co bobtná v dálnici: odpadky, stavební odpad, studený ... · seminá ř “fámy a fakta o...
TRANSCRIPT
© 2009 ARCADIS24 April 20121 of 44
Co bobtná v dálnici: Co bobtná v dálnici: odpadky, stavební odpad, odpadky, stavební odpad, studený odval NH, studený odval NH, vysokopecní či vysokopecní či ocelárenská struska?ocelárenská struska?
Seminář “Fámy a fakta o dálnici D47“, Praha, 24.4.2012
Imagine the result
RNDr. František Kresta, Ph.D.
© 2009 ARCADIS24 April 20122 of 44
Obsah1) Úvod
2) Druhotné suroviny použité p ři výstavb ě dálnice D47
3) Objemová stálost druhotných surovin (p ředevším vedlejších produkt ů hutní výroby)
4) Příčiny objemových zm ěn
5) Prokazování objemové stálosti
6) Výsledky zkoušek
7) Závěry
© 2009 ARCADIS24 April 20124 of 44
Využití druhotných surovin pat ří k základním úkol ům rozvinutého světa.
Česká republika pat řila a pat ří k průkopník ům ve využití druhotných surovin v zemních pracech, a to nejen v dopravním s tavitelství, kde jsou nejv ětší objemy prací, ale i v dalších oblastech stavebn í činnosti - pozemní stavby, rekultivace a úprava kraji ny.
Výhody používání druhotných surovin jsou p ředevším následující:
�ekologické hledisko – používáním druhotných surovin se snižuje množství vedlejších produkt ů na skládky a snižují se tedy i náklady na následnou rekultivaci
�náklady stavby – většinou jsou druhotné suroviny levn ější než přírodní kamenivo (avšak i zde se mnohdy ceny srovnáv ají, protože majitelé zdroj ů druhotných surovin mají zájem na zisku)
�časové hledisko (v případě uhelné hlušiny a strusek) – zemní tělesa z t ěchto materiál ů lze provád ět i ve zhoršených klimatických podmínkách (zimní m ěsíce)
© 2009 ARCADIS24 April 20125 of 44
Most SO 8216 a násyp km 150.330-152.660 – stav 15.4. 2006
km 150.330
km 152.660
most SO 8216
Úsek dálnice D47 s deformacemi vozovky – stav p ři výstavb ě
most SO 8219
most SO 8220
© 2009 ARCADIS24 April 20127 of 44
Druhotné suroviny použité p ři výstavb ě dálnice D47
Uhelná hlušinová sypanina z odvalu Paskov D – povinn á do úrovn ě Q100+0.50 m
Studený odval – lze použít nad úrovní Q 100+0.50 m (uložen v násypu km 150.330-152.660)
Ocelářská struska frakce 0-90 mm – aktivní zóna (0.50 m po d konstruk čními vrstvami)
uhelná hlušinová sypanina pod úrovní Q100
studený odval v přechodové oblasti mostu
aktivní zóna –ocelá řská struska
© 2009 ARCADIS24 April 20128 of 44
Druhotné suroviny použité p ři výstavb ě dálnice D47 Uhelná hlušinová sypanina z odvalu Paskov D
- uhelná hlušina po úprav ě frakce 0-180 mm
- objemov ě stálá- nízký obsah organické hmoty- velmi vhodná pro výstavbu
násypových t ěles- obecn ě uhelnou hlušinovou
sypaninu nelze použít do aktivní zóny (riziko vyšší namrzavosti jemné frakce)
© 2009 ARCADIS24 April 20129 of 44
Druhotné suroviny použité p ři výstavb ě dálnice D47 Studený odval
Definice studeného odvalu:“ Směs hutnických strusek, slévárenských písk ů a žáromateriál ů – vyzdívky vysokých pecí, které vznikají p ři výrob ě surového železa a oceli. Ve studeném odvalu je zastoupen zcela pod řadně i ostatní materiál – nap ř. dřevo, PVC apod.“
- minerální složení se mění zrno od zrna
- je dob ře hutnitelný, vykazuje vysoké hodnoty modulu p řetvárnosti
- je objemov ě nestálý
© 2009 ARCADIS24 April 201210 of 44
Druhotné suroviny použité p ři výstavb ě dálnice D47 Ocelářská struska
- aktivní zóna z ocelá řské strusky tvo ří vrstvu tl. 0.5 m pod konstruk čními vrstvami.
- jedná se o bazickou strusku (BOF) z odvalu Hrabová (nyní rekultivován)
- vykazuje vysokou objemovou hmotnost (nad 2600 kg.m -3)
Odval Hrabová je nyní již rekultivován
© 2009 ARCADIS24 April 201211 of 44
3. Objemová stálost druhotných surovin (především vedlejších produktů hutní výroby)
© 2009 ARCADIS24 April 201212 of 44
TKP 4 Zemní práce čl. 4.2.3 Druhotné materiály
Do zemního t ělesa pozemních komunikací se mohou použít pouze takové materiály, u nichž je ov ěřena vhodnost použití na základ ě průkazních zkoušek. V p řípadě nestandardních heterogenních materiál ů je nutné terénními a laboratorními zkouškami proká zat jejich použitelnost v souladu s dokumentací. Vždy je nutné definovat zejména:�přesný popis,�technologii zpracování,�projektové fyzikáln ě-mechanické parametry,�nezávadnost pro životní prost ředí,�vyluhovatelnost a její zm ěny v čase (dle TP 93)�časový vývoj mechanických vlastností (např. u materiál ů zpevn ěných pojivy)�způsob kontroly a četnost.Dosažení projektovaných parametr ů musí být podloženo laboratorními zkouškami za okrajových podmínek odpovídajícím skut ečným podmínkám v zemním t ělese a ov ěřeno zhut ňovací zkouškou.
© 2009 ARCADIS24 April 201213 of 44
Objemová stálost druhotných suroviny na stavb ě dálnice D47
Uhelná hlušinová sypanina – objemov ě stálá. Je složena z hornin karbonského stá ří, které byly vyt ěženy z hloubky 800-1000 m, a které prošly praním p ři úprav ě uhlí.
Studený odval – objemov ě nestálý. Je velmi heterogenní (každé zrno je jiné) a m ění své chemické složení. P řed zahájením stavby byly provedeny zkoušky rozpadavosti v autoklávu, které v šak nep řekro čily hodnotu 5%.
Ocelářská struska – její objemová stálost závisí na chemickém složení, které vyplývá z technologie výroby a slože ní rudy a struskotvorných p řísad. Před zahájením stavby byly provedeny zkoušky rozpadavosti v autoklávu, které však nep řekro čily hodnotu 5%. Dosud provedené výsledky prokazují její objemovo u stálost.
© 2009 ARCADIS24 April 201215 of 44
Příčiny objemových zm ěn
Dosavadní výsledky zkoušek ukazují, že p říčinou objemových zm ěn ve vedlejších produktech hutní výroby jsou fázové p řeměny minerál ů. - hydratace volného vápna (CaO)
CaO +H2O →→→→ Ca(OH)2- hydratace periklasu (MgO)
MgO +H2O →→→→ Mg(OH)2- karbonatace hydroxid ů vápenatého a ho řečnatého
Ca(OH)2+ CO2 →→→→ CaCO3 + H2OMg(OH)2 + CO2 →→→→ MgCO3 + H2O
- polymorfní p řeměny dikalcium silikát ů (C2S)ββββ-C2S →→→→ αααα-C2S
- hydratace C 3S na CSH fáze a reakce aluminát ů
Všechny reakce spojené s hydratací nebo rozpadem ve dlejších produkt ů hutní výroby (strusek) jsou ovlivn ěny p řítomností sklovité fáze. Sklovité fáze se snadno rozpadají a p řispívají k objemovým změnám.
© 2009 ARCADIS24 April 201217 of 44
Příčiny objemových zm ěn
Periklasová (MgO) cihla s intenzivní hydratací (brucit – Mg(OH) 2) na okraji zrn a podél št ěpných trhlin a s karbonátovou hmotou (MgCO 3) v základní hmot ě.
Ocelářska struska pánvová. Krystalicko-sklovitá struska. Natavené krystaly merwinitu jsou spolu s drobnými zrny C2S a izotropního periklasu uloženy v tmav ě hnědé sklovité barv ě.
© 2009 ARCADIS24 April 201218 of 44
Příčiny objemových zm ěn
Pro rozvoj proces ů hydratace, vznik druhotných minerál ů a ve svém d ůsledku pro objemové zm ěny mají zásadní vliv následující faktory:
�vyšší podíl jemnozrnné frakce. V p řípadě studeného odvalu mohl být vyšší podíl jemnozrnné frakce jak primární, tak se ješt ě zvýšil při hutn ění materiálu studeného odvalu, kterým se v ětší zrna drtila
�vysoký m ěrný povrch zrn – úzce souvisí s výše uvedeným a vysokou pórovitostí jemnozrnné frakce materiálu st udeného odvalu. Hodnota pórovitosti u vzorku studeného odva lu frakce < 4 mm (zhutn ěném energií 100% PS), která je z hlediska objemových změn kritická, dosahovala až 36.8%
druhotné karbonáty
© 2009 ARCADIS24 April 201219 of 44
Příčiny objemových zm ěn
Pro rozvoj proces ů hydratace, vznik druhotných minerál ů a ve svém d ůsledku pro objemové zm ěny p ředevším u studeného odvalu mají zásadní vliv následující faktory:
�zásadité prost ředí (pH >9.2). V zásaditém prost ředí probíhají procesy hydratace. Zastavují se p ři poklesu pH pod 8.
�teplota nad 10°C (bylo pozorováním zjišt ěno, že p ři teplotách nižších se proces zpomaluje). Vlastní reakce je exo termní (vyvíjí se teplo), což bylo pozorováno p ři opravných pracech.
�přítomnost CO 2 v okolním prost ředí
© 2009 ARCADIS24 April 201220 of 44
Příklady objemových zm ěn při použití vedlejších produkt ů z hutní výroby mimo stavby dopravní infrastruktury
PZ Karviná – zdvih chodníku, v jehož podloží bylo 0.5 m vysokopecní strusky z TŽ Třinec (2011)
Ostrava – OBI – výkop pod podlahami; detail použitých materiál ů pro zásyp starých sklep ů – studený odval (2006)
© 2009 ARCADIS24 April 201222 of 44
Zkoušky objemové stálosti vedlejších produkt ů hutní výroby
1. Dlouhodobé zkoušky bobtnání p ři zkoušce CBR (cca 6 m ěsíců)2. Zkoušky urychlující objemové zm ěny
- rozpadavost v autoklávu – autoclave test- rozpínavost (v parní komo ře) – steam test (EN 1744-1)- rozpadavost v horkovodní lázni – hot-water bath test
Chování vedlejších produkt ů hutní výroby bývá často diametráln ě odlišné od laboratorních výsledk ů.
Aplikace ve stmelených vrstvách a asfaltových vrstv ách – nejlépe odpovídají zkoušky rozpínavosti (dle EN 1744-1) neb o zkoušky v horkovodní lázni.
Nestmelené vrstvy - nejlepší výsledky p řinášely dlouhodobé zkoušky bobtnání p ři zkoušce CBR.
© 2009 ARCADIS24 April 201223 of 44
Laboratorní za řízení pro stanovení rozpínavosti ocelá řské strusky (foto ZKK Ho řice)
Zkouška objemových zm ěn v horkovodní lázni dle ASTM D4792 (převzato z Wang G. (2010))
Zkouška objemové stálosti v autoklávu (p řevzato z Yildirim I. Z. - Prezzi M. (2009))
© 2009 ARCADIS24 April 201224 of 44
Zkoušky prokazující objemovou stálost vedlejších produkt ů hutní výroby – normativní požadavky
vysokopecní struska – rozpadavost pa řením v autoklávu musí být nižší než 5% (frakce 8-16 mm, teplota 105°C, tlak 0.20 MP a, 2 hodiny) – viz TP 138
ocelá řská struska – rozpínavost (frakce 0-22 mm, teplota páry 100°C, 24 hodin pro LD strusky, 168 hodin pro BOF a EAF st rusky) musí být nižší než 5% – viz EN 1744-1
© 2009 ARCADIS24 April 201225 of 44
Zkoušky prokazující objemovou stálost vedlejších produkt ů hutní výroby – normativní požadavky
Studený odval – nebyl vyjmenován v žádném z předpis ů, a proto nebyla ani stanovena zkouška ov ěření jeho objemové stálosti. P ři jeho certifikaci jako Um ělé kamenivo homogenizovaný materiál, štěrkodr ť B-0-125 se provedla zkouška rozpadavosti v autoklávu dle tehdy platné ČSN 72 1512. Avšak pro št ěrkodr ť třídy B nebyla v ČSN 72 1512 deklarována limitní hodnota) –viz tabulka 4 na stran ě 7).
© 2009 ARCADIS24 April 201227 of 44
Výsledky dosud provedených zkoušek objemové stálosti vedlejších produkt ů z hutní výroby z násypu na dálnici D47 – zkoušky z let 2009-2011
Stani čení Popis materiálu
Materiál dlestavebního deníku
Rozpadavost v autoklávu
Rozpínavost Laborato ř Zpráva
150,330 studený odval
studený odval
1,5 VÚSH Kratochvíla (2009)
150,330 studený odval
studený odval
23,9 VÚSH Kratochvíla (2009)
150,340 studený odval
studený odval
2,8 TZÚS dosud nepublikováno (2011)
150,340 studený odval
studený odval
3,8 TZÚS dosud nepublikováno (2011)
150,340 studený odval
studený odval
7,3 TZÚS dosud nepublikováno (2011)
150,345 studený odval
studený odval
10,9 ZKK dosud nepublikováno (2009)
150,400 studený odval
studený odval
3,4 TZÚS dosud nepublikováno (2011)
150,540 studený odval
studený odval
4,1 TZÚS dosud nepublikováno (2011)
150,540 studený odval
studený odval
6,1 TZÚS dosud nepublikováno (2011)
150,580 struska šedá
aktivní zóna 0,4 VÚSH Kratochvíla (2009)
150,580 různorodý materiál charatkeru štěrku
studený odval
11,4 VÚSH Kratochvíla (2009)
150,690 studený odval
studený odval
3,8 TZÚS dosud nepublikováno (2011)
150,730 studený odval
studený odval
1,2 TZÚS dosud nepublikováno (2011)
© 2009 ARCADIS24 April 201228 of 44
Výsledky zkoušek ocelá řské strusky z aktivní zóny odebrané z kontrolních sond provedených ŘSD ve dnech 14.-15.4.2012
Sonda KS2 (km 151.160), hl. 0.6-0.8 m – rozpadavost v autoklávu –0.9%Sonda KS2 (km 151.160), hl. 0.8-0.9 m – rozpadavost v autoklávu –0.5%Sonda KS1 (km 150.340), hl. 0.6-0.9 m – rozpadavost v autoklávu –1.5%
© 2009 ARCADIS24 April 201230 of 44
Nejdůležit ější záv ěry
1. Druhotné suroviny jako alternativní zdroj surovin pro zemní práce budou i v budoucnu hrát podstatnou roli a jejich vý znam bude stoupat.
2. Příčinou objemových zm ěn a zdvih ů dálnice D47 byly objemov ě nestálé materiály. Dosud provedené zkoušky potvrzuj í objemovou nestálost studeného odvalu, který je velmi heteroge nním materiálem. Podíl ocelá řské strusky v aktivní zón ě na objemových změnách nebyl prokázán.
3. Uhelná hlušinová sypanina v násypu je objemov ě stálá.4. V kontrolních sondách provedených ŘSD ve dnech 14.-15.4.2012
nebyl zjišt ěn žádný odpad.
© 2009 ARCADIS24 April 201231 of 44
Nejdůležit ější záv ěry
Z dosavadní analýzy vyplývá, že zásadním pochybením bylo použití materiálu, se kterým nebyly žádné zkušenosti (stude ného odvalu) p ři budování zemních t ěles takového rozsahu jako je dálnice. Pozornost odpov ědných pracovník ů byla soust ředěna na ekologickou nezávadnost studeného odvalu a jeho zhutnitelnost. Nikoho nenapadlo, že objemová stálost prokázána zko uškou rozpadavosti v autoklávu p ři certifikaci se m ůže měnit v čase a v souvislosti s postupným odt ěžováním zásob studeného odvalu.
To, že se neprovád ěly zkoušky pro ov ěření objemové stálosti studeného odvalu v pr ůběhu výstavby a vlastn ě v celém období 2001-2008 (protože se jednalo o výrobek, nevyplývala pov innost jednozna čně ze žádného p ředpisu a nikdo kontrolní zkoušky nepožadoval), m ělo za následek nejen zvln ění dálnice D47, ale i další problémy se stavbami na Ostravsku, kde byl tento ma teriál použitý (Avion Shopping Park, Mountfield, OC Saller apod.).