Золошлаки в дорожном строительстве

Золошлаки — больная тема для многих предприятий энергетического комплекса: промышленные отходы образуются ежедневно, занимают огромные площади и практически не используются. Сегодня вопросу утилизации такого рода материалов государство уделяет особое внимание, в том числе рассматривая золошлаки как ценный ресурс для применения в дорожной отрасли.

В соответствии с Энергетической стратегией Российской Федерации на период до 2050 года, утвержденной правительством в апреле этого 2025 года, доля утилизированных золошлаков в общем объеме образованных должна составлять: к 2030 году — 40%, к 2036 году — 50%, к 2050 году — 90%. Активное использование золошлаков в дорожном строительстве — наиболее перспективный способ достичь таких высоких показателей.

Что такое золошлаки ТЭЦ, ТЭС и ГРЭС

Золошлаки теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), тепловых электростанций (ТЭС) и государственных районных электростанций (ГРЭС) — это промышленные отходы, образованные в процессе сжигания горных пород с целью получения тепловой и электрической энергий. К примеру, при сжигании порошкообразного угля современным факельным методом образуется некоторое количество несгоревших частиц. При этом одни из них — более крупные — оседают на дне котла, другие — более мелкие — вместе с дымовыми газами поднимаются наверх и поступают в систему фильтрации.

Разная дисперсность частиц, полученных в процессе сжигания твердого топлива, определила разделение золошлаков на три вида:

• Золу уноса — мелкодисперсный материал с размером частиц до 0,314 мм, извлекаемый путем очистки дымовых газов
• Топливный шлак — крупнодисперсный материал, представляющий собой спеченную часть остатка породы, с размером частиц более 0,314 мм
• Золошлаковую смесь (ЗШС) — смесь топливного шлака с золой уноса, образованную во время подачи отходов в золоотвал. Шлаковая часть ЗШС состоит из шлакового песка с размером частиц от 0,314 до 5 мм, и шлакового щебня c размером фракций более 5 мм

Порядка 90% всех отходов ТЭЦ при сжигании твердого топлива составляет золошлаковая смесь, которая через систему трубопроводов поступает в специальные открытые отвалы, расположенные возле предприятия. На сегодняшний день в России на таких отвалах накопилось более 1,6 млрд тонн ЗШС — невероятная цифра.

Хорошая новость заключается в том, что золошлаки в малой степени влияют на окружающую среду, прежде всего в силу происхождения горных пород, из которых в дальнейшем образуются промышленные отходы. В соответствии с Федеральным классификационным каталогом отходов золошлаковая смесь относится к одному из двух классов опасности отходов — малоопасные (IV) или безвредные (V). Выбор того или иного класса определяют расчетным или экспериментальным методом оценки опасности материалов. Как правило, ЗШС относят к V классу.

На здоровье человека золошлаки также оказывают минимальное воздействие. Это подтверждают не только периодические измерения показателей удельной эффективной активности естественных радионуклидов разных углей, проводимых на производстве, но и результаты экспериментов по оценке степени токсичности, проведенных отечественными медицинскими учреждениями, например Институтом токсикологии (Санкт-Петербург), Московским НИИ гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана, Кемеровской Государственной Медицинской Академией, и другими.

Классификация золошлаков по химическому составу

Химический состав золошлаков является наиболее важным показателем, определяющим свойства и дальнейшее использование этого вида отходов. Он связан с используемым при сжигании твердым топливом, в качестве которого применяют преимущественно каменные и бурые угли. В зависимости от того, с какого месторождения был привезен тот или иной вид горной породы, зависит химический состав золошлаков. К примеру, зола уноса, полученная при сжигании Подмосковного угля, в процентном отношении содержит:

• SiO2 — от 46 до 55
• Al2O3 — от 22 до 39
• Fe2O3 — от 5 до 17
• CaO — от 2 до 5
• MgO — от 0,2 до 2,4
• K2O — от 0,2 до 1
• Na2O — от 0,2 до 0,7
• SO3 — от 0,2 до 1,6
• CaOсв — 1

Для сравнения: зола уноса, полученная из Березовского угля, в процентном отношении включает в себя:

• SiO2 — от 13 до 45
• Al2O3 — от 6 до 16
• Fe2O3 — от 5 до 13
• CaO — от 34 до 60
• MgO — от 5 до 10
• K2O — от 0,2 до 1
• Na2O — от 0,1 до 1,1
• SO3 — от 1 до 18
• CaOсв — от 5 до 24

То есть в одинаковых горных породах, выработанных в разных регионах России, содержится разное количество химических соединений. На примере выше можно увидеть явное отличие в процентном объеме свободного оксида: в первом случае показатель равен 1, а во втором — от 5 до 24. Важно уточнить, что наличие кальция в свободном или связанном виде является одним из главных критериев, определяющих способность золы и шлака проявлять свои вяжущие свойства.

ОДМ 218.2.031-2013 «Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве» разделяет золошлаки по химическому составу на высококальциевые и низкокальциевые. В соответствии с документом в первом случае отходы должны содержать не менее 20% CaO + MgO, а во втором — менее 20%.

Обзорная информация «СоюзДорНИИ» от 2003 года — «Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог» — более полно раскрывает тему химического состава золошлаков, разделив их на два вида — основные и кислые.

Основные золы содержат более 10‒15% оксида кальция, а также характеризуются наличием гидравлически активных компонентов, что позволяет использовать их в качестве самостоятельного вяжущего материала.

Кислые золы содержат менее 10‒15% оксида кальция, и могут применяться как активные минеральные добавки.

Более того, разное соотношение химических соединений в золошлаках классифицирует их на три группы активности:

• Активные, с общим содержанием оксида кальция от 20 до 60%, свободного оксида кальция — до 30%
• Скрыто активные, с общим содержанием оксида кальция равным от 5 до 20%, свободного оксида кальция — до 2%
• Инертные, с низким содержанием оксидов кальция и магния, свободного оксида кальция — до 1%. При этом материал данной группы может вообще не содержать свободного оксида кальция

Таким образом, химический состав золошлаков определяет их использование для конкретных видов работ в дорожном строительстве. Активные золошлаки характеризуются высоким модулем основности, обладают свойством самостоятельно твердеть, а значит их можно применять в качестве единственного вяжущего при производстве смесей. Скрыто активные золошлаки имеют низкий модуль основности, что предполагает использование этого материала в качестве комплексного вяжущего с обязательным добавлением активаторов твердения. Если отходы первых двух групп подходят для создания слоев основания или даже покрытия дорог, то инертные золошлаки применяют только в качестве грунтов техногенного происхождения.

Применение золошлаков в дорожном строительстве

Очевидно, что золошлаки, полученные в результате сжигания твердого топлива разного происхождения, обладают разными свойствами, основными из которых являются зерновой состав, насыпная и истинная плотности, водонасыщение, а также способность к морозному пучению. Показатели этих свойств определяют возможность использования отходов в дорожном строительстве с разной степенью ограничений в каждом конкретном случае.

Общую же область применения золошлаков можно найти в предварительном национальном стандарте ПНСТ 1003-2025 «Дороги автомобильные общего пользования. Материалы золошлаковые. Классификация». Так, золошлаковые материалы могут выступать в качестве:

• Минерального порошка
• Компонента комплексно-минеральных вяжущих и цемента
• Минеральной добавки для бетонных смесей, созданных для устройства слоев оснований и покрытий дорожных одежд
• Заполнителя щебеночно-гравийно-песчаных смесей (ЩГПС), в том числе обработанных органическим или неорганическим вяжущим
• Добавки в холодных органоминеральных смесях
• Техногенного материала в составе грунтов, стабилизированных и укрепленных неорганическим вяжущим, и укрепленных органическим вяжущим
• Минеральной добавки при укреплении ЩГПС органическими и неорганическими вяжущими

Использование ЗШС или топливных шлаков при создании относительно новых асфальтобетонных смесей типа Superpave и «Евроасфальт» не регламентировано. Это и понятно: как минимум, золошлаковые смеси достаточно пористые, им свойственна высокая битумоемкость, что, очевидно, увеличит себестоимость асфальта за счет большего расхода вяжущего.

А вот золу уноса при производстве асфальта применять можно, — в качестве минерального порошка по ГОСТ 32761-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Порошок минеральный. Технические требования».

Таким образом, в дорожной отрасли золошлаки могут быть успешно реализованы для:

• Сооружения насыпи земляного полотна, формирования рабочего слоя
• Устройства конструктивных слоев дорожных одежд, создания дополнительных слоев
• Укрепления грунтов

С учетом стоимости золошлаков, которая в зависимости от региона может составлять от 250 рублей за тонну, необходимость использования этого вида промышленных отходов для строительства объектов транспортной инфраструктуры кажется очевидным.

Стандарты, регламентирующие использование золошлаков в дорожном строительстве

Разнообразие способов применения золошлаков в дорожном строительстве и постепенное развитие направления вторичного использования промышленных отходов, определили обширный список актуальных стандартов, так или иначе связанных с золошлаковыми материалами — золой уноса, топливными шлаками и золошлаковыми смесями. Среди них:

• ОДМ 218.2.031-2013 «Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве»
• ГОСТ 33174-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Цемент. Технические требования»
• ГОСТ 32761-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Порошок минеральный. Технические требования»
• ГОСТ 25818-2017 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия»
• ГОСТ 25592-2019 «Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия»
• ГОСТ Р 59300-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси бетонные для устройства слоев оснований и покрытий. Технические условия»
• ГОСТ Р 70458-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси щебеночно-гравийно-песчаные. Общие технические условия»
• ГОСТ Р 70362-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Бетоны для устройства слоев оснований и покрытий. Технические условия»
• ГОСТ Р 70452-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Грунты стабилизированные и укрепленные неорганическими вяжущими. Общие технические условия»
• ГОСТ Р 70453-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Грунты, укрепленные органическими вяжущими. Общие технические условия»
• ГОСТ Р 70454-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси щебеночно-гравийно-песчаные, обработанные органическими вяжущими. Общие технические условия»
• ГОСТ Р 70455-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси щебеночно-гравийно-песчаные, обработанные неорганическими вяжущими. Общие технические условия»
• ГОСТ Р 70196-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Комплексные минеральные вяжущие для стабилизации и укрепления грунтов. Технические условия»
• ГОСТ Р 70197.1-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси органоминеральные холодные с использованием вторичного асфальтобетона. Общие технические условия»
• ПНСТ 1003-2025 «Дороги автомобильные общего пользования. Материалы золошлаковые. Классификация»

При работе по направлению использования золошлаков в дорожном строительстве стоит также выделить ценность обзорной информации, представленной «СоюзДорНИИ» в документе «Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог» от 2003 года.

Плюсы применения золошлаков в дорожном строительстве очевидны:

• Снижение общего объема накопленных отходов в золоотвалах
• Увеличение качества дорог, например, за счет замены использования песчаного или суглинистого грунта золошлаковой смесью, которая по отдельным показателям демонстрирует лучший результат
• Повышение экологичности
• Снижение стоимости строительства объектов транспортной инфраструктуры, конечно, учитывая небольшое расстояние между золоотвалом или ТЭЦ до места устройства дороги или производственной площадки
• Дополнительный источник дохода для предприятий топливно-энергетического комплекса

Выполнение задач Энергетической стратегии со стороны промышленности позволит предприятиям, в том числе строительной отрасли, а также государственным организациям, сделать шаг не только к экологичности производства, но и к положительным изменениям в нормативно-технической документации, способствующей высокому качеству устройства будущих дорог России.