС России») и грунтов
Вид материала/ сжигаемого угля Химический состав, в % по массе
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 п.п.п
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Экибастузский 57,0-65,0 22,0-30,0 2,0-13,0 0,3-0,2 0,1-1,2 0,3-1,4 0,1-0,6 0,1-2 0,3-0,5
Кузнецкий 50,0-64,0 18,0-30,0 4,0-15,0 2,0-10,0 0,5-2,5 1,3-2,4 0,5-1,3 0,3-22,0 3,0-22,0
Донецкий АШ 35,0-55,0 12,0-28,0 9,0-18,0 1,0-5,0 0,2-3,0 2,5-5,0 0,6-20,0 0,2-0,04 8,0-22,0
Бородинский 40,0-55,0 4,0-10,0 6,0-14,0 20,0-35,0 3,0-6,0 0,3 1,5 0,2 0,5 0,9 2,0
Березовский 13,0-45,0 6,0-15,0 5,0-12,0 34,0-60,0 5,0-10,0 0,2 1,0 0,1 1,1 1,0 1,0-12,0
Нерюнгринский 50,0-55,0 20,0-30,0 6,0-18,0 2,0-6,0 1,0-3,5 0,2 0,7 0,2 0,6 0,5 9,0-20,0
Окончание таблицы 1.3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Подмосковный 46,0-55,0 22,0-39,0 5,0-17,0 2,0-5,0 0,2-2,4 0,2 1,0 0,1 0,7 0,2 0,2-1,3
Челябинский 49,0-60,0 21,0-27,0 6,0-200 2,0-4,0 1,5-3,5 0,7 2,5 0,7 1,1 0,3 3,5
Интинский 56,0-64,0 18,0-19,0 11,0-13,0 4,7-7,5 1,6-2,7 1,1 1,5 0,9 1,4 0,7 4,3-7,6
Кварцевые пески 89,0-98,0 07,-5,1 0,4-1,2 0,3-1,5 0-1,5 - - 0,0 0,4-1,4
Глины 46,0-70,0 15,0-39,0 0,1-6,3 0-5,4 0-3,1 0,1 3,0 0,0 3,0 0,0 7,9-13,8
Супеси 79,0-95,0 4,4-9,0 0,2-5,7 0-4,0 0-2,0 0,1 0,9 0,0 2,0 0,0 0,6-4,0
Суглинки 64,0-78,0 11,0-14,0 0,7-7,4 1,5-4,9 0,8-2,4 1,7-3,4 1,1-2,0 - 4,6-7,7
Примечание п.п.п. – потеря массы при прокаливании (содержание горючих веществ)
Фазово-минералогический состав ЗШС включает неорганическую и органическую составляющие. Как следует из исследований Иванова Е.В. [11], неорганическая фаза ЗШС сложена кристаллической составляющей и аморфизированным веществом. Причем аморфная фаза включает аморфизированное глинистое вещество и зольное стекло с ферроалюмосиликатным составом.
Кристаллическую составляющую складывают первичные минералы в виде частично оплавленных зёрен кварца или полевого шпата, а также минералы новообразованные в процессе сжигания – муллит, гематит, магнетит, корунд и пр.
ЗШС имеют в составе и органическую часть, представленную углистыми остатками. Большинство минеральной составляющей («пустой породы») топливных углей представлены породообразующими компонентами, имеющими монтмориллонитовый, каолинитовый и гидрослюдистый характер.
В глинистом веществе Экибастузского угля преобладает каолинитовый состав, а Кузнецкого – гидрослюдистый и монтмориллонитовый. Минеральная составляющая углей Канско-Ачинского бассейна содержит значительное количество известняка. Это различие обуславливает разницу в фазовом составе золошлаков (таблица 1.4).
В процессе сгорания топлива глинистое вещество подвергается кратковременному нагреву (температура в ядре факела достигает 1400 – 1600 °С), вследствие чего это вещество дегидратирует и остекловывается.

Таблица 1.4 – Фазовый состав зол-уноса
Угольные бассейны Содержание веществ и минералов, % по массе
аморфизированное глинистое вещество стекло различных оттенков оплавленный кварц, муллит углистое вещество
1 2 3 4 5
Экибастузский Кузнецкий
Канско-Ачинский 40-60
10-30
1-10 15-35
50-75
70-85 5-10
5-15
4-12 2-10
4-12
1-12
Стекло в золах может быть силикатного, алюмосиликатного и железистоалюмосиликатного состава. Аморфизированные глинистые вещества - метакаолинит и слабоспекшееся аморфизированное глинистое вещество, а также спекшиеся и частично остеклованные частицы определяют химическую активность золы, форму и характер поверхности зольных частиц.
Шлаки по сравнению с золами содержат меньше органических остатков и аморфизированного глинистого вещества, но больше стеклофазы (до 95%). Обусловлено это тем, что шлаки большее время находятся в высокотемпературной зоне топки (особенно это относится к котлам с жидким шлакоудалением). Кристаллическая фаза в них представлена кварцем, муллитом, магнетитом и т.д.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Барыбина Т.А. ПРИМЕНЕНИЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА ТЕРРИТОРИИ РФ / Голубничий А.А.// Научная статья. Абакан: ХакГУ им. Н.Ф. Катанова, 5 с.
2. Об ассоциации – Статьи Национальная ассоциация производителей и потребителей золошлаковых материалов URL: http://zoloshlaki.ru/news/effektivnye-podxody-k-zoloshlakovym-otxodamshlakami-dorozhka/ (дата обращения 14.05.2023).
3. Путилин Е.И., Цветков B.C. Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог. Обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС. М.: СОЮЗДОРНИИ, 2003.
4. Горунович С.Б. Использование золошлаков в строительстве в контексте продления сроков эксплуатации золоотвалов ТЭЦ / С.Б. Горунович // Журнал "Новости теплоснабжения" №07 (190), 2016 г.
5. Копылова Е.Ю. Пути утилизации золошлаковых отходов. Сборник статей Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Сукиасян Асатур Альбертович. 2016. 34-36 с.
6. Отходы производства и потребления [Электронный ресурс] // Федеральная служба государственной статистики URL: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/ rosstat_main/rosstat/ru/statistics/environment/ (14.05.2023).
7. Лунев А.А. Обоснование расчетных значений механических характеристик золошлаковых смесей для проектирования земляного полотна: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 2019 / А.А. Лунев; СибАДИ. – Омск, 2015. – 192 с.

Весь текст будет доступен после покупки