Использование неорганических отходов ТЭЦ в составе асфальтобетонных смесей

А.В. Гречаников, А.П. Платонов, С.Г. Ковчур

Ежегодно на теплоэлектроцентралях Республики Беларусь в шламонакопителях образуется около 50-60 тонн отходов (шлам продувочной воды). Одно из направлений комплексной утилизации таких отходов – их использование в дорожном строительстве.

Применяемая в настоящее время в дорожном строительстве органоминеральная смесь имеет следующий состав [1]: щебень гранитный, фракция 5–10 мм – 38 %; песок природный, фракция 0–2,5 мм – 50 %; минеральный порошок, фракция 0–0,63 мм – 12 %; битум БНД 90/130 – 6 % от веса минеральных составляющих. Для обоснования возможности использования неорганических отходов, образующихся в процессе водоподготовки на ТЭЦ проведены исследования основных показателей качества этих отходов. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные показатели качества неорганических отходов, образующихся в процессе водоподготовки на ТЭЦ

Наименование показателей качества шлама по НТД	Значение показателей качества по НТД	Фактическое значение показателя качества отходов в результате исследований
Удельный вес, кг/м3	–	1920,0
Влажность, %	Не более 1,0	0,7
Плотность при уплотнении под нагрузкой, кг/м3	–	2160,0
Пористость, %	Не более 35,0	12,0
Набухание образцов из смеси шлама с битумом, %	Не более 2,5	1,8
Показатель битумоемкости	Не более 65,0	32,0
Зерновой состав, %: мельче 1,25 мм мельче 0,315 мм мельче 0,071 мм	Не менее 100,0 Не менее 90,0 Не менее 70,0	100,0 94,2 75,6

Результаты проведённых исследований позволили сделать вывод о том, что по основным показателям качества неорганические отходы, образующиеся в процессе водоподготовки на ТЭЦ, соответствуют требованиям ГОСТ 16557–78, СТБ 1033– 2004, ТУ 17–2071665–1–97 и пригодны для использования в процессе приготовления асфальтобетонных смесей [2].

Физико-механические свойства органоминеральной смеси определялись на цилиндрических образцах, полученных при уплотнении 640 г смеси в стальных формах при прессовании под давлением 40 МПа. По истечении 12 часов после изготовления образцы испытывались по физико-механическим показателям, регламентируемым СТБ 1115-98. Анализы проводились в усредненной пробе в трёх параллельных образцах [3].

Для определения наиболее эффективного соотношения между отходами и битумом в составе асфальтобетонной смеси был проведен эксперимент, в качестве входных факторов которого были выбраны:

X i - содержание битума БНД 90/130, %;

Х₂ - содержание неорганических отходов, образующихся в процессе водоподготовки на ТЭЦ, %.

Запланированные уровни входных факторов и интервалы их варьирования представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Уровни и интервалы варьирования факторов

Наименование входного фактора	Обозначение	Уровни варьирования			Интервал варьирования
		-1	0	+1
Содержание битума БНД 90/130, %;	Х 1	6	9	10	3
Содержание неорганических отходов, образующихся в процессе водоподготовки на ТЭЦ, %.	Х 2	0	16	32	16

В качестве выходных параметров были использованы следующие показатели:

• Y 1 - модуль остаточной деформации при 50 °С, МПа;

• Y 2 - предел прочности при растяжении при 0 °С, МПа;

• Y 3 - предел прочности при сжатии при 50 °С, МПа;

• Y 4 - водонасыщение, %;

• Y 5 - набухание, %;

• Y 6 - остаточная пористость, %.

При обработке результатов эксперимента получены следующие математические модели для выходных параметров:

• -    модуль остаточной деформации при 50 °С

Y = 68,87 - 7,37 • X12 + 5,84•X2 -19,03•X22;(1)

• -    предел прочности при растяжении при 0 °С

Y2 = 3,56- 0,14 • X1 - 0,85 • X2 - 0,27 • X2 - 0,32 • X22 + 0,17 • X1 • X2;(2)

• -    предел прочности при сжатии при 50 °С

Y3 = 1,32 -0,07 • X1 -0,11 • X2 - 0,16• X224(3)

• -    водонасыщение

Y4 = 4,89 + 2,64 • X2 +1,91 • X2;

• -    набухание

Y5 = 0,13 + 0,11 • X2 - 0,17 • X2 + 0,12 • X22 - 0,17 • X1 • X2.

;

• -    остаточная пористость

• Y6 = 4,68 + 0,80 • X1 + 2,82 • X 2 + 2,14 • X22 +1,02 • X1 • X 2

Проведя анализ полученных моделей, можно сделать следующие выводы:

• - на модуль остаточной деформации при 50 °С наибольшее влияние оказывает содержание неорганических отходов в составе асфальтобетонной смеси; наилучшее значение достигается при среднем значении содержания отходов (14 %-16 %);

  – на предел прочности при растяжении при 0 ºС оказывает влияние как содержание неорганических отходов, так и содержание битума в составе асфальтобетонной смеси;

  – на предел прочности при сжатии при 50 ºС оказывает влияние как содержание неорганических отходов, так и содержание битума в составе асфальтобетонной смеси. Причём содержание битума влияет в большей степени;

  – на водонасыщение оказывает влияние только содержание неорганических отходов в составе асфальтобетонной смеси;

  – на набухание наибольшее влияние оказывает процент вложения неорганических отходов в состав асфальтобетонной смеси;

  – на остаточную пористость наибольшее влияние оказывает процент вложения неорганических отходов в состав асфальтобетонной смеси.

Для получения наиболее эффективных значений содержания неорганических отходов использовался метод совмещения графиков зависимостей выходных параметров (в данном случае к ним относятся модуль остаточной деформации при 50 ºС, предел прочности при растяжении при 0 ºС, предел прочности при сжатии при 50 ºС) от входных факторов ( Х 1 , Х 2 ). Для этого совмещаем графики зависимости для моделей модуля остаточной деформации при 50 ºС, предела прочности при растяжении при 0 ºС, предела прочности при сжатии при 50 ºС, т.к. именно эти показатели наиболее полно отражают физико-механические свойства асфальтобетонной смеси (рисунок 3).

Анализируя совмещенный график и учитывая ограничения, наложенные на них, получили область рациональных значений содержания неорганических отходов и битума:

• 1)    Х 1 (содержание битума БНД 90/130, %) находится в пределах от -0,25 до 0,4 в кодированных значениях, что в натуральных единицах составляет от 8 до 10 %;

• 2)    Х 2 (содержание неорганических отходов, образующихся в процессе водоподготовки на ТЭЦ) находится в пределах от -0,6 до 0,3 в кодированных значениях, что в натуральных единицах составляет от 6 % до 21 %.

  

Х 1 – содержание битума БНД 90/130, %; Х 2 – содержание неорганических отходов, образующихся в процессе водоподготовки на ТЭЦ

Рисунок 1 – Совмещенный график зависимости выходных параметров от входных факторов

Наиболее эффективные значения содержания битума и неорганических отходов в составе асфальтобетонной смеси составляет:

– содержание битума БНД 90/130 – 10 %;

– содержание неорганических отходов ТЭЦ – 14 %.

На основании исследований содержания неорганических отходов и битума в составе асфальтобетонной смеси разработан состав смеси, использование которого позволяет повысить физико-механические показатели асфальтобетона (модуль остаточной деформации при 50 ºС увеличивается на 66%; предел прочности при растяжении при 0 ºС – на 12 %; предел прочности при сжатии при 50 ºС – на 16 %) [4].

Приготовление асфальтобетонной смеси происходит следующим образом (рис. 2). Холодный влажный песок и щебень подаются со склада в бункеры агрегата питания 1. Из бункеров агрегата питания холодный и влажный песок и щебень непрерывно подаются с помощью питателей в определенных пропорциях в барабан сушильного агрегата 2. В барабане песок и щебень высушиваются и нагреваются до рабочей температуры. Нагрев материала осуществляется вследствие сжигания жидкого или газообразного топлива в топках сушильных агрегатов. Температура нагрева регулируется интенсивностью подаваемого топлива и количеством минеральных материалов: 200–220 °С при использовании холодного минерального порошка и 160–180 °С при горячем минеральном порошке. Затем нагретые песок и щебень поступают из сушильного агрегата 2 в смесительный агрегат 3. Неорганические отходы ТЭЦ предварительно высушиваются до влажности 3 %, а затем с помощью дозаторов или питателей, обеспечивающих необходимый процент вложения их в составе смеси, поступают к смесительному агрегату 3 из агрегатов 4 и 5. Битум, разогретый до жидкотекучего состояния с помощью нагревательно-перекачивающего агрегата 6, подается в нагреватель битума 7, в котором он обезвоживается и нагревается до рабочей температуры. Обезвоженный и нагретый до рабочей температуры битум дозируется и вводится в смеситель [5].

Рисунок 2 – Технологическая схема приготовления асфальтобетонной смеси с неорганическими отходами, образующимися в результате водоподготовки на ТЭЦ: 1 – агрегат питания; 2 – сушильный агрегат; 3 – смесительный агрегат; 4,5 – агрегат для неорганических отходов; 6 – нагревательно-перекачивающий агрегат для битума; 7 – нагреватель битума; 8 – бункер для готовой смеси

По результатам исследований в национальном центре интеллектуальной собственности получен патент № 8764 «Асфальтобетонная смесь с отходами ТЭЦ» от 21.04.2006 г. по заявке № а 20031083 от 24.11.2003 г.

На предприятии «Оршанский ремонтник», входящем в состав объединения «Витебскоблремстрой», изготовлена опытная партия нового состава асфальтобетона. Изготовление опытной партии проводилось в соответствии с технологическим регламентом. В составе асфальтобетона весь доломитовый порошок заменен шламом ТЭЦ «Южная» Витебского телезавода. Использование шлама ТЭЦ удешевляет стоимость строительства автомобильных дорог на 10-15 %. Поэтому устройство дорожных покрытий из местных материалов и отходов промышленности является актуальной задачей. Использование неорганических отходов, образующихся в процессе водоподготовки на ТЭЦ, в составе асфальтобетонной смеси позволит улучшить экологическую ситуацию на территории теплоэлектроцентралей.