Dlouhodobé chování vrstvy z popílkového stabilizátu v konstrukci pracového podloí

Waste utilization, recycled materials in the building industry

Dlouhodobé chování vrstvy z popílkového stabilizátu v konstrukci pražcového podloží M. Lidmila Fakulta stavební, �VUT v Praze, Praha, �eská republika

RESUME: Long-term behaviour of the layer of fly ash stabilizer in the track bed construction Since 2000, the Department of Railway Structures, FCE, CTU in Prague has been engaged in experimental research of using fly ash stabilizer from the Chvaletice Power Plant (CPP) in the track bed construction (Lidmila 2005). Part of the research plan MSM 6840770005 was the establishment of a trial section for the operational verification of the fly ash stabilizer use in the track bed sub-ballast layers. The objective was to verify and monitor on a long-term basis the layer of fly ash stabilizer that will protect the subgrade composed of rock susceptible to weathering due to water and frost effects. The trial section situated at the Smi�ice railway station on the running rail No. 3, km 32.940 – km 33.270 was built in April 2005. The Smi�ice railway station lies on a national railway track with an axle load of 22.5 tons on a single-track line Hradec Králové – Jarom��. The trial section is 330 m long. A schematic cross-section of the trial section is in Fig. 1. Three measurement profiles marked P1 (km 32.978), P2 (km 33.108) and P3 (km 33.249) were selected on the trial section for a long-term monitoring of the behaviour of the structural layer of fly ash stabilizer. The used fly ash stabilizer from CPP is a mixture of fly ash (52 %), FGD gypsum (25 %), CaO (3 %) and water (20 %). The fly ash stabilizer of the above composition was mixed in the CPP mixing centre. It is a material generating hydration heat and hardening in time. Its optimum workability time is up to 4 hours from mixing. To perform a long-term monitoring of the behaviour of the sub-ballast layer of fly ash stabilizer a five-year experimental plan was developed, which contained the scope and process of in-situ and laboratory tests, including the planned work sequence. Selected insitu tests are listed in Table 2. The frequency of in-situ tests selected was twice a year, in spring and autumn. The places of in-situ tests were determined by the measurement profiles P1, P2 and P3. In-situ tests were complemented by the production of test specimens using boreholes 100 mm in diameter. The results of plate load tests on the surface of the fly ash stabilizer layer are displayed in the graph in Fig. 2. The results of plate load tests on the surface of crushed stone mixture – sub-ballast surface are in the graph in Fig. 3. The results of laboratory tests of the fly ash stabilizer volume density on test specimens from the boreholes are in the graph in Fig. 4, while the results of uniaxial compressive strength of the test specimens are in the graph in Fig. 5.

Využití odpadních hmot a recyklátů ve stavebnictví

107

Waste utilization, recycled materials in the building industry

1 ÚVOD V �eské republice byl v letech 1992 až 2000 realizován program odsí�ení a modernizace uhelných elektráren. Výsledkem tohoto programu byla zásadní objemová a kvalitativní zm�na v oblasti produkce takzvaných zbytk� po spalování uhlí, d�íve ozna�ovaných jako vedlejší energetické produkty (VEP). Ke zbytk�m po spalování uhlí lze za�adit nap�íklad fluidní popílek, popílek, popel a energosádrovec. Produkce t�chto materiál� je ovlivn�na použitou technologii spalování, odsí�ení a druhem spalovaného uhlí. V �R ro�n� vzniká až 14 milión� tun t�chto materiál�, které vždy mají individuální materiálové vlastnosti. P�es uvedenou problematiku je snaha producent� VEP o jejich využití nap�íklad p�i výrob� betonu, cementu, um�lého kameniva, asfaltových sm�sí a sádrokartonových desek. Dále n�které sm�si VEP našly uplatn�ní p�i rekultivaci povrchových dol�, odkališ� a modelování krajiny zasažené antropogenní �inností �lov�ka. Samostatnou a dynamicky se rozvíjející oblastí využití VEP je výroba stabilizát�. Z oblasti stabilizát� jsou využívány hlavn� popílkové stabilizáty, které se uplat�ují p�i výstavb� t�les pozemních komunikací. Pro navrhování a provád�ní staveb pozemních komunikací s využitím popílkových stabilizátu, již byla vypracována legislativní a p�edpisová základna. V oblasti železni�ních staveb však dosud chybí praktické zkušenosti s jejich využitím. Od roku 2000 je na Kated�e železni�ních staveb Fakulty stavební �VUT v Praze provád�n experimentální výzkum použití popílkového stabilizátu z Elektrárny Chvaletice do konstrukce pražcového podloží (Lidmila 2005). V roce 2005 se Katedra železni�ních staveb Fakulty stavební �VUT v Praze zapojila do realizace výzkumného zám�ru Ministerstva školství, mládeže a t�lovýchovy s názvem „Udržitelná výstavba“ a registra�ním �íslem MSM 6840770005. V rámci uvedeného výzkumného zám�ru byl realizován zkušební úsek pro provozní ov��ení použití popílkového stabilizátu v konstruk�ních vrstvách pražcového podloží. Dále v textu jsou stru�n� popsány základní dosažené výsledky chování vrstvy popílkového stabilizátu v pr�b�hu p�ti let.

2 CHARAKTERISTIKY POPÍLKOVÉHO STABILIZÁTU Z ELEKTRÁRNY CHVALETICE Obecn� lze popílkový stabilizát charakterizovat jako sm�s popílku (nebo popela ) s pojivem (nap�. vápno, cement) a vodou. Norma �SN 72 2071 „Popílek pro stavební ú�ely“ a �SN EN 450-1 „Popílek do betonu“ definuje popílek jako produkt vzniklý vysokopecním spalováním uhlí. Popílek je tvo�en jemným práškem p�evážn� z kulovitých sklovitých �ástic. Popílek má pucolánové vlastnosti. Klasické popílky (vzniklé p�i roštovém nebo práškovém spalování) a fluidní popílky (vzniklé p�i fluidním spalování) se ve velkých objemech zpracovávají do sm�sí s dalšími vedlejšími energetickými produkty (VEP) a výsledné sm�si mají po vytvrdnutí lepší environmentální a mechanickofyzikální vlastnosti než jednotlivé VEP. Popílkový stabilizát z Elektrárny Chvaletice je sm�s úletového popílku (52 %), energosádrovce (25 %), CaO (3 %) a vody (20 %). Popílkový stabilizát v uvedeném složení je míchán v míchacím centru Elektrárny Chvaletice pod technologickým ozna�ením „receptura R4“. Vyrobený stabilizát se neskladuje, ale z míchacího centra se p�ímo expeduje na nákladní auta. Kapacita míchacího centra je max. 300 t.h-1, ro�ní produkce stabilizátu je cca 450000 tun. Popílkový stabilizát z Elektrárny Chvaletice je certifikovaným výrobkem pro použití p�i rekultivaci území Chvaleticka a pro použití na stavbách pozemních komunikací. Pat�í do skupiny tzv. klasických popílkových stabi-

108

Využití odpadních hmot a recyklátů ve stavebnictví

Waste utilization, recycled materials in the building industry

lizát�. Je to materiál, který vyvíjí hydrata�ní teplo a v �ase tvrdne. Optimální doba zpracovatelnosti je do 4 hodin od zamíchání. V rámci diserta�ní práce (Lidmila 2005) byly provedeny laboratorní zkoušky základních mechanicko-fyzikálních parametr�, které jsou rozhodující pro aplikaci v konstrukci pražcového podloží. Výsledky laboratorních zkoušek jsou uvedeny v Tabulce 1. Sou�ástí uvedených laboratorních zkoušek bylo provedení poloprovozních zkoušek vrstvy z popílkového stabilizátu. Poloprovozní zkoušky byly realizovány na 6 modelech elementu konstrukce pražcového podloží v m��ítku 1:1. Modelování konstrukce pražcového podloží bylo provád�no ve speciálním zkušebním boxu Katedry železni�ních staveb Fakulty stavební �VUT v Praze o vnit�ních rozm�rech 2095 � 990 � 800 mm. Výsledky poloprovozních zkoušek se staly v roce 2005 jedním z podklad� p�i žádosti na z�ízení zkušebního úseku pro provozní ov��ení popílkového stabilizátu v konstrukci železni�ní trat�. Tabulka 1. Výsledky laboratorních zkoušek popílkového stabilizátu. Parametr Zhutnitelnost

Zkušební metoda �SN 72 1015 metoda B (Proctorova modifikovaná zkouška)

Dosažená hodnota �dmax = 1310 kg.m-3 wopt = 20%

Pevnost v prostém tlaku (bez saturace vodou)

�SN 73 6125

1.04 MPa po 7 dnech zrání

Odolnost proti mrazu a vod�

�SN 73 6125

6.07 MPa po 162 dnech zrání

Propustnost

�SN 72 1020 metoda F

3.5×10-8 m.s-1 po 164 dnech zrání

Sou�initel tepelné vodivosti �

p�ístroj ISOMET 2104

0.7 W.m-1.K-1

3 VÝSTAVBA ZKUŠEBNÍHO ÚSEKU V b�eznu 2005 podala Katedra železni�ních staveb Fakulty stavební �VUT v Praze návrh na z�ízení zkušebního úseku v žst. Smi�ice. Cílem návrhu zkušebního úseku bylo ov��it a dlouhodob� sledovat vrstvu popílkového stabilizátu, která bude chránit zemní plá� tvo�enou horninami náchylnými ke zv�trávání p�sobením vody a mrazu. Generální �editelství �eských drah, a.s., odbor stavební vydal dne 4. 4. 2005 souhlasné stanovisko s provozním ov��ením použití popílkového stabilizátu z Elektrárny Chvaletice jako konstruk�ní vrstvy pražcového podloží v žst. Smi�ice. Zkušební úsek se nachází v žst. Smi�ice v dopravní koleji �. 3, km 32.940 – km 33.270. Železni�ní stanice Smi�ice leží na celostátní trati se zatížením 22.5 tuny na nápravu v jednokolejném tra�ovém úseku Hradec Králové – Jarom��. Zkušební úsek má délku 330 m. Schematický p�í�ný �ez zkušebním úsekem je na obrázku 1. Pro dlouhodobé sledování chování konstruk�ní vrstvy z popílkového stabilizátu byly ve zkušebním úseku zvoleny t�i m��ící profily ozna�ené jako P1 (km 32.978), P2 (km 33.108) a P3 (km 33.249).

Využití odpadních hmot a recyklátů ve stavebnictví

109

Waste utilization, recycled materials in the building industry

Obrázek 1. Schematický p�í�ný �ez zkušebním úsekem s vrstvou z popílkového stabilizátu.

3.1 Technologie výstavby Výstavba vrstvy z popílkového stabilizátu byla provedena ve dnech 18.4 a 19.4.2005. P�ed vlastní výstavbou konstruk�ní vrstvy z popílkového stabilizátu byl vybudován nový odvod�ovací systém, snesena stará kolejová pole a odt�ženo staré kolejové lože a pražcové podloží do úrovn� nov� projektované zemní plán�. Zemní plá� po odt�žení byla tvo�ena jílovitým vápencem (slínovcem) v r�zném stupni zv�trání. Zemní plá� byla provedena v úklonu 5 % sm�rem do odvod�ovacího systému. V místech kde byla zemní plá� tvo�ena zdravým jílovitým vápencem charakteru pevné horniny, došlo vlivem nesnadné rozpojitelnosti k p�et�žení úrovn� zemní plán� místy až o 0.4 m. Tato místa byla od úlomk� ru�n� do�išt�na. Popílkový stabilizát s ozna�ením „receptura R4“ byl z míchacího centra Elektrárny Chvaletice p�epravován na staveništ� velkoobjemovými automobilovými náv�sy. Ihned po vysypání byl popílkový stabilizát p�ekládán na standardní nákladní auta a navážen na zemní plá�, kde byl pomocí grejdru urovnán do projektované výšky a p�í�ného sklonu a následn� hutn�n. Dovozní doba od naložení popílkového stabilizátu v míchacím centru do vysypání na staveništi byla v závislosti na dopravní situaci cca 1.5 hodiny a celkový �as od zamíchání v míchacím centru po zhutn�ní se pohyboval v rozmezí 3 až 4 hodin. P�i dovozu popílkového stabilizátu na stavbu byla m��ena jeho vlhkost a teplota. Teplota dováženého popílkového stabilizátu se pohybovala od 36.5 °C do 43.5 °C.

4 SLEDOVÁNÍ ZKUŠEBNÍHO ÚSEKU Pro dlouhodobé sledování chování konstruk�ní vrstvy z popílkového stabilizátu byl vypracován na dobu p�ti let zkušební plán, který obsahoval rozsah a postup terénních a laboratorních zkoušek v�etn� návrhu postupu prací. Cílem zkušebního plánu bylo vybrat vhodný rozsah a typ zkoušek s ohledem na p�edpis SŽDC S4 Železni�ní spodek, na minimalizaci omezení provozu koleje a na možnost porovnání výsledk� s výsledky poloprovozních zkoušek. Na základ� výše uvedených požadavk� byly zvoleny terénní zkoušky uvedené v Tabulce 2. �etnost terénních zkoušek byla zvolena 2× ro�n� a to v jarním a podzimním období. Místa terénních zkoušek byla ur�ena m��ícími profily P1, P2 a P3.

110

Využití odpadních hmot a recyklátů ve stavebnictví

Waste utilization, recycled materials in the building industry Tabulka 2. Vybrané terénní zkoušky. _____________________________________________________________________________ Typ zkoušky Výšková úrove� Sledovaný parametr Jednotky (povrch vrstvy) _____________________________________________________________________________ Statická zat�žovací zkouška št�rkodrti modul p�etvárnosti MPa Statická zat�žovací zkouška popílkového stabilizátu modul p�etvárnosti MPa Rázová zat�žovací zkouška* št�rku rázový modul deformace MPa Rázová zat�žovací zkouška* št�rkodrti rázový modul deformace MPa Rázová zat�žovací zkouška* popílkového stabilizátu rázový modul deformace MPa _____________________________________________________________________________ *m��eno od roku 2007.

Pro realizaci vybraných terénních zkoušek bylo nutné vždy provád�t kopané sondy až do úrovn� povrchu popílkového stabilizátu. Kopané sondy dosahovaly hloubek cca 1 m od horní hrany pražc�. V pr�b�hu provád�ní kopaných sond byly pr�b�žn� odebírány vzorky pro stanovení vlhkosti jednotlivých vrstev. P�ed záv�re�nou likvidací kopaných sond byly z vrstvy popílkového stabilizátu provedeny v každé sond� 4 vývrty zkušebních t�les. Vývrty byly provád�ny ru�ní vrtací soupravou HILTI s pr�m�rem vrtací korunky 100 mm. Vývrty zkušebních t�les musely být provád�ny za pomocí vodního výplachu. Návrh laboratorních zkoušek byl zam��en na sledování vlastností odebraných zkušebních t�les z popílkového stabilizátu (vývrt�). Pro analýzu dlouhodobého chování byly navrženy laboratorní zkoušky uvedené v Tabulce 3. Terénní a laboratorní zkoušky byly dopln�ny m��ením geometrických parametr� koleje m��icím vozíkem KRAB. Tabulka 3. Vybrané laboratorní zkoušky popílkového stabilizátu. _____________________________________________________________________________ Typ zkoušky Jednotky Poznámka _____________________________________________________________________________ po vysušení na 105°C Objemová hmotnost kg.m-3 Pevnost v prostém tlaku MPa -1 Propustnost* m.s koeficient filtrace, konstantní spád _____________________________________________________________________________ *m��eno do roku 2007.

5 DOSAŽENÉ VÝSLEDKY V pr�b�hu 5 let sledování zkušebního úseku bylo nam��eno velké množství dat, které vzhledem k rozsahu tohoto �lánku nelze publikovat. Pro dlouhodobé zhodnocení vývoje vlastností vrstvy popílkového stabilizátu ve zkušebním úseku byly vybrány a dále podrobn�ji hodnoceny výsledky: � statických zat�žovacích zkoušek, � laboratorních zkoušek stanovení objemové hmotnosti, � laboratorních zkoušek pevnosti v prostém tlaku.

5.1 Výsledky statických zat�žovacích zkoušek V pr�b�hu sledování zkušebního úseku bylo provedeno celkem 39 statických zat�žovacích zkoušek na povrchu popílkového stabilizátu a 36 zkoušek na povrchu št�rkodrti plá� t�lesa železni�ního spodku.

Využití odpadních hmot a recyklátů ve stavebnictví

111

Waste utilization, recycled materials in the building industry

Výsledky statických zat�žovacích zkoušek v jednotlivých zkušebních profilech na povrchu popílkového stabilizátu a pr�b�h pr�m�rné hodnoty modulu p�etvárnosti jsou na obrázku 2. Výsledky statických zat�žovacích zkoušek v jednotlivých zkušebních profilech na povrchu št�rkodrti (plá� t�lesa železni�ního spodku) a pr�b�h pr�m�rné hodnoty modulu p�etvárnosti jsou na obrázku 3. 1600

Modul p�etvárnosti v MPa

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

365

730

1095

1460

1825

2190

Doba od výstavby ve dnech P1

P2

P3

Pr�m�r

Obrázek 2. Výsledky statických zat�žovacích zkoušek v úrovni povrchu vrstvy z popílkového stabilizátu v jednotlivých zkušebních profilech (P1, P2, P3) a pr�b�h pr�m�rné hodnoty modulu p�etvárnosti. 250

Modul p�etvárnosti v MPa

200

150

100

50

0 0

365

730

1095

1460

1825

2190

Doba od výstavby ve dnech P1

P2

P3

Pr�m�r

Obrázek 3. Výsledky statických zat�žovacích zkoušek v úrovni povrchu št�rkodrt� (plá� t�lesa železni�ního spodku) v jednotlivých zkušebních profilech (P1, P2, P3) a pr�b�h pr�m�rné hodnoty modulu p�etvárnosti.

112

Využití odpadních hmot a recyklátů ve stavebnictví

Waste utilization, recycled materials in the building industry

5.2 Výsledky laboratorních zkoušek – stanovení objemové hmotnosti V každém zkušebním profilu byla vždy na 3 zkušebních t�lesech (vývrtech) stanovena suchá objemová hmotnost popílkového stabilizátu. Pro každý m��ící profil byla vypo�ítána pr�m�rná hodnota objemové hmotnosti. Pr�m�rné hodnoty objemové hmotnosti pro jednotlivé zkušební profily jsou uvedeny v grafu na obrázku 4. Tento graf na obrázku 4 je dopln�n o pr�b�h pr�m�rné hodnoty všech m��ících profil�. Objemová hmotnost p�i realizaci zkušebního úseku byla stanovena pomocí kovových odb�rných pouzder odebraných ihned po zhutn�ní vrstvy popílkového stabilizátu. P�i stanovení uvedených výsledk� objemové hmotnosti byla použita teplota sušení 105°C.

Suchá objemová hmotnost v kg.m -3

1400

1350

1300

1250

1200

1150

1100 0

365

730

1095

1460

1825

2190

Doba od výstavby ve dnech P1

P2

P3

Pr�m�r

Obrázek 4. Výsledky stanovení objemové hmotnosti popílkového stabilizátu v jednotlivých profilech a pr�b�h pr�m�rné hodnoty.

5.3 Výsledky laboratorních zkoušek – stanovení pevnosti v prostém tlaku V každém m��ícím profilu byly provedeny vždy 3 zkoušky pevnosti v prostém tlaku a dosažené výsledky byly zpr�m�rovány. Pr�m�rné hodnoty pevnosti v prostém tlaku pro jednotlivé zkušební profily jsou uvedeny v grafu na obrázku 5. Graf na obrázku 5 je dopln�n o pr�b�h pr�m�rné hodnoty všech m��ících profil�.

6 VYHODNOCENÍ UVEDENÝCH VÝSLEDK�

M��ení modulu p�etvárnosti v úrovni povrchu popílkového stabilizátu prokázalo, že po dobu p�ibližn� 3 let od výstavby vrstvy z popílkového stabilizátu docházelo genereln� k nár�stu modulu p�etvárnosti. Po této dob� došlo na povrchu popílkového stabilizátu k �áste�né degradaci vrstvi�ky o tlouš�ce 10 až 20 mm. Tato vrstvi�ka m�la za následek snížení modulu p�etvárnosti. V sou�asné dob� lze konstatovat, že povrch popílkového stabilizátu dosahuje modulu p�etvárnosti cca 400 MPa. M��ení modulu p�etvárnosti v úrovni povrchu št�rkodrti, která odpovídá úrovni plán� t�lesa železni�ního spodku, výrazn� konsolidovala v pr�b�hu prvních 200 dn� od realizace výstavby. Z dalšího pr�b�hu modulu p�etvárnosti lze konstatovat, že modul p�etvárnosti konstruk�ní vrstvy ze št�rkodrti se pr�m�rn� pohybuje na hodnot� 150 MPa.

Využití odpadních hmot a recyklátů ve stavebnictví

113

Waste utilization, recycled materials in the building industry

Odchylky od této hodnoty kopírují ro�ní období a to tak, že v jarním období jsou hodnoty vyšší cca o 20% než hodnoty nam��ené na podzim p�íslušného roku. Sledování suché objemové hmotnosti prokázalo, že objemová hmotnost kolísá v rozsahu od 1161 kg.m-1 do 1387 kg.m-1. Sou�asn� nebyla prokázána p�ímá závislost mezi hodnotou suché objemové hmotnosti popílkového stabilizátu a pevností v prostém tlaku. Pr�b�h výsledk� pevností v prostém tlaku ukazuje, že pevnost popílkového stabilizátu nar�stala v pr�b�hu 2 let od výstavby zkušebního úseku. Po této dob� již k výraznému nár�stu pevnosti v prostém tlaku nedochází a hodnota osciluje kolem 5.0 MPa. 8

Pevnost v prostém tlaku v MPa

7 6 5 4 3 2 1 0 0

365

730

1095

1460

1825

2190

Doba od výstavby ve dnech P1

P2

P3

Pr�m�r

Obrázek 5. Pr�b�h pevnosti v prostém tlaku zkušebních t�les z popílkového stabilizátu.

7 ZÁV�R

Výstavbou popsaného zkušebního úseku a realizací terénních a laboratorních zkoušek po dobu 5 let vznikl ucelený soubor informací o chování vrstvy z popílkového stabilizátu v reálné konstrukci pražcového podloží. Uvedené výsledky jednozna�n� potvrzují, že aplikace popílkového stabilizátu ve form� receptury R4 z elektrárny Chvaletice byla pro ochranu zemní plán� tvo�ené slínovcem, vhodným �ešením. REFERENCE Lidmila, M. 2005. Ekologické využití vedlejších energetických produkt� v konstrukci pražcového podloží. Praha, 2005, 143 s. Diserta�ní práce. �VUT v Praze, Fakulta stavební v Praze, 2005. �SN 72 2071. Popílek pro stavební ú�ely – Spole�ná ustanovení, požadavky a metody zkoušení. Praha, 2000, 36 s. Praha: �eský normaliza�ní institut. �SN EN 450-1+A1. Popílek do betonu – �ást1: Definice, specifikace a kritéria shody. Praha, 2008, 328 s. Praha: �eský normaliza�ní institut. SŽDC S4. Železni�ní spodek. Praha, 2008, 189 s. Praha: Správa železni�ní dopravní cesty, státní organizace.

114

Využití odpadních hmot a recyklátů ve stavebnictví