УДК 678.686

Возможность применения шлакощелочных бетонов в дорожном строительстве

Лысенко Т.С., магистрант, Самойлова Е.Э., к.т.н., доцент

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Рассмотрена возможность применения шлакощелочного бетона в дорожном строительстве, что является актуальным в настоящее время. Проведены испытания шлакощелочного бетона для бетонирования временной площадки пограничного контроля ППТК «ОЛЕНОВКА»

Анализ исследований. В Донецкой Народной Республике в результате многолетней работы  горнодобывающих и металлургических предприятий, теплоэлектростанций накопилось большое количество твердых отходов – породные отвалы, металлургические шлаки и золошлаки ТЭС, поэтому  использование этих производственных отходов в качестве вторичного сырья является актуальным, особенно в дорожном строительстве.

Цель работы. Разработка дорожных строительных материалов на основе комплексного использования промышленных отходов – золы и шлаков, которые являются крупнотоннажными отходами в Донецкой Народной Республике. В производстве шлакощелочного бетона используются именно такие отходы, что дает возможность применения его в дорожном хозяйстве, как альтернативного асфальтобетону, в связи с более высокой стоимостью  асфальтобетона, а также - отрицательным воздействием на окружающую среду при его производстве.

Металлургия традиционно является одним из главных "поставщиков" техногенного сырья для промышленности строительных материалов. Особенность ее многотоннажных отходов заключается в том, что техногенное сырье уже прошло высокотемпературную обработку, кристаллические структуры в отходах сформированы, и они не содержат органических примесей. Шлаки - это искусственные силикаты. Они состоят из окислов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, марганца и других. Эти же окислы содержатся в природных глубинных горных породах. В зависимости от количественного соотношения окислов, а также от условий и скорости охлаждения шлаковых расплавов шлаки могут иметь свойства гранита или вулканической пемзы. И по цвету шлаки близки к горным породам. Нередко они имеют серебристые, перламутровые и сиреневые оттенки. Шлаки могут быть плотными и пористыми, тяжелыми, как базальт, и легкими как туф или ракушечник.

Плотность шлака колеблется от 3200кг/м³ до 800 кг/м³. Удельный вес шлака, т.е. вес его вещества, близок к весу природных каменных материалов и составляет 2,5-3,6г/см³. По химическому составу доменные шлаки делятся как основные, нейтральные и кислые.

Основными являются шлаки  с  модулем основности (М=(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)), больше единицы,  кислые - меньше единицы.    

Примерный химический состав доменных шлаков следующий: SiO₂-30-40%, CaO -30-50% AI₂O₃ - 4-20%, MnO-0,5-2%, FeO-0,1-2%, SO₃ -0,4-2,5% [1].

В Киевском государственном техническом университете строительства и архитектуры под руководством докторов технических наук Глуховского и Кривенко в 80 годы прошлого века проводились исследования шлакощелочных цементов и бетонов. Шлакощелочные цементы придают большую   водонепроницаемость, морозостойкость и жаростойкость, лучшую устойчивость к воздействию агрессивных сред.

Приготовление шлакощелочного бетона, по сути, не отличается от приготовления обычного бетона на основе портландцемента, с одной лишь разницей – затворение бетонной смеси производится  растворами щелочных компонентов[2].

В Донбасской национальной академии строительства и архитектуры было проведено определение технических показателей дорожно-строительных материалов с использованием шлакощелочного бетона.

 Согласно нормативным документам [3-4],  покрытие (верхний слой) капитальных автодорог 1 и 2 категорий может производиться из горячего плотного мелкозернистого (максимальная крупность заполнителя 20 мм) асфальтобетона I марки и монолитного цементобетона. При этом  расчетные уровни надежности для нежесткого (асфальтобетонного) дорожного покрытия должны составлять не менее 15 лет, для жесткого (цементнобетонного) – 25 лет [4, табл.5.2].

Минимальная толщина многослойного асфальтобетона – 15 см и однослойного цементно-бетонного покрытия при закладке стальных соединительных штырей в поперечных швах 22 см и 24 см при отсутствии штырей [4, табл.5.3 5.4], т.е. расход асфальтобетона составит 0,15, а цементобетона 0,24 м³/м² дороги.

Согласно табл. 5.5 [4] под цементнобетонное покрытие основой могут быть как цементные бетоны класса В 7.5, так и асфальтовые бетоны.

По данным на июль 2019 года отпускная цена асфальтобетона для дорожных покрытий составляла около 12000 руб./м³, а цементного бетона – 3500…5000 руб./м³ при примерно одинаковой средней плотности (объемной массе) – 2400 кг/м³. Если не учитывать расходы на укладку бетонов (а достигнутый уровень механизации при использовании цементного бетона существенно выше), то даже в этом случае стоимость квадратного метра цеметнобетонной дороги будет в 1,5 раза ниже (5000∙0,24 = 1200 руб./м² против 12000∙0,15 = 1800 руб./м²).

Были проведены испытания шлакощелочного бетона, использованного для бетонирования временной площадки пограничного и таможенного контроля ППТК «ОЛЕНОВКА».

 Определены предел прочности при сжатии и водопоглощение бетона на кубиках с ребром 10 см. Предел прочности при изгибе  - на балочках 10х10х40 см. Бетонная смесь уплотнялась методом вибрации. Отформованные образцы в укрытых формах выдерживались в течение суток, затем извлекались из форм и помещались в камеру с гидрозатвором и выдерживались  дополнительно 27 суток над водой при температуре 18-22 ⁰С и относительной влажности 95-100%. Испытания проводились согласно документам, указанным в табл.1.

Таблица 1 – Использованная нормативная документация

Испытаны бетоны, составы которых приведены в табл.2.

Таблица 2 – Номинальные составы и свойства бетонных смесей

*Примечание: в скобках указан расход заполнителей при использовании отсева известняка фракции 0 – 5 мм, который содержит 40 – 45 % щебенистой фракции 2,5 – 5 мм.

Результаты испытания бетона приведены в табл.3.

Таблица 3 – Физико-механические свойства смесей  бетонов

Выводы

1. По пределу прочности при сжатии оба состава бетона относятся к классу В25, приближаясь к классу В30 (по ДСТУ Б В.2.2-43-96 и ДСТУ Б В.2.7-25-95 минимальная прочность при сжатии 3,5 МПа или 392,9 кг/см²).
2. По пределу прочности при изгибе оба состава бетона относятся к классу Bt3,6 (по ДСТУ Б В.2.2-43-96 и ДСТУ Б В.2.7-25-95 минимальная прочность при изгибе 4,62 МПа или 47,2 кг/см²).
3. Независимо от способа введения кальцинированной соды бетоны характеризуются высокой морозостойкостью F200.
4. Породные отвалы, металлургические шлаки и золошлаки ТЭС являются ценным источником вторичного сырья, которое можно достаточно эффективно использовать в дорожном строительстве.

Библиографический список

1. Мчедлов-Петросян О.П. Химия неорганических строительных материалов. – М.:Стройиздат, 1981. – 224с. 
2. Глуховский В.Д., Пахомов В.А. Шлакощелочные цементы и бетоны. Киев: «Будiвельник», 1978. –  184 с.
3. ДБН Б В.2.3-4-2000. Автомобільні дороги.- К.: Державний комітет будівництва,архітектури та житлової політики України, 2000. – 117с
4. ДБН В.2.3-5-2001.Улицы и дороги населенных пунктов.- К.: Госстрой Украины, 2001. –  43 с.

1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
   
2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
   
3. Комплексное использование природных ресурсов
   
4. Современные вопросы геологии
   
5. Физика горных пород
   
6. Новые технологии в природопользовании
   
7. Применение современных информационных технологий
   
8. Экономические аспекты недвижимости
   
9. Мониторинг использования объектов недвижимости
   
10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ