С.Л.Мамулат
У.Ш.Касымов,
Ю.В.Григорова
ФАУ «РосдорНИИ»,
ИИЦ Исполкома КТС СНГ
В данной статье отражен российский опыт, проблемы и особенности внедрения «зеленых» технологий стабилизации оснований и укрепления грунтов с применением крупнотоннажных промышленных отходов. Этот опыт может стать предметом для развития межотраслевых и межрегиональных программ в рамках ЕАЭС.
Анализ задач и планов мероприятий национальных проектов, реализуемых во исполнение Указа Президента Российской Федерации №204 от 7 мая 2018г., показывает, что в уже до 2021г. регионы РФ могут столкнуться с дефицитом ряда строительных материалов, в том числе – щебеночных материалов. Специалисты Министерства экономики России и ФАУ «РОСДОРНИИ» пришли к выводу, что уже в ближайшем будущем производственно-логистические комплексы нашей страны перестанут справляться с обеспечением поставок инертных материалов на строительные площадки целого ряда регионов РФ.
| Федеральные округа РФ
(и регионы с прогнозируемым завозом щебеночных материалов в объеме более 3 млн.тонн в 2021г.) |
Обший спрос на щебень и гравий в регионе в 2017г. |
ЖД поставки щебня и гравия в регион (среднее за 2016-2017г.) |
Баланс ЖД отгрузок регионов (2017г.) |
Прогноз спроса на щебень и гравий в 2019 |
Прогноз спроса на щебень и гравий в 2021 |
Прогноз баланса поставок регион (в 2021г) |
|
| тыс.т | % | тыс.т | тыс.т* | тыс.т | тыс.т | тыс.т | |
| Российская Федерация в целом | 185435 | 100% | 129341 | -11453 | 251554 | 276300 | -76646 |
| Центральный ФО | 51218 | 30% | 42462 | -26023 | 67535 | 65968 | -48500 |
| Москва и Московская область | 22123 | 13% | 22313 | -22313 | 27029 | 22082 | -22000 |
| Тверская обл. | 2033 | 1% | 2710 | -2370 | 3183 | 3869 | -4207 |
| Рязанская обл. | 2098 | 1% | 1670 | -1478 | 3069 | 7219 | -6599 |
| Владимирская обл. | 1425 | 1% | 1079 | -723 | 1892 | 5439 | -4737 |
| Южный ФО | 18451 | 11% | 12910 | 407 | 23971 | 22867 | -2797 |
| Волгоградская обл. | 2011 | 1% | 3629 | -3629 | 2858 | 2353 | -3971 |
| Приволжский ФО | 35763 | 21% | 27712 | -11534 | 47798 | 58721 | -38064 |
| Татарстан | 5329 | 3% | 5048 | -5048 | 7124 | 13932 | -13651 |
| Нижегородская обл. | 3325 | 2% | 1084 | -1084 | 4696 | 8802 | -6562 |
| Чувашия | 1615 | 1% | 1180 | -1180 | 2269 | 6659 | -6223 |
| Марий-Эл | 639 | 0% | 300 | -300 | 658 | 4000 | -3661 |
| Самарская обл. | 4074 | 2% | 3852 | -3852 | 5407 | 3317 | -3095 |
| Уральский ФО | 16264 | 10% | 17047 | 15767 | 22808 | 22768 | 9325 |
| Тюменская обл. | 3667 | 2% | 8883 | -8773 | 4867 | 3354 | -8460 |
| Ханты-мансийский Авт. округ | 2302 | 1% | 5238 | -5238 | 3400 | 2820 | -5756 |
| Сибирский ФО | 22374 | 13% | 11661 | -3025 | 31523 | 24648 | -4649 |
| Дальневосточный ФО | 7514 | 4% | 2381 | 221 | 11372 | 10765 | -5649 |
*Среди основных причин ожидаемого дефицита инертных материалов стоит назвать значительное плечо доставки щебня в наиболее густонаселенные регионы (в среднем более 1000 км) при нехватке парка грузовых полувагонов. Эти же факторы, наряду с ужесточением нормативно-технических требований к дорожным материалам, являются основными «драйверами роста» цен, способного привести к необходимости пересмотра бюджетных планов крупнейших национальных проектов – «Безопасные и качественные автомобильные дороги» и «Комплексный план модернизации и расширения магистральной инфраструктуры до 2024 года».
Следовательно, уже сейчас становится особенно актуальным расширенное внедрение ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих использование вторичных и местных материалов.
Наряду с применением регенерированных бетонных и асфальтобетонных материалов, в числе наиболее ресурсоэффективных, можно назвать технологии стабилизиции и укрепления грунтов с применением местных материалов и вторичных ресурсов, для которых имеется значительная сырьевая база.
| ВИДЫ ОТХОДОВ, ПРИГОДНЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СОСТАВНЫХ ВЯЖУЩИХ И ГЕОПОЛИМЕРОВ | ||||
| Виды отходов | Среднегодовой баланс производства/ утилизации | Накопленные
«запасы» |
Регионы размещения производств | Крупнейшие «владельцы» запасов |
| ЗОЛЫ И ШЛАКИ ТЭС | 25 млн.т/ 3 млн.т | 1500 млн.т | ДВФО, СФО, СЗФО, ЦФО, УФО, ПФО | Русгидро, ГЭХ, СГК, Интер-РАО |
| МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ШЛАКИ | 40 млн.т/ 25 млн.т | 300 млн.т | СЗФО, ЦФО, ЮФО, УФО, СФО, ЮФО | НЛМК, Мечел, Северсталь, ЕВРАЗ,ОМК |
| ФОСФОГИПС | 10 млн.т/ 2 млн.т | 140 млн.т | СЗФО, ЦФО, ЮФО, СФО | Еврохим, Уралхим, Фосагро |
| НЕФЕЛИНОВЫЕ И БОКСИТОВЫЕ ШЛАМЫ, КЕКИ | 10 млн.т/ 4 млн.т | 150 млн.т | СЗФО, СФО | Фосагро, РУСАЛ,
Сода |
| НЕФТЕСОДЕРЖАШИЕ ШЛАМЫ И ЛИГНИНЫ | 6 млн.т/ 1,4 млн.т | 50 млн.т | СЗФО, ПФО, ДВФО | Роснефть, ГП-нефть, ЛУКОЙЛ |
Именно рынок стабилизации оснований и укрепления грунтов становится основным сегментом потребления крупнотоннажных промышленных отходов. На сегодняшний день данные технологии применяются строителями во всем мире. Современные машины — ресайклеры и последние достижения в области химии почв делают процесс укрепления грунтов очень эффективным, по сравнению с традиционным способом устройства оснований – выемкой и заменой грунта на песчано-гравийную подушку.
Как известно, стабилизация и укрепление грунтов – это их модификация физико-механическими и химическими методами с целью улучшения структурно-механических и других свойств, важных для применения в строительстве. В этой связи напомним, что основными производственными операциями, производящимся в ходе строительных работ с применением технологии стабилизации оснований являются дозированное распределение вяжущих и воды, смешение их с грунтовыми материалами в заводских условиях или «на месте» с последующим выравниванием и уплотнением укрепляемых слоев (см. фото1).
Внедрение вышеупомянутых технологий позволяет не только снизить объем поставок дорогостоящих привозных материалов за счет увеличения доли эффективного применения местных грунтов и крупнотоннажных промышленных отходов, но и повысить устойчивость строящихся и реконструируемых дорог и транспортных сооружений к действию неблагоприятных гидрогеологических факторов (сезонное увлажнение грунтов) и возрастающих транспортных нагрузок.
Каковы имеющиеся предпосылки для широкомасштабного применения технологии в РФ?
Предпосылками для более масштабного внедрения технологий стабилизации оснований и укрепления грунтов в регионах являются возросшее количество впечатляющих положительных результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских и опытно-промышленных разработок, ускоренное формирование в регионах парка разнообразной специализированной дорожно-строительной техники и совершенствование соответствующего нормативно-технического обеспечения.
Анализ результатов исследования свойств крупнотоннажных промышленных отходов ряда ГРЭС, металлургических и химических комбинатов (среди которых – Каширская и Черепетская ГРЭС, Новолипецкий и Череповецкий МК, ВМУ и др.), а также изучение опыта производства земляных работ с применением новых видов строительной техники в условиях действующих нормативно-технических документов позволяют говорить о возможностях эффективного применения (при надлежащем инженерном и научно-техническом сопровождении) золошлаковых песков, молотых доменных гранулированных шлаков (ДГШ), фосфогипса, нефелиновых и нефтесодержащих шламов при производстве щебеночно-песчано-гравийных смесей и выполнении работ по устройству закрепленных массивов оснований и земляных сооружений.
|
Так, основываясь на результатах НИРиОКР по ранее выполненным контрактам в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы», в НИТУ «МИСиС» с применением зол уноса угольных ТЭС и доменных гранулированных шлаков (ДГШ) были разработаны составы композиционных вяжущих с активностью свыше 100 МПа, а также эффективные составы высокодисперсных инъекционных растворов: |
Для устройства закрепленных массивов грунта в зависимости от их назначения и инженерно-геологических условий успешно используются:
- оборудование для буросмесительного, инъекционного и виброинъекционного (jet grouting) способов закрепления
- установки для смешения «на месте»
- мобильные грунтосмесительные установки
Эффективность применения технологии стабилизации основания
Эффективность методов стабилизации и укрепления грунтов определяется в ходе технико-экономических сравнений нескольких вариантов технологических решений, предлагаемых в каждом конкретном случае. Основной областью применения технологий стабилизации и укрепления грунтов является, конечно же, строительство линейных и площадных объектов (автомобильные и железные дороги, аэродромы, промышленные и грузовые площадки, и другие) для которых технология позволяет обеспечить необходимые физико-механические свойства конструкций при максимальном использовании местных материалов и грунтов.
Целенаправленный и системный подход к обеспечению необходимых физико-механических свойств конструкций даёт возможность не только максимизировать применение местных материалов и грунтов, но и добиться повышенной надежности сохранения их свойств. Благодаря такому подходу, существенно сокращаются стоимость и сроки строительства, а также объемы перевозок материалов.
В качестве примера эффективности применения можно привести временные и внутризаводские дороги металлургического завода ЗАО «Северсталь – Сортовой завод Балаково», построенные по технологии стабилизации и укрепления грунта комплексным вяжущим на основе фосфогипса и золы уноса.
Достигаемые стабилизацией и укреплением физико-механические параметры слоев дорожных одежд позволяют существенно упростить и удешевить в целом конструкцию дорожных одежд для дорог с низкой интенсивностью движения.
СП 45.13330.2012 «Земляные сооружения, основания и фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87»;Накопленный опыт применения технологии получил соответствующее отражение в актуализированных нормативно-технических документах национального и ведомственного уровня:
- СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83»;
- ГОСТ 23558-94. «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия».
- СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 3.06.03-85»;
- ГОСТ 25607-2009 «Смеси гравийно-песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия»;
- ГОСТ 3344-83 «Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства. Технические условия»»
- ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний».
В соответствии с требованиями нормативно-технической документации технологию стабилизации и укрепления грунтов в строительстве необходимо применять с научно-техническим сопровождением* реализуемых проектов.
|
* При научно-техническом сопровождении специалистам следует руководствоваться документом, который содержит указания по проектированию оснований зданий и сооружений, в том числе подземных, возводимых в различных инженерно-геологических условиях, для различных видов строительства, а именно Сводом правил (СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83»), и, в частности, следующими его пунктами: «Научно-техническое сопровождение представляет собой комплекс работ научно-аналитического, методического, информационного, экспертно-контрольного и организационного характера, которые осуществляются в процессе изысканий, проектирования и строительства в целях обеспечения надежности сооружений с учетом применения нестандартных расчетных методов, конструктивных и технологических решений. 4.14. При проектировании оснований и фундаментов уникальных зданий и сооружений или их реконструкции, а также сооружений I уровня ответственности, в том числе реконструируемых, в условиях окружающей застройки необходимо предусматривать научно-техническое сопровождение строительства. 4.15. Состав работ по научно-техническому сопровождению инженерных изысканий, проектирования и строительства оснований, фундаментов и подземных частей сооружений должен определяться генеральным проектировщиком и согласовываться заказчиком строительства.» Основные стадии процесса предполагают: · Участие в научно-техническом сопровождении процесса рабочего проектирования дорожных объектов. · Научно-техническое сопровождение создания опытных производств составных вяжущих на площадках строительства по контрактам с подрядчиками, привлеченными для земляных работ. · Участие в научно-техническом сопровождении строительства дорожных объектов. · Разработку нормативно-технической документации, а также образовательной и инжиниринговой инфраструктуры, необходимой для широкого промышленного внедрения разработанной технологии и материалов на других строящихся объектах региона. |
Состав проводимых при этом научно-технических работ включает:
- оценку применимости добавок из крупнотоннажных отходов в качестве компонента комплексных вяжущих и минерального наполнителя на объектах транспортного строительства;
- разработку программы опытно-промышленных испытаний комплексных вяжущих с использованием крупнотоннажных отходов в строительстве;
- экспертизу программы инженерно-геологических изысканий и разработки рекомендаций для оценки применимости грунтов и вяжущих при строительстве оснований, земляных сооружений и фундаментов;
- оценка применимости грунтов и вяжущих при строительстве оснований, земляных сооружений и фундаментов с учетом результатов инженерно-геологических изысканий и проектных требований к конструктивам;
- лабораторные подборы составов укрепленных грунтов с применением составных вяжущих и щебеночно-песчано-гравийных смесей оптимальных и неоптимальных составов с применением шлакового песка из ДГШ и ЗШО при устройстве слоев оснований земляных сооружений и дорог;
- проведение расчетов механических и эксплуатационных параметров различных вариантов конструкций оснований и земляных сооружений с смесей и вяжущих с выбором оптимальных вариантов с соответствующими технико-экономическими обоснованиями;
- разработка регламентов и технологических карт для ППР и ПОС земляных работ, а также соответствующих разделов рабочей документации;
- обучение персонала заказчика и подрядчиков методам организации и проведения строительного контроля при производстве земляных работ;
- обобщение и анализ результатов мониторинга с разработкой и согласованием стандартов организации и сметных нормативов на производство земляных работ с применением составных вяжущих и смесей с крупнотоннажными отходами производства.
Применение научно-технического сопровождения позволяет обеспечить отработку и согласование всех технологических процессов при проектировании и строительстве транспортных сооружений и создание необходимого производственно-технологического и нормативно-технического задела для широкомасштабного применения технологии в регионе. В частности, прошедшие апробацию, мониторинг и технико-экономическую экспертизу материалы могут быть включены в «Реестр новых и наилучших технологий, материалов и технологических решений повторного применения в дорожной отрасли», разрабатываемый ФАУ «РОСДОРНИИ» в рамках национального проекта «Безопасные и качественные автомобильные дороги».