Вторичные материалы – наша экология и экономика

Интенсивное развитие промышленного производства оказывает негативное воздействие на окружающую среду, вызывая её трансформацию. Среди отраслей промышленности особое внимание уделяется чёрной металлургии, основными отходами которой являются шлак, шлам и отходы коксохимического производства. Доменный шлак – это побочный продукт, образующийся при выплавке чугуна в доменной печи в результате смешения железосодержащей руды, флюса и топлива (кокса). Несмотря на многотоннажное образование в Российской Федерации, используется лишь около 10 % этих отходов. Кроме того, при ремонте старых дорог и сносе зданий образуется большое количество вторсырья, пригодного для использования в строительстве. В связи с этим в течение последних десятилетий активно развивается направление утилизации отходов с целью повышения экологической безопасности и достижения экономического эффекта. Наибольший спрос на вторичные материалы наблюдается в производстве бетонов и при конструировании дорожных одежд.

Поскольку Свердловская область обладает значительными запасами высококачественных природных каменных материалов, использованию вторичных ресурсов долгое время не уделялось должного внимания из-за отсутствия острой необходимости. Однако с каждым годом проблема складирования и утилизации вторичных материалов становилась всё более актуальной, и государство с 2022 года начало разрабатывать программы по применению вторичных ресурсов на период до 2030 года. Также было выпущено Распоряжение Правительства РФ от 28.08.2024 № 2330-р «Об утверждении перечней видов продукции (товаров), работ, услуг, производство, выполнение и оказание которых осуществляются с обязательным использованием определенной доли вторичного сырья в их составе». Теперь вторичные материалы, хоть и в ограниченном объеме, в обязательном порядке должны применяться при строительстве объектов.

При строительстве автомобильных дорог чаще всего используются природный щебень и песок, однако существует значительный объем щебня, полученного из вторичного сырья.

Основные виды вторичного щебня, применяемые в дорожном строительстве:

Бетонный щебень: Представляет собой смесь цементных камней различных размеров. По прочности незначительно уступает природному щебню, но полностью соответствует требованиям ГОСТ. Эффективен для использования в основаниях дорожных одежд.
Переработанный асфальтобетон (RAP): Материал, получаемый путем сортировки и/или дробления с последующим грохочением излишков асфальтобетонной смеси, асфальтобетонного гранулята или асфальтобетонного лома на дробильно-сортировочных установках. Активно применяется для производства асфальтобетонных и органоминеральных смесей, для укрепления обочин, а также в основаниях дорожных одежд.
Шлаковый щебень: Строительный материал, получаемый в результате переработки шлака – побочного продукта металлургического производства. Шлак также может образовываться при сжигании твёрдого топлива в котельных. Пригоден для производства асфальтобетонных и органоминеральных смесей, для укрепления обочин и устройства оснований дорожных одежд.
Благодаря современным ГОСТам и требованиям правительства РФ, вторичный щебень стал привлекать больше внимания, и его охотнее используют при строительстве автомобильных дорог.

Благодаря современным ГОСТам и требованиям правительства РФ, вторичный щебень стал привлекать больше внимания, и его охотнее используют при строительстве автомобильных дорог.

В Свердловской области расположен Нижнетагильский металлургический комбинат (ЕВРАЗ НТМК) — один из крупнейших металлургических комплексов России, находящийся в городе Нижний Тагил. Комбинат занимается выплавкой чугуна, в результате чего образуется доменный шлак. Нашим испытательным центром были проведены исследования этого материала на предмет пригодности его применения в дорожном строительстве. Результаты испытаний показали, что доменный шлак является высококачественным материалом, обладающим всеми необходимыми характеристиками. Основные результаты испытаний щебня фракции св. 11,2 до 16 мм представлены в таблицах.

Таблица 1 - Физико-механические показатели щебня фракций св. 11,2 до 16 мм НТМК

Таблица 2 – Физико-механические показателя щебня.

Как показывают результаты испытаний, щебень пригоден для применения в асфальтобетонных и органоминеральных смесях, для укрепления обочин и устройства оснований дорожных одежд. В связи с этим муниципальным заказчиком города Нижний Тагил было принято решение о проведении ремонта центральной улицы (интенсивность движения – 17000 автомобилей в сутки) с использованием асфальтобетона, произведенного на шлаковом щебне ЕВРАЗ НТМК. Нашим исследовательским центром НИИ ЛАДОР для подрядной организации была разработана асфальтобетонная смесь типа А16 Вн в соответствии с ГОСТ 58406.2 (таблица 3), при этом в качестве песка использовался материал Высокогорского ГОКа.

Таблица 3 - Физико-механические свойства асфальтобетонной смеси А16Вн.

Асфальтобетон, запроектированный на шлаках НТМК, в отличие от асфальтобетона на щебне Высокогорского ГОКа (основного материала, применяемого при строительстве дорог в Нижнем Тагиле), обладал меньшей объёмной плотностью. На шлаках НТМК она составила 2511 кг/м3, расход на 1 м2 при толщине 5 см составил 125,5 кг; на материалах Высокогорского ГОКа плотность аналогичной смеси составляет 2840 кг/м3, расход на 1 м2 при толщине 5 см составляет 142 кг. Экономия от применения шлакового щебня составила на 1 км дороги шириной 7 м 115,5 тонн асфальтобетонной смеси.

окрытие из асфальтобетона А16Вн на шлаковом щебне ЕВРАЗ НТМК на участке от проспекта Ленина до улицы Челюскинцев.

Покрытие укладывалось на фрезерованную поверхность без выравнивающего слоя. За год эксплуатации ровность покрытия в разных точках изменилась от 0 до 5 мм, в среднем изменение составило 2 мм; наблюдения продолжаются.
В процессе укладки асфальтобетонной смеси на шлаках было замечено, что данная смесь остывает медленнее, чем аналогичная смесь на щебне из габбро. В лаборатории были проведены дополнительные исследования, которые показали, что теплопроводность асфальтобетона на щебне из габбро составила 1,068 Вт/(м·°С), а на шлаках – 0,833 Вт/(м·°С). Таким образом, асфальтобетон на шлаках обладает меньшей теплопроводностью, примерно на 20%.

Теплопроводность характеризует способность материала передавать тепло от его горячих частей к более холодным.

Этот показатель, к сожалению, не нормируется в дорожной отрасли, однако имеет огромное значение как для экономики, так и для качества дорожной продукции. Например, при использовании каменных материалов с низкой теплопроводностью, таких как доменный шлак, можно устраивать морозозащитные слои меньшей толщины, а при производстве асфальтобетонных смесей – создавать более долговечные покрытия, которые меньше подвержены образованию температурных трещин. Помимо этого, асфальтобетонные смеси можно перевозить на более дальние расстояния и укладывать в течение более длительного времени, не используя температуропонижающие добавки.

Как видно из представленных результатов испытаний, щебень из доменного шлака обладает характеристиками, не уступающими природным материалам. За счет пористой структуры доменный шлак имеет меньшую плотность, что позволяет проектировать асфальтобетонные смеси с более низким расходом, при этом теплопроводность смесей уменьшается, что позволяет увеличить дальность возки и время укладки. Данные свойства были оценены при проектировании и укладке смеси на дороге. Доменный шлак, по показателю Нордик-тест, можно рекомендовать к укладке в верхние слои покрытия с нормальными условиями движения. После года эксплуатации дороги мониторинг показал хорошие результаты.

Помимо основных показателей, доменный шлак ЕВРАЗ НТМК обладает активностью, данное свойство позволяет материалу после укладки в основание цементироваться, что увеличивает модуль упругости. Это позволяет применять на 10% меньше шлака в основании по сравнению с природным щебнем.

По оценкам мировых экспертов, при строительстве дорог может быть задействовано до 80-90% вторичных ресурсов без ущерба качеству. К 2030 году планируется достичь показателя использования вторсырья в дорожном строительстве на уровне 40% в мире.
Важно отметить экономическую эффективность такого подхода. Массовое применение вторсырья может снизить себестоимость дорожного строительства на десятки процентов и создать новые рабочие места в отрасли переработки.

Использование вторичных материалов не только экономически выгодно, но и экологично. Таким образом, вторичные ресурсы действительно представляют собой ценный строительный материал, который позволяет создавать качественную дорожную инфраструктуру, одновременно решая экологические проблемы.
Данную проблему применения вторичных ресурсов необходимо взять под особый контроль Государства!