Использование составов на основе золошлаковых отходов как теплоизоляционных материалов для автодорожных покрытий (часть 2)

В Забайкальском крае, как и в большинстве приграничных регионов, в которых отсутствует газификация, преобладает тепловая генерация энергии, основанная на сжигании угля [1–3]. Сжигание угольного топлива влечет за собой образование вторичных материалов – золошлаковых отходов (далее – ЗШО), которые остаются после сжигания твердого топлива в виде минерализованных остатков золы и шлака. В результате описанного процесса происходит накопление большого объема ЗШО, который негативно влияет на места размещения золошлаковых отвалов как в части попадания потенциально опасных веществ в виде аэрозолей в атмосферу, так и в части миграции потенциально опасных элементов в грунтовые воды, впоследствии вызывающие загрязнения водоисточников. В соответствии с распоряжением Правительства РФ от 28 августа 2024 г. № 2330-р утвержден «Перечень видов работ и услуг, выполнение и оказание которых осуществляются с обязательным использованием определенной доли вторичного сырья в их составе», которое вступает в силу с 1 января 2025 г. Согласно этому документу утвержден перечень видов работ, услуг, выполнение и оказание которых осуществляются с обязательным использованием определенной доли вторичного сырья в их составе. Одним из наименований видов работ, услуг, которые попадают под действие этого нормативного документа, является «дорожное строительство и реконструкция автомобильных дорог с применением щебня и песка, полученных из шлаков, и (или) вскрышных пород, и (или) готовых щебеночно-песчаных смесей из шлаков, и (или) металлургических шлаков (доменных и сталеплавительных), и (или) комплексных минеральных вяжущих, произведенных с использованием шлаков доменных и электротер-мософосфорных гранулированных, и (или) золы-уноса, и (или) белитового шлама, и (или) золошлаковой смеси и пыли-уноса вращающихся печей, или с применением модификаторов на основе резиновых порошков, произведенных из изношенных шин». Учитывая протяженность автомобильных дорог Забайкальского края, а также возможность использования ЗШО, образующихся на теп-

ловых электростанциях региона (далее – ТЭС), доказанную ранее в первой части работы, авторский коллектив предполагает возможность использования золошлаковых отходов, размещенных близ ТЭС Забайкальского края, при строительстве протяженной сети автомобильных дорог для улучшения их качества [4].

Материалы и методы исследований

Как было заявлено в аннотации к работе, в исследовании принимали участие пробы ЗШО, отобранные из золошлакоотвала одной из ТЭС юга Забайкальского края.

Изучив различные способы защиты автодорог, а также объем накопленных ЗШО на территории Забайкальского края, авторский коллектив приступил к созданию нового материала, который предположительно позволит сделать автодорожное покрытие более устойчивым к использованию в регионах, где присутствует вечная мерзлота, в том числе островная [5–7]. Предполагается получить материал двойного назначения. Во-первых, использовать материал при защите откосов автодорог, что позволит снизить воздействие солнечного тепла на откос, вследствие чего продлит срок их эксплуатации. Во-вторых, использовать материал как разделитель слоев дорожной одежды, что будет препятствовать перемешиванию материалов в границах их соприкосновения (рис. 1) [8].

Результаты

Учитывая такие свойства золошлаковых отходов, как пористость и невысокая теплопроводность, провели эксперимент с получением нескольких смесей для определения коэффициента их теплопроводности. Для создания смесей использовалось три компонента в различных пропорциях. Первым материалом выступал цемент, вторым материалом – песок, третьим – ЗШО [9]. Также для создания раствора использовалась вода.

Процесс подготовки смесей был начат с подбора пропорций. Эксперимент был проведен для 7 смесей с различным соотношением используемых материалов (табл. 1). Соотношение материалов измерялось мерным стаканом вместимостью 100 мл согласно ГОСТ 29044–91.

Рис. 1. Варианты использования нового материала как покрытия для откоса автодороги (А) или как структурного элемента дорожной одежды (Б): 1 – естественный грунт, 2 – материал с использованием ЗШО, 3 – гравий или щебень, 4 – песок, 5 – асфальт

Таблица 1

Теплопроводностью называется количественная характеристика способности тела проводить тепло [10, 11]. Для целей эксперимента она определялась стационарным методом с применением в качестве известного материала керамической кафельной плитки размером 240 х 160 мм с известным по паспорту коэффициентом теплопроводности λ = 2 Вт/мК. Стационарный метод применялся ввиду специфики эксперимента – на всем протяжении эксперимента условия его проведения оставались неизменными, так же как предполагается и в случае использования исследуемого материала в качестве покрытия для откоса автодороги или как структурного элемента дорожной одежды. Формы для заливки растворов были подготовлены в размер с габаритами кафельной плитки для унификации материалов из пластика толщиной 4 мм. Стенки монтировались к основанию формы при помощи эпоксидной смолы (рис. 2).

После заливки растворов формы помещались в сушильный шкаф, где находились до стабилизации массы в сухом состоянии при 105 °С. После стабилизации массы полученных материалов измерялась толщина покрытий с помощью штангенциркуля, которая в среднем составляла 13,47 мм, после чего полученные образцы помещались на подготовленный стенд для замера теплопроводности (рис. 3). В результате были получены плиты размером 160 х 240 х 13,47 мм, имеющие разный вещественный состав (см. табл. 1), которые испытывались при организации эксперимента на заранее подготовленном стенде.

Обсуждение

В ходе проведения эксперимента полученные плиты устанавливались в верхнюю часть экспериментального стенда (8) (см. рис. 3), где находились в состоянии покоя до стабилизации показаний на

Рис. 2. Форма для заливки экспериментальных растворов

Соотношение пропорций материалов в тестируемых смесях

№ итогового полученного материала	Пропорция	Материал № 1 – цемент, мл	Материал № 2 – песок, мл	Материал № 3 – ЗШО, мл	Вода, мл
1	1:6:0:2,5	100	600	0	250
2	1:5:1:2,5	100	500	100	250
3	1:4:2:2,5	100	400	200	250
4	1:3:3:2,5	100	300	300	250
5	1:2:4:2,5	100	200	400	250
6	1:1:5:2,5	100	100	500	250
7	1:0:6:2,5	100	0	600	250

Таблица 2

Результаты испытаний

№ полученного материала	Пропорция	Толщина (h), мм	t 1 , °С	t 2 , °С	t 3 , °С
1	1:6:0:2,5	12,7	73	60	51
2	1:5:1:2,5	12	78,5	63	45
3	1:4:2:2,5	13	80,5	64	44
4	1:3:3:2,5	13	78,2	65	47
5	1:2:4:2,5	14,6	73,8	56	38
6	1:1:5:2,5	15	71,5	62	40
7	1:0:6:2,5	14	79,2	63	40

Таблица 3

Результаты расчёта значений теплового потока q и коэффициента теплопроводности λ

К a а 3	к « © ь Н х S °% Ц О А МИЦ gк	1 ^ S и н й Е s 5 Н 3 к ^ о л Й—' Н S § о	м ^ О 'О Н * 1 Г)     и	о	о d ч—*	о	^	s 1 s u о к
1	0,0384	0,007	0,0127	73	60	51	142,63	5,24
2	0,0384	0,007	0,012	78,5	63	45	170,06	2,95
3	0,0384	0,007	0,013	80,5	64	44	181,03	3,06
4	0,0384	0,007	0,013	78,2	65	47	144,82	2,72
5	0,0384	0,007	0,0146	73,8	56	38	195,29	4,13
6	0,0384	0,007	0,015	71,5	62	40	104,23	1,85
7	0,0384	0,007	0,014	79,2	63	40	177,74	2,82