Источники образования золошлаковых отходов и пути их рационального использования

Работы, проведенные при строительстве автомобильных дорог МКАД-Кашира, Москва-Серпухов, Алтай-Кузбасс и др., показали, что золошлаковые смеси, укладываемые в насыпь ниже рабочего слоя земляного полотна, должны быть максимально защищены от переувлажнения. С этой целью необходимо проведение следующих мероприятий [22]:

- крутизна откосов должна быть не менее 1:1,75 при высоте насыпи до 6 м; при большей высоте откосы нижней части насыпи (ниже 6 м) должны быть не круче 1:2, а верхней (выше 6м) - не круче 1:1,75;

- поверхность откоса следует защищать растительным грунтом толщиной не менее 0,3-0,4 м;

- золошлаковую смесь необходимо укладывать на слой из не дренирующего глинистого грунта, который должен играть роль капилляропрерывающего слоя и предохранять насыпь из золошлаковой смеси от увлажнения снизу;

- при устройстве насыпи на участках с 3-м типом местности по условиям увлажнения в нижней ее части должны быть устроены бермы из глинистых водостойких грунтов шириной не менее 1 м для предотвращения подтопления слоя золошлаковой смеси долговременно стоящими водами

Особое внимание следует уделять послойному уплотнению золошлаковой смеси с соблюдением режима влажности в зависимости от погодных условий. Влажность золы при уплотнении должна быть близка к оптимальной.

При применении золошлаковых смесей в рабочем слое земляного полотна необходимо принимать меры по нейтрализации неблагоприятных свойств золы, в основном ее способности к морозному пучению. Эти мероприятия должны быть направлены на предотвращение переувлажнения золошлаковых смесей в процессе укладки и ее работы в теле насыпи и должны включать [23]:

- назначение крутизны откосов с учетом возможности механизированной планировки, уплотнения и укрепления поверхности откосов;

- укладку морозозащитных слоев в верхней части земляного полотна;

- устройство дренажа и капилляропрерывающих прослоек;

- укладку защитного слоя на поверхность откоса;

- укрепление обочин земляного полотна.

В соответствии с [21] золошлаковые смеси, обработанные вяжущими материалами, целесообразно использовать в верхней части земляного полотна из-за их высоких теплоизоляционных свойств, позволяющих уменьшить промерзание грунтов земляного полотна.

Золошлаковые смеси, укрепленные цементом, образуют прочные водо- и морозостойкие структурные связи, обеспечивающие образование замкнутых пор [20].

Конструктивные слои из укрепленных золошлаковых смесей устраивают с целью обеспечить морозоустойчивость дорожных конструкций в условиях II-III дорожно-климатических зон на пучинистых грунтах земляного полотна дорог с покрытиями капитального, усовершенствованного или облегченного типов.

Для укрепления золошлаковых смесей используют 4-8% (массы смеси) цемента, а также жидкие битумы (1,5-2% массы золошлаковой смеси), СДБ (0,2-1%), извести (7-9%).

Для укрепления пылеватых песчаных, супесчаных и суглинистых грунтов, мелких одноразмерных песков, слагающих верхние слои земляного полотна, рекомендуется применять золы сухого улавливания в качестве самостоятельного вяжущего материала [21].

Золы уноса сухого улавливания используют для осушения верхней части земляного полотна при переувлажнении связных грунтов. Расход золы составляет 20-35% массы обрабатываемого грунта. Это позволяет в течение 3-4 сут. связать лишнюю воду и приблизить влажность песка и связного грунта в верхней части земляного полотна к оптимальной для его обработки или уплотнения [11].

При введении 2% (массы грунта) золы уноса Владимирской ТЭЦ [51] во влажный грунт через 18 ч на 5% уменьшилась влажность грунта.

Возможность применения золошлаковых материалов гидроудаления, укрепленных неорганическими вяжущими материалами - цементом или известью, для устройства слоев дорожных одежд изучалась с конца 70-х годов прошлого века [25 - 30]. В результате определились два направления использования отвальных золошлаковых смесей гидроудаления:

1 обработка цементом или известью и применение в качестве конструктивных слоев дорожных одежд;

2 как добавка к вяжущим в целях их экономии при укреплении грунтов.

Золошлаковые смеси, обработанные цементом или известью, проявляют в процессе твердения гидравлическую активность. Структурообразование обеспечивается взаимодействием клинкерных минералов с водой с образованием цементирующего вещества. Выделяющаяся при этом окись кальция взаимодействует с кремнеземистой и глиноземной составляющими золошлаковой смеси и способствует созданию новообразований (см. разд. 2). В результате повышаются прочность укрепленного материала в водо-насыщенном состоянии и его морозостойкость. Структурообразование протекает достаточно медленно (по сравнению с грунтами, укрепленными цементом), поэтому результаты целесообразно получать не в 28-суточном возрасте, а через 90, 180 и 360 сут. твердения.

Результаты обработки золошлаковых смесей цементом или известью зависят от вида золошлаковой смеси, ее химического и зернового состава. Так, золошлаковая смесь гидроудаления ТЭЦ-22 г. Москва, обработанная 8-10% цемента, использовалась в качестве основания дорожной одежды на автомобильной дороге Москва-Серпухов. Прочность при сжатии водонасыщенных образцов в возрасте 90 сут. составляла 40-70 кгс/см² [25], образцы золошлаковой смеси Барабинской ГРЭС (каменный уголь Кузнецкого угольного бассейна) - 30-50 кгс/см² и золошлаковой смеси от сжигания бурого угля Ступинской ТЭЦ - 12-20 кгс/см² [31].

Исследования показали, что в состав смеси целесообразно вводить небольшие добавки (10-15% массы золошлаковой смеси) песка средней крупности. Так прочность образцов золошлаковой смеси Ступинской ТЭЦ в водо-насыщенном состоянии при добавке к золе 6% цемента и 10% песка увеличилась до 55-65 кгс/см² [32].

Введение в цемент известковых отходов (содержание свободной СаО - 57%) в количестве 5-7% (массы смеси) значительно повышает морозостойкость материала [26]. После 25 циклов замораживания (при минус 20°С) и оттаивания образцы смеси, содержащие 87% золошлаковой смеси гидроудаления Игумновской ТЭЦ (Кузнецкого угольного бассейна), 6% цемента и 7% известковых отходов, характеризовались в возрасте 90 сут.. пределом прочности при сжатии 70 кгс/см².

Применение золошлаковых смесей гидроудаления в укрепляемых цементом песчаных грунтах и гравийно-песчаных смесях позволяет снизить расход вяжущего на 30% [27].

Для повышения морозостойкости песчаных грунтов, укрепленных цементом с добавками золошлаковых смесей гидроудаления, целесообразно использовать добавки хлористого кальция или пластифицирующие добавки типа СДБ. Введение 1-3% (массы золы) хлористого кальция позволяет активизировать структурообразование укрепленного грунта и получать материал, отвечающий требованиям I и II классов прочности. Кроме того, это дает возможность обрабатывать грунт при пониженных положительных и отрицательных (до минус 15°С) температурах воздуха.

При введении в золошлаковую смесь 2% СДБ (массы золы) прочность и морозостойкость песчаного грунта, укрепленного цементом, увеличивается в 1,5-2 раза.

Работами [42] показано, что измельчение золошлаковой смеси (до 1000 см²/г) и введение активаторов позволяют для глинистых грунтов с числом пластичности 22 получать прочность в водо-насыщенном состоянии в возрасте 90 сут, равную 34,8 кгс/см². Коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания был выше 1. Оптимальный состав следующий: 67% грунта, 30% молотого топливного золошлака, 3% активатора.

Золошлаковые смеси гидроудаления с добавками извести нашли применение в дорожном строительстве Украины и Казахстана [28, 29]. Действие золоизвесткового вяжущего основано на скрытой активности отвальных золошлаковых смесей, проявляющейся при взаимодействии с активным минеральным вяжущим. Золоизвестковое вяжущее готовят либо путем совместного помола золошлаковой смеси с комовой негашеной известью, либо ее перемешивания с известью-пушонкой или молотой негашеной известью в установках принудительного действия [33]. Добавка извести должна составлять 15-25% массы получаемого вяжущего.

В Удмуртии [45] золошлаковые смеси, укрепленные цементом и известью, имели в 28-суточном возрасте прочность при сжатии 20-30 кгс/см², марку по морозостойкости - 15, а в 360 сут. - в 2-4 раза больше.

В Казахстане построено около 300 км автомобильных дорог с использованием золоизвесткового вяжущего. Укреплению подвергали гравийно-песчаную смесь, вводя в нее 20% вяжущего

Исследованиями [35, 36] было установлено, что в условиях сухого и жаркого климата эффективно использовать золошлаковые смеси с добавками органических материалов - хлопкового гудрона. В этом случае создаются наилучшие условия для сохранения оптимальной влажности смеси и режима твердения для укрепленного грунта.

Исследования [38] показали, что обработка каменноугольных и буроугольных золошлаковых смесей жидким битумом позволяет значительно уменьшить значение коэффициента теплопроводности по сравнению с золошлаковыми смесями, обработанными цементом

ГОСТ 9128-97 [19] допускает использование в качестве минеральных порошков для пористого и высокопористого асфальтобетонов, а также плотного золы уноса и золошлаковые смеси. Для таких материалов нормируются:

- зерновой состав;

- пористость;

- битумоемкость;

- потери при прокаливании;

- содержание окисей кальция и магния, водорастворимых соединений.

Исследованиями [50] показана целесообразность применения зол ТЭЦ городов Чита, Краснокаменск, Петровск-Забайкальск в качестве минеральных порошков для приготовления асфальтобетона

Работами [68, 69] установлена возможность применения зол и золошлаковых смесей Владимирской ТЭЦ в качестве заполнителя.

Обоснована [72] эффективность использования зол уноса и сланцевых фусов как минерального порошка при приготовлении асфальтобетонных смесей для устройства покрытий автомобильных дорог и аэродромов.

Имеется опыт применения в дорожных асфальтобетонах материалов из отвалов золошлаковых смесей и отходов производства органических полимеров [76].

В работе [18] показано, что введение зол и золошлаковых смесей от сжигания каменных и бурых углей, торфов в качестве минерального порошка для приготовления асфальтобетонных смесей позволяет получать материал с нормативными физико-химическими характеристиками. Более высокие показатели свойств асфальтобетонных смесей получали при активации или домоле зол.

Активация золошлаковой смеси производилась следующим образом [53]. ЗШС помещали в сушильно-обжиговую камеру для обработки при температуре 600-800°С. Затем материал поступал в смеситель, где обрабатывался гидрофобизирующим газом, который получали в генераторе путем нагрева гидрофобизирующего материала до температуры 200-250°С. В качестве гидрофобизаторов использовали топочный мазут, вязкий битум марки БНД 90/130, битум с добавками соответственно таллового масла и жирового гудрона. Расход гидрофобизатора составлял 0,15-0,3% по массе адсорбента.

Лучшие показатели гидрофобности золошлака были получены при обработке газовой смесью битума БНД 90/130 и жирового гудрона в соотношении 1:1. Уменьшились пористость (с 51 до 45% по объему) и битумоемкость (с 120 до 84 г), увеличилась удельная поверхность (с 3310 до 3670 см²/г). Кроме того, золошлак приобрел устойчивую, необратимую гидрофобность.

Домол золошлаковых материалов совместно с добавкой кварцевого песка улучшает качество смеси [54]. Битумоемкость порошка, полученного в результате помола ЗШС с добавкой 5% кварцевого песка (массы ЗШС), составила 81,7 г (битумоемкость молотой золы без добавки песка - 117 г).

Работами [80] показана эффективность применения золошлаковых материалов в асфальтобетоне для повышения и его противогололедных свойств.

Работами [39] было показано, что отвальные золошлаковые смеси можно использовать в качестве однокомпонентного заполнителя в мелкозернистых бетонах (без природного песка и крупного заполнителя), а также в различных бетонах в сочетании с природными или искусственными заполнителями.

Содержание в золошлаковой смеси зерен мельче 0,315 мм должно составлять 20-50% по массе. Расход цемента повышается на 10-20% по сравнению с бетонными смесями традиционного состава

Мелкозернистый бетон на заполнителе из золошлаковой смеси обладает прочностью 50-500 кгс/см², морозостойкостью 15-150 циклов, теплопроводностью 0,87-0,93 Вт/(м°С).

Установлено [43], что применение золошлаковых смесей при производстве бетонных и железобетонных изделий позволяет экономить до 30% цемента.

Добавки отвальных золошлаковых смесей Курской ТЭЦ-1 [48] в бетонные смеси позволяют экономить до 15% цемента, а при сульфатной активации золошлаков - до 30%.

Применение золошлаковых материалов Бурштынской ГРЭС (от сжигания каменных углей Львовско-Волынского бассейна) [47] позволило заменить в бетонах для производства дорожных плит, дорожного и газонного бордюра, тротуарной плитки и других изделий до 40% мелкозернистого природного песка.

Использование зол и шлаков от сжигания бурого угля дало возможность сократить до 20% песка и уменьшить расход цемента на Владимирском ЖБК [49].

Разновидностью мелкозернистых бетонов на золошлаковых смесях являются бетоны на золопесчаном заполнителе. Их получают введением в тощие цементопесчаные смеси золы ТЭС, которая выполняет функции микронаполнителя и пуццолановой добавки. Она заполняет пустоты между песчинками, увеличивает содержание теста вяжущего и объемную концентрацию твердой фазы в бетонной смеси.

Оптимальные составы золопесчаных бетонов достигаются при соотношении компонентов (по массе) цемент:зола:песок = (1:0,2:3,8) - (1:0,8:5,4). Введение золы на 20-50% увеличивает прочность песчаных бетонов.

При приготовлении тяжелого бетона золошлаковая смесь может частично или полностью заменить песок. Целесообразно вводить золошлаковую смесь вместо мелкозернистого песка, требующего повышенного расхода цемента. Золошлаковая смесь улучшает зерновой состав и укладываемость бетонной смеси при экономии дорогостоящих заполнителей, а в отдельных случаях и цемента

Работами [62] было обосновано использование высушенной золошлаковой смеси в качестве компонента золокарбонатоцементного вяжущего для производства сухих смесей. Такое комплексное вяжущее позволяет экономить до 30-50% цемента в зависимости от марки бетона.

Золошлаковые смеси нашли применение в виде пористых зольных заполни гелей в керамзитобетоне, в бетонах на глиноземном керамзите, на зольном аглопоритовом гравии, на безобжиговом зольном гравии.

Ведущее место среди стран Западной Европы в решении проблемы использования топливных отходов ТЭС в дорожном строительстве занимает Франция [57]. Золы уноса используются во всех элементах дорожных конструкций. В зависимости от их состава и свойств они могут входить в тело насыпи как техногенный грунт; как минеральный материал, укрепленный гидравлическим вяжущим, в нижних слоях основания; в верхних слоях основания как компонент смешанного вяжущего или в качестве самостоятельного вяжущего; в асфальтобетонных покрытиях как минеральный порошок, в цементобетонных - как добавка, улучшающая состав бетона.

Влажные золы уноса применяют для возведения насыпей, если невозможно заложить резервы или карьеры из естественных грунтов, а также при их неудовлетворительном качестве. Золы укладывают слоями по 40-50 см с уплотнением, откосы укрепляют дерном

В нижних слоях оснований широко применяют смеси зол уноса с известью и гипсом, в верхних дробленую гравийно-песчаную смесь, укрепленную зольно-известковым вяжущим. Оптимальные результаты получены при соотношении извести и золы 1:4. Если установки для приготовления смесей размещены около отвалов зол уноса, то на территорию ТЭС завозят гравийно-песчаную смесь, известь и гипс, подводят водопровод; если они находятся на строительной площадке, то на нее завозят все материалы. Для приготовления смесей используют смесители с принудительным перемешиванием производительностью 300 т/ч. При укладке смесей особое внимание уделяют качеству уплотнения. Его осуществляют виброкатками, катками на пневматических шинах, пневмовиброкатками. На укрепленном слое основания устраивают защитный слой типа одиночной или двойной поверхностной обработки путем розлива 0,5-2 л/м² катионной битумной эмульсии и распределяют 0,5-6 л/м² песка или щебня фракции 10-20 мм. Укладка асфальтобетонного покрытия непосредственно на гравийно-песчаную смесь, содержащую известь и золу, не допускается.

Активные золы для укрепления песков, гравийно-песчаных и гравийно-щебеночных смесей применяют в качестве самостоятельного вяжущего в количестве 5-15% (массы смеси).

В укатываемом бетоне для обеспечения наибольшей его плотности используют золу уноса, отходы горнодобывающей промышленности, известняки и др. [73].

В Англии зола уноса от сжигания каменного угля была применена в начале 60-х годов как материал для возведения насыпей. Исследования показали, что зола уноса является материалом, пригодным для сооружения насыпей и устройства нижних слоев основания дорожной одежды, которые должны находиться на глубине не менее 40 см от поверхности покрытия в связи с их недостаточной морозоустойчивостью. Аналогичные исследования золошлаковых смесей из отвалов тепловых электростанций доказали их пригодность для сооружения насыпей и устройства оснований дорожных одежд. Из этого материала были отсыпаны две насыпи при реконструкции дороги А1, в которые уложено около 172800 м³ золошлаковой смеси [58]. Рекомендовано не сооружать насыпи из мелкого и влажного материала.

Золу уноса использовали в жестком укатываемом бетоне для устройства дорожных одежд, а также для укрепления подстилающих слоев [66]. Образцы бетона с добавкой 42% (массы вяжущего) золы в возрасте 28 сут. показали большую прочность, чем обычного

Несколько насыпей из золошлаковых смесей построено в Венгрии [59]: одна высотой 2-3 м, объемом 4000 м³, вторая - соответственно 1,7 м и 22744 м³, третья - 1,5м и 2700 м³. Чрезвычайно неблагоприятная погода (за 8 дней выпало 400 мм осадков в виде дождя) не помешала строительству благодаря хорошей дренирующей способности смесей. Кроме того, в 1986г. с применением золы было уложено около 2 млн. м² дорожных покрытий [65]. Исследования, проведенные в США, показали, что золы можно использовать для гидротехнических насыпных сооружений [60] Опыты на свежеуложенных образцах по определению сопротивляемости сдвигу показали, что зола уноса имеет некоторое сцепление при увлажнении вследствие поверхностного натяжения в поровой воде.

Отмечается, что если процесс консолидации в лабораторных: условиях длится считанные минуты, то осадка насыпи из тaкого материала происходит на протяжении всего строительного периода

В Польше проведены исследования и опытные работы по укреплению золы уноса как самостоятельным вяжущим не только песков, но и глинистых грунтов [61]. Получены положительные результаты при устройстве однослойного основания из глины, укрепленной 85% золы уноса, и двухслойного основания с нижним слоем из пылеватых лессовых суглинков, укрепленных 8-12% золы уноса и верхним слоем из того же грунта, укрепленного 6% золы уноса и таким же количеством портландцемента. Установлено, что грунты (пылеватые пески, глины, суглинки), укрепленные 5-15% золы уноса, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к грунтам, укрепленным цементом или известью. Однако нарастание - прочности протекает медленней. Морозостойкость укрепленных грунтов в 42-суточиом возрасте в большинстве случаев достигает значений, получаемых при укреплении аналогичных грунтов цементом в возрасте 28 сут.

В Японии в используемый для дорожного строительства смешанный шлак сталеплавильного производства добавляют 5% (массы смеси) золы уноса [63]

В Италии [64] зола от сжигания угля применяется как естественный заполнитель и вяжущее в конструкциях дорожных одежд.

В Китае при сооружении автомобильной дороги в качестве несущего слоя использовали смесь извести с каменноугольной золой [70] в оптимальном соотношении компонентов: известь: зола = 1:4. При содержании извести 12% прочность образцов на 56-е сутки составила 33,2 кгс/см^2. На скоростной магистрали Nanjing-Yancheng в качестве основания дорожных покрытий применяли грунт, укрепленный комплексным вяжущим - цементом, известью и золой уноса [74]

В Финляндии каменноугольная зола уноса эффективно используется в асфальтобетонных смесях в качестве добавки к известковым наполнителям [71]. С ее помощью были укреплены болотистые грунты на одном из участков дороги [79].

В Индии зола уноса применяется для укрепления грунтов насыпи и для устройства покрытия [77]. Имеются даже проекты использование для строительства этажных зданий. Нецелесообразным оказалась засыпка золой мокрых низин с последующим продуктивным использованием земель.

В США осуществлено укрепление золой уноса грунта под основание дорожной одежды на глубину 15 см [78].

В Бельгии золы уноса используются как активная добавка в пуццолановыс бетоны и в качестве компонента вяжущего для - укрепления песка [18].

Литература

Эльтермап В. М. Охрана окружающей среды на химических и нефтехимических предприятиях. М.: Химия, 1985. 160 с,

Лейкан И. И. Рассеивание вентиляционных выбросов химических предприятий. М.: Хнмня, 1982. 224 с.

Перегуд Е. А. Санитарно-химическин контроль воздушной среды. Л.: Химия, 197S. 336 с.

Наркевич И. П., Печковский В. В. Утилизация и ликвидация отходов в технологии неорганических веществ, М,; Химия, 1984, 240 с.

Экологические проблемы химического предприятия/О. Г. Воробьев, О. С. Балабеков, Ш, М. Молдабеков, Б. Ф. Уфимцев. Алма-Ата: Казахстан, 1984. 172 с.

С. Калверт, М. Треиюу и др. Защита атмосферы от промышленных загрязнении/Под ред. С, Калверта и Г. М. Инглунда. В 2-х т. М.: Металлургия, 1988, 1470 с,

Техника защиты окружающей средьт/Н. С, Торочешников, А. И. Родионов, Н. В. Кедьцев, В. Н. Клушин. М.: Химия, 1981. 368 с,

Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология. М.; Высшая школа, 1988. 272 с.

Ужов В. Н., Вальдберг А. Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М,: Химия, 1972, 248 с.

Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. М,: Химия, 1981. 616 с.

Быстрое Г. А., Гслыгерин В. М„ Титов Б. И. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Л,; Химия, 1982. 264 с.

Т. А. Семенова, И. Л. Лейтес, Ю. В. Аксельрод и др. Очистка технологических газов/Под ред. Т. А. Семеновой. М; Химия, 1977. 488 с.

Кузнецов И. Е., Троицкая Т. М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. М.: Химия, 1979. 344 с.

Алтыбаев М. А. Разработка и внедрение хемосорбционной очистки промышленных газов от сернистых и фосфорных соединений в псевдоожи-женном слое с утилизацией продуктов очистки: Дне. ... д-ра техн. наук, Ташкент, 1989. 406 с.

Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрекий/Э. Я. Та-рат, О. Г, Воробьев, О. С. Балабеков, В. И. Быков, О. Г. Ковалев/Под ред. Э. Я. Тарата. Л.: Химия, 1979. 208 с.

А. А. Соколовский, Т. И, Унанянц. Краткий справочник по минеральным удобрениям, --М.: Химия, 1977. 376 с.

Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений/ И. П. Мухленов, О. С. Ковалев, А. Ф. Туболкин, О. С. Балабеков и др./ Под ред. И. П. Мухленова и О. С. Ковалева. М.: Химия, 1987. 208 с.

Бесков С. Д. Технохимические расчеты. М.: Высшая школа, 1966. 520 с.

Коузов П. А., Малыгин А. Д., Скрябин Г. М. Очистка от пыли газов и воз-духа в химической промышленности. Л,: Химия, 1982. 256 с.

Бродский Ю. Н, Определение эк он ом ико-экологи ческой эффективности систем газоочистки и пылеулавливания//Хиническое н нефтяное машиностроение. 1986. № 2. С. 3--4.

21. Stalrmand С. J, Chemical Engineer, СЕ. 310 (1965).

Карнаухов И. А., Доронин В. И.. Цирульников П. Г. Экономический анализ технологических параметров каталитического обезвреживания газовых выбросов//Хим. пром-сть. 1988. № I. С. 55--56.

Кафиров В. В. Принципы создания безотходных химических производств, М.: Химия, 1982. 288 с.

Харлампович Г. Д., Кудряшова Р, И. Безотходные технологические процессы в химической промышленности. М.: Химия, 1978. 280 с.

Размещено на Allbest.ru