Шлаки черной металлургии в дорожном строительстве: виды, химический состав, применение, ГОСТы

Применение вторичных материалов в дорожном строительстве — тренд последних лет, который поддерживается не только участниками отрасли — подрядными организациями, но и государством. И это не пустые слова: с 1 марта 2024 года в силу вступило распоряжение правительства (№ 2094-р), содержащее в себе в том числе перечень видов работ, связанных со вторичным сырьем, — в отношении этих работ будет осуществляться стимулирование деятельности по их выполнению. Среди прочего в документе — «Дорожное строительство с использованием металлургических шлаков (доменных и сталеплавильных)».

Шлаки относят к отходам производства. По данным, указанным в паспорте отраслевой программы «Применение вторичных ресурсов и вторичного сырья из отходов в промышленном производстве», рассчитанной до 2030 года, шлаковые отвалы металлургических заводов занимают около 1 млн гектар, — страшно представить, но это 10 000 квадратных километров (!). И это даже с учетом того, что какую-то часть отходов предприятия научились использовать повторно в технологических процессах; какую-то часть — мелкодисперсную — реализуют в том числе производителям строительных материалов, например цементов; какую-то часть — в виде щебня и песка — поставляют компаниям, выпускающим бетонные смеси, а также участникам дорожно-строительной отрасли. В общем — шлаков очень много и их можно и нужно использовать.

Что такое шлаки черной металлургии

Шлаки черной металлургии — это побочные продукты выпуска чугуна или стали. Как они образуются: чтобы получить, к примеру, чугун, который на 93‒97% состоит из железа (Fe), необходимо расплавить горную породу — железную руду. При этом, чтобы все химические и термальные процессы прошли в соответствии с технологией производства, а готовая продукция не имела вредных примесей, в вертикальную печь подают не только саму руду, но и угольный кокс, известняк или доломит. В результате плавления в нижней части печи образуется раскаленный жидкий состав, условно состоящий из двух слоев: нижнего — чугуна, и верхнего — более «легкого», имеющего меньшую плотность, — шлака.

Так как шлак в процессе выплавки образуется в верхнем слое жидкого состава, его периодический слив осуществляют через отдельный выпускной канал, расположенный выше выпускного канала, предназначенного для чугуна. После выгрузки шлак направляют либо в специальные агрегаты, где его охлаждают холодным воздухом или водой для формирования гранулированного мелкодисперсного материала, либо сливают в вагонетки и вывозят в шлакоотвалы.

Виды металлургических шлаков

Шлаки черной металлургии разделяют на два основных типа. Если шлак образован в процессе производства чугуна, — в доменной печи при температуре в среднем около 2000 °C, — то его называют доменным. Если же шлак получен в процессе выпуска стали, для создания которой, к слову, также необходим чугун, то его называют сталеплавильным.

В зависимости от того, в какой печи была произведена сталь, сталеплавильные шлаки, применяемые в дорожном строительстве, разделяют на три основных вида: конвертерные, электросталеплавильные и мартеновские. Разные технологии производства позволяют предприятиям получать продукцию с разными свойствами.

Сталь, выпущенную конвертерным способом, при температуре в среднем около 2400 °C, где в процессе плавки происходит выжигание чугуна кислородом, используют для создания балок, рельс, кузовов автомобилей и другой продукции.

Сталь, полученную при температуре в среднем около 3500 °C в электропечи, где электрическая энергия является источником тепла для плавки, применяют для производства валов, деталей автомобилей, инструментов, шарикоподшипников и других износостойких элементов. Сегодня в электропечах создают самые высококачественные углеродистые стали и этому направлению отечественная металлургическая промышленность уделяет наибольшее внимание.

Сталь, выпущенную мартеновским способом при температуре в среднем 1800‒1900 °C, где источником тепла служит факел пламени, используют для производства станков, турбин, элементов мостов, частей судов и другой продукции.

Очевидно, что при создании разных сталей образуются металлургические шлаки с различным в той или иной степени химическим составов.

Химический состав металлургических шлаков

Главными химическими соединениями, составляющими основу металлургических шлаков, являются кремнезем (SiO2) и известь (CaO). Другими компонентами, присутствующими практических во всех шлаках, являются Al2O3, MgO, FeO, MnO, S. В зависимости от технологии производства, минералогического состава используемой горной породы, зольности кокса, применяемых добавок и многих других факторов — в химическом составе шлаков могут присутствовать до 30 разных элементов или соединений, содержащих, к примеру, фосфор (P), титан (Ti) или натрий (Na).

Более того, меняя состав шлака, — как неметаллической фазы в процессе создания чугуна или стали, — можно очищать металл от примесей и регулировать наличие тех или иных химических компонентов в нем.

Доменный шлак может состоять из:

• CaO — от 34 до 43%
• SiO2 — от 27 до 38%
• Al2O3 — от 7 до 12%
• MgO — от 7 до 15%
• FeO, Fe2O3 — от 0,2 до 1,6%
• MnO — от 0,15 до 0,76%
• S — от 1 до 1,9%

На сайте одного отечественного металлургического завода, реализующего разные виды шлаков, отвальный доменный шлак имеет следующий химический состав:

• CaO — от 39 до 47%
• SiO2 — от 35 до 43%
• Al2O3 — от 4 до 10%
• MgO — от 5 до 10%
• FeO — от 0,2 до 0,6%
• MnO — от 0,1 до 9%
• S — от 0,6 до 2,2%

Во втором представленном химическом составе любопытен широкий диапазон показателя по оксиду марганца (MnO). Возможно, что для выпуска чугуна предприятие периодически использует руду с разных месторождений.

Сталеплавильный шлак, созданный конвертерным способом, может содержать:

• CaO — от 40 до 55%
• SiO2 — от 7 до 18%
• Al2O3 — от 2 до 6%
• MgO — от 6 до 10%
• FeO, Fe2O3 — от 12 до 28%
• MnO — от 13 до 14%
• S — от 1 до 1,9%

На сайте крупной горно-металлургической компании, реализующей щебень из сталеплавильных шлаков, его химический состав представлен следующими соединениями:

• CaO — от 27,7 до 44%
• SiO2 — от 7,6 до 11%
• Al2O3 — от 2,2 до 7,3%
• MgO — от 6,3 до 11,5%
• FeO — от 7,6 до 40,9%
• MnO — от 3,5 до 5,3%
• P2O5 — от 0,86 до 1,26%
• S — от 0,03 до 0,16%

Если сравнить химические составы доменных и сталеплавильных шлаков, то можно обратить внимание как минимум на два момента. Первое — доменные шлаки в данном конкретном случае содержат на порядок большее количество кремнезема (SiO2). Второе — сталеплавильные шлаки характеризуются повышенным содержанием оксида железа (FeO). Возможно, что последнее отличие связано с тем, что в процессе создания стали для удаления из металла вредной примеси фосфора, который снижает уже в готовой продукции ударную вязкость, на определенном этапе плавки в печь добавляют железную руду.

Повышенное содержание кремнезема в составе металлургических шлаков приближает их по химическому составу к кислым горным породам, например граниту; повышенное содержание извести — к основным породам, например базальту. Именно это сходство, а также способность шлаков черной металлургии к сопротивлению нагрузкам, послужили основой для их использования в дорожно-строительной отрасли. Более того, первые опыты применения шлаков при устройстве отечественных дорог начались еще в первой половине XX века.

Свойства металлургических шлаков

В рамках данной статьи свойства металлургических шлаков, применяемых в дорожном строительстве в виде щебня и песка, можно сформулировать на основании стандарта ГОСТ 32826-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Щебень и песок шлаковые. Технические требования».

Так, шлаковый щебень, то есть материал с крупностью более 4 мм, должен соответствовать требованиям ГОСТа по:

• гранулометрическому составу
• содержанию пылевидных и глинистых частиц
• содержанию зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы
• сопротивлению дроблению и износу
• дробимости
• содержанию слабых зерен и металлических примесей
• морозостойкости

Дополнительно к шлаковому щебню могут быть предъявлены требования по:

• устойчивости структуры зерен против распадов
• сопротивлению истираемости по показателю микро-Деваль

Шлаковый песок с размерами частиц менее 4 мм должен выполнять требования стандарта в части:

• гранулометрического состава
• содержания глинистых частиц
• содержания металлических примесей
• содержания пылевидных и глинистых частиц

Что касается сырья, из которого были изготовлены песок и щебень, то есть непосредственно шлака, то он должен выполнять требования ГОСТа на:

• активность
• удельную эффективную активность естественных радионуклидов

При отгрузке партии шлаковых песка или щебня с металлургического завода в документе о качестве продукции обязательны должны присутствовать не только показатели вышеуказанных характеристик, но и общие для сыпучих материалов параметры: средняя и насыпная плотности, влажность, пористость, пустотность, водопоглощение, модуль крупности для песка.

В случае реализации такого продукта как щебеночно-песчаная шлаковая смесь, состоящая соответственно из щебня и песка, каждый из компонентов должен соответствовать требованиям вышеуказанного стандарта ГОСТ 32826-2014.

Металлургические шлаки и радиация

Некоторые жители городов и поселков переживают, когда на строящейся или ремонтируемой дороге видят слои из шлакового щебня, — им кажется, что этот материал может негативно сказаться на их здоровье из-за радиационного фона зерен. Не стоит переживать: во-первых, любой щебень, в том числе природный, например гранитный, имеет свой «показатель радиации». Во-вторых, свойства всех щебней, применяемых в дорожном строительстве, в том числе удельной эффективной активности естественных радионуклидов, строго контролируются и указываются в документе о качестве продукции, который в обязательном порядке должен иметь каждый поставщик строительных материалов.

Тот же ГОСТ 32826-2014 на шлаковые щебень и песок, ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов», стандарт организации СТО Автодор 2.2-2011 «Смеси щебеночно-песчаные из металлургических шлаков для строительства слоев оснований и укрепления обочин автомобильных дорог. Технические условия» и многие другие документы указывают, при каких «показателях радиации» материалы можно использовать в населенных пунктах, а при каких нет.

Применение металлургических шлаков в дорожном строительстве

Как уже было сказано выше, шлаки черной металлургии в дорожном строительстве используют в виде щебня, песка и их смеси. При этом, конечно, наибольший интерес с точки зрения потенциального снижения объемов накопившихся в шлакоотвалах материалов, представляет именно щебень. В соответствии со стандартом 32826-2014, гармонизированным с техническим регламентом Таможенного союза «Безопасность автомобильных дорог», максимальный размер фракций шлакового щебня может составлять 90 мм.

На сегодняшний день щебень, созданный из шлаков черной металлургии, применяется при производстве:

• асфальтобетонных смесей по стандартам серии 58401, в том числе для создания щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (ЩМАС);
• асфальтобетонных смесей по стандарту 58406.2-2020, за исключением составов, созданных для устройства верхних слоев покрытий под тяжелые условия движения транспорта;
• теплых асфальтов — в соответствии со стандартами 70396-2022 и 70397-2022;
• холодных асфальтобетонных смесей по ГОСТ 70648-2023;
• органоминеральных холодных смесей с использованием вторичного асфальтобетона — по стандарту 70197.1-2022;
• бетонных смесей для устройства слоев оснований и покрытий — по ГОСТ 59300-2021;
• органоминеральных смесей и грунтов, обработанных органическими вяжущими — по стандарту 30491-2012. В данном случае шлаковый щебень соответствует пока что еще действующему ГОСТ 3344-83 «Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства. Технические условия», не гармонизированному с техническим регламентом Таможенного союза;
• щебеночно-гравийно-песчаных смесей и грунтов, обработанных неорганическими вяжущими — по стандарту 23558-94. Шлаковый щебень — по ГОСТ 3344-83;
• щебеночно-песчаной шлаковой смеси — по стандарту ГОСТ Р 58770-2019.

Таким образом, шлаки черной металлургии, в том числе мелкодисперсные, применяемые в качестве минерального порошка, могут быть использованы для реализации широкого спектра дорожно-строительных работ.

Шлаки применяют для создания слоев покрытий и оснований дорог, устройства дополнительных морозозащитных или дренирующих слоев, укрепления обочин и откосов, — это подтверждают документы СП.78.13330-2012 «Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 3.06.03-85», ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд», пока что предварительный национальный стандарт ПНСТ «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования» и другие.

Шлаки черной металлургии использовали при строительстве участков ЦКАД, дорог М-4 «Дон», М-12 «Восток» и многих других объектов. При этом, полученные в дальнейшем результаты мониторинга транспортно-эксплуатационного состояния участков дорог приятно удивили экспертов: оказалось, что со временем шлаки постепенно набирают прочность; фактический модуль упругости на поверхности дорог значительно превысил проектные показатели.

В связи с вступлением в силу распоряжения правительства (№ 2094-р), очевидно, в дорожной отрасли увеличится количество участков дорог, созданных с использованием вторичных материалов, а значит — у нас появится больше данных о тех или иных особенностях шлаков черной металлургии. Уменьшение стоимости строительства дорог разных категорий, снижение негативного влияния на экологию, сокращение площадей, занятых шлаками, — мы уверены, что это далеко не все плюсы, которые несет в себе применение этих материалов.

Если ваше предприятия планирует использовать металлургические шлаки для производства смесей, применяемых в дорожном строительстве, то обратите внимание на оборудование от компании SOLOMATIC — асфальтосмесительные и грунтосмесительные установки разной производительности, — все они подходят для работы со вторичными материалами: асфальтогранулятом, золошлаками и шлаками черной металлургии.

Расскажите нам о ваших задачах подробнее по телефону 8 (800) 555-73-40, через запрос на почту sale@solomatic.ru или любым другим удобным способом из раздела с контактами, и мы предложим вам оптимальное инженерное решение.

Работа со вторичными материалами на установках от компании SOLOMATIC — залог выпуска качественных смесей в соответствии с требованиями национальных стандартов.