—Использование фосфогипса при строительстве дорог
Введение. Проблема переработки и утилизации промышленных отходов считается одной из самых крупных проблем XXI века. Масштабы образования промышленных отходов в России в расчете на уровень производства в 2000 году можно оценить примерно в 2,6 млрд тонн в год (Девяткин и др.,2004). Производство фосфогипса по этим данным составляет 6, 4 млн тонн.
Заслуживают внимания и другие пути утилизации, например, изготовление серной кислоты и извести. Фосфогипс в сельском хозяйстве использовался в чистом виде для гипсования солонцовых почв, в смеси с пылевидными известковыми материалами — для химической мелиорации кислых почв. Однако использование фосфогипса в сельском хозяйстве в последние годы снизилось из-за сокращения государственных программ мелиорации земель (Мольков и др., 2006).
На сегодняшний день широкое применение получило использование фосфогипса в дорожном строительстве. Согласно «Методическим рекомендациям по устройству оснований дорожных одежд с использованием свежего фосфополугидрата сульфата кальция» (1987) по санитарно-химическим показателям фосфогипс характеризуется незначительными уровнями миграции химических соединений (SO3, P2O5, F), не превышающими предельно допустимые концентрации для атмосферного воздуха над проезжей частью дорог.
Ввиду малой растворимости в воде отдельных химическихсоединений, входящих в состав фосфогипса, и незначительного содержания других компонентов основания дорог, отличающихся большей водорастворимостью, считается, что его использование практически не будет являться источником загрязнения окружающей среды.
Объекты и методы исследования. Исследования проводились на двух объектах: на фосфогипсовой дороге с асфальтовым покрытием и без покрытия. Обе дороги расположены в Балаковском районе Саратовской области (пос. Быков Отрог). Фосфо-гипсовая дорога с асфальтовым покрытием была построена осенью 2007 года как подъездная автодорога к санкционированной свалке твердых бытовых отходов (ТБО). Фосфогипс использовался при строительстве в качестве основания автодороги. Обследование территории около этой дороги проводилось дважды: на следующий год после строительства и через 5 лет эксплуатации данной дороги.
Фосфогипсовая дорога без асфальтового покрытия была построена одновременно с первой, она образует подъезд к фермерскому хозяйству. Исследование прилегающей к ней территории проводилось только один раз, на пятый год после отсыпки дороги.
Отбор образцов около дороги с покрытием в 2008 и 2012 гг. проводили по одинаковой схеме. Перпендикулярно дороге через 50 м были заложены 6 трансект длинной 50-52 м. Расстояние между точками опробования по трансекте увеличивалось по мере удаления от дороги (рис. 1).
Расположение точек опробования в 2012 г. в начале трансект немного отличалось от схемы 2008 г., так как на некоторых трансектах ближние к дороге точки стали недоступны из-за скоплений мусора на откосах и наличия воды в широких понижениях, образовавшихся на месте бывших придорожных канав. На каждой трансекте закладывалось по 8 точек опробования. Из понижений, заполненных водой, были отобраны пробы воды. Кроме того, в точке № 4 (трансекта 2) удалось отобрать на анализ воду (верховодку) из пробуренной скважины. Грунтовые воды залегают глубже 5,5 м.
Для оценки возможности просачивания загрязняющих элементов под полотно фосфогипсовой дороги в 2012 году были заложены две прикопки у края дорожного полотна: одна на более влажном участке, вторая- в более сухой части. Отбирались образцы грунта как непосредственно под фосфогипсовой толщей на глубине 25-35 см, так и с глубины 50-60 см. Тогда же на некоторых трансектах проводился сопряженный отбор растительности методом сплошного укоса на тестовых площадках размером 100 см*100 см.
У дороги без асфальтового покрытия справа от дороги перпендикулярно ей через 50 м друг от друга было заложено 5 трансект, длиной 73 м (фото 2). Точки опробования начиналисьна расстоянии 3 м от дороги, так как на расстоянии Наличие или отсутствие загрязнения почв от эксплуатации дороги оценивали по следующим критериям:
Оценка качества вод проводилась по ПДК для воды хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ГН 2.1.5.1315-03).
В связи с тем, что вблизи территории, прилегающей к первой дороге, а также непосредственно у второй пасется скот, оценку содержания элементов-загрязнителей в растениях давали по МДУ для грубых и сочных кормов (07.08.87).
Для статистической обработки данных анализов использовали методы параметрической и непараметрической статистики. Были рассчитаны средние арифметические значения (М), коэффициент варьирования (V), среднее квадратичное отклонение (G). Для оценки достоверности различий между отдельными сериями определений использовали t- критерий и критерий Вилкоксона (Дмитриев, 2008; Пузаченко, 2004).
Результаты и их обсуждение. Результаты определения общего содержания стронция и содержания водорастворимого фтора в слоях 0-10 и 10-20 см в образцах 2012 года показали, что содержание Sr во всех образцах, отобранных около фосфо-гипсовой дороги как с асфальтовым покрытием (I объект), так и без асфальтового покрытия (II объект), ниже предельно допустимого уровня, а в случае F ниже ПДК.
Таблица 1а. Достоверность различий между содержанием водорастворимого Б в 2008 и 2012 гг. на разном расстоянии от дороги в слое 0-10 см с помощью критерия Вилкоксона при Р=0,95 (непараметрическая статистика)
Строительство дорог с применением фосфогипса
Строительство дорог с применением фосфогипса.
Строительство дорог с применением фосфогипса позволяет построить автомобильную дорогу более качественную, имеющую больший срок службы, значительно дешевле традиционной асфальтовой.
Строительство дорог с применением фосфогипса:
Строительство дорог с применением фосфогипса позволяет построить автомобильную дорогу более качественную, имеющую больший срок службы, значительно дешевле традиционной асфальтовой.
Фосфогипс может существовать в трех видах: в виде ангидрита ( CaSO 4 ), полугидрата (CaSO 4 ·0,5H 2 O) или дигидрата ( CaSO 4 ·2 H 2 O) в зависимости от концентрации P2O5 и температуры. Как правило, предприятия занимающиеся производством фосфорных удобрений и фосфорной кислоты выпускают дигидрат или полугидрат фосфогипса в виде влажного порошка, содержащего 25 – 40 % воды. Дигидрат и полугидрат фосфогипса обычно вывозятся в отвалы и нередко смешиваются друг с другом.
В настоящее время в России в отвалах промышленных предприятиях и химических заводов накопилось порядка 320 миллионов тонн фосфогипса, что приводит к загрязнению окружающей среды, занимает сотни гектаров пахотных земель; для его хранения и транспортирования в отвалы требуются большие материальные и трудовые затраты.
Дигидрат фосфогипса не обладает какими-либо вяжущими свойствами, в отвалах постепенно теряет воду, превращаясь в сухой белый порошок.
Полугидрат фосфогипса (фосфогипс-полугидрат сульфата кальция), отфильтрованный от фосфорной кислоты, охлаждаясь с 90 – 105 °С до температуры окружающей среды, постепенно переходит в дигидрат, кристаллизуясь и превращаясь в гипсовый камень. Длительность этого перехода зависит от температуры окружающей среды и количества оставшейся в фосфогипсе фосфорной кислоты и может достигать нескольких часов или суток.
И только лишь свежий фосфогипс-полугидрат сульфата кальция ( называемый также дорожным фосфогипсом. ) обладает вяжущими свойствами и может быть использован для устройства конструктивных слоев дорожных оснований. Причем свежим называется только полугидрат фосфогипса, имеющий возраст до 3 сут с момента выпуска. Полугидрат фосфогипса, пролежавший более 3 суток, теряет свою прочность на 40 – 50 %.
Фосфогипс-полугидрат сульфата кальция, как материал для строительства дорог, является экологически чистым и безопасным как во время производства, строительства, так и при нахождении в грунте. Устроенное с соблюдением технологии дорожное покрытие не пылит. Фосфогипс, используемый в строительстве дорог, в окружающей среде не трансформируется. Он не выделяет газы, вредные для озонового слоя Земли. У него не происходит химических изменений или реакций в земле, самовозгорания или образования токсичных веществ. Полугидрат фосфогипса является малоопасным веществом, относится к пятому классу опасности по ГОСТ 12.1.007.
В России действует Стандарт организации СТО 24406528-01-2016 “Рекомендации по устройству расчетных слоев дорожных одежд из фосфогипса дорожного” (утвержден в 2016 г.). Стандарт организации позволяет широко применять дорожный фосфогипс ( CaSO 4 ·0,5H 2 O ) при строительстве дорог 1-5 категории. Ранее в СССР действовали Методические рекомендации по устройству оснований дорожных одежд с использованием свежего фосфополугидрата сульфата кальция (утверждены Союздорнии и о добрены Главдорстроем письмом № 5603/89 от 19.02.87).
Фосфогипс полностью заменяет обычные дорогостоящие материалы – песок, щебень или гравий, и при этом способен придать основанию дороги более высокие эксплуатационные характеристики.
Фосфогипс быстро твердеет на открытом воздухе после механического утрамбовывания.
При укладке и затвердевании фосфогипса образуется прочная монолитная каменная плита, которая увеличивает свою твердость с каждым годом.
Дорожные конструкции, построенные с использованием фосфогипса по многим техническим характеристикам даже превосходят привычные цементно-грунтовые и щебеночные дорожные основания.
Возможны два варианта строительства дорог с применением фосфофогипса:
– строительство только основания дороги из фосфогипса и последующее асфальтирование верхнего слоя,
– строительство всей дороги (всех слоев) из фосфогипса.
Преимущества дорожного покрытия из фосфогипса:
– основание дороги отлично переносит резкие неоднократные перепады температур, в т.ч. промерзание на большие глубины земли. При этом покрытие не разрушается и не вымывается водой,
– отсутствие колеи, которая обычно образуется при эксплуатации традиционного асфальтового покрытия,
– по дороге может спокойно проезжать большегрузная техника, не причиняя вреда дорожному покрытию,
– внешне не отличается от традиционного асфальтового полотна,
– имеет высокую прочность, которую можно сравнить только с бетоном марки 300,
– толщина основания дороги гораздо меньше, чем у традиционной асфальтовой дороги,
– отсутствие каких-либо тепловых швов и стыков, свойственных для бетонной дороги,
– возможность строительства дороги в любое время года (круглогодично), в т.ч. зимой. Связывающие свойства фосфогипса не зависят от температуры и влажности,
– под воздействием низких температур фосфогипс не теряет своих связующих качеств,
– срок службы готового покрытия из фосфогипса составляет не менее 50 лет,
– построенная дорога уже спустя четыре дня может быть введена в эксплуатацию.
– снижение себестоимости строительства дорог на 30 % и более из-за низкой себестоимости фосфогипса, который по сути является отходом химической промышленности,
– цена фосфогипса составляет меньше одного рубля за одну тонну,
– дороги, построенные с помощью фосфогипса, отличаются надежностью и долговечностью,
– фосфогипс является экологически чистым и безопасным как во время производства, строительства, так и при нахождении в грунте,
– устроенное с соблюдением технологии дорожное покрытие не пылит,
– фосфогипс, используемый в строительстве дорог, в окружающей среде не трансформируется. Он не выделяет газы, вредные для озонового слоя Земли. У него не происходит химических изменений или реакций в земле, самовозгорания или образования токсичных веществ. Полугидрат фосфогипса является малоопасным веществом, относится к пятому классу опасности по ГОСТ 12.1.007.
Проблемы использования фосфогипса в дорожном строительстве Текст научной статьи по специальности « Строительство и архитектура»
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Солдаткин Степан, Хохлов А.Е.
PROBLEMS OF USING PHOSPHOGYPSUM IN ROAD CONSTRUCTION
Abstract: the results of an experiment to assess the degree of solubility of phosphogypsum are considered.
Текст научной работы на тему «Проблемы использования фосфогипса в дорожном строительстве»
проблемы использования фосфогипса в дорожном строительстве
© 2019 г. С. И. Солдаткин, А. Е. Хохлов
Аннотация, рассмотрены результаты эксперимента по оценке степени растворимости фосфогипса.
Ключевые слова: отходы, фосфогипс, дорожное строительство, загрязнение, Саратовская область.
Солдаткин Степан e-mail: soldatkin_stepan@mail.ru
PROBLEMS OF uSING PHOSPHOGYPSuM IN ROAD CONSTRuCTION
S. I. Soldatkin, А. Е. Hohlov
Saratov State University
Abstract: the results of an experiment to assess the degree of solubility of phosphogypsum are considered.
Key words: waste, phosphogypsum, road construction, pollution, Saratov region.
Проблема образования, накопления, хранения и утилизации отходов является для России крайне острой и затрагивает практически все ее регионы. К настоящему времени количество неутилизированных отходов по стране оценивается приблизительно в 82 млрд т. Из огромного количества минерального сырья, извлекаемого из природной среды для целей производства, в конечный продукт превращается лишь 1,5-2,0 %. Основная же его масса переходит в промышленные отходы. Так, во многих регионах страны накоплены огромные запасы отходов различных отраслей.
Для Саратовской области в ряду проблем переработки различных отходов особняком
стоит вопрос использования отходов Бала-ковского филиала АО «Апатит». Огромный отвал фосфогипса высотой более 50 метров, расположенный на берегу р. Б. Ир-гиз, в непосредственной близости от г. Ба-лаково, является серьезной экономической и экологической проблемой. Попытки использовать фосфогипс в экономике всякий раз разбивались о сложности при его технологической подготовке к различным вариантам применения.
В последние годы на фоне значительного увеличения дорожного строительства активно предлагаются варианты использования фосфогипса для строительства дорог 1-5 класса. Различными организация-
ми разрабатываются новые стандарты и технические условия, регламентирующие использование фосфогипса в дорожном строительстве.
Необходимо отметить, что еще в 1987 году были подготовлены и утверждены «Методические рекомендации по устройству оснований дорожных одежд с использованием свежего фосфополугидрата сульфата кальция», где приведены ограничения на использование фосфогипса [1].
По химическому составу фосфогипс ди-гидрат представляет собой двуводный гипс с примесями веществ, как растворимых (фосфорная и серная кислоты, моно- и ди-кальций фосфат, фторсиликаты, соли натрия и калия), так и нерастворимых (кремнезем, сокристаллизованные фосфаты, нерастворимые фосфаты и фториды и др.). Содержание примесей колеблется от 0,2 до 0,5 % массы фосфогипса дигидрата в зависимости от применяемого сырья и особенностей технологического процесса.
Согласно «Методическим рекомендациям» утверждается, что «по санитарно-химическим показателям фосфогипс характеризуется незначительными уровнями миграции химических соединений ^03, Р205, F), не превышающими предельно допустимые концентрации для атмосферного воздуха над проезжей частью дорог. Ввиду малой растворимости в воде отдельных химических соединений, входящих в состав фосфогипса, и незначительного содержания других компонентов основания дорог, отличающихся большей водораство-римостью, считается, что его использование практически не будет являться источником загрязнения окружающей среды».
«Методическими рекомендациями» [1] предлагается руководствоваться при использовании фосфодигидрата сульфата кальция (текущего производства, частично обезвоженного, а также из отвалов) в качестве укрепляемого материала или ком-
понента смесей для устройства оснований дорожных одежд и производства бортовых камней. Вяжущие, получаемые путем переработки фосфодигидрата сульфата кальция или содержащие его в своем составе, применяются для обработки грунтов и каменных материалов в основаниях дорожных одежд.
В то же время рекомендуется при строительстве оснований из материалов на основе фосфогипса (за исключением карбами-доформальдегидных смол, применяемых в качестве вяжущих) принимать меры по защите от грунтовых и длительно стоящих поверхностных вод.
В 2010 году разработан документ «Фос-фогипс для строительства автомобильных дорог ТУ 5744-144-05015182-2010» [2]. В документе декларируются преимущества использования фосфогипса:
— сокращение сроков запуска дорог в эксплуатацию, поскольку фосфогипс быстро твердеет на открытом воздухе после механического утрамбовывания, что позволяет быстро открыть движение по новой дороге;
— возможность укладки основания из фосфогипса на любую почву, будь то лес, поле или заболоченная местность;
— монолитная каменная плита из фосфо-гипса продолжает увеличивать твердость с каждым годом;
— плита обладает прочностью бетона, но не требует тепловых швов и не размывается водой;
— срок службы фосфогипсовой плиты более 50 лет;
— стоимость основания дороги из фосфо-гипса более чем в 2 раза ниже песчано-гра-вийного;
— строительство возможно в любое время года, поскольку связывающие свойства не зависят от температуры и влажности.
В 2016 году Федеральным дорожным агентством зарегистрирован стандарт «Рекомендации по устройству расчетных слоев
дорожных одежд из фосфогипса дорожного» [3]. В стандарте указывается, что «материал является экологически чистым и безопасным во время производства, строительства и при нахождении в грунте. Устроенное с соблюдением технологии дорожное покрытие не пылит. Фосфогипс дорожный в окружающей среде не трансформируется. Материал не выделяет газы, вредные для озонового слоя Земли. У материала не происходит химических изменений или реакций в земле, самовозгорания или образования токсичных веществ».
Для решения вопроса о степени растворимости фосфогипса был поставлен эксперимент, моделирующий процесс периодического увлажнения-водонасыщения и высушивания, характерного для любой дорожной насыпи, на образцах подготовленного фосфогипса. Результаты эксперимента показали, что испытанные образцы подготовленного фосфогипса обладают высокой растворимостью, при растворении образцов фосфогипса в раствор поступает большое количество фосфатов и сульфатов, после потери 30-40 % веса образца происходит их разрушение даже без внешних нагрузок [4]. Учитывая, что строительство опытных участков дорог с использованием фосфо-гипса осуществлялось отсыпкой непосредственно из отвалов, т. е. без его подготовки, был поставлен эксперимент, моделирующий процесс периодического увлажнения-водонасыщения новыми объемами воды, без высушивания, что, по нашему мнению, в большей степени соответствует гидрогеологическим условиям в основаниях дорог.
Проба была взята из отвала фосфогипса в насыпном виде. Из общего объема выделен и высушен при температуре 105 оС образец, навеска (300 грамм) из которого поме-
щена в пластиковую посуду оъемом 1,5 дм3 с закрывающейся крышкой. Емкость до полного заполнялась дистиллированной водой. Эксперимент начат 6 июля 2018 года. Замена воды производилась ежедневно, причем слив воды производился через сифон, отбирающий воду на 2 см выше границы повышенной мутности, для отбора только растворенных продуктов.
Изменение минерализации сливаемых порций воды контролировалось кондуктометром «Hanna». Всего было выполнено 140 циклов замены воды. Эксперимент остановлен 15 октября 2018 года.
В каждом цикле в первые 2 часа происходил резкий рост минерализации раствора с последующей постепенной стабилизацией на уровне 2,0-2,2 ms. 15 октября 2018 года вся твердая фракция из емкости была высушена при температуре 105 оС и взвешена. Вес твердой фракции, оставшейся в емкости, составил 37,91 граммов.
1. Испытанный образец фосфогипса из отвалов Балаковского филиала АО «Апатит» обладает высокой растворимостью. Потери массы образца через 140 суток при периодическом водонасыщении составили 87,4 %.
2. При растворении образца фосфогипса в раствор поступают в основном сульфаты.
3. Результаты эксперимента показывают, что применение фосфогипса для дорожного строительства без учета инструкций и ограничений, предложенных в «Методических рекомендациях» [1], может привести к разрушению дорог на участках с высокой интенсивностью водообмена и к загрязнению грунтов и грунтовых вод сульфатами.
Л и т е р а т у р а