Материалы из техногенного сырья для дорожного строительства

Буравчук Н. И., Гурьянова О. В., Окороков Е. П., Павлова Л. Н., Научно-исследовательский институт механики и прикладной математики им. И. И. Воровича Южного федерального университета, Ростов-на-Дону, Россия

Ограниченность природных минеральных ресурсов и необходимость снижения издержек производства обусловливают использование в качестве сырья техногенных отходов, среди которых особое место занимают породы шахтных отвалов и золошлаки.

Свойства, физическое состояние, а также объемы накопленных в отвалах отходов добычи и сжигания твердого топлива определяют наиболее перспективные направления их утилизации:

—   дорожное и гидротехническое строительство;

—   возведение конструктивных насыпей;

—   устройство промышленных, производственных и остановочных площадок, стоянок, стадионов, теннисных кортов, «постели» траншей при прокладке трубопроводов и их засыпка;

—   благоустройство территорий;

—   использование при выполнении других общестроительных работ.

Практический опыт применения углеотходов в дорожном строительстве имеют все угольные регионы. Так, в п. Киселево Ростовской области для подъезда к промплощадке шахты эксплуатируют участок автомобильной дороги с подстилающим и нижним слоями основания из горелых пород отвала шахт им. С. М. Кирова и им. В. В. Воровского. Испытания щебня из горелых пород шахты № 26 в основании дорог IV и V категорий с устройством покрытий облегченного, переходного и низшего типов проведены в г. Гуково Ростовской области (шахты «Алмазная», «Замчаловская», им. 50-летия Октября). Подготовку щебня из пород производила фирма «Гуковнеруд».

Для устройства подстилающего слоя использовали щебень после первого дробления с размером зерен от 20 до 150 мм. Технологический процесс сводился к разравниванию породы и уплотнению спланированной поверхности легкими или средними катками с металлическими вальцами. Образующиеся просадки выравнивали, рассыпая горелую породу меньшей крупности, и 15—18 раз пропускали тяжелый каток. Уплотнение заканчивали при прекращении деформации после прохода катка. Для повышения плотности слоя щебень увлажняли. В сухое время года расход воды для полива 4—5 л/м2.

Для нижних и средних слоев оснований применяли щебень фракции свыше 40 до 80 мм и свыше 80 до 150 мм, для верхних слоев оснований и покрытий — свыше 20 до 40 мм и свыше 40 до 80 мм. Щебень из горелых пород хорошо уплотняется. Поэтому наиболее эффективна его укладка способом заклинки или способом оптимальных смесей. Расклинцовку слоя щебня следует производить фракциями мелкого щебня с последовательно уменьшающимися размерами: 5—10, 10—20 и 20—40 мм. Для расклинцовки щебня из горелых пород служит смесь фракций: 5(3)—20, 0—20 и 0—10 мм.

Для дополнительных и нижних слоев оснований можно использовать щебень после первого дробления. В последующих слоях оснований, покрытий и для расклинцовки применяют щебень, полученный при повторном дроблении горелых пород.

Основания и покрытия из щебня, получаемого дроблением горелых пород, укладывают аналогично основаниям из природного щебня и гравия. Если для устройства слоев дорожной одежды применяют щебеночную смесь оптимального зернового состава, то материал сразу распределяют слоем требуемой толщины, разравнивают автогрейдером или бульдозером или уплотняют. Число проходов катка устанавливают опытным путем. Уплотняемый слой может достигать толщины 20 см (в рыхлом теле), но при этом требуется не менее 15—18 проходов тяжелого катка по одному участку. При значительной раковистости фрагментов уплотненного слоя на них рассыпают мелочь размером 5—10 мм и дополнительно уплотняют одним-двумя проходами тяжелого катка.

При переработке горелых пород образуются два вида отсевов:

—   прямой (первичный) — продукт предварительного грохочения породы перед дроблением;

—   получаемый при дроблении пород.

Характерная особенность этих отсевов — отсутствие глинистых и илистых частиц в естественном виде. Они относятся к непучинистым материалам, практически не размокают и не набухают в воде. В прямом отсеве могут присутствовать глинистые составляющие в виде недожога с частичной потерей гидратированной влаги, а также известковые породы и примесь углисто-глинистых сланцев. По зерновому составу отсев дробления можно рассматривать как крупнозернистый материал; модуль крупности песчаной фракции более 2,5. В составе отсева содержится от 5 до 30 % щебеночной фракции 5—10 мм с прочностью по дробимости 800—1 000. По физико-механическим свойствам эти отсевы пригодны к использованию в дорожном строительстве для сооружения земляного полотна, устройства подстилающих, дренирующих и других слоев дорожных одежд с обработкой вяжущими материалами и без нее. Крупнозернистые отсевы дробления горелых пород особенно целесообразно применять для устройства дренирующих слоев. Хорошие фильтрующие свойства отсевов, наличие в их составе прочной щебеночной фракции, высокий модуль крупности обеспечивают больший модуль упругости, чем песок, и слой из них может удовлетворять требованиям к подстилающему и теплоизолирующему слоям.

Прямой отсев практически не фильтрует воду. С течением времени при увлажнении его пылеватые частицы способны цементироваться и упрочнять конструкцию. В дорожном строительстве этот отсев применим для возведения насыпи, улучшения и укрепления поверхностного слоя земляного полотна, как гранулометрическая добавка к глинистым грунтам. В отличие от супесчаных грунтов прямой отсев пригоден для устройства водонепроницаемых слоев как с обработкой вяжущими материалами, так и без нее.

Прямой отсев, как и отсев дробления, можно широко использовать в противозаиливающих слоях. Их возводят из шлаков, каменных высевок и других местных материалов, а также из щебеночной фракции 3(5)—10 мм.

Благодаря цементирующей способности и другим физико-механическим свойствам отсевы горелых пород пригодны для устройства покрытий простейшего и переходного типов, улучшения грунтовых дорог (с обработкой вяжущими материалами и без нее).

Прямой отсев может служить для укрепления откосов путем заполнения пустот (клеток) решетчатой конструкции из сборных бетонных и железобетонных элементов, устройства покрытий на песчаных откосах и в качестве подстилающего слоя при укреплении откосов каменной наброской или бетонными покрытиями.

Для создания устойчивых покрытий обочин дорог отсевы горелых пород распределяют по спланированному грунту и уплотняют.

Наибольшее количество отсевов может в первую очередь понадобиться для строительства улиц и дорог местного значения, подъездных дорог промышленных предприятий.

На рисунке приведены варианты предлагаемых конструкций дорожной одежды из материалов горелых пород шахтных отвалов.

Конструкции дорожных одежд усовершенствованного облегченного типа из материалов горелых пород (h — толщина слоя):

1 — поверхностная обработка, фракция 5—10 мм; 2 — щебень фракции 20—40 мм, обработанный битумом, h = 8 см; 3 — слой прочного щебня с расклинкой, h = 20 см; 4 — отсев дробления горелых пород, h = 16 см; 5 — щебеночная смесь фракций, обработанная битумом на дороге, h = 10 см; 6 — щебеночная смесь свыше 20 до 80 (150) мм, h = 30 см

Обследование экспериментальных участков дороги через определенные промежутки времени эксплуатации показывает, что их состояние удовлетворительное.

Авторы испытали золошлаковые отходы Артемовской и Новочеркасской ГРЭС в качестве материалов для создания дорожных одежд. Установлено, что их можно использовать как несущие и одновременно морозозащитные нижние и верхние слои оснований дорог всех категорий, за исключением верхних слоев дорог I категории. На дорогах IV и V категорий эти отходы применимы для покрытий с обязательным устройством на них слоя износа.

Многолетняя эксплуатация опытного участка дороги подтверждает целесообразность и эффективность применения золошлаковых смесей для устройства нижних слоев оснований дорог местного значения.