Золошлаки: опыт применения в дорожном хозяйстве

Золошлаковые материалы - это побочные продукты сжигания угля на теплоэлектростанциях. Они в основном состоят из породообразующих компонентов, а также углерода, ангидрита CaSO4, иногда - оксида железа и алюмосиликата кальция. Заместитель директора департамента экономики замкнутого цикла ППК «Российский экологический оператор» Михаил Никольский обратил внимание коллег на определение «золошлаковые отходы», отметив, что недавно был принят 268 Федеральный закон, в котором внесены изменения в базовый закон № 89.

В документе сказано, что вторичный ресурс - это отходы, а не наоборот, что отходы - это вторичный ресурс. С точки зрения законодательства это означает, что режим обращения со вторичным ресурсом равняется режиму обращения с отходами. Поэтому у владельца данного отхода есть две опции: первая - отдельно учитывать данный продукт, второе - осмыслить возможность их применения. По словам Михаила Никольского, если эта возможность применения в рамках федерального проекта «Экономика замкнутого цикла» будет осмыслена, то из отходов можно сделать вторичное сырье, которое станет продукцией.

«Что касается золошлаковых отходов. Если мы воспользуемся теми же подсказками, которые в 89 Федеральном законе присутствуют, там введено понятие «энергетическая утилизация». Для того, чтобы в печку не пошли все те полезные фракции, которые в отходах содержатся, отдельно было оговорено, что в ходе энергетической утилизации могут быть использованы для переработки в энергию только отходы, прошедшие предварительную обработку и отбор полезных компонентов. Когда мы говорим про золошлаковые отходы, мне кажется, мы совершенно справедливо также должны говорить, что золошлаковые отходы должны пройти предварительный отбор полезных компонентов, только после этого можно перейти к вопросу о применении оставшейся продукции для целей дорожного хозяйства»

Что говорят национальные стандарты?

О нормативно-техническом регулировании применения золошлаков, зол-уноса и материалов на их основе при строительстве автодорог рассказал Президент Ассоциации «Р.О.С.АСФАЛЬТ» Николай Быстров. Он отметил, что дорожная отрасль является «локомотивом» в этом направлении, объем разработанных документов Федеральным дорожным агентством и Министерством транспорта России за последние десятилетия вызывает уважение.

Действующий сегодня ГОСТ 23558 (1994 года) «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства» предусматривает применение золы-уноса в качестве вяжущего второго типа. Есть и более свежая нормативная документация: ГОСТ 32761 от 2014 года (контролирует применение минерального порошка), ГОСТ 32826 от 2014 года, где описаны требования к щебню и шлаковым пескам, ГОСТ 33174 от 2014 года, который контролирует применение цемента, ГОСТ Р 59300, где описаны требования к бетонным смесям для устройства слоев оснований и покрытий.

Правильное применение комплексных минеральных вяжущих для стабилизации и утепления грунтов описано в ГОСТе Р 70196 от 2022 года. Также действуют ПНСТ 322 от 2019 года «Грунты стабилизированные и укрепленные неорганическими вяжущими», ПНСТ 326 от 2019 года «Смеси песчаные, обработанные неорганическими вяжущими», ГОСТ Р 70452 от 2022 года, который предусматривает применение золошлаковых отходов в качестве укрепляемых техногенных грунтов и ОДМ 218.2.031 от 2013 года «Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей (ЗШС) от сжигания на тепловых электростанциях в дорожном строительстве».

«ГОСТ 1994 года содержит абсолютно четкую прямую запись - пункт 4.2 - о том, что золошлаковые смеси подвергаются обработке неорганическими вяжущими как один из видов укрепленных грунтов. То есть у нас в данном случае широчайшие возможности были заложены еще в 1994 году для применения золошлаковых смесей при укреплении грунтов при устройстве дорожных конструкций»

ГОСТ 32761-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Порошок минеральный. Технические требования» содержит в себе пункт по количественному содержанию. Так, потери при прокалывании в твердых отходах промышленного производства, используемых для приготовления минерального порошка, и в порошковых промышленных отходах, используемых в качестве минерального порошка (золах-уносах и золошлаковых смесях тепловых электростанций), должны составлять не более 20 % от массы.

В ГОСТе 32826-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Щебень и песок шлаковые» указаны требования к щебню. Он должен иметь зерновой состав, содержать зерна лещадной формы, быть дробимым и износостойким, содержать слабые зерна и металлические примеси, обладать морозостойкостью и быть устойчивым к распаду.

«В ГОСТе 33174-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Цемент» есть пункт 5.15.1, в котором написано, что для изготовления цемента для бетона оснований применяют портландцементный клинкер, соответствующий требованиям ГОСТ 31108 (общестроительные цементы), где в пункте 4.3.5 предельно четко написано, что одним из основных компонентов цемента является зола-уноса»

В ГОСТе Р 70196-2022 «Комплексные минеральные вяжущие для стабилизации и укрепления грунтов» есть пункт 5.2.2.2., в котором написано, что основными компонентами комплексных минеральных вяжущих (КМВ) могут быть портландцемент, портландцементный клинкер, доменные и электротермософочфорные гранулированные, зола-уноса, строительная известь (кальциевая негашенная и гидратная), микрокремнезем, пуццолана, глиеж, обоженный сланец, белитовый шлам, известняк, золошлаковые смеси и пыль-уноса вращающихся печей.

По словам Президента Ассоциации «Р.О.С.АСФАЛЬТ», сегодня вместо ПНСТ 322-2019 действует ГОСТ 70453-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Грунты стабилизированные и укрепленные неорганическими вяжущими». В нем есть пункт 4.3, где прописаны требования к материалам, применяемым при укреплении или стабилизации грунтов. Там же указано, что для укрепления грунтов могут быть использованы техногенные грунты, в том числе золошлаковые отходы, которые могут быть применены в качестве вторичных ресурсов. В качестве добавок допускается применять золу-уноса по ГОСТ 25818 и золошлаковые смеси по ГОСТ 25592.

Кроме того, вместо ПНСТ 326-2019 стал действовать ГОСТ Р 70455-2022 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные», где в пункте 5.3. указано, что в качестве добавок допускается применять золу-уноса по ГОСТ 25818 и золошлаковые смеси по ГОСТ 25592.

Еще один важный документ - ОДМ 218.2.031-2013 «Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве». Здесь прописана подробная классификация, общие требования (потери при прокалывании, морозное пучение), требования при испытании в дорожной одежде и при укреплении минеральными вяжущими, требования при испытании в смесях с органическими вяжущими, правила приемки, а также рекомендации по проектированию и строительству, включая конструкции земляного полотна и технологию производства работ.

Представив всю нормативно-техническую документацию, спикер рассказал об основных актуальных проблемах применения в России не только золошлаковых материалов, но и в принципе вторичных ресурсов. По его словам, сегодня есть две крайности, которые периодически проявляются при обсуждении данной темы. Первая - призывы в срочном порядке применять вторичные ресурсы, не задумываясь о последствиях для дорожных конструкций. Один из таких подходов - периодические предложения о внесении в правительственные документы неких обязательств по применению в дорожных работах различных отходов в случае, если они находятся на расстоянии от объекта ближе чем число Х.

«Я очень рад, что этот вопрос был обсужден в широком кругу с участием нескольких министерств под руководством Ирека Энваровича Файзуллина (министра строительства и ЖКХ РФ - прим.ред.), где была проведена черта под этим, как мне кажется, абсолютно неприемлемым подходом. <...> Поручения, которые дал Ирэк Энварович, предельно четко предписывают, как двигаться дальше с точки зрения определения возможности. Во-первых, речь идет о включении золошлаковых отходов в классификатор строительных ресурсов, разработке сметных расценок и так далее. <...> Вторая крайность, с которой мы тоже сталкиваемся: «Все отходы - это зло, и мы вообще не хотим это обсуждать, не хотим применять». Обе эти крайности одинаково вредны. И то, и другое может принципиально мешать двигаться вперед в этом направлении»

Спикер заявил, что дорожной отрасли необходимо выстраивать отношения с организациями, которые являются содержателями данных отходов. Например, не так давно Сибирская генерирующая компания (СГК) выступила с предложением: выйти на дорожные организации с золошлаковыми материалами, которые отвечают конкретным требованиям, предъявляемым дорожными компаниями. По словам Николая Быстрова, инициативу следует поддерживать: в этом случае дорожники получат конкретный продукт с определенными свойствами, который соответствует нормативным документам.

«Теперь о том, что меня настораживает в сегодняшней истории. То, что государственные структуры, которые занимаются вторичными ресурсами, с моей точки зрения, более чем недостаточно уделяют внимания мерам стимулирования. <...> Сегодня мер поддержки применения золошлаковых смесей я лично не знаю, буду рад, если меня поправят и расскажут о комплексе мер, которые могут помочь тем, кто эти отходы имеет, и тем, кто эти отходы желает применять. Мне ситуация представляется архинегативной. Повторяю: реальных мер поддержки - организационных и финансовых - на сегодняшний день я привести не могу»

Опыт применения ЗШМ при строительстве дорог в России

По словам директора центра компетенций ФГБОУ ВО «СибАДИ» Александра Лунева, на данный момент Россия отстает от других стран по вопросу применения золошлаков. При этом он отметил, что в большинстве стран данный материал активно используется не в дорожной деятельности, а в первую очередь - в строительной сфере и сельском хозяйстве.

«В России опыт тоже имеется, он весьма отличается от общемирового. Он разнообразен: есть маленькие участки дорог, например, около золотоотвалов. У каждого второго золотоотвала в Российской Федерации, есть какая-то маленькая эксплуатационная дорога, на которой эти материалы были использованы. Кроме того, с советского периода у нас огромное количество улиц и загородных дорог, построенных с применением именно золоминеральных материалов или укрепленных золошлаковых смесей»

Один из крупнейших объектов, который был построен с использованием золошлаков, - транспортная развязка на дороге 1В категории в Ступинском районе Московской области. Особенность объекта в том, что рядом проходят железнодорожные пути, то есть здесь постоянная динамическая вибрационная нагрузка. Тем не менее этот материал работает: сооружение до сих отвечает всем нормативным характеристикам.

«Хотя использовался стандартный комплекс машин, часть работ велась в зимний период, что для тонкодисперсных грунтов, как правило, является сложностью в применении. В процессе разработки были нарекания в плане подготовки материала - они были незначительные и простоустраняемые, эти недостатки не смогли ухудшить качество сооружения, материал прекрасно эксплуатируется по сей день»

Еще один объект - транспортная развязка в районе МКАД в Люберецком районе Подмосковья, где часть съездов с использованием золошлака проходит по бывшей свалке бытовых отходов, а в одном месте есть заболоченный участок с переувлажненным основанием. По словам спикера, здесь были проблемы с технологией, связанные с климатом. В период использования данного материала (в сентябре) шли сильные дожди на протяжении двух недель. Это привело к переувлажнению продукта на 15 %. Вместо того, чтобы сушить, подрядчик попытался уплотнить продукт, что ухудшило качество материала. В связи с этим все работы пришлось перенести на весенний период. На данный момент сооружение активно эксплуатируется, никаких проблем нет.

Есть положительный опыт использования золошлакового материала на трассе Р-254 «Иртыш» в Новосибирской области, но сначала был получен отрицательный опыт с высокой размываемостью материала. Однако ФКУ «Сибуправтодор» быстро ликвидировало эти происшествия с неукрепленной частью золошлака, и после этого нареканий по этому участку до сих пор нет, он эксплуатируется уже около 4 лет.

Также была проработана возможность применения золошлаков при строительстве автодороги «Северный обход Омска». Специалисты проводили исследование омских золоотвалов, которые потенциально могут быть пригодны, бурили их до 12 метров на всю толщину, оценивали физические и механические свойства, строили карты изменения свойств.

«С ФАУ «РОСДОРНИИ» в рамках Северного обхода в 2019 году прорабатывали возможность использования этих материалов с положительным заключением, и наше Управление дорожного хозяйства приняло эти факты во внимание, что действительно золошлаковые материалы, особенно омские, прекрасно подходят для нижней части земполотна, есть технологии, которые позволяют это все использовать, есть понимание, как это все укреплять, как из этого строить»

Доцент кафедры автомобильных дорог ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» Надежда Слободчикова рассказала об опыте применения золошлаковых материалов при строительстве обхода города Усолье-Сибирское на трассе Р-255 «Сибирь» (с 1797-го по 1842-й км) в Иркутской области. В качестве испытательного полигона был выбран участок протяженностью 150 метров в составе временной объездной дороги: для него разработали четыре варианта конструкции дорожной одежды. В итоге выбрали тот, где использовалось двухслойное покрытие из асфальтобетона на щебеночном основании.

«Проведено сопоставление стоимости участка автомобильной дороги с земляным полотном из золошлаковой смеси и участка автодороги с земляным полотном из местного грунта. Несмотря на то, что дорожная одежда на земполотне из золошлаковой смеси имеет повышенную толщину, общая стоимость строительства получилась на 14 % ниже, чем участок автодороги с земляным полотном из местного грунта»

После этого в теле земполотна из золошлаковой смеси и земполотна из местного грунта на соседнем участке были размещены датчики контроля температуры и влажности. Наибольшее влагонакопление было зафиксировано в весенний период, но, несмотря на значительные показатели влажности, участок не потерял устойчивости и имеет примерно такие же характеристики по ровности и дефектности как и соседний участок из местных грунтов.

Спикер отметила, что золошлаковые смеси ТЭЦ Иркутской области возможно эффективно применять в составе комплексных вяжущих для укрепления местных грунтов дорог, в качестве техногенного грунта, укрепленного неорганическими вяжущими, для строительства слоев оснований дорожных одежд, а также в качестве техногенного грунта для слоев земляного полотна.

Технология использования золошлаков

Заместитель директора по качеству ООО «Стройсервис» Глеб Старков назвал основные факторы, предопределяющие применение золошлаковых материалов, которые можно разделить на две группы: технико-экономические и экологические. К технико-экономическим факторам относится практически неограниченное количество продуктов, низкая стоимость, полный и частичный отказ от грунта, природного песка и привозных каменных материалов (щебень, дробленный песок), а также возможность применения эффективных машин и механизмов. К экономическим факторам можно отнести снижение загрязнения окружающей среды, сокращение добычи каменных материалов, высвобождение земельных площадей, сохранение природной флоры и фауны.

При применении ЗШМ, помимо систематического подхода с изучением каждого золоотвала, необходимо внимательно следить за технологией, будь то научно-техническое сопровождение, повышенный контроль качества и т.д. На сегодняшний день это главная проблема, которая может испортить впечатление о вторичном материале.

Как отметил директор центра компетенций ФГБОУ ВО «СибАДИ» Александр Лунев, наиболее перспективными и проработанными направлениями использования золошлаковых материалов является, во-первых, производство комплексных минеральных вяжущих и геополимерных вяжущих, во-вторых, отсыпка земляного полотна из ЗШМ, в-третьих, укрепление основания и стабилизированный РС. По словам спикера, укрепление/стабилизация с применением ЗШС - самый проработанный вопрос использования золошлаков как в России, так и в мире. Для этого в нашей стране есть вся необходимая нормативная документация.

«Мы можем уже сейчас брать готовые документы, использовать укрепленные неорганическими вяжущими золошлаковые материалы для стабилизации рабочего слоя, для использования в основании дорожных одежд, для покрытия дорожных одежд. <...> Таким образом, теоретически всю конструкцию дорожной одежды построить из золошлаковых материалов»

Проанализировав вопрос применения золошлаковых материалов, эксперты пришли к выводу, что в нижней части насыпей земполотна возможно использовать ЗШС только ниже рабочего слоя в чистом или стабилизированном виде, при этом топливные шлаки можно использовать во всем земляном полотне. В рабочем слое насыпей земполотна топливные шлаки пригодны без ограничений, а ЗШС можно использовать в стабилизированном/укрепленном виде и с применением мероприятий по контролю водно-теплового режима. В слоях основания автодороги топливные шлаки возможно использовать в дополнительных слоях дорожной одежды и в рабочем слое земполотна. На подходах к мостам и в местах устройства водопропускных труб ЗШС непригодны для использования в связи с низким коэффициентом фильтрации, а топливные шлаки потенциально пригодны для засыпок труб и подходов.

По словам Александра Лунева, для успеха программы утилизации ЗШС требуется проведение технического мониторинга состояния отвалов, в том числе анализ документации и опросы специалистов ТЭЦ, проведение исследований на золоотвалах и оценка технологического потенциала утилизации. Также нужно получить новые материалы из ЗШМ - для этого необходимо детально проработать использование геополимеров, разработать стандартную практику стабилизации золошлаковых смесей и получить дискретные материалы из ЗШС и зол-уноса. Кроме того, важно разработать новые конструктивные решения (включить материалы на основе ЗШС в типовые конструкции ДО, добавить в СП 34.13330 данные о ЗШС, разработать альбомы конструкций) и модифицировать нормативную базу.

«Нужно перевести ОДМ 218.2.031 в ГОСТ - он нужен. Он очень сильно повысит статус существующих решений и позволит их использовать наряду с другими материалами, и обязательно нужно модернизировать ПНС-542, внедрив туда параметры материала, чтобы можно было без проблем проектировать в том числе рабочие слои стабилизированных материалов»

Еще один важный аспект - вопрос экологии. С одной стороны, большинство золошлаковых образований относят к пятому классу опасности, с другой стороны - это могут быть и грунты, которые в принципе по содержанию тяжелых металлов соответствуют нормативам для почв, которые используют для биологической рекультивации полигонов ТБО. По словам Александра Лунева, ЗШМ на территории РФ, как правило, не радиоактивные, поэтому все опасения по этому поводу напрасны. Кроме того, были подобраны травосмеси, которые показывают, какие культуры лучше растут и удерживают откос от размыва. В список включили кислицу обыкновенную, клевер, пырей ползучий, чистец, горец птичий и овсянницу. Если использовать эти растения, можно отказаться от ряда геосентетических материалов и использовать биологические методы рекультивации.