Исследование эффективности использования шлаков черной металлургии в слоях основания дорожной одежды

Введение. Представлены результаты исследования характеристик металлургических шлаков, рассмотрена возможность их применения в органоминеральных смесях для слоев основания дорожной одежды с учетом технологических особенностей их приготовления и показателей эксплуатационных свойств. Тема исследования является актуальной как для отдельных регионов, так и для страны в целом. Количество отходов металлургического производства ежегодно увеличивается и исчисляется сотнями миллионов тонн. Главным направлением снижения отходов производства является их утилизация. Еще большую актуальность данная проблема приобретает на фоне постоянно снижающихся запасов природных материалов, увеличение потребности которых обусловлено высокими темпами развития материального производства и ускорением научно-технического прогресса. Таким образом, применение шлаковых материалов в дорожном строительстве не только поспособствует утилизации отходов, но и позволит решить ряд экологических и экономических задач. Целью исследования является комплексное изучение влияния шлаков черной металлургии на показатели физико-механических и эксплуатационных свойств органоминеральных смесей слоев основания дорожной одежды и обоснование их эффективного применения в дорожном строительстве. Для реализации поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи: 1) определить химический анализ исследуемых шлаков и изучить механизм взаимодействия шлаковых материалов с вяжущими; 2) оценить степень влияния шлаковых материалов на физико-механические и эксплуатационные свойства органоминеральных смесей; 3) разработать методику определения накопления остаточных деформаций в органоминеральных смесях и установить закономерности их изменения во времени; 4) определить модуль жесткости и количество циклов до отказа в исследуемых органоминеральных смесях в зависимости от природы происхождения материала. Сталеплавильные шлаки черной металлургии могут способствовать получению органоминеральных смесей, обладающих повышенными физико-механическими и эксплуатационными показателями свойств, за счет повышенного содержания кальциевых соединений, микропористых сложений кристаллической структуры и активных процессов гидратации, что может оказать благоприятное влияние на долговечность конструктивного слоя дорожной одежды при их применении.

Материалы и методы. Все материалы, используемые в рамках данного исследования, подвергались испытаниям по определению их физико-механических параметров, а материалы, представляющие собой побочные промышленные продукты, дополнительно подвергались химическому анализу. Такой подход позволил оценить соответствие инертных материалов требованиям, предъявляемым в Российской Федерации к исходным материалам для применения их в составе органоминеральных смесей, и выявить критические характеристики материалов, которые могут повлиять на показатели прочностных и эксплуатационных свойств. Применение отходов металлургической промышленности имеет ряд преимуществ перед обычными природными материалами, среди которых низкая экономическая и экологическая стоимость. В качестве отходов металлургической промышленности использовались конверторные и доменные шлаки различной гранулометрии. Для оценки химического состава сталеплавильных шлаков был проведен рентгенофлуоресцентный тест. Определение содержания серы производилось на элементном анализаторе путем сжигания навески образца при температуре 1350 °С. Определение содержания углерода производилось на анализаторе общего органического углерода путем сжигания навески образца при температуре 950 °С. Анализ прочих компонентов проводился на атомно-эмиссионном спектрометре c индуктивно-связанной плазмой после разложения образца пробы смесью неорганических кислот. Для подбора составов органоминеральных смесей на комплексном вяжущем были выполнены исследования по изучению характера взаимодействия органического вяжущего со шлаками. Для оценки эффективности применения исследуемых шлаковых материалов были подобраны оптимальные составы органоминеральных смесей в соответствии с ГОСТ 30491–2012, из которых были изготовлены и испытаны образцы цилиндрической формы для показателей физико-механических свойств, а также образцы-плиты и образцы-балочки для показателей эксплуатационных свойств. При проведении экспериментальных исследований применялось универсальное устройство для испытания на сжатие и изгиб Unifame 70-ТО108E и пресс испытательный. Оценка степени устойчивости образцов из органоминеральных смесей к накоплению остаточных деформаций осуществлялась на приборе динамических испытаний (патент № RU 152287 U1) в соответствии с разработанной для этих целей методикой испытаний. Для оценки показателей эксплуатационных свойств по модулю жесткости и количеству циклов до отказа и водостойкости выполнена адаптация методологии испытаний, применяемой для оценки качества свойств асфальтобетонов, с учетом технологических условий, характерных для органоминеральных смесей. Для этих целей использовался прибор CRT-RC-H2, имитирующий работу катка, и прибор СRT-SA4PT-BB, представляющий собой серво-пневматическую систему, подающую на образец-балочку синусоидальную нагрузку с постоянной деформацией и частотой.

Результаты исследования. Проанализирован химический и элементный состав шлаковых материалов, на основании которого определены основные направления возможности применения отходов металлургической промышленности в дорожной отрасли. Изучен механизм взаимодействия шлакового щебня и песка с вяжущими. Установлено, что применение сталеплавильных шлаков позволяет повысить показатели прочностных и эксплуатационных свойств органоминеральных смесей. Разработаны условия испытаний и апробирована методика оценки водостойкости образцов из органоминеральной смеси по пределу прочности при непрямом растяжении, модулю жесткости и количеству циклов до отказа. Предложен метод оценки устойчивости органоминеральных смесей к накоплению остаточных деформаций на приборе динамических испытаний и установлена зависимость изменения показателя во времени. По результатам экспериментальных исследований подтверждена целесообразность, экономическая и экологическая эффективность применения отходов металлургической промышленности в слоях основания конструкции дорожной одежды.

Выводы. Выполнен химический анализ сталеплавильных шлаков, отмечены их положительные стороны и изучен механизм их взаимодействия с вяжущими. Сталеплавильные шлаки черной металлургии позволили получить органоминеральные смеси с повышенными показателями физико-механических и эксплуатационных свойств относительно аналогичных смесей из природных минеральных материалов. Впервые в рамках экспериментальных исследований получены фактические значения эксплуатационных свойств по показателям «остаточные деформации», «модуль жесткости» и «количество циклов до отказа» в органоминеральных смесях из природных и шлаковых материалов, что может быть использовано при принятии проектных решений. Применение органоминеральных смесей из шлаковых материалов в слоях основания на 30–35 % замедляет процессы накопления остаточных деформаций относительно аналогичных смесей из природных минеральных материалов, что позволяет продлить срок службы конструктивного слоя дорожной одежды.

1. Abdullah H.H., Shahin M.A., Walske M.L., Karrech A. Cyclic behaviour of clay stabilised with fly-ash based geopolymer incorporating ground granulated slag // Transportation Geotechnics. 2021. No. 26. Р. 100430. DOI: 10.1016/j.trgeo.2020.100430

2. Шестаков Н.И., Коршунов А.В., Путилин C.В. Перспективы применения шлака медеплавильного производства в дорожном строительстве // Строительство и реконструкция. 2021. № 6. С. 90–97. DOI: 10.33979/2073-7416-2021-98-6-90-97. EDN HSHJQP.

3. Пименов А.Т., Прибылов В.С. Применение шлаковых заполнителей в составе асфальтобетона для повышения долговечности дорожных покрытий // Вестник СибАДИ. 2019. № 16 (6). С. 766–769. DOI: 10.26518/2071-7296-2019-6-766-779. EDN UDBGMM.

4. Motevalizadeh S.M., Sedghi R., Rooholamini H. Fracture properties of asphalt mixtures containing electric arc furnace slag at low and intermediate temperatures // Construction and Building Materials. 2020. No. 240. Article 117965. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117965

5. Keymanesh M.R., Ziari H., Zalnezhad H., Zalnezhad M. Mix design and performance evaluation of microsurfacing con-tainingelectric arc furnace (EAF) steel slag filler // Construction and Building Materials. 2020. Article 121336. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121336

6. Orešković M., Santos J., Mladenović G., Rajaković-Ognjanović V. The feasibility of using copper slag in asphalt mixtures for base and surface layers based on laboratory results // Construction and Building Materials. 2023. Р. 384. Article 131285. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.131285

7. Raposeiras A.C., Movilla-Quesada D., Bilbao-Novoa R., Cifuentes C., Ferrer-Norambuena G., Castro-Fresno D. The use of copper slags as an aggregate replacement in asphalt mixes with RAP: physical–chemical and mechanical behavioural analysis // Construction and Building Materials. 2018. No. 190. Рр. 427–438. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.09.120

8. Yang J., Liu L., Zhang G., Ding Q., Sun X.The Preparation of Ground Blast Furnace Slag-Steel Slag Pavement Concrete Using Different Activators and Its Performance Investigation // Buildings. 2023. No. 13 (7). Р. 1590. DOI: 10.3390/buildings13071590

9. Cahyani R.A.T., Rusdianto Y. An Overview of Behaviour of Concrete with Granulated Blast Furnace Slag as Partial Cement Replacement // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. 2021. No. 933 (1). Р. 012006. DOI: 10.1088/1755-1315/933/1/012006

10. Ahmad J., Kontoleon K.J., Majdi A., Naqash M.T., Deifalla A.F., Ben Kahla N. et al. A Comprehensive Review on the Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBS) in Concrete Production // Sustainability. 2022. No. 14. P. 8783. DOI: 10.3390/su14148783

11. Popescu D., Burlacu A. Considerations on the benefits of using recyclable materials for road construction // Romanian Journal of Transport Infrastructure. 2017. No. 6. Pр. 43–53. DOI: 10.1515/rjti-2017-0053

12. Icula L.M., Corbu O., Iliescu M., Dumitraș D.G. Using the blast furnace slag as alternative source in mixtures for the road concrete for a more sustainable and a cleaner environment // Romanian Journal of Transport Infrastructure. 2020. No. 50. Рр. 545–555.

13. Ling Y., Wang K., Li W., Shi G., Lu P. Effect of slag on the mechanical properties and bond strength of fly ash — Based engineered geopolymer composites // Composites Part B: Engineering. 2019. No. 164. Рр. 747–757. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.01.092

14. Thakur Nisha, Saklecha P.P. Comparison of pro-perties of steel slag and natural aggregate for road construction. 2019. URL: https://ssrn.com/abstract=3376488 DOI: 10.2139/ssrn.3376488

15. Li Chuangmin, Liu Qiandong, Ding Xikun, Liu Lubiao, Li Minggu, Li Huihui et al. Large-size macadam mixture stabilized with industrial solid waste fly ash and slag powder: A new mixture to improve the performance of pavement base material. URL: https://ssrn.com/abstract=4697933 DOI: 10.2139/ssrn.4697933

16. Черникова И.И., Кострикина Т.В., Тюмнева К.В., Ермолаева Т.Н. Применение стандартных образцов доменных, сталеплавильных, конверторных шлаков и сварочных плавленых флюсов при разработке методики анализа шлакообразующих смесей методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой // Стандартные образцы. 2017. № 3–4. С. 29–40. DOI: 10.20915/2077-1177-2017-13-3-4-29-40. EDN USNGNX.

17. Zalnezhad M., Hesami E. Effect of steel slag aggregate and bitumen emulsion types on the performance of microsurfacing mixture // Journal of Traffic and Transportation Engineering. 2020. No. 7. Рр. 215–226. DOI: 10.1016/j.jtte.2018.12.005

18. Смирнов Д.С., Мавлиев Л.Ф., Хузиахметова К.Р., Мотыйгуллин И.Р. Влияние минеральной добавки на основе молотого доменного шлака на свойства бетонов и бетонных смесей // Известия КГАСУ. 2022. № 4 (62). С. 61–69. DOI: 10.52409/20731523_2022_4_61

19. Behiry A.E.A.E.M. Evaluation of steel slag and crushed limestone mixtures as subbase material in flexible pavement // Ain Shams Engineering Journal. 2013. Vol. 4. No. 1. Рр. 43–53. DOI: 10.1016/j.asej.2012.07.006

20. Papayianni I., Anastasiou E. Effect of granulometry on cementitious properties of ladle furnace slag // Cement and Concrete Composites. 2012. No. 34. Рр. 400–407. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2011.11.015

21. Li J., Cao S., Yilmaz E. Characterization of macro mechanical properties and microstructures of cement-based composites prepared from fly ash, gypsum and steel slag // Minerals. 2022. No. 12. Р. 6. DOI: 10.3390/min12010006

22. Yüksel I., Bilir T., Ozkan Ö. Durability of concrete incorporating non-ground blast furnace slag and bottom ash as fine aggregate // Building & Environment. 2007. No. 42 (7). Рр. 2651–2659. DOI: 10.1016/j.buildenv.2006.07.003