Металургійні шлаки у дорожньому будівництві: побічний, але не другорядний продукт

19 лютого у газеті “Урядовий кур’єр” було опубліковано Розпорядження Кабінету міністрів України № 1420-р від 4 грудня 2019 року “Про застосування відходів виробництва в дорожньому будівництві”. 

Згідно документу Державному агентству автомобільних доріг, обласним та Київській міській державним адміністраціям рекомендується:

• під час здійснення публічних закупівель робіт з будівництва та послуг з поточного ремонту автомобільних доріг загального користування застосовувати неціновий критерій “Заходи із захисту довкілля” з питомою його вагою не менше 10 відсотків, який характеризуватиметься показником “рівень використання відходів виробництва та дорожньо-будівельних матеріалів, отриманих з їх використанням як заповнювачів”;
• у договорах про будівництво або надання послуг з поточного ремонту автомобільних доріг загального користування в Запорізькій, Донецькій, Луганській, Дніпропетровській, Миколаївській, Кіровоградській областях передбачати положення щодо доцільності використання відходів виробництва (металургійних шлаків, зол виносу тощо) згідно з відповідними нормативними документами, у тому числі з питань екологічного маркування.

Що означає це рішення для галузі, як використовується шлак у світі та у нашій країні, які технологічні нюанси існують? Відповіді на ці та інші запитання, читайте у нашому матеріалі.

Аргументи “за”

На відвалах і звалищах в Україні вже нагромаджено сотні мільйонів тон шлаків – металургійних, вугільних, золових. Вони займають і виводять з господарського обігу все більші території. Так, за підрахунками експертів на сьогодні накопичено близько 36 млрд тонн відходів, зокрема золошлакових матеріалів від ТЕС та металургійних шлаків. По площі вони займають близько 7%  (!) території  України.

Водночас виробники будівельних матеріалів видобувають з землі величезні обсяги граніту. Продуктами згоряння палива, викидами мастильних речовин шкодять довкіллю. Безповоротно руйнують ґрунт, риють глибокі кар’єри.

Отже, використання шлаків може зменшити негативний вплив на природу та посприяти скороченню витрат на виробництво будівельних матеріалів. 

Про які шлаки йдеться

Основне джерело шлаків в Україні – металургія, перш за все чорна. З кожною тонною чавуну домни видають по 600-700, а тонна сталі додає ще від 100 до 300 кілограмів цього матеріалу. Тому найбільше його використовуватимуть там, де є металургійні заводи: у Дніпропетровській, Запорізькій, Донецькій, Луганській, Миколаївській та Кіровоградській областях.

За хімічним складом та механічними властивостями побічний продукт металургійного виробництва істотно відрізняються від гірничих порід. Основні його складові: кварц, окисли алюмінію, кальцію, магнію; на них припадає від 85% до 95% процентів, на окисли заліза Fe2O3, марганцю та сульфід кальцію – решта. Шлаки поточного виходу мають у півтора-два рази вищу абразивність, ніж ті, що пролежали у відвалах. 

У металургійних шлаків нерівний гранулометричний склад, тобто це суміш від нуля і до кількох сотень міліметрів. Їх міцність – від 600 до 1000 кг/см 2, частіше – до 800. Це вдвічі менше, ніж мають гранітні щебні. Тому металургійні шлаки здебільшого використовують для формування подушки доріг.  

Залежно від складу шлаки поділяють на активні та неактивні. Активні мають властивість цементуватися під дією вологи. З часом, за 5-10 років утворюють моноліт, подібний бетону. Неактивні залишаються сипучими дуже довго.     

Металургійні шлаки можна використовувати у дорожньому будівництві безпосередньо, як є, або переробляти на щебінь. Однак, їх металеві включення можуть пошкодити і вивести з ладу щокові, конусні дробарки. Тому для безаварійної роботи слід організувати надійну систему попереднього видалення металу.

Стародавні “новинки”

Металургійні шлаки в дорожньому будівництві використовуються вже давно. 

Перші кроки в цьому напрямку зробила ще у 1908 році компанія “Карнегі Стіл”. В багатьох країнах для організації переробки та використання відходів металургії було створено спеціалізовані організації. Серед них була радянська Всесоюзна контора із шлакопереробки, Національна шлакова асоціація США, французька Технічна асоціація з вивчення та використання доменних шлаків, канадська Національна шлакова асоціація, Британська асоціація шлаку та інші. В Англії й Німеччині шлакову продукцію вироблять безпосередньо на металургійних заводах. 

В інших країнах рідкий або частково перероблений шлак передають компаніям та спеціальним фірмам з виробництва будівельних матеріалів. У США навіть існує шлакопереробна індустрія. В Англії, США, Німеччині, Франції металургійні шлаки здебільшого переробляють на щебінь. Його застосовують при прокладанні залізниць та як заповнювач при спорудженні аеродромних покриттів і автодоріг.

У нашій країні побічним продуктом металургії ще років 40-50 тому заміняли щебінь при насипанні дорожньої подушки. Шлак, що утворюється при виробництві залізо-нікелевих сплавів, має велику міцність. Його використовували для поверхневої обробки полотна. У літню спеку асфальт поливали в’яжучим – бітумом або гудроном, а зверху засипали залізо-нікелевим шлаком. Машини, що рухались трасою, вдавлювали цей матеріал в поверхню. Тверде покриття добре захищало асфальт від зношування.

Досвід України

З 90-х років активні шлаки широко застосовували для ямкового ремонту асфальтового полотна та підсипки ґрунтових доріг. У сучасній Україні, наприклад, дорожна компанія “Автомагістраль-Південь” використовувала шлак, зокрема, при будівництві нової дороги Н-31 “Дніпро-Решетилівка” у якості нижнього шару основи товщиною 26 см.

За словами  інженеру відділу технічного контролю компанії Артема Животова, перевага шлаку у низькій ціні та можливості забезпечити необхідну міцність дорожньої конструкції. Але є й суттєві недоліки, які варто враховувати. Шар зі шлаку з часом перетворюється фактично на бетон. З роками формується дуже міцна основа дороги.

На перший погляд, міцна основа – це добре. Але “плита” зі шлаку, як і всі жорсткі матеріали, має властивість змінювати лінійні розміри при коливаннях температури. Це може призводити до деформації верхніх шарів дорожнього покриття, якщо у конструктиві дороги не передбачити додаткових заходів (влаштування щебеневих деформаційних швів), які виконуватимуть функцію “демпфера”. 

Тому при будівництві а/д Н-31, як повідомляє компанія “Автомагістраль-Південь”, в основі зі шлаку були облаштувані прорізи (деформаційні шви), заповнені щебеневим матеріалом, та укладені ще два шари основи. Зверху шлаку влаштована щебенево-піщана суміш, і вже на неї – шар пористого асфальтобетону.

А ось для укріплення узбіч, відмічають у компанії, шлак справді можна використовувати без проблем.

Чи потечуть шлакові ріки?

Дніпровський металургійний комбінат, розташований у м. Кам’янське вже повідомляв про готовність постачати матеріали для будівництва доріг. Більше половини з обсягу шлаків комбінат вже зараз продає або використовує у власному виробництві. Решту – складує на спеціальному майданчику. У відвалах зібралося близько 8 мільйонів тон.

Однак, не на всіх металургійних підприємствах така ж ситуація. Деякі, наприклад ДМЗ, що у Дніпрі, передали свої відвали на обслуговування аутсорсинговим компаніям. У такому випадку обсяги і напрями відвантаження відвальних шлаків залежать від технічних та фінансових можливостей аутсорсерів. А щодо виготовлення придатних для використання шлаків поточного виробництва не у всіх металургійних підприємств є технічні можливості.

Окрім того, постачання шлаку для будівництва доріг невідворотно стикатиметься з конкуренцією серед споживачів. Адже цей матеріал широко застосовується для виготовлення портланд-цементу, шлакобетону, термозиту (шлакової пемзи), мінеральної вати. 

Точно спроектувати = уникнути помилок 

Неграмотне використання шлаків у дорожньому будівництві може спричинити шкоду, яку потім важко виправити.

Раніше траплялося, що при прокладанні доріг не враховували зміни, які з часом відбуваються в активних шлаках. Сформовану з них подушку покривали асфальтом. А потім, років за п’ять з початку експлуатації, еластична подушка перетворювалась на тверду бетонну плиту. При тепловому розширенні плиті нікуди було розповзатись, і вона тріскалась. Брили наповзали одна на одну, утворювали горби. Дорога ставала схожою на хвилясту поверхню моря, асфальт прискорено руйнувався. Щоб такого не трапилося, слід заздалегідь сформувати температурні шви. Як ми писали вище, саме таку технологію використовує компанія “Автомагістраль-Південь”. 

Не менш небезпечні екологічні загрози. Приклад нехтування ними – катастрофічна ситуація, яка свого часу склалася у м. Кам’янське. Ось лише деякі з повідомлень, що з’являлися у дев’яності роки у засобах масової інформації:

“У центрі Кам’янського (колишній Дніпродзержинськ) дорога випромінює радіацію. Це сталося після ремонту – ями засипали матеріалом невідомого походження. В результаті, дорога, по якій постійно їздять машини, ходять люди, випромінює радіаційний фон, який у п’ять разів вище норми”.

“На території міста Дніпродзержинська виявлено 117 джерел локального радіаційного забруднення. Ці джерела виникли внаслідок використання шлаків … в шляховому будівництві. Площа таких локальних ділянок невелика – до 10 м 2, межі експозиційної дози від 100 до 1000 мкР/год”.

Причиною радіаційного забруднення називали те, що у місті з 1947 року збагачували уранову руду. А відходи виробництва, зокрема шлак використовували в будівництві. 

Отже, при використанні шлаків у дорожньому будівництві треба враховувати усі технологічні нюанси та екологічні питання. А також розробити чіткий алгоритм дій та процедуру, як для дорожників, так і для металургів.