RECYKLACE A VYUŽITÍ DRUHOTNÝCH SUROVIN PŘI STAVBĚ A OPRAVĚ POZEMNÍCH KOMUNIKACÍ

RECYKLACE A VYUŽITÍ DRUHOTNÝCH SUROVIN PŘI STAVBĚ A OPRAVĚ POZEMNÍCH KOMUNIKACÍ

Sborník ze semináře pro pracovníky pracující v oblasti výstavby a oprav pozemních komunikací. Představuje výsledky výzkumného projektu 5. rámcového programu EU zaměřeného na podporu recyklačních technologií při opravách vozovek a využití průmyslových odpadů při stavbě a opravách pozemních komunikací.

ISBN 80-214-3178-4 2

Obsah Slovo úvodem ......................................................................... 5 Několik informací o projektu SAMARIS ................................. 6 Recyklace a využití odpadních materiálů v EU při stavbě a údržbě PK................................................... 8 Recyklované stavební a demoliční odpady – produkce a perspektivy .................................................... 16 Využití recyklátů ze stavebně demoličních odpadů ve stavbě PK ......................................................................... 22 Užití popelů ze spalovan komunálních odpadů při stavbě PK......................................................................... 40 Využití hlušin ve stavbě pozemních komunikací ................ 48 Využití vysokopecní strusky v PK ....................................... 57 Využití ocelárenské strusky v PK ........................................ 64 Využití elektrárenských popílků v PK .................................. 71 Využití ojetých pneumatik ve stavbě PK ............................. 81 Odpadní sklo a jeho možné užití při stavbě PK .................. 93 Vlastnosti recyklovaných směsí z asfaltových vozovek .......................................................... 96

3

4

SLOVO ÚVODEM V současné době se v souvislosti se setrvalým rozvojem lidské společnosti často hovoří o omezování čerpání přírodních zdrojů, o recyklaci a používání odpadních hmot. Silniční stavitelství je obor činnosti zacházející s vysokými objemy používaných hmot, s jejich těžením, přemisťováním a ukládáním. V případě budování pozemních komunikací je snahou zabudovat různé materiály, které nemají jiné užití a vyskytují se ve velkých objemech. Při údržbě a opravě pozemních komunikací je zase všeobecným trendem použít všechny materiály, které již ve vozovce neplní svou funkci. Cílem je zabránit, aby tyto materiály byly považovány za odpad a aby byly opětně použity na místě jejich dřívějšího užívání. Proto se vytvářejí uzavřené cykly koloběhu silničních materiálů. Jedná se o velmi širokou problematiku pro jejíž řešení se vytvářejí mezinárodní kolektivy k prohloubení a rozšíření znalostí a zkušeností. Do jednoho takového mezinárodního pracovního kolektivu se také zapojili pracovníci Ústavu pozemních komunikací fakulty stavební v Brně. V 5. rámcovém programu byl řešen výzkumný projekt EU SAMARIS (Sustainable and Advanced MAterials for Road InfraStructure, volně přeloženo – Nové a opakovaně užívané materiály pro dopravní infrastrukturu), jehož cílem bylo popsat a rozvinout technologie umožňující prodlužování životnosti silničních konstrukcí a využití materiálů dříve zabudovaných nebo neužívaných. Část řešení byla zaměřena na užívané odpadní materiály a jejím výstupem bylo získání informací o recyklaci silničním materiálů a užívání průmyslových odpadních materiálů v silničním stavitelství. Byly shromážděny informace jak z vyspělých zemí, tak ze zemí střední a východní Evropy. Informace se týkaly zákonů a předpisů, řešení škodlivosti materiálů z hlediska životního prostředí a technologií zpracování. Následně se pak zpracovaly technické přehledy, které mají podpořit rozšíření užívání odpadních materiálů zejména pak v CEE zemích . Materiály z projektu SAMARIS budou cenným zdrojem informací a inspirací pro řešení problematiky využívání odpadů. Prvním krokem k rozšíření užívání odpadů je sdělení široké technické veřejnosti, že recyklace a užívání odpadních materiálů je dynamicky se rozvíjející proces a jakkoliv jsou některé příležitosti pro jejich uplatnění omezovány, obcházeny a zpochybňovány, nakonec bude proces úspěšný. Jan Kudrna, garant semináře 5

NĚKOLIK INFORMACÍ O PROJEKTU SAMARIS Jan Kudrna 1 Řešení výzkumného projektu bylo součástí 5. rámcového programu EU GROWTH (Setrvalý konkurenceschopný růst) a jeho části týkající se rozvoje a údržby infrastruktury a konkrétně materiálů. Koordinátorem projektu SAMARIS byl DRI (Dánský silniční ústav). Na řešení se podílelo celkem 22 pracovišť ze 17 států EU a USA. Celkové náklady na projekt byly 4,6 mil. EUR, z toho příspěvek EU činil 2,3 mil. EUR. Řešení bylo započato v roce 2003 a ukončeno v březnu 2006. Obsahovalo dva základní cíle týkající se rozvoje dopravní infrastruktury: - Vývoj nových hmot pro opravu betonových konstrukcí (mostů, tunelů apod.), tato část řešení se nazývala Structural stream a řešení koordinoval ZAG (Slovinsko). - Použití nových materiálů a odpadů ve stavbách a opravách dopravní infrastruktury. Tato část řešení se nazývala Pavement stream a koordinovala ji LCPC (Francie). Naše pracoviště patřilo do skupiny malých řešitelů. Pracovníci Ústavu pozemních komunikací se účastnili řešení v rámci týmů Pavement stream. Přesto byla zajištěna základní informovanost všech účastníků řešení o celém projektu. Úkolem pracoviště bylo zpracovat přehledy o produkovaných odpadech a jejich využití. Bylo pracovištěm zodpovědným za studii s hodnocením stavu využití materiálů z vozovek a průmyslových odpadů v zemích střední a východní Evropy a spolupracovalo na přehledech o celkovém využití odpadů. V průběhu řešení se pracoviště dodatečně stalo zodpo-vědným zpracovatelem některých přehledů o využití odpadů. Důležité bylo také řešení dalších týmů, které se zabývaly hodnocením alternativ-ních materiálů, posuzováním bezpečnosti a ekologické nezávadnosti a také hodnocením trvalých deformací netuhých vozovek. Výstupy (Deliverables) z řešení projektu SAMARIS, které byly použity v tomto sborníku, jsou následující: - D4 (2003). Report on existing specific national regulations applied to material recycling. (Zpráva o stávajících specifických národních předpisech platných pro recyklaci materiálu). - D5 (2005). Literature review of recycling of by-products in road construction in Europe (Přehled literatury o recyklaci druhotných surovin v silničním stavitelství v Evropě). 1

Jan Kudrna, doc. Ing., CSc., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací, [email protected]

6

D7 (2004). State of the art for test methods to detect hazardous components in road materials for recycling (Současný stav v oblasti zkušebních metod pro zjištění nebezpečných složek v silničních materiálech určených k recyklaci). - D9 (2004). Critical analysis of documents from Europe and United States with special reference to assessment of alternative materials (Kritická analýza dokumentů z Evropy a USA se zvláštním odkazem na posuzování alternativních materiálů). - D12 (2004). Report recommendations for mixing plants for recycling works – characterization, elaboration plants, uses in road construction of by products (Doporučení pro recyklační zařízení - charakteristiky, zařízení, užití druhotných materiálů v silničním stavitelství). - D15 (2004). State of the art on the use of road and other industry byproducts in road construction and rehabilitation in the Central and East European countries (Současný stav užití silničních odpadních materiálů a materiálů z průmyslových odvětví při výstavbě a opravě vozovek v zemích střední a východní Evropy). - D16 (2005). Methodology for assessing alternative materials for road construction (Metodologie pro posuzování alternativních materiálů pro výstavbu vozovek). - D23 Report on test methods for detection of hazardous components in road by-products (Zpráva o zkušebních metodách určených pro zjišťování nebezpečných složek v silničních odpadních materiálech) - D24 (2005). Environmental annexes to road product standards (Environmentální přílohy k normám pro silniční výrobky). - D29 (2005). Guide on techniques for recycling in pavement (Návod k použití technik pro užítí odpadů do vozovky) . Řešení, které nesouvisí s problematikou semináře, má kromě jiného tyto zajímavé výstupy: - D20 (2005) Report on test methods for reaction to fire of pavement materials (Zpráva o zkušebních metodách pro zjištění reakce silničních materiálů na oheň). D28 (2005) Development and validation of methods for rutting of bituminous bound materials in flexible pavements (Vývoj a ověření metod pro zjišťování vyjetých kolejí v asfaltem stmelených materiálech netuhých vozovek). Do projektu SAMARIS nebyli zapojeni jen řešitelé, jednání se účastnili i koneční uživatelé tohoto řešení, jimiž jsou silniční správy jednotlivých zemí EU. Na jednání byli pravidelně zváni i zástupci Ředitelství silnic a dálnic ČR. -

7

RECYKLACE A VYUŽITÍ ODPADNÍCH MATERIÁLŮ V EU PŘI STAVBĚ A ÚDRŽBĚ PK Jan Kudrna 1

Úvod Pro stavbu a opravy vozovek se vždy používaly a používají místní materiály, mezi které patří také materiály odpadní, a to jak průmyslové odpady, tak odpady z bouraných stavebních konstrukcí. Nakládání s odpady je sofistikovaná činnost a ve vyspělých státech je podporována různými pobídkami a výzkumnými projekty. Již v úvodním slově zmíněný výzkumný projekt 5. rámcového programu EU SAMARIS patří mezi tyto pobídky. Část řešení zaměřená na opakovaně užívané materiály měla za cíl získat informace o recyklaci a užívání odpadních materiálů v silničním stavitelství. Byly získány informace jak z vyspělých zemí, tak ze zemí střední a východní Evropy (dále země CEE). Informace se týkaly zákonů a předpisů, řešení škodlivosti materiálů a technologií zpracování. Následně se pak zpracovaly technické přehledy, které mají podpořit rozšíření užívání odpadních materiálů zejména pak v zemích CEE. Materiály z projektu SAMARIS budou cenným zdrojem informací a inspirací pro řešení problematiky budoucího využívání recyklací a odpadních materiálů.

Přehled odpadních materiálů Základní materiály byly rozděleny na v následujícím členění: Materiály získané z: - asfaltových vrstev vozovek, - cementobetonových vozovek, - podkladních vrstev, - všech vrstev vozovky (směs materiálů). Průmyslové odpady: - vysokopecní struska, - granulovaná vysokopecní struska, - ocelárenská struska, - struska z neželezných kovů,

materiály

podle původu

Jan Kudrna, doc. Ing., CSc., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací [email protected]

8

-

slévárenský písek, popílek, ložový popel z topenišť elektráren, uhelná hlušina, ložový popel ze spaloven komunálních odpadů, použité pneumatiky, odpadní sklo a materiály ze stavebních demolic.

Získání informací o využití odpadních materiálů K popisu využití materiálů v zemích EU byly použity dotazníky, jejichž cílem bylo získat podrobný popisu stavu využití odpadních materiálů v jednotlivých zemích. Bylo konstatováno, že přestože platí evropská legislativa v některých přístupech k hodnocení a užití se jednotlivé země liší. Pro země CEE byl použit dotazník, který je v podstatě totožný s dotazníkem použitým ve studii zemí OECD v roce 1997. Z odpovědí národních zpravodajů se sestavily přehledy technologií, jejich využití v jednotlivých zemích, stav legislativy a podpora věnovaná využívání odpadních materiálů. Na základě přehledů se zpracovala závěrečná doporučení.

Země CEE zahrnuté do sledování Odpovědi na dotazník byly získány z podkladů z následujících zemí CEE: 1. Bělorusko (BY), 6. Rumunsko (RO), 2. Bulharsko (BG), 7. Rusko (RUS), 3. Česká republika (CZ), 8. Slovensko (SK), 4. Maďarsko (H), 9. Slovinsko (SLO), 5. Polsko (PL), 10. Ukrajina (UA).

Využití materiálů z vozovek V následující tabulce 1 jsou uvedena množství recyklovaných materiálů z vozovek v jednotlivých zemích CEE. Jsou rozděleny podle původu materiálů na recykláty z asfaltových směsí, recykláty z cementobetonových krytů a recykláty z podkladních vrstev (nestmelených vrstev, cementem stmelených vrstev včetně části vrstev asfaltových). Použití těchto recyklátů je procentuální podle technologie využití, a to buď po dovezení materiálu k centrální přípravě (obalovně, betonárně, míchačce), nebo na místě, případně s odloženým zpracování na skládku případně jiné 9

uložení mimo pozemní komunikaci. Přehled dobře dokumentuje stav recyklace vozovek v jednotlivých zemích. Přestože objemy recyklovaných materiálů jsou v jednotlivých zemích CEE různé, prakticky ve všech zemích jsou recyklační technologie známé. V některých zemích se používají jen některé technologie nebo jsou tyto technologie málo rozvinuté. Slibně se vyvíjí recyklace podkladních vrstev pomocí různých pojiv, jako je cement v kombinaci s asfaltovou emulzí nebo pěnou nebo směsná pojiva na bázi cementu a přísad. Z dalších odpovědí vyplynulo, že jen málo zemí CEE má zpracovány předpisy pro využití recyklovaných materiálů zahrnující již vlastní zkušenost se zpracováním. Obvykle jsou přejímány technologie ze zahraničí prostřednictvím zahraničních firem, ale správci silnic nejsou dobře informováni o technologiích, přínosech a životnostech. Z řešení této části projektu vyplynulo doporučení věnovat v zemích CEE zvláštní pozornost odolnosti materiálů proti účinkům mrazu, zvýšení únosnosti a odolnosti proti mrazovým trhlinám. Předpokladem úspěšného řešení je realizace výzkumných prací a dlouhodobé sledování recyklačních technologií. Tabulka 1 – Recyklované materiály z vozovek v různých zemích (rok 2002 nebo 2003) Recyklace

Použití

Dostupné množství (kt) Recyklace ročně asfaltových Rec. v obalovně (%) vozovek Rec. na místě (%) (RAP) Skládka a použití (%) Skládkování (%) Dostupné množství (kt) Recyklace ročně betonových Rec. v betonárně (%) vozovek Recykl. na místě (%) (RCP) Skládka a použití (%) Skládkování (%) Dostupné množství ročně (kt) Recyklace Rec. v míchačce (%) podklad. Recykl. na místě (%) Vrstev Skládka a použití (%) Skládkování (%)

BY BG CZ

H

PL RO RUS SK SLO UA

690 50 140 300 22

30

10 355

100 -

20 50 20 10

20 15 65 -

20 80 -

50 50

40 30 30

80 15 5

3 11 86 -

-

25

5

200 100

-

-

-

-

-

45 15 40

50 100 50 85 15 -

-

-

-

-

-

50

7

420 150

-

-

-

10

-

100 100 100 100 -

-

-

-

100 -

3

50 30 15 5

Pokud si blíže prohlédneme tabulku 1, zjistíme, že spotřeba asfaltového 10

recyklátu je bez ohledu na velikost ČR výrazně nejvyšší v zemích CEE. Využití cementobetonových krytů ve vozovkách jak metodou vybourání a použití drceného betonu jako kameniva, nebo po úpravě krytu (obvykle segmentací desek breakerem podobným gilotině) a překrytí asfaltovými vrstvami odpovídá ploše cementobetonových vozovek a množství zpracovaného betonu odpovídá jen rozsahu rekonstrukce dálničních vozovek; v tabulce je uvedené průměrné množství z uvedených roků. Pro recyklační technologie podkladních vrstev nebyl v projektu SAMARIS zpracováván žádný technický přehled nebo doporučení. Témata zpracovávala Světová silniční asociace (PIARC) a jiné projekty EU (např. SCORE, kterého se zúčastnilo SSŽ, s nímž naše pracoviště také spolupracovalo). Ve snaze věnovat se problematice recyklace a užití odpadů je do tohoto sborníku zahrnut příspěvek o recyklaci asfaltových směsí a podkladních vrstev vozovky vycházející z dlouhodobých prací Ústavu v rámci diplomových a doktorských prací a projektu CIDEAS (Centum pro integrované navrhování progresivních stavebních konstrukcí).

Využití průmyslových odpadů Všem uvedeným průmyslovým odpadům budou ve sborníku věnovány samostatné příspěvky. Z odpovědí na otázky v dotazníku a z diskuze s odborníky z výše uvedených zemích byly zjištěny následující zkušenosti: - Hlavním problémem použití odpadů je ohrožení životního prostředí v důsledku vyluhování zdraví škodlivých látek a obsahu kovů. Musí být zkoušen vodní výluh před použitím materiálů a některé z odpadů nemohou být použity přinejmenším ve spodní vrstvě vozovky, kde může dojít ke kontaktu s povrchovou nebo podpovrchovou vodou. - Strusky, uhelné hlušiny a odpady ze zpracování kameniv se běžně používají v lokalitách jejich výskytu. Použití starých hald uhelných hlušin do dálničních nebo železničních staveb je někdy omezováno, neboť haldy již nyní tvoří přírodní scenerie s výskytem vzácných rostlin nebo živočichů. - Produkce popílku, popele z elektráren nebo spaloven je stále několikanásobně vyšší než jejich využití. Materiály se obvykle používají do zemních těles a na terénní úpravy. - Slévárenský písek je doposud recyklován ve slévárnách. V Polsku a na Ukrajině ho omezeně používají v zemních pracích, podkladech i v asfaltových vrstvách. - Použité pneumatiky jsou obvykle skladovány a spalovány v cementárenských pecích. Použití v zemních tělesech, v opatřeních 11

-

proti hluku a vibracím a použití na sportovištích je v začátcích. V Česku a Polsku se drcená guma používá v hutněných asfaltových směsích. Použití odpadního skla v silničním stavitelství se nepředpokládá. Převážnou většinu zkoušek pro použití průmyslových odpadů tvoří zkoušky empirické a je zapotřebí používat zkoušky funkční modelující použití materiálů v konstrukci dopravních staveb. Zejména je třeba zdůraznit zkoušky účinku mrazu na podkladní vrstvy a podloží vozovky z materiálů obsahujících jemné částice.

Podpora recyklace a použití odpadů v zemích CEE Dotazník obsahoval otázky, které popisují legislativní a ekonomické prostředí podporující recyklaci silničních materiálů a použití průmyslových odpadů při stavbě a opravách silnic a dálnic. Na základě odpovědí na otázky dotazníku lze konstatovat: -

-

-

-

-

V zemích CEE již od roku 1975 vlády podporovaly výzkum použití některých odpadních materiálů produkovaných ve velkých množstvích (např. popílek, strusky, uhelné hlušiny apod.) k náhradě přírodních zdrojů. Systém použití odpadů v silničním stavitelství nebyl náležitě kontrolován a některé používané technologie byly v důsledku špatných výsledků a zkušeností opouštěny. Po roce 1990 došlo k prudkému ekonomickému poklesu, výzkumné aktivity byly omezeny a státní výzkumné ústavy zanikly. Obnova výzkumných aktivit v bývalém rozsahu není možná, i když země začleněné do EU zvyšují podporu výzkumu, zvláště oborů přispívajících k setrvalému rozvoji a s přínosem pro životní prostředí. V současné době existuje mnoho různých důvodů pro recyklaci a použití odpadů; zejména je kladen důraz na vlivy ochrany životního prostředí a existují také technické a ekonomické důvody. Zodpovědnost za zvýšení recyklace a použití odpadů má vláda. Jsou používány nástroje legislativní, stanovení cílových limitů pro recyklaci materiálů a ovlivňování trhu s vedlejšími produkty. Nicméně v některých zemích vlády vyhlašují podporu recyklačním technologiím, ale bez konkrétních opatření. V minulosti byly používány restriktivní nebo přímé regulace produkce odpadů a kontroly jejich ukládání. Regulace však nebyly doprováze-ny dalšími opatřeními, která by podporovala třídění, recyklaci a jiné použití druhotných materiálů. Výzkumné ústavy jsou schopny vyvinout nové technologie a připravit technické podmínky pro používání nových technologií. V zemích, které jsou již členy EU, je lepší situace, neboť je ovlivněna legislativou EU. Použití recyklace a využití odpadů závisí na 12

ekonomických problémech každé země, vývoji trhu a skutečných situacích souvisejících s odpadními materiály.

Podpora EU pro využití recyklací a odpadů Recyklace a využití odpadů jsou v zemích EU velmi rozšířené. V zemích, jako je Dánsko, Nizozemsko a Francie, se opětně používají prakticky všechny materiály z vozovek, z demolic stavebních konstrukcí, ze spaloven komunálních odpadů, strusky a další odpady. Vzhledem k technické vyspělosti v zemích západní Evropy a ve světle presentované situace v nových členských zemích EU a státech, které s nimi sousedí, bylo v rámci projektu SAMARIS rozhodnuto připravit technické přehledy možných technologií s využitím odpadních hmot pro stavby a opravy silnic. Technické předpisy mají sloužit správcům a investorům staveb a oprav silnic k informovanosti v dané oblasti. Tyto technické přehledy pak po skončení projektu v dubnu 2006 budou předány všem stanoveným uživatelům, tj. orgánům zodpovědným za silnice a dálnice (u nás ŘSD) nových členských států. Technické přehledy jsou zpracovány pro všechny uvedené průmyslové odpady. Každý technický přehled obsahuje informace v následujícím členění: 1. Původ materiálu – je zmíněn zdroj odpadního recyklovatelného materiálu, případně jeho množství v zemích západní Evropy. 2. Recyklace 2.1 Vlastnosti recyklovatelného materiálu – jednak vlastnosti fyzikální (velikost částic, objemové hmotnosti, vlhkost a jiné), chemické vlastnosti (složení, obsah škodlivých nebo jinak využitelných látek apod.). 2.2 Proces vedoucí k recyklaci – úpravy recyklovatelného materiálu jako jsou drcení, separace škodlivých nebo jinak využitelných materiálů, třídění apod. včetně kontroly jakosti. 2.3 Recyklovaný materiál – fyzikální a chemické vlastnosti materiálu pro recyklaci a jeho kontrola jakosti. 3. Použití materiálu k recyklaci – jsou popsána veškerá možná použití v silničním stavitelství, postupy pro návrh směsí nebo konstrukcí apod. 4. Vlivy na životní prostředí – ve všech etapách výskytu odpadního materiálu, tj. původního materiálu, po jeho úpravě pro použití a po jeho zabudování. 5. Technické předpisy – seznam předpisů z jednotlivých zemí. 6. Reference o technologiích – seznam dokumentů nebo článků 13

z jednotlivých zemí.

Závěr Výzkumný projekt SAMARIS ve své jedné části směřoval k vytvoření přehledu o recyklačních technologiích v silničním stavitelství. Z přehledu technologií ve vyspělých zemích bylo získáno mnoho technických podkladů dokladujících, že dochází ke značnému využití všech dostupných materiálů z vozovek i průmyslových odpadů. Z přehledu o využití technologií v zemích střední a východní Evropy vyplynulo, že recyklační technologie nejsou neznámé, ale k jejich využití ve větším měřítku dochází jen v některých zemích. Rozšíření technologií je třeba povzbudit z pozice EU. Byly zpracovány technické přehledy technologií recyklace a využití odpadních materiálů v silničním stavitelství s uvedením světových předpisů a referencí. Přehledy budou předány ústředním správcům silnic nových členských zemí EU pro jejich použití a podporu recyklačních technologií počínaje správci a investory staveb a oprav silnic, projektanty a zhotoviteli těchto prací. Využití recyklace a odpadních materiálů také pomohou evropské normy zaváděné v členských zemích EU. Odpadní materiály, které splňují technické parametry požadované pro silniční materiály, bude možné při splnění ochrany životního prostředí použít bez speciálních předpisů. Provedené studie prokázaly, že každý vedlejší produkt je vhodný, pokud jeho vlastnosti umožní jeho využití v zabudované konstrukci. Soustava evropských norem pak tyto zkoušky zavádí. Rozšíření nových technologií napomůže intenzivnějšímu přenosu (transferu) technologií pomocí seminářů a přednášek, které přinesou běžný přehled o vhodných materiálech pro recyklace a použití v silničním stavitelství. Přednášky a semináře je třeba zaměřit na všechny strany, kterých se problematika týká, tj. na silniční správce a investory, stavební firmy a průmyslová odvětví produkující použitelné odpady. Následovat by měly semináře, které se soustředí na využití jedné technologie nebo jednoho vedlejšího produktu s podrobným zpracováním problematiky. Rozšíření technologie napomohou studijní stáže techniků, budování pokusných úseků případně s použitím finančních prostředků z EU. I když se nové členské země EU budou snažit využít doporučené předpisy a reference k využití recyklací a odpadních materiálů v silničním stavitelství, je nutno upozornit, že odlišný původ některých odpadních hmot, velké změny teplot v průběhu dne a roku a účinky vody a mrazu podstatně ovlivňují chování konstrukcí. Jestliže použité zkoušky materiálů 14

zabudovávaných do konstrukce nebudou modelovat podmínky jejich namáhání a vlastnosti nebudou založeny na funkčních (performance) charakteristikách, mohou se projevit problémy s životností konstrukcí. Proto je ve studii hodnotící stav v zemích CEE uvedena potřeba dlouhodobého hodnocení některých technologií. Pokud v rámci výzkumných projektů EU se bude vyvíjet nová technologie, bude velmi užitečné zahrnout do výzkumného projektu také výzkumné organizace ze zemí CEE. Takto je možno vyvinout a stanovit mnohem universálnější technologie recyklace a užití odpadních hmot v silničním stavitelství. Přínos rozšíření technologií recyklace a užití průmyslových odpadů v silničním stavitelství bude patrný u všech zúčastněných stran. Konečným výsledkem bude zdravější životní prostředí a setrvalý vývoj sjednocené Evropy.

15

RECYKLOVANÉ STAVEBNÍ A DEMOLIČNÍ ODPADY – PRODUKCE A PERSPEKTIVY Miroslav Škopán 1

Úvod Celková produkce odpadů v EU je podle dokumentu ES – Strategie prevence a recyklace odpadů, přibližně 1,3 miliardy tun ročně (bez zemědělských odpadů), což na osobu činí přibližně 3,5 tuny (včetně komunálních odpadů, průmyslových odpadů apod.). Podle informací publikovaných Evropskou agenturou pro životní prostředí (EEA – European Environmental Agency) se celková produkce odpadů v EU skládá z pěti hlavních toků, z nichž stavební a demoliční odpady (dále SDO) se na produkci podílejí 22 % až 25 % a je mu věnována náležitá pozornost. Recyklace stavebních a demoličních odpadů se stala v uplynulém desetiletí nedílnou součástí procesu nejen demolice, ale i stavby. Recykláty ze stavebních a demoličních odpadů nacházejí zejména uplatnění jako zásypové materiály nejrůznějších inženýrských sítí a také jako materiál pro stavbu komunikací. V uplynulých letech bylo využito např. při stavbě koridorů více než 2 miliony tun recyklovaného kameniva ze železničního lože. Také při stavbě a rekonstrukci silniční a dálniční sítě představují recykláty ze stavebních odpadů nezastupitelné místo.

Analýza nakládání se SDO a produkce recyklátů v ČR Objemy produkce recyklátů vyrobených ze stavebních a demoličních odpadů je velmi obtížné přesněji stanovit. Jeden z rozhodujících důvodů lze spatřovat pravděpodobně v tom, že oficiální „Informační databáze odpadového hospodářství“ (ISOH), vedená z pověření Ministerstva životního prostředí Výzkumným ústavem vodohospodářským TGM, nemůže obsahovat všechna data. Je to způsobeno kromě jiného i tím, že evidované údaje o produkci odpadů a způsobech nakládání s nimi v oblasti recyklace SDO jsou pro produkci recyklátů z nich vyrobených pouze jedním ze vstupujících materiálových proudů do této činnosti (neboť neevidují recyklaci stavebních materiálů, které nespadají do režimu nakládání s odpady – jejich vlastník je po recyklaci opět sám využije). Jedná se zejména o výrobu recyklátů v místě demolice či stavby, pokud tyto nemění svého majitele (recyklační firma zde působí jako jistá forma služby), a proto materiál vstupující do procesu recyklace Miroslav Škopán, doc. Ing., CSc., VUT v Brně, Fakulta strojní, president Asociace pro rozvoj recyklace stavebních materiálů, [email protected]

16

nelze chápat jako odpad, naplňující definici zákona o odpadech 185/2001 Sb. § 3, odst. 1. Takto recyklované inertní minerální odpady ani produkty z nich vyrobené zpravidla neprocházejí databází ISOH. Přitom se jedná o významné produkované objemy. Proto provádí ARSM od roku 1999 pravidelný podrobný průzkum o produkci u jednotlivých výrobců recyklátů v ČR. Produkce z období 2001 až 2004 je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1 – Charakteristika zpracovaných stavebních odpadů v recyklačních linkách (udávaná množství jsou v tisících tunách za uvedený rok) Rok Druh recyklovaného odpadu

2001

Cihelná suť Betonová suť Asfaltové směsi bez dehtu Směsný stavební odpad Kamenivo Výkopové zeminy Ostatní Celkem Z toho minerální suť (cih. suť + betonová suť + asfalty + směs. st. odpad) Celkem zeminy a recyklované kamenivo Rec. dalších odpadů (struska a uhelná hlušina) celk. Celková produkce minerální sutě dle databáze ISOH (1701 + 1703 + 1709)

2002

2003

2004

990,0 1408,9 1391,6 1664,3 614,8 1013,9 1254,6 994,0 323,9 475,2 516,4 514,2 3,9 0,6 59,0 130,6 513,3 464,2 913,4 718,5 275,7 339,4 452,1 432,3 417,5 300,7 261,4 309,1 3139,0 4002,6 4848,5 4770,5 1932,5 2898,3 3221,6 3303,1 789,0

803,6 1365,5 1150,8

417,5

300,7

261,4

1739,0 2295,4 3189,7 3776 až 4280

Celková produkce minerální sutě dle odhadu ARSM (1701 + 1703 + 1709)

4200 až 4700

5000 až 5500

309,1 není údaj 5000 až 5500

Zdroj Asociace pro rozvoj recyklace stavebních materiálů v ČR Jak je z uvedené tabulky patrné, je skutečná celková produkce recyklátů 17

z inertních minerálních materiálů paradoxně vyšší, než množství v daném časovém období produkované. Tento rozdíl je variabilní, ale obecně lze konstatovat, že od roku 2002 se začal snižovat, což ukazuje na zpřesňování údajů v databázi ISOH a dále zlepšený systém sledování toků stavebních a demoličních odpadů včetně nakládání s nimi. Při posledním šetření v roce 2005 (za rok 2004) bylo zjištěno, že 34 rozhodujících firem, které skutečně vlastními silami recyklují stavební odpady, provozuje celkem 61 drtičů s maximální výkonností 25 t/h až 160 t/h a cca 65 třídičů (zařízení s menší výrobní kapacitou nejsou do šetření zahrnuta). Celková roční kapacita všech recyklačních linek v ČR je ca 6 500 000 tun, tj. přibližně o 30% vyšší, než je produkce recyklátů z SDO. Aby recyklační firmy udržely efektivitu svých provozů na dostatečné výši (tzn. co nejvyšší využití zařízení), realizují vytěžování mobilních drtičů a třídičů i při zakázkovém drcení kameniva v lomech, resp. třídění štěrkopísků v pískovnách. Hodnoty objemů produkovaných recyklátů uváděné v tabulce 1 je nutno považovat za hodnoty přibližné, neboť jsou získány na základě údajů firem, které nelze nijak dále ověřit. Skutečné hodnoty mohou přitom kolísat oběma směry od hodnot získaných. I přes tyto skutečnosti lze považovat údaje o množstvích recyklovaných stavebních sutí a jejich struktuře za dostatečně reprezentativní a případné odchylky od skutečnosti budou s největší pravděpodobností dosahovat statisticky nevýznamných hodnot. Na základě šetření provedených v roce 2005 (vztažených k produkci zmíněných firem v roce 2004) lze jednoznačně konstatovat, že v přehledu jsou uvedeny všechny rozhodující recyklační firmy působící v ČR a zjištěné objemy recyklovaných SDO za roky 2002 až 2004 obsahují minimálně 95 % až 97% celkové produkce této komodity v ČR. Hodnoty udávané tabulce 1 potvrzují růstový trend v recyklaci SDO do roku 2003. V roce 2004 lze pozorovat stagnaci (a dle předběžných šetření v roce 2005 dokonce výraznější pokles), jejíž příčinu v roce 2004 lze spatřovat zejména v absenci jednotného systému prokazování vlastností recyklátů z SDO jako nestanoveného výrobku podle zákona 22/1997 Sb. Za další příčinu však lze považovat také masivní tlak některých producentů stavebního kamene na investory i dodavatele staveb směrem k využívání výhradně přírodního kameniva a štěrkopísků. Tuto smutnou skutečnost lze doložit kromě jiného i značným nárůstem produkce této komodity, evidovaným Ministerstvem průmyslu a obchodu. Jedná se bohužel o zcela opačný trend, než je v okolních evropských státech.

18

Možnosti posuzování vlastností recyklátů ze SDO podle platné legislativy ČR V České republice na rozdíl od některých zemí Evropské unie dosud neexistují technické normy s obecnou platností pro jakost recyklátů, s výjimkou několika norem pro inženýrské stavby, výrobu malt a betonů a kameniva pro kolejové lože - ČSN EN 12620 Kamenivo do betonu - ČSN EN 13043 Kamenivo pro asfaltové směsi a povrchové vrstvy pozemních komunikací, letištních a jiných dopravních ploch - ČSN EN 13055-1 Pórovité kamenivo – Část 1: Pórovité kamenivo do betonu, malty a injektážní malty. - ČSN EN 13055-2 Pórovité kamenivo – Část 2: Pórovité kamenivo pro asfaltové směsi a povrchové úpravy a pro stmelené a nestmelené aplikace - ČSN EN 13139 Kamenivo pro malty - ČSN EN 13242 Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní komunikace - ČSN EN 13450 Kamenivo pro kolejové lože. Tyto normy určují obecně vlastnosti kameniva, získaného úpravou přírodního, umělého nebo recyklovaného materiálu pro stanovený účel použití. Další možnost pro využití recyklátů poskytují také Technické podmínky TP 170 „Navrhování vozovek pozemních komunikací“, které byly vydány Ministerstvem dopravy ČR v roce 2004. V tomto předpisu se hovoří výslovně o recyklátech ze SDO, ale musí splňovat i když nenáročné stavebně-technické vlastnosti jednotlivých konstrukčních vrstev vozovek stejné jako u přírodních materiálů. Veškeré výše uvedené normy a technické podmínky tedy umožňují použití recyklátů za podmínek shodných s podmínkami pro přírodní suroviny. Častý problém ale spočívá ve skutečnosti, že v některých vlastnostech je u recyklátů velmi obtížné splnění některých kritérií, stanovených pro kamenivo. Především se jedná o nasákavost, kde zejména v případech recyklátů ze zdiva (tzv. cihelný recyklát se zbytky maltovin) je dosažení požadovaných hranic většinou nereálné. Přitom se však v řadě možných aplikací nejedná o žádný zásadní problém, který by snižoval výslednou kvalitu stavby (např. při využití těchto recyklátů jako zásypového materiálu většiny inženýrských sítí). Obdobně lze tento materiál výhodně použít např. pro povrchy cest a lesních komunikací, kde svými vlastnostmi dokonce v řadě parametrů předčí přírodní materiály. Takto vystavěné komunikace již slouží řadu let např. v lesích v okolí Brna, neplánovaně po 19

nich dokonce jezdí i těžká lesní technika a komunikace nedoznaly za dobu své existence zásadnější poškození. Protože recykláty vyrobené ze zdiva, betonů, asfaltů či recyklované kamenivo z podloží komunikací mají své specifické vlastnosti, které lze při řadě staveb s výhodou využívat (např. vynikající zhutnitelnost), bylo by tedy spíše výhodné (a logické) vytvoření samostatného obecně závazného systému posuzování jejich kvality. Jedná se o průběžné sledování jak jejich chemických vlastností podle vyhlášky 294/2005 Sb., tak také stavebně technických vlastností (zejména však zrnitost, obsah cizorodých částic, obsah prachových podílů, pevnost zrn v tlaku, nasákavost). Pokud bude systém posuzování kvality recyklátů pomocí obecně závazných norem a předpisů vytvořen, bude to mít zásadní pozitivní vliv na jejich uplatňování ve stavební výrobě. Lze oprávněně předpokládat, že recykláty se zaručenou kvalitou vyhovující závazným technickým předpisům se plně vyrovnají přírodním nerostným surovinám a budou přitom cenově dostupnější. Pozitivní zkušenosti z řady okolních zemí s rozvinutou recyklací (např. Anglie, Belgie, Francie, Nizozemsko, Německo, Rakousko, Švýcarsko) to ostatně potvrzují.

Mezinárodní spolupráce v oblasti využívání recyklátů ve stavebnictví V řadě výše vyjmenovaných evropských zemí s rozvinutým systémem recyklace je situace v systému řízení jakosti recyklátů poněkud optimističtější než v ČR. Je to dáno jak tradicí recyklace a obecným ekologickým povědomím, tak zejména existencí národních sdružení pro řízení jakosti recyklátů ze stavebních odpadů, které mají oporu své činnosti v legislativě. V SRN existuje např. Bundesgütegemeinschaft RecyclingBaustoffe e.V. (BGRB) a v Rakousku Österreichischer Güteschutzverband Recycling-Baustoffe e.V. (ÖGSV). Na základě dlouhodobé úzké spolupráce těchto národních svazů se ukázalo v posledním období jako výhodné vytvoření obdobné instituce s celoevropskou působností. Na základě prvotní iniciativy dvou výše jmenovaných sdružení bylo dne 31. ledna 2006 v Berlíně založeno Evropské sdružení jakosti pro recyklaci. (European Quality Association for Recycling e.V. – ve zkratce EQAR e.V.), které spojuje jednotlivá národní sdružení a asociace, zabývající se problematikou jakosti recyklátů ze stavebních a demoličních odpadů. Jeho cílem je především tvorba jednotného evropského systému řízení jakosti recyklátů ze stavebních a demoličních odpadů, podle kterých budou tyto produkty posuzovány jako výrobky se zaručenou jakostí. Sídlo EQAR e.V., sdružující cca 200 recyklačních firem ze sedmi evropských států, zastupovaných svými národními svazy (Francie, 20

Holandsko, Německo, Rakousko, Česká republika, Jižní Tyrolsko (Itálie), Bosna a Hercegovina) je v Berlíně.

Závěr Na základě porovnání stavu recyklace stavebních a demoličních odpadů v některých zemích EU lze jednoznačně konstatovat, že tvorba jednotného systému posuzování jakosti recyklátů ze stavebních odpadů v podmínkách České Republiky dosud výrazně zaostává. I když řada producentů recyklátů má zavedeny svoje vlastní systémy certifikace produktů, pro jejich větší rozšíření a zejména pro jednoznačnou garanci při jejich používání ze strany investorů a dodavatelů staveb, je nezbytné vytvořit i v podmínkách ČR jednotný systém řízený jedinou kompetentní institucí. To, jak rychle se to podaří, bude závislé nejenom na producentech recyklátů, ale zejména na přístupu všech dotčených orgánů státní správy a dalších institucí, které jsou v této oblasti činné. Významnou úlohu by v řešení současné situace mělo sehrát i nově ustanovené Evropské sdružení jakosti pro recyklaci (European Quality Association for Recycling e.V.) a jeho aktivity na evropské úrovni.

Literatura [1] Komise ES – K tématické strategii prevence a recyklace odpadů. Sdělení komise COM (2003) Final, Brusel 2003 [2] ŠKOPÁN, M., NOVOTNÝ, B., MERTLOVÁ J.: Realizační program ČR pro stavební a demoliční odpady. MŽP, Praha, prosinec 2004 [3] ŠKOPÁN, M.: Analýza produkce recyklátů ze stavebních a demoličních odpadů a jejich využívání v návaznosti na regionální surovinovou politiku. Studie ARSM pro MPO, říjen 2005 [4] ŠKOPÁN, M.: Systémy řízení jakosti při výrobě recyklátů ze stavebních odpadů. In „Odpady 1/2006“ – vydává ECONOMIA a.s., Praha, ISSN 1210-4922, s.23-24. [5] ŠKOPÁN, M.: Analýza stavu recyklace stavebních a demoličních odpadů a strategie dalšího rozvoje. In Sborník RECYCLING 2006 „Možnosti a perspektivy recyklace stavebních materiálů jako zdroje plnohodnotných surovin"“. Vydalo VUT v Brně 2006. ISBN 80-2143142-3. s.88 –95.

21

VYUŽITÍ RECYKLÁTŮ ZE STAVEBNĚ DEMOLIČNÍCH ODPADŮ VE STAVBĚ PK Jan Kudrna 1 Tento příspěvek vychází z materiálu D29, který zpracovali pracovníci EUROVIA, Francie.

Stavebně demoliční odpad (SDO) Odpadní materiál z vozovek Primární zmenšení velkých kusů Vyrobený recyklát

Původ materiálu Stavebně demoliční odpad (SDO) pochází z odstraňovaných konstrukcí: - budov a stavebních betonových konstrukcí (z prostého nebo vyztuženého betonu), - silničních vozovek z materiálů nestmelených nebo stmelených hydraulickým pojivem nebo asfaltem, - ze směsi materiálů (betonové rámy, malta, cihly apod.) a - heterogenního materiálu ze stavebnictví majícího méně než 10 % nežádoucích příměsí. Jan Kudrna, doc. Ing., CSc., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací

22

[email protected]

Recyklace Recyklace znamená přeměnění SDO na použitelný materiál jakýmkoliv procesem. Vlastnosti materiálu Vlastnosti jsou dány původem SDO. Jsou to drcené betony nebo směs předrcených stavebních nebo silničních materiálů. Důležitými příměsemi jsou asfalty a asfaltové výrobky, dřevo, sádra, jílovité a prachovité zeminy, organické materiály a lehké materiály. Klasifikace odpadních materiálů je uvedena v EN 933-11 : A Asfaltové směsi B Cihly, keramika, zdivo C Beton, malta U Materiál z vybouraných vozovek (s vyloučením asfaltových směsí) LS Lehké materiály (objemová hmotnost < 1 Mg/m3) LNS Lehké materiály, které nejsou minerálního původu (objemová hmotnost < 1 Mg/m3) X Jiné (sádra, sklo, zeminy, organické materiály...) Chemické vlastnosti Z hlediska chemického tvoří tyto materiály většinou křemičité, hlinité a vápenaté oxidy pocházející z kameniv. Spojení těchto materiálů je dáno obsahem cementu. Materiál je vysoce alkalický (pH > 11) díky hydraulickému pojivu. Hlavní škodlivinou jsou sírany, dehet, azbest, ocel a neželezné kovy. Jejich množství závisí na jejich vytřídění na místě demolice objektu. Výrobní postup vedoucí k recyklaci Má-li být materiál použit jako kamenivo, je zpracováván následujícími postupy: - objevení a odstranění nežádoucích částic a škodlivin ručním tříděním nebo zvláštními zařízeními, - oddělení jemných částic (tj. jílovitých a prachovitých částic) před vlastním vstupem do recyklační linky (odhliňovačem), - drcení a třídění; stejný postup jako se používá při výrobě kameniva. Původní recyklovatelný materiál se skladuje odděleně podle klasifikace odpadních materiálů. Před dávkováním materiálů do recyklační linky se velké kusy materiálu zdrobní hydraulickým bouracím kladivem, 23

přestřižením dlouhých kusů hydraulickými nůžkami a vybráním největších nežádoucích látek. Většina recyklačních linek na zpracování odpadů má primární a někdy i sekundární drtič (v případě stacionárních provozů). Primární drtič (čelisťový nebo odrazový) uvolní z betonu ocelovou výztuž a zmenší betonové kusy na maximální velikost částic od 63 mm do 125 mm. Při dopravě materiálu pásovým dopravníkem do sekundárního drtiče se po předchozím ručním třídění odstraní elektromagnetickým separátorem ocel. Druhotné drcení zdrobní materiál a v třídičích se získá materiál požadovaných frakcí. Tento postup lze opakovat v třetím stupni drcení. Sekundární zpracování může být rovněž vybaveno zařízením, jako je elektromagnetický separátor, promývací zařízení, zařízení pro denzitometrické třídění atd. Recyklační linky mohou být vybaveny různými technickými zařízeními - od jednoduchého čelisťového drtiče bez třídění až po sofistikovaná průmyslová zařízení s dvěma nebo třemi stupni drcení, třídění a úpravou s produkcí jemného kameniva. Všechna zařízení mohou být mobilní nebo stacionární. Všeobecně jsou stacionární zařízení sofistikovanější a umožňují produkci více druhů materiálů. Řízení jakosti postupu recyklace Metody selektivního třídění užívané v každém recyklačním centru musí být popsány v Příručce jakosti. Výběr recyklovatelného materiálu se provádí při příjezdu každého nákladního vozidla kontrolou jeho obsahu (dokument definující typ nákladu, vizuální prohlídku před vyložením a po vyložení s kontrolou, zda v nákladu není sádra nebo zvláštní průmyslový odpad a limitované množství stavebního dřeva, plastických hmot apod.) Pokud náklad neodpovídá těmto požadavkům, musí být materiál odstraněn podle ustanovení uvedených v Systému řízení jakosti recyklačního centra. Fyzikálně mechanické vlastnosti se musí zkontrolovat stejným postupem jako v případě přírodního kameniva (stejné parametry a frekvence zkoušek) s přidáním zkoušky obsahu síranů (jednou denně pro stavební demoliční odpad a jednou týdně pro silniční demoliční odpad). Vlastnosti materiálu Všechny plochy recyklovaného kameniva jsou drcené, ostrohranné s obvyklou zrnitostí 0/22 až 0/32. Recyklovaný beton má drsnější strukturu povrchu, nižší měrnou hmotnost (2 000 kg/m3 až 2 500 kg/m3) a vyšší nasákavost (2 % až 6 %). Hodnoty mechanické vlastnosti požadované podle EN 12242 a EN 13043 klasifikují recyklované kameniva v rozmezí LA40, a MDE35. 24

Zahlinění stanovené zkouškou metylénovou modří (EN 939-9) se pohybuje v hodnotách od 2 do 4 v závislosti na obsahu zeminy ve vstupním materiálu. Složení recyklovaného materiálu se kontroluje podle EN 933-1. Chemické vlastnosti Chemické složení je dáno vstupním materiálem. Sestává z vápenatohlinito-křemičitých sloučenin včetně hydroxidu vápenatého, který je vysoce alkalický. Vysoká zásaditost (pH > 11) může při některých aplikacích zvýšit v betonových materiálech korozi. Hydratované vápenaté křemičitany a hlinitany mohou při styku s vnitřními (sádra) nebo venkovními sírany vyvolat bobtnání a vznik trhlin. Kategorie přípustného obsahu síranů (podle zkoušky v EN 1744-1) jsou: - spodní podkladní vrstva a zásyp pro stavbu < 0,2 % (SS0,2), - pro konstrukci vozovky < 0,7 % (SS0,7), - pro zásyp <1,3 % (SS1,3). Tyto požadavky budou specifikovány v příští revizi evropských norem pro kamenivo s přidáním četností zkoušek pro týdenní produkci.

Použití recyklátů z SDO při stavbě PK Recyklovaný beton může být použit jako kamenivo ve vrstvách vozovky nebo pro užití v podložích vozovky, násypech a jiných zemních konstrukcích. Asfaltové směsi Použití recyklovaného kameniva z betonu v asfaltových směsích zpracovávaných za horka vede v porovnání s přírodními kamenivy v důsledku kompenzace vyšší pórovitosti k dávkování o málo vyšších objemů pojiv. Úprava znovuzískaného kameniva za studena, jako je úprava asfaltovou emulzí nebo pěnou, je slibná. Cementový beton Návrh, produkce a postupy zpracování betonu včetně recyklovaného kameniva jsou podobné postupům užívaným pro přírodní kamenivo s výjimkou následujícího: - vyšší nasákavost vyžaduje větší dávkování vody, - snížení pevnosti v tlaku v případě užití více než 30 % recyklovaného kameniva, - vyšší spotřeba cementu a nižší modul pružnosti, 25

-

vliv recyklovaného kameniva na počáteční dobu tuhnutí cementu (EN 1744-6).

Stabilizované podkladní vrstvy Recyklovaná kameniva mohou být stabilizovaná hydraulickým pojivem tak, aby byla vyrobena silniční směs se stejným množstvím pojiva jako v případě pojiva užitého s přírodním kamenivem. Kameniva mohou být rovněž stabilizována asfaltovou emulzí nebo pěnou a použita do podkladních vrstev vozovky. Recyklované kamenivo upravené asfaltovou pěnou může být volně skladováno po dobu více než dvou týdnů před jeho zabudováním do vozovky. Nestmelené podkladní vrstvy Toto použití je nejběžnější, vede k vysoké spotřebě materiálů a jakost výroby je přizpůsobená zamýšlenému užití. Většina zemí, které umožňují použití recyklovaného kameniva z betonových vozovek požaduje, aby tento materiál splňoval technické specifikace pro přírodní kamenivo. Podloží Užití recyklovaných kameniv v podložní vrstvě vede ke zvýšení únosnosti (v případě plastické zeminy) v důsledku nízkého obsahu jemných částic a vysoce ostrohrannému tvaru zrn. K problémům se zhutnitelností může dojít v případě použití recyklovaného kameniva obsahujícího velké množství betonu.

Zvláštnosti při návrhu a provádění Zvláštní pozornost musí být věnována: - hutnicím prostředkům (typ a počet pojezdů), - zabránění styku se zeminami obsahujícími sírany.

Řízení jakosti stavebního procesu Žádné zvláštnosti

Příklady odkazů na užití V závislosti na charakteristikách recyklátu (mechanické vlastnosti, čistota a pod.) může být materiál použit následovně: - V násypech a ochranné vrstvě pro nejnižší kategorii recyklátů (cihelných). Pokud není specifikována úroveň síranů, materiál nemůže být položen v blízkosti jakéhokoli hydraulického materiálu (beton, 26

-

zlepšená zemina). Nejvyšší kategorie recyklátů (betonových) se používají do nestmelených podkladních vrstev; písek a hrubé kamenivo ze sekundárního drcení jsou používány stejným způsobem jako přírodní drcené kamenivo Mohou být také upraveny hydraulickým pojivem nebo asfaltem za studena (pěna nebo emulze) pro použití v podkladu vozovky. Mohou být také použity v betonu, obvykle se nepoužívá v přímo pojížděné vrstvě dálnic.

Dopady na životní prostředí Užití recyklovaného materiálu nabízí tři nesporné výhody pro ochranu životního prostředí: - úspory v důsledku snížení skládek odpadu, - snížení užití přírodních zdrojů a otevírání nových lomů, - snížení dopravních nákladů v důsledku použití "místních" materiálů. V souvislosti s kontrolou vlastností a hodnocení vlivu na životní prostředí je v realizačním výstupu SAMARIS D16, 2005 navržen podrobný popis hodnocení. Kromě stanovení mechanicko fyzikálních vlastností mate-riálu zahrnuje tento projekt pro recykláty ze SDO následující zkoušky: - obsah organických látek a - vyluhování s analýzou pH, síranů, chrómu a jiných organických látek. Původní materiál Obecně řečeno kamenivo recyklované z cementobetonových vozovek nemá negativní dopad na životní prostředí. Ze zprávy OECD (1997) vyplývá, že všechny země klasifikovaly surovinu jako inertní materiál. U demoličních materiálů pocházejících ze staveb zajistí systém řízení jakosti zkušební metodu pro identifikaci dehtu (staré izolace proti vodě a jiné zdroje) a azbestu ve vstupních materiálech (SAMARIS D3, 2004). Při recyklaci Specifikace týkající se obsahu síranů jsou dostatečně nízké, aby zajistily shodu tohoto parametru recyklovaných materiálů s požadavky životního prostředí. Při použití Vysoká zásaditost recyklovaného kameniva při styku s vodou (pH > 11) by mohla způsobit korozi hliníkového nebo galvanizovaného ocelového potrubí, které s ním může přijít do styku.

27

Stav užívání stavebně demoličních odpadů v ČR Podle Plánu odpadového hospodářství ČR se mělo do roku 2005 využívat 50 % hmotnosti vznikajících stavebních a demoličních odpadů (dále SDO) a do roku 2012 již více než 75 % jejich produkované hmotnosti. Pozemní komunikace jsou velkoobjemové stavby a odnepaměti stavitelé využívali všech možných místních zdrojů včetně stavebních a demoličních odpadů. Je tedy jaksi samozřejmým předpokladem, že se tato část stavebnictví patřičně postará o splnění Plánu. Problematika není v soustavě stávajících předpisů pociťována jako jednoduchá. Odhlédneme-li od požadavků životního prostředí, pak z hlediska technického použití materiálu do konstrukce vozovky musí materiál splnit požadavky, které jsou nastaveny na použití přírodních materiálů. I při splnění podstatných požadavků bude stále existovat ať oprávněná nebo neoprávněná nedůvěra v recyklovaný materiál. Vždy se bude jednat o materiál s podstatně vyšší variabilitou vlastností mající vliv na vlastní výrobu a na funkci prováděné konstrukční vrstvy budované pozemní komunikace. Přesto ve stávající struktuře technických předpisů je dostatek místa pro využití produkovaných recyklátů při výstavbě a opravě PK. Recyklované materiály Recykláty pocházející ze SDO jsou: recyklát obsahující pouze drcený beton pocházející ze stavebních konstrukcí a prvků a tento betonový recyklát (RB) lze považovat za kamenivo, recyklát obsahující převážně cihelné úlomky a zbytky zdiva (omítky, beton a ztvrdlé malty) s příměsí materiálů, jako jsou nemagnetické kovy, sklo, struska, popel a keramika v množství do 10 %. Tento cihelný recyklát (RC) lze považovat za zrnitý materiál odpovídající zeminám vyskytujícím se v přírodě. Použití recyklátů samostatně nebo v kombinaci s jinými frakcemi přírodního nebo umělého kameniva do pozemních komunikací je uvedeno v tabulce 1. V tabulce jsou uvedeny stávající ČSN pokrývající výstavbu a opravu pozemních komunikací.

Tabulka 1 – Užití recyklovaných materiálů při stavbě PK 28

Užití v PK

Druh vrstvy

Související norma

Asfaltová hutněná vrstva Obrusná vrstva vozovky, Nátěr pouze RB Emulzní kalové vrstvy

ČSN 73 6121 ČSN 73 6129 ČSN 73 6130

Cementobetonový kryt, pouze RB

Spodní vrstva dvouvrstvého cementobetonového krytu

ČSN 73 6123

Asfaltová hutněná vrstva

ČSN 73 6121

Hydraulicky stmelená vrstva Stabilizovaná vrstva Nestmelená vrstva Prolévaná vrstva

ČSN 73 6124 ČSN 73 6125 ČSN 73 6126 ČSN 73 6127

Podloží násypu, vrstva (ztužující) násypu, podloží vozovky (aktivní zóna), obsypy, zásypy

ČSN 73 6133

Ložní a podkladní vrstva vozovky, pouze RB RB Podkladní RC vrstva vozovky RB, RC RB Zemní těleso, RC

Betonový recyklát do konstrukčních vrstev vozovek Kameniva z recyklovaných materiálů nebyla v ČSN 72 1512 Hutné kamenivo pro stavební účely nijak zmíněna. ČSN EN 12620, ČSN EN 13043 a ČSN EN 13242 platné pro kameniva do betonu, do asfaltových směsí a do nestmelených a stmelených směsí podkladních vrstev již mezi zdroji pro výrobu kameniva uvádí i recyklované materiály. Je však vhodné zmínit znění poznámky 1 z předmětu norem, která vyjadřuje, že požadavky v těchto evropských normách jsou založeny na zkušenostech s druhy kameniva se zavedeným používáním. Jestliže se má použít kamenivo ze zdrojů, s nimiž není tolik zkušeností, musí se postupovat opatrně, např. v případě recyklovaného kameniva a kameniva z některých průmyslových vedlejších produktů. Takové druhy kameniv, které mají splňovat všechny požadavky těchto evropských norem, mohou mít jiné charakteristiky nezahrnuté v Mandátu M 125. Pokud se požadují jiné charakteristiky k posouzení jejich vhodnosti, použijí se předpisy platné v místě jejich použití. Protože takový předpis nebyl v ČR zpracován, platí z hlediska technických specifikací uvedené ČSN EN. Návaznost ČSN EN pro kameniva do specifikací vrstev vozovky ještě není plně zajištěna. Pouze ČSN EN 13877-1 (Cementobetonové kryty – Část 1: Materiály) prošla připomínkovým řízením a žádná omezení týkající se použití recyklovaného kameniva norma neobsahuje. Při použití betonového recyklátu do vrstev vozovek lze poukázat na jeho vyšší nasákavost, která pouze vyžaduje, aby se provedly zkoušky trvanlivosti (mrazuvzdornosti). Vlastní vyšší nasákavost při použití do 29

asfaltových směsí bude vyžadovat vyšší dávkování asfaltového pojiva. Pro posouzení dávkování pojiva byla zpracována metodika obsažená v TP MD ČR 138 Užití struskového kameniva pro stavbu pozemních komunikací, VUT FAST, 2000; také struskové kamenivo má vyšší nasákavost. Cihelný recyklát do zemních prací ČSN 73 6133 Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací podle článku 3.2.1 považuje cihelný recyklát ze SDO za druhotnou surovinu. Recyklát se smí použít pro stavbu zemního tělesa jako každá jiná zemina nebo kamenitá sypanina za předpokladu, že neobsahuje nežádoucí organické a minerální látky s negativním vlivem na životní prostředí. Materiál nesmí obsahovat látky, které působením klimatických vlivů mění svůj objem, pevnost a tvar (ocelový odpad, dřevo, sádra apod.); tento požadavek je vhodnější upřesnit stanovením limitovaných množství a velikostí těchto materiálů. Zatřídí-li se cihelný recyklát z hlediska zemních prací podle ČSN 72 1002, jedná se o materiál velmi vhodný. Proto se využívá v místech zemních těles, kde přináší výhody dané snadnou manipulací, zabudováním, zhutněním a únosností (ve vrstevnatém násypu, pro zásyp rýh, pro zlepšení nebo vytvoření podloží vozovky apod.). Cihelný recyklát do nestmelených vrstev vozovek TP MD ČR 170 Navrhování vozovek pozemních komunikací. VUT FAST, 2004, s opatrností připouští použití cihelného recyklátu do spodní podkladní vrstvy vozovek nižšího dopravního významu a nízkého dopravního zatížení (vozovky silnic II. a III. třídy při dopravním zatížení do 100 těžkých nákladních vozidel průměrně denně a pro vozovky obslužných místních komunikací, nemotoristických, účelových a dočasných komunikací, odstavných a parkovacích ploch i pro případné vyšší dopravní zatížení), viz tabulka A.5. RC musí splňovat požadavky ČSN 73 6126 pro vrstvu mechanicky zpevněné zeminy, což jsou požadavky zrnitosti, charakteristiky omezující plasticitu jemných částic a poměr únosnosti materiálu CBR po nasycení vodou vyšší než 20 %. Všechny tyto požadavky jsou běžně splnitelné. Cihelný recyklát do stabilizovaných vrstev vozovek Stabilizace podle ČSN 73 6125 se týkají úpravy zemin, směsi zemin nebo jiného zrnitého materiálu s použitím pojiva. Pro RC se obvykle používá cement, případně s přísadami. Podmínky použití vychází z průkazních zkoušek založených na zkoušení pevnosti stabilizace po 7denním zrání (v případě cementu) a také po 28denním uložení a následném vystavení zkušebních těles mrazovým cyklům. Těmito zkouškami se modeluje 30

chování v průběhu stavby a následně při zabudování do konstrukce vozovky s působením účinků mrazu a tání ve vrstvě vozovky.

Závěr Recykláty ze SDO jsou vhodným materiálem pro použití při výstavbě a opravách pozemních komunikací. Je pravdou, že recyklované kamenivo (betonový recyklát) do vrstev vozovek není dostupné v takovém množství, aby bylo ekonomicky výhodné podstupovat postupné kroky v souladu se systémem jakosti v oboru pozemních komunikací (Metodický pokyn SJ-PK, MDS ČR 2001 VD 9/2001, č.j. 20840/01-120). Pro producenta RB to znamená provádět počáteční zkoušky materiálu a zajišťovat výrobu v souladu s vydaným certifikátem systému řízení jakosti výroby. Počáteční zkoušky se musí provádět při použití každého nového zdroje recyklovatelného betonu. Pro výrobce vrstev vozovek to pak znamená zpracovat průkazní zkoušky pro použití betonového recyklátu dodávaného výrobcem. I za této poněkud složité situace byl recyklovaný beton použit v obrusné vrstvě na několika menších úsecích. Lze také předpokládat, že v rámci oprav cementobetonových vozovek bude docházet k plnému využití vybouraných materiálů. Na druhé straně použití cihelného recyklátu je otázkou zpracování průkazních zkoušek postupem podle příslušných ČSN platných pro dané použití. Použití cihelného recyklátu zejména v městských aglomeracích přináší řadu výhod. V minulosti se předpokládalo zpracování TP MD ČR, které by výslovně umožnily použití recyklátu ze SDO při stavbě pozemních komunikací. MD ČR k tomuto účelu financovalo výzkumný projekt pro zpracování druhotných surovin, ale předložený návrh TP pro využití recyklátu ze SDO nezahrnoval problematiku v celé šíři. Zavedením ČSN EN pro kameniva a vydáním TP 170 se problematika podstatně zjednodušila.

31

VYUŽITÍ SLÉVÁRENSKÝCH PÍSKŮ PŘI STAVBĚ PK Dr. Ing. Michal Varaus

1

Podkladem příspěvku je materiál D29, který zpracoval sám autor.

A

C

B

D

A - slévárenský písek

B- Pískovna

C - zhutněný písek s pojivem

D - jádro + odlitek

Původ materiálu Slévárny vyrábějí odlitky litím roztaveného kovu do forem. Materiálově se jedná o železo, ocel, měď, bronz, hliník nebo mosaz. Formy, do kterých se tyto kovy odlévají jsou vyrobeny z křemičitého přírodního písku, který je stmelen buď organickými nebo anorganickými pojivy. Z anorganických pojiv se nejčastěji požívá jíl (bentonit), vodní sklo, z organických pojiv pak pryskyřičná pojiva. Nalitím horkého kovu do formy dojde k částečnému vypálení pojiva, přičemž u organických pojiv vznikají fenoly. Největším zdrojem použitých slévárenských písků je automobilový průmysl. Jen v USA je za rok spotřebováno 10 – 15 mil. tun písku, přičemž 95 % odlitků je z litiny nebo oceli. Michal Varaus, Dr. Ing., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací [email protected]

32

Recyklace Slévárenské písky jsou před prvním použití ve slévárně čisté, stejnozrnné materiály se zaobleným povrchem zrn. Po odformování odlitku je možné jejich znovupoužití prvotně ve vlastním slévárenském procesu, druhotně (po znečištění písku do té míry, že jej již nelze použít pro výrobu forem) mimo jiné i v silničním stavitelství. Anorganická pojiva Jíl může být přítomen v aktivní podobě nebo jako vypálený jíl spojený se zrny písku. Protože recyklace tohoto materiálu byla prováděna ve vlastních slévárnách již velmi dávno, je proces interní recyklace perfektně zvládnut. Organická pojiva Jako anorganická pojiva se používá hlavně pryskyřic - furan, alfaset. V současnosti se recykluje ve slévárnách 50 – 90 % těchto písků, zbytek se ukládá na skládky. Kombinace pojiv Písek s jílem se používá pro vnější část formy, písek s organickým pojivem se používá pro jádro. Když se forma rozbije, obě části se smísí dohromady. Tato směs se recykluje a používá se opětovně pro vnější části nové formy, pro jádro se používá nový písek. Fyzikální vlastnosti recyklovatelného materiálu Slévárenské písky jsou stejnozrnným materiálem, který obsahuje 85 –90 % zrn v rozmezí 0,15 – 0,6 mm s propadem na sítě 0,075 mm cca 5 - 20 %. Tvar částic je částečně nebo zcela zaoblený. Tento materiál je příliš úzce zrněný na to, aby mohl zcela nahradit drobné kamenivo používané v silničním stavitelství. Jedná se o neplastický materiál. Absorpce je závislá na druhu pojiva a přísad do slévárenského písku. Křemičitý písek je hydrofilní a váže na svůj povrch vodu. To může mít vliv na špatnou přilnavost asfaltového pojiva, obnažování zrn a další poruchy s tímto jevem spojené v případě použití slévárenského písku do asfaltových směsí. Obsah organických nečistot (zbytek pojiv), který je závislý na výrobním procesu ve slévárně, kolísá. Pokud je obsah příliš vysoký, není možné použít slévárenský písek pro některé druhy recyklace v silničním 33

stavitelství. Chemické vlastnosti recyklovatelného materiálu Jak bylo již bylo výše uvedeno, slévárenský písek je čistý křemičitý písek obalený tenkým filmem zbytkového pojiva. Kromě SiO2 (cca 90 %) se ve slévárenských píscích vyskytují malých množstvích Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, SO3, Na2O, K2O, TiO2, Mn2O3, SrO + zbytky pojiv. Pokud se použitý slévárenský písek skladuje na skládkách, ke kterým má přístup srážková voda, je nutno sledovat, zda nedochází k vyplavování fenolu. Proces vedoucí k recyklaci Postup při recyklaci zahrnuje – drcení a třídění. Je zapotřebí rozdrtit vnější formy a jádra a následně rozdrcený materiál případně zbavit větších kusů. Dále je zapotřebí vytřídit případné další hrubé nečistoty – kusy dřeva nebo větší kusy kovů. Taktéž by nemělo být přítomno větší množství spáleného pojiva a přísad. Pro uložení materiálu by měla být připravena dostatečně velká skladovací místa kde by měl být materiál promíchán tak, aby se dosáhlo stabilní zrnitosti, dříve něž bude materiál dále zpracováván. Recyklovaný materiál Důležité fyzikální vlastnosti recyklovaného materiálu jsou absorpce, objemová hmotnost, přítomnost jílovitých hrudek, čára zrnitosti, obsah vody, tvar částic a plasticita. Absorpce Absorpce samotného slévárenských písku je poměrně nízká, pohybuje se kolem 1 %. U recyklátu je tato hodnota hodně závislá na přítomnosti pojiv a přísad. Jílovité hrudky a drobivé částice Jílovité hrudky a drobivé částice se vyskytují v použitém slévárenském písku poměrně běžně. Únosnost CBR Kalifornský index únosnosti se pohybuje u použitých slévárenských písků v rozmezí 4-20 %. Trvanlivost Trvanlivost je jednou z nejlepších vlastností slévárenských písků co se týče jeho chování při zabudování tohoto materiálu do konstrukce vozovek. 34

Dobré výsledky byly zjištěny zkouškou trvanlivosti síranem hořečnatým (515 %) a též zkouškou otěru Micro-Deval. Úhel vnitřního tření Úhel vnitřního tření se pohybuje v rozmezí 33-40o což je srovnatelné s běžnými písky. Čára zrnitosti Jak bylo uvedeno, slévárenské písky jsou stejnozrnné s čárou zrnitosti v následující tabulce 1. Tabulka 1 – Čáry zrnitosti slévárenských písků Velikost síta

Železo

Ocel

Šedá litina (A)

Šedá litina (B)

Šedá litina (C)

9,5mm

-

-

-

99,8

-

4,75

-

-

100

95,9

99,9

2,36

-

-

99,7

91,4

99,6

1,18

-

-

99,3

86,7

99,0

0,60

100

100

98,7

80,8

97,8

0,30

81

85

84,0

53,8

60,1

0,15

29

20

18,7

15,1

6,6

0,075

18

8,5

6,7

7,4

5,0

Plasticita Při použití organických pojiv jsou použité slévárenské písky neplastické. U organických systémů může způsobovat aktivní částí bentonitu určitý stupeň plasticity.

Použití materiálu k recyklaci Prvním a nejlepším způsobem jak recyklovat slévárenský písek z použitých forem nebo jader je recyklace ve vlastním slévárenském procesu. Tento způsob recyklace však představuje určitá omezení, protože materiál ztrácí postupně své kvalitativní vlastnosti a v důsledku toho je pro více kontaminovaný písek nutno používat i jiné způsoby recyklace. V tomto směru představuje silniční stavitelství jednu z možností. Použití slévárenského písku do konstrukce vozovek zahrnuje jeho použití: • jako náhradu části drobného kameniva v asfaltových směsích • při výrobě cementu a jeho použití při stavbě cementobetonových krytů 35

nebo cementem stmelených podkladních vrstev • pro nestmelené a hydraulicky stmelené podkladní vrstvy • materiál pro násypy a zásypy Jak je tomu i u jiných způsobů recyklace, úspěch znovupoužití slévárenského písku je závislý na ekonomice – tedy nákladech na získání vlastního materiálu, vydatnosti zdroje a stálosti kvality. Následující přehled použití slévárenských písků je zpracován na základě aplikací z USA a západoevropských zemí získaných ve spolupráci se zahraničními partnery v rámci projektu SAMARIS. Asfaltové směsi Použití slévárenského z forem železitých odlitků jakožto kameniva nebo fileru do za horka zpracovávaných asfaltových směsí je jedním z možných řešení. Dle zkušeností z USA může být nahrazeno až 15 % kameniva pískem. Použití závisí na čáře zrnitosti, u některých druhů se mohou vyskytnout problémy při složení čáry zrnitosti výsledné směsi, neboť písky nahrazují pouze velmi úzkou část drobného kameniva. Na druhé straně slévárenské písky z forem neželených odlitků mohou obsahovat větší množství těžkých kovů, čímž je jejich použití limitováno. Při použití do asfaltových směsí je nutno prokázat odolnost vůči účinkům vody, protože přilnavost asfaltu ke křemičitému písku je vždy špatná. To lze řešit přidáním vápenného hydrátu nebo přísadami zlepšujícími přilnavost. Pro použití slévárenských písků do asfaltových směsí neexistují dle rešerší z literatury ani v Evropě ani v USA technické podmínky. S ohledem na omezené použití slévárenského písku do asfaltových směsí a tím i málo informací o aplikacích, je pouze známo, že směsi obsahující více jak 15 % slévárenského písku mají sníženou objemovou hmotnost, zvýšenou mezerovitost, nižší stabilitu včetně snížené hodnoty poměru pevnosti při zkoušce v příčném tahu pro stanovení odolnosti vůči účinkům vody. Většinou malé slévárny nejsou schopny poskytovat dostatečné množství slévárenského písku pro výrobu asfaltových směsí, z toho důvodu je nutné odebírat písky z více zdrojů, což vyžaduje odpovídající drcení a třídění, tak, aby bylo dosaženo konstantní čáry zrnitosti. Je zapotřebí též odstranit všechny nečistoty a zbytky kovů. Cement Slévárenské písky jsou používány při výrobě cementu a následně pro výrobu cementového betonu. V tomto ohledu je kladen důraz na kvalitu včetně ekologické analýzy. Důležitý je obsah chromu, minimální obsah SiO2 by měl být 90 %. Bylo zjištěno, že cement vyrobený s množstvím 36

slévárenského písku až do 13 % vykazuje o něco vyšší pevnosti v tlaku než běžně vyráběný cement bez jakéhokoli zhoršení hlavních charakteristik jako je např. začátek doby tuhnutí. Nestmelené a hydraulicky stmelené podkladní vrstvy Použití slévárenského písku do podkladních vrstev je omezené s ohledem na dovolený obsah fenolových složek (např. ve Francii je limit 5 mg/kg). Fenol může působit jako inhibitor pro některé druhy hydraulických pojiv. Byly provedeny pokusy s biologickým ošetřením slévárenských písků, pomocí kterého lze dosáhnout snížení obsahu fenolů. Další omezení v souvislosti s použitelností je způsobena zaobleností zrn a stejnozrnností, což má za následek nízkou stabilitu a problémy s hutněním. Často je slévárenský písek používán pouze pro upravení čáry zrnitosti kameniva (obsah 10 - 20 %). Násypy a zásypy Slévárenský písek je možné používat do násypových těles, pokud je obsah fenolů nižší jak 1 mg/kg (Francie). Díky výše citovaným charakteristikám písků mají násypy ze slévárenských písků problémy se stabilitou. Je zapotřebí u nich stanovovat IBI (okamžitý index únosnosti). Násypy jsou vysoce náchylné k erozi a musí být proto učiněna protierozní opatření. Nelze používat slévárenské písky tam, kde by přicházely do styku s podzemní vodou. V některých zemích se používá technologie stavby násypů ze slévárenského písku, který se smíchá s cementem a vodou (tzv. flowable fills = tekuté násypy).

Zásoba slévárenského písku v míchacím centru 37

Rozprostírání slévárenského písku s 7 % cementu

Vlivy na životní prostředí Čistý slévárenský písek před použitím ve slévárně je přírodní materiál bez jakýchkoli nebezpečných složek. Použitý slévárenský písek z forem často obsahuje zbytky kovů a degradované pojivo. Vyšší koncentrace kovů se vyskytuje u neželezných kovů jako je bronz, mosaz a hliník. Navíc může obsahovat některé vyluhovatelné složky včetně těžkých kovů a fenolů. Přítomnost těžkých kovů byla zaznamenána zejména u neželezných odlitků z mosazi a bronzu, kdy se ve větších koncentracích vyskytovalo kadmium a olovo.

Technické předpisy V souvislosti s používáním slévárenských písků v silničním stavitelství se požadují v EU stejné vlastnosti jako pro běžné kamenivo. Jako příklad lze uvést normu na stanovení zrnitosti (EN 933-1) a ekvivalentu písku (EN 933-8), dále pak normy řady EN 1097 zkoušející mechanické a fyzikální vlastnosti kameniva (objemová hmotnost, obsah vody, nasákavost), podle norem EN 1744-1 Stanovení chemického rozboru kameniva a EN 1744-3 Získání eluátu vyluhováním kameniva. Na úrovní národních předpisů jednotlivých evropských států neexistují specializované technické podmínky pro používání slévárenských písků v silničním stavitelství.

Reference o technologiích 38

Jak již bylo uvedeno slévárenské písky našly uplatnění v silničním stavitelství zejména v USA (asfaltové směsi) a zemích západní Evropy (ostatní citované aplikace). Použití slévárenských písků je však limitováno s ohledem na povahu tohoto materiálu.

Stav užívání slévárenských písků v ČR V České republice se zatím použití slévárenských písků do pozemních komunikací nerozšířilo. Z uvedených aplikací se používá slévárenský písek pouze při výrobě cementu. Na pracovišti zpracovatele tohoto příspěvku byly provedeny pokusy s přidáním slévárenských písků do asfaltových směsí ve spolupráci s firmou SANDTEAM s.r.o.. Tato aplikace se na základě čáry zrnitosti použitého materiálu nejevila jako vhodná, protože byl v asfaltové směsi uměle vyroben tzv. „pískový hrb“, což by u více zatížených komunikací mohlo vést k tvorbě trvalých deformací. Neoficiálně používají některé firmy slévárenský písek jako náhradu lože drceného kameniva pod zámkovou dlažbu a k vyplnění spár. Závěr Slévárenské písky představují potencionální zdroj materiálu pro stavbu pozemních komunikací avšak s omezeným rozsahem použití. Pokud bude v ČR použito v budoucnu výše uvedených zkušeností z jiných zemí, lze očekávat větší využití tohoto materiálu a tím menší zatížení skládek odpadu.

39

UŽITÍ POPELŮ ZE SPALOVAN KOMUNÁLNÍCH ODPADŮ PŘI STAVBĚ PK Petra Pohanková 1 Tento příspěvek vychází z materiálu D29, který zpracovali pracovníci EUROVIA z Francie. Jsou použity také publikace uvedené v literatuře.

A – Čerstvý popel ze spalovny

B – Zpracovaný popel

Původ materiálu Popel vzniká spalováním tuhého komunálního odpadu, a to jak nezpracovaného, tak částečně přetřízeného. V zemích EU komunální odpad zahrnuje domovní odpad, sklo, kaly a i ojeté pneumatiky. Spalováním komunálního odpadu dochází k jeho podstatné objemové a hmotnostní redukci. Výsledná hmotnost odpadu je 25 až 30 % původní hmotnosti a objem je pak pouze 10 % původních hodnot. Účinnost spalování záleží na typu spalovacího zařízení. 1

Petra Pohanková, Ing., CONSULTEST s.r.o., Veveří 95, 602 00 Brno, [email protected]

40

Mezi produkty spalování patří ložový popel (struska a popílek), popílek odloučený z elektrofiltrů za kotli a další materiály (kovy, produkty z čištění spalin, nevyhořelé zbytky odpadu, atd.). Po důkladném zpracování, separaci železa, odstranění nežádoucích materiálů a přetřízení na frakce je tento produkt vhodný jako alternativní zdroj stavebního materiálu v silničním stavitelství. Množství vzniklého, sládkovaného a recyklovaného ložového popele v některých evropských státech je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1 – Množství produkovaného a použitého ložového popele ze spaloven komunálního odpadu v různých zemích ( 1994 až 2002) Roční produkce

Skládkováno

Znovupoužito

Použito PK

(Mtun/rok)

(Mtun/v roce)

(Mtun/v roce)

(Mtun/v roce)

(rok)

(rok)

(rok)

(rok)

Belgie

0,3 (1994)

-

-

-

Dánsko

0,54 (2002)

0,019 (2002)

0,436 (2002)

0,05 (2002)

Německo

2,6 (1994)

-

-

1,6

Španělsko

0,45 (1994)

0,45

-

-

Francie

3,275 (2001)

0 (2002)

2,25 (2002)

2,04 (2002)

Švédsko

0,33 (2002)

-

0,19

-

Nizozemí

1,1

-

-

-

Stát

Recyklace Komunální odpad před spalováním má obvykle toto složení: 50 % papír, 12 % zbytky potravin, 10 % dřevo a zahradní odpad, 10 % kůže, plasty a guma, 8 % kovy, 9 % sklo a 1 % ostatní odpad. Složení se liší v jednotlivých zemích a regionech v závislosti na stupni industrializace, výši příjmů, sociální situaci, průměrnému věku, stupni recyklace a s ohledem na řadu dalších faktorů. Popel je v zemích evropské unie obecně klasifikován jako netoxický ostatní odpad. Vlastnosti ložového popele Skládá se z popelu a nehořlavých materiálů, teplota spalování je podle spalovacího zařízení od 850 °C do 1130 °C. Fyzikální vlastnosti - Objemová hmotnost materiálu je v rozmezí od 2 000 kg/m3 do 41

-

2 500 kg/m3. Jedná se o zrnitý materiál vesměs velikosti zrna do 10 mm, může ale dosahovat širokého rozsahu zrnitosti. Je šedé barvy. Vzhledem k procesu zpracování popelovin po spalování má vysoký obsah vody. Pevnost v tlaku je nižší než u primárních materiálů – střední kvalita.

Chemické vlastnosti Ložový popel obsahuje jako hlavní krystalické složky β-křemen SiO2 a kalcit CaCO3 a další sloučeniny oxidů kovů a složitých hlinitokřemičitanů a křemičitanů vápenatých. Po tepelném zpracování při 105 °C obsahuje jako hlavní fázi sádrovec, obsah β-křemene a anhydritu CaSO4 se výrazně snižuje.

Proces vedoucí k recyklaci Vznik ložového popele Proces vzniku ložového popele (směs strusky a popele vystupujícího z kotle) je následující: - Okamžitě po procesu spalování jsou usazené popeloviny zchlazeny vodou. - Vypraný popílek může být dále tepelně zpracován při teplotě 105 °C, za účelem jeho stabilizace. - Magneticky se separují železné kovy (dva stupně odlučování). - Následně se separují neželezné kovy, nehořlavé a další nežádoucí materiály. - Vyčištěný materiál se roztřídí na frakce, případně se upravuje zrnitost a je homogenizován. - Na závěr se uskladní na venkovních skládkách na dobu 3 až 6 měsíců, kde dochází vlivem klimatických podmínek k chemické stabilizaci, snižuje se pH faktor a sleduje se výluh. pH strusky těsně po spalování je cca 11,5 (ve výluhu), po třech měsících se pH sníží na 8,5. Tento chemický proces sníží možné znečištění, sníží se totiž možnost rozpustnosti těžkých kovů. V některých evropských zemích se připouští i vnitřní skladování kvůli klimatickým podmínkám. Během skladování této strusky by měla být vlhkost udržována přibližně při optimu stanoveného Proctorovou zkouškou. Další možné úpravy strusky: - Přídavek hydraulických pojiv, což má za následek: 42

o snížení výluhů a stabilizace, o úpravu vlhkosti a únosnosti při přidání cca 1 až 5 % pojiva, o zlepšení pevnosti v tahu při použití na zakládání při přidání cca 5 %až 10 % cementu. - Přídavek pěnového asfaltu, který zlepšuje mechanické vlastnosti. Pro ochranu spodních vod musí být skládky strusky ze spaloven komunálních odpadů na nepropustném podkladu (asfaltové vrstvy, PE fólie, atd.), výluh je zachycován a zpracováván. Kontrola jakosti materiálu Kontrola výroby začíná u procesu spalování a končí měřením ekologických vlastností získaného produktu. Kontrola v rámci spalovny: - Homogenizace odpadu před spalováním. - Kontrola průběhu spalování. - Kontrola ekologické zátěže vzniklého ložového popele. - Kontrola vlhkosti. Kontrola v rámci zpracování strusky (ložového popele): - Kontrola ekologické zátěže čerstvého materiálu. - Kontrola během skladování (vlhkost, výluh). - Evidence materiálu (místo původu, měsíc výroby). Kontrola strusky z materiálového hlediska: - Platí pro ně stejné zkušební a kontrolní metody a postupy jako pro přírodní materiály. - Zkoušení spalitelnosti a stanovení obsahu hliníku. Kontrola a požadavky na složení materiálu Sledují se fyzikální vlastnosti i chemické složení. Požadované fyzikální vlastnosti podle evropských norem: - stanovení množství spalitelných látek - < 5 %, - objemová hmotnost - 2,0 – 2,5 g/cm3, - nasákavost – 2,36 %, - míra zahlinění - 0 – 0,1 %, - otlukovost kameniva LA - 35 – 45 %. Chemické složení: - obsah hliníku - < 1 %, - pH 10, - obsah rozpustných síranů je cca 1 % (nevhodné při použití do 43

betonových konstrukcí).

Speciální požadavky na navrhování a provádění, kontrola kvality na stavbě Pro recyklovaný materiál se používá stejná klasifikace jako pro přírodní materiály (požadavky pro nestmelené směsi - EN 13285, stmelené hydraulickými pojivy - EN 14227, atd.) Při provádění zemních prací musí být důsledně věnována pozornost vlhkosti, která výrazně ovlivní zhutnění a následnou únosnost vrstvy. Na materiál jsou navíc kladeny speciální požadavky z ekologického hlediska.

Použití materiálů k recyklaci do silničních konstrukcí Konstrukční vrstvy a jednotlivé typy stavebních materiálů: - podloží – možnost sanace, zvýšení únosnosti, zlepšení vlastností jemnozrnných zemin, - násypy, terénní úpravy, - vrstvy stmelené cementem, - nestmelené podkladní vrstvy, - asfaltové vrstvy – pouze pro směsi zpracovávané za studena (podkladní vrstvy stabilizované asfaltovou pěnou). Omezení použití: - struska ze spaloven komunálního odpadu není vhodná pro použití do cementového betonu z hlediska přítomnosti obsažených rozpustných síranů, které mají vliv na jeho degradaci, - nepoužívá se do krytových vrstev, - vrstva popílku musí být překryta minimálně 150 mm jiných materiálů, jinak by mohlo docházet k deformacím vlivem oxidace zbytkových částic hliníku, - z ekologického hlediska se nesmí použít v “citlivých“ oblastech, jako jsou zdroje pitné vody, v blízkosti řek, v místech z vysokou hladinou spodní vody.

Vlivy na životní prostředí Z hlediska původu: - Klasifikace ložového popele jako odpadu, či produktu záleží na ekologických předpisech každé země. - Obecně je snaha v zemích EU klasifikovat strusku jako druhotnou 44

surovinu, kterou nelze považovat za nebezpečnou i v případě, že obsahuje nebezpečné složky vyžadující speciální zpracování. Přesto v některých zemích strusku za nebezpečný odpad považují (např. Slovinsko). - Striktně je zakázáno smísení s nezpracovaným popílkem odloučeným z elektrofiltrů pro využití do silničních konstrukcí, létavý popílek se ukládá na skládky nebezpečného odpadu. Bez úpravy (speciálním procesem solidifikace) chemické složení a vysoký měrný povrch létavých popílků představují nebezpečí znečištění podzemních vod. Z hlediska recyklace: - Během procesu recyklace se berou v úvahu nebezpečné vlastnosti materiálu a jejich možný dopad během manipulace, recyklace a pozdějšího uložení do silniční konstrukce. - Nebezpečnost je dána zejména obsahem chemických složek. Z hlediska použití: - Posuzování je založeno ne testech vyluhovatelnost (EN 12457-2 Charakterizace odpadů – Vyluhování – Ověřovací zkoušky vyluhovatelnost zrnitých odpadů a kalů) - Záleží na konkrétních předpisech každé země.

Používání produktů ze spaloven komunálního odpadu v ČR V České republice existují 3 spalovny komunálního odpadu, a to v Praze, v Brně a v Liberci. Tyto spalovny dohromady zpracují ročně cca 400 tisíc tun tuhého komunálního odpadu, zbytek po spalování tvoří asi 25 až 30 % z původního množství odpadu, s tím, že tento zbytek je možné dále použít. Struska a popílky se zpracovávají v jednotlivých spalovnách různým způsobem. Popílky se luhují kyselými roztoky a poté propírají čistou vodou za vzniku filtračního koláče, do něhož se vyloučí nebezpečné látky. Ten je pak dále zpracováván a ukládán na skládky. Spalovna SAKO Brno zpracuje ročně cca 100 tisíc tun odpadu. Spalovna má osvědčení o vyloučení nebezpečných vlastností odpadů Os32/02Vem a Stavební technické osvědčení. Na základě těchto osvědčení není zpracovaná škvára (ložový popel) považovaná za nebezpečný materiál a není potřeba s ní zacházet jako s odpadem. Zároveň byly stanoveny podmínky ověřování vlastností odpadu a způsobu odběru vzorků odpadu. Hlavní podíl odpadu tvoří vyhořelá škvára vystupující z kotle a železo, které se separuje. Škvára je nezanedbatelnou druhotnou surovinou. Materiál se uloží na 3 až 6 měsíců na skládku z důvodu imobilizace amfoterních kovů vlivem postupné neutralizace silně alkalické škváry o pH 10,5 – 11,5 působením kyselých srážek a karbonizací. Škváru využívají 45

zatím zejména firmy provozující skládky k technickému zabezpečení svých skládek, jedná se především o nezpevněné příjezdové komunikace a k rekultivacím staré ekologické zátěže bývalých skládek. Dále je možné škváru využívat pro tepelně izolační násypy ve stavbách, jako rekultivační vrstvu, k úpravám terénu, k záhozu výkopových rýh a při realizaci pokládek inženýrských sítí. Rovněž je zde zpracováván popílek odloučený z elektrofiltrů za kotli a Endprodukt z polosuché vápenné metody čištění spalin. Procesem solidifikace se tyto dva materiály smíchají s cementem a vodou. V důsledku fyzikálně chemických procesů dojde k eliminaci jeho nebezpečných vlastností a tím je zabráněno vyluhování těžkých kovů a ostatních nebezpečných složek z produktů čištění spalin do životního prostředí. Cílem je dosáhnout certifikace solidifikátu jako výrobku s využitím v prvním kroku jako stavební polotovar pro budování vyrovnávacích a výplňových vrstev do tloušťky 70 cm technických rekultivací bývalých i současných skládek komunálního odpadu. Liberecký závod TERMIZO a.s. energeticky využívá plnou kapacitu spalovacího zařízení, zpracuje cca 96 tisíc tun komunálního odpadu ročně, ze kterého vyprodukuje tepelnou energii zabezpečující potřeby 13 000 domácností a elektrickou energii pro 3 000 domácností libereckého regionu. Spalovna má certifikát č. 040-014253 pro výrobek s názvem Směs popelovin pro rekultivaci a úpravu krajiny (SPRUK). Hlavní podíl pevného odpadu tvoří vyhořelá struska spolu s vyčištěným popílkem odděleným ze spalin. Surový popílek prochází velmi účinnou technologií kyselého vyluhování chloridovým roztokem a následnou promývkou vodou. Tento výrobek vykazuje podobné vlastnosti jako nízkopevnostní beton, neboť již po třech dnech probíhá jeho vytvrzení tak, že je vhodný pro stavební násypy a zásypy. V roce 2004 spalovna vyprodukovala 35 316 tun stavebního výrobku, pouze 187 tun popelovin v kvalitě odpadu (ovšem již v kategorii inertní odpad) a 1 433 tun železného šrotu. To představuje materiálovou recyklaci 99,5 %. Spalovna komunálního odpadu v Praze Malešicích zpracuje ročně přes 200 tisíc tun odpadu, což znamená, že využívá 2/3 své kapacity. Z toho vyprodukuje cca 5,5 tisíce tun pevných odpadů z čištění odpadních plynů v kategorii odpadu N (nebezpečný) a 55 tisíc tun jiného popele a strusky v kategorii odpadu O (ostatní). Oba tyto odpady jsou následně předány autorizovaným organizacím. Dle informací zástupce spalovny může být škvára po úpravě na frakce 0-16 a 16-32 využívána ve stavebnictví. Úprava škváry je realizována podle příslušných norem, tyto činnosti již neprovádí spalovna, ale zajišťují ji organizace s příslušným oprávněním. 46

Další informace o možnostech využití odpadu zástupce spalovny neuvádí.

Závěr Likvidací tuhého komunálního odpadu ve spalovacích zařízení vzniká nejen tepelná a elektrická energie, ale i řada dalších vedlejších produktů. Po spalování se výrazně sníží množství odpadů (na 25 až 30 % původního množství), který lze po důsledném zpracování a dodržení všech ekologických limitů dále znovu použít. Materiálová recyklace může překračovat 95 %. Spalovny produkují podle způsobu zpracování různé druhotné materiály. Tyto materiály lze s ohledem na daná omezení používat ve stavebnictví, zejména při stavbě pozemních komunikací. V příspěvku jsou uvedeny způsoby využití těchto materiálů, které se již u nás provádějí, a to využití při terénních úpravách, na zásypy a obsypy, při stavbě násypů silničního tělesa, ale je rovněž nastíněna možnost použití materiálu i do konstrukčních vrstev vozovky, pro sanace podloží, stmelené a nestme-lené podkladní vrstvy a v neposlední řadě i pro podkladní vrstvy stabilizované asfaltovou pěnou. Další možnosti použití se budou objevovat v závislosti na neustálém vývoji spalovacích zařízení a technologiích zpracovávajících odpady, které snižují, či eliminují jejich ekologickou zátěž a nebezpečnost.

Literatura Suzová, J., Koňařík, M., Skála, Z., Jati, L. – Recyklace škváry ze spalovny komunálních odpadů, 2004 Suzová, J., Koňařík, M., Sladký, M., Dědek, K. – Využití popílkového solidifikátu ze spalovny komunálního odpadu SAKO Brno, a.s., 2005 Eichlerová, J., Novák, P., - Možnosti využití zbytkových materiálů po spalování odpadu k rekultivačním a stavebním účelům, 2004 Novák, P., Gombos, L., - Materiálové využívání popelovin ze spalovny komunálních odpadů, 2005

47

VYUŽITÍ HLUŠIN VE STAVBĚ POZEMNÍCH KOMUNIKACÍ Petr Hýzl Příspěvek vychází z materiálu SAMARIS D29, jehož část o hlušinách zpracoval sám autor. Jsou použity také publikace uvedené v literatuře. Původ materiálu Uhelná hlušina – tj. hornina získaná při těžbě a následném zpracování uhlí se rozděluje na skupiny hlušin: a) Odvalová hlušinová sypanina – tj. hlušinová sypanina uložená na odvalu (výsypce), která obsahuje netříděnou hrubozrnnou důlní hlušinovou sypaninu a může obsahovat také uloženou úpravnickou hlušinovou sypaninu z úpraven. Odvalová hlušinová sypanina může být na odvalu jak neprohořelá, tak i prohořelá. b) Úpravnická hlušinová sypanina – tj. hlušinová sypanina, která je produktem při třídění uhlí a je odebírána přímo z úpravnické linky. Zpravidla je produkována jednotlivými úpravnami v definovaných frakcích v závislosti na úpravnické lince. Jemnozrnný podíl z flotace je ukládán do odkališť a vysušená hlušina z procesu flotace je ukládána na odvalech. Úpravnická hlušinová sypanina je vždy hlušinou neprohořelou (tzn. materiálem, který neprošel termickým procesem a obsahuje spalitelné látky).

Proces vedoucí k použití odvalové hlušiny Hlušinovou sypaninu tvoří různé horniny většinou frakce 0 – 250 mm, mohou se však vyskytovat i balvany 500 mm. Má charakter nesoudržné horniny s malou příměsí hlinitých a jílovitých částic. Zlepšení vlastností odvalové hlušiny před jejím použitím je možno zpravidla dosáhnout následujícími procesy: - úpravou zrnitosti drcením a tříděním, z původní zrnitosti 0/500 na zrnitost požadovanou, - homogenizací. Dalším velmi vhodným opatřením, které bohužel není v našich předpisech zmiňováno, je doba uložení hlušiny na odvalech. Při dostatečně dlouhém (minimálně 2 roky) uložení hlušiny na odvalu dojde k vyprchání vnitřního 1

Petr Hýzl, Ing., Ph.D., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací, [email protected]

48

napětí a rozpadu zrn, které už pak dále nepokračuje. Velikost vnitřního napětí a čas potřebný pro jeho uvolnění je závislý na hloubce, ze které byla hlušina vytěžena. V principu je odvalová hlušina ukládána na odval ve vrstvách. Mocnost vrstev se pohybuje v rozsahu 0,5 až 4,0 m. Kompaktnosti odvalu je dosaženo pomocí zhutňovací techniky. Vývoj tvaru odvalu hlušiny v oblastech Ruhr, Saar a Ibbenbüren je zobrazen na obrázku 1. Od 70. let 20. století je rozlišován třetí vývojový stupeň odvalů – takzvané začlenění do krajiny. Vzhledem ke své rekreační a ekologické hodnotě byly odvaly akceptovány jako základní krajinné prvky v hustě obydlených průmyslových oblastech Ruhr a Saar.

Obrázek 1 – Vývoj tvaru odvalu hlušiny v oblastech Ruhr, Saar a Ibbenbüren

Proces vedoucí k použití hlušiny úpravnické U úpravnické hlušiny je důležitým procesem flotace, při kterém dochází rozdružování a oddělování nejjemnějších podílů uhlí. Jde v podstatě o separační proces založený na rozdílné smáčivosti složek ve směsi. Produktem flotace je flotační koncentrát a flotační hlušina. Jemnozrnný podíl z flotace o velikosti zrna < 0,5 mm je zahuštěn na 25 – 50 % tuhé fáze. Pokud je k dispozici dostatečný prostor pro konečné uložení v odkališti, může být jemnozrnný podíl hlušiny dopraven do těchto zařízení přímo potrubím nebo nákladními automobily. Tam, kde se uvažuje s uložením jemnozrnného podílu hlušiny na odval, např. z důvodu

49

omezených prostorových kapacit, musí být odpad dále odvodněn, aby bylo dosaženo dostatečné stability. Často je jemnozrnná suspenze z flotace čerpána do usazovacích nádrží (například vytvořených poklesem terénu) nebo odkališť. Usazování hlušiny z úpravy uhlí je prováděno v několika odkalištích nebo nádržích v řadě za sebou. Usazená hlušina je periodicky vytěžována a opakovaně zpracovávána v procesu flotace, prodána či přemístěna na odvaly. Vyčištěná voda je většinou recyklována do úpravny. V principu mohou být pro další snížení obsahu vody v zahuštěné hlušině použity tři metody: - rámové kalolisy, obvykle s filtrační plochou větší než 1000 m2 - v těch případech, kde je přijatelný vyšší obsah vody, lze použít válcové odstředivky, např. používané pro odvodnění hlušiny z flotace - usazovací nádrže (dočasné zakládání do odkališť, např. po dobu tří let). Odvodnění v usazovacích nádržích se provádí takto: v první fázi je odkaliště zaplněno zahuštěnou hlušinou, která se začíná usazovat. Ve druhé fázi pokračuje v odkališti proces usazování a ve třetí fázi je vysušená hlušina vytěžena a uložena na odvalech. V závislosti na klimatických podmínkách může každá fáze trvat až jeden rok. To znamená, že se soustava usazovacích nádrží obvykle skládá ze tří nebo více přilehlých nádrží. Pro hrubou představu o podílech jednotlivých procesů lze uvést příklad z oblasti Ruhr, Saar a Ibbenbüren, kde přibližně jedna čtvrtina veškeré hlušiny z těžby a úpravy se používá pro interní a externí účely, zatímco zbytek musí být ukládán (viz obrázek 2).

Použití materiálu Obecně lze hrubozrnnou hlušinovou sypaninu při stavbě pozemní komunikace používat v následujících aplikacích: - v podloží násypu a pro zlepšování podloží násypu, - násypy pozemních komunikací, protihlukové valy, - terénní úpravy – rekultivační účely, - aktivní zóna (podloží konstrukce vozovky), - konstrukční vrstvy vozovky, - přechodové oblasti mostních objektů, - obsypy, zásypy objektů, základových objektů a inženýrských sítí. Použití jemnozrnných podílů úpravnické hlušiny lze při: - vhodném konstrukčním opatření (vyztužené násypy, vrstevnaté násypy), - mechanickým zlepšením (přidáváním vhodného materiálu) nebo zlepšením pojivy podle TP 94. 50

Obrázek 2 – Produkce hlušiny a použité způsoby s jejím nakládáním v oblasti Ruhr, Saar a Ibbenbüren v roce 2000

Vlivy na životní prostředí Vliv hlušiny na životní prostředí je v celé EU sledován ve všech fázích tj. od procesu výroby až po zabudování do konstrukce. Předpisy v jednotlivých zemích se vždy zaměřují na sledování těch parametrů, které jsou v dané zemi problematické v závislosti na druhu těženého materiálu. Pro zajímavost lze uvést skutečnost, že v uhelných dolech oblastí Ruhr, Saar a Ibbenbüren byla podrobně testována homogenita mineralogického složení a jemnozrnný podíl hlušiny z flotace < 0,5 mm s obsahem pevných látek > 77 %. Při dlouhodobých fyzikálních a chemických zkouškách, zahrnujících vyhodnocení dopadu na životní prostředí bylo prokázáno, že hlušina z flotace může být použita pro vytváření těsnících vrstev a že dokonce dosahuje přísnějších požadavků Německé technické normy pro těsnění podloží skládek odpadů.

Technické předpisy V průběhu řešení projektu SAMARIS bylo vyhledáno přibližně 15 norem souvisících s problematikou hlušin v zemích EU, jejichž seznam spolu s další použitou literaturou je obsahem dokumentu SAMARIS D29.

51

Reference o technologiích V některých sledovaných zemích je technologie zabudovávání uhelné hlušinové sypaniny lépe propracována. Jde především o oblast využití zbytkového množství spalitelných látek v hlušině jako zdroje energie. Další výhodou této technologie je možnost řízeného získání prohořelé uhelné sypaniny, což podstatně rozšiřuje možnost jejího uplatnění v pozemních komunikacích. Na tento materiál lze totiž v souladu s normovými předpisy pohlížet jako na standardní kamenivo. Stav užívání hlušin v ČR v pozemních komunikacích Uhelná hlušinová sypanina z hlubinných dolů se v našich podmínkách ostravsko – karvinské aglomerace skládá převážně z pískovců, prachovců a jílovců, někdy i ze slepenců s parametry uvedenými Tabulka 1 – Parametry sypaniny ostravsko – karvinské aglomerace PARAMETR Objemová hmotnost suché sypaniny Přirozená vlhkost Úhel vnitřního tření

Dosahované hodnoty 1480 – 1950 kg /m3 5% 28 – 40°

V našich podmínkách je jemnozrnný podíl hlušiny z flotace ukládán do odkališť a nádrží, přičemž většina vyčištěné vody je opět využita v úpravně. V některých případech je přebytečná voda vypouštěna do povrchové vody.

Obrázek 3 – Hlušina z hornoslezské pánve 52

Použití hlušin do zemního tělesa V ČR doposud řešila použití uhelné hlušiny do zemního tělesa norma ČSN 73 6133. S účinností od 1. ledna 2006 vstoupily v platnost TP 176 „Hlušinová sypanina v tělese pozemních komunikací“, které upravují a částečně nahrazují některá ustanovení ČSN 73 6133. TP 176 nově umožňují po splnění požadavků (např. minimální objemové hmotnosti sypaniny) použít hlušinovou sypaninu do aktivní zóny vozovky mimo návrhovou úroveň porušení D0 (tj. dálnice, rychlostní silnice, rychlostní místní komunikace a silnice I. třídy), Její povrch se pak musí dále vyrovnat jemnozrnným materiálem, aby zemní pláň vyhověla přípustným nerovnostem. Dále je vhodnost použití odkazována na zatřídění v ČSN 72 1002. Stanovení obsahu spalitelných látek v uhelné hlušinové sypanině ve smyslu ČSN 73 6133 (tj. rozdělení hlušin podle vhodnosti podle obsahu spalitelných látek) není nutno dle TP 176 již provádět. Uhelná hlušinová sypanina však nesmí obsahovat makroskopické kusy uhlí. Je proto potřeba provádět vizuální kontrolu. Násyp z hlušinové sypaniny musí být navržen a vybudován tak, aby dokončený násyp prodělal již jen nepatrné vlastní objemové změny (nejčastěji sedání). Tomuto požadavku musí být podřízen i způsob těžby sypaniny, technologie ukládání a hutnění. Na základě vyhodnocení zhutňovací zkoušky se stanoví: -

optimální počet pojezdů hutnících prostředků a sestava hutnicích prostředků pro dosažení požadovaných parametrů,

-

tloušťka zhutňované vrstvy a ověření těsnosti korelačních vztahů a stanovení kontrolních parametrů pro kontrolu míry zhutnění nepřímou metodou (např. statickou zatěžovací zkouškou dle ČSN 72 1006).

Problematika záparů a samovznícení Během výstavby díla z uhelné hlušinové sypaniny je nutno zvolit takovou technologii a organizaci práce, aby nebyly vytvořeny podmínky pro vznik záparu, samovznícení nebo vznícení v důsledku vnější iniciace. Použije-li se na stavbu násypu vyššího než 4 m uhelná hlušinová sypanina, prokládají se jednotlivé vrstvy izolačními vrstvami podle ČSN 73 6133 z jemnozrnné zeminy, které přeruší vertikální proudění vzduchu uvnitř násypu. Kontrolní sledování projevů zvýšené teploty násypu z neprohořelé uhelné hlušinové sypaniny se musí provádět:: -

v průběhu výstavby průběžně nejméně jednou týdně nebo dle potřeby v kratším intervalu

-

po skončení výstavby jednou za rok pochůzkou. 53

Při zjištění podezřelých míst, která se projevují zvýšenou teplotou uhelné hlušinové sypaniny proti svému okolí, s výskytem par po dešti nebo tání sněhu, se neprodleně zahájí teplotní monitoring. Použití hlušin do konstrukčních vrstev vozovek Do konstrukčních vrstev vozovek lze použít hlušinovou sypaninu pokud vyhovuje svými vlastnostmi požadavkům norem pro jednotlivé technologie, např.: ČSN 73 6124, ČSN 73 6125, ČSN 73 6126, event. novým evropským normám (v přípravě). Předpokládá použití prohořelé hlušiny z odvalů. Průkazní zkoušky Průkazní zkoušky hlušinové sypaniny musí mimo obvyklých požadavků obsahovat stanovení těchto závazných charakteristik: − obsah těžkých kovů ve výluhu, − obsah radionuklidů, − obsah celkové síry (SO3), − klasifikaci podle ČSN EN ISO 14688 – 1, 2 a ČSN 72 1002, − zhutnitelnost. Dle ČSN 73 6133 i TP 176 lze pro stavbu zemního tělesa použít pouze hlušinu, která nepoškozuje životní prostředí. Přes nutnost splnění limitních hodnot vodního výluhu je možnost použití konkrétní hlušinové sypaniny vázáno na schválení materiálu příslušným hygienikem. Směrná hodnota hmotností měrné aktivity Ra228 nesmí podle vyhlášky č.307/02 Sb., příl. 10 přestoupit hodnotu 1000 Bq.kg-1 a maximální limitní obsah celkové síry (vyjádřeno jako SO3) pro použití hlušinové sypaniny v násypových tělesech je 1,5 %. V případě zjištěných vyšších obsahů celkové síry je potřeba provést kontrolní stanovení na větším souboru vzorků (cca 10) pro eliminaci náhodného výskytu sulfidických minerálů ve vzorku. V případě vyšších obsahů celkové síry nelze uhelnou hlušinovou sypaninu používat do stmelených vrstev. Lze konstatovat, že hlušina z odvalů produkovaná v ostravsko – karvinské aglomeraci je běžně do staveb pozemních komunikací zabudovávána. Velkou příležitostí pro zabudování velkého množství tohoto materiálu je v současné době výstavba dálnice D 47, která prochází přes tuto aglomeraci. Této příležitosti bylo využito již při technologickém plánování této významné stavby, když byla testována a nyní je ve velké míře používána hlušina z produkce dolu Paskov. Je využívána jak v zemním tělese, tak pro terénní úpravy, obsypy atd.

54

Obrázek 4 – Výstavba násypu dálnice D 47z hlušinové sypaniny

Obrázek 5 – Pohled na zhutněnou technologickou vrstvu násypu

Závěr Podle materiálů získaných při řešení projektu SAMARIS se ukazuje, že na hlušinu nelze pohlížet jen jako na odpad, ale i jako na materiál, který lze při stavbě pozemních komunikací využívat. V příspěvku jsou uvedeny způsoby úpravy hlušin a jejich použití v EU a u nás. Jsou uvedeny stručné požadavky v souladu s platnou legislativou. Velkou výhodou některých zemí EU (např. Německa) se jeví možnost 55

využití lodní dopravy pro přepravu hlušinové sypaniny i na velkou vzdálenost. To podstatně zvětšuje oblast, kde je možno hlušinu využívat oproti ČR, kde jde o lokální záležitost. Závěrem lze konstatovat, že problematika využití hlušin je v České republice dobře propracovaná, hlušina je ve velké míře využívána a byl vytvořen aktuální předpis (TP 176), který řeší využití hlušinové sypaniny v pozemních komunikacích.

Další použitá literatura [1] ČSN 73 6133 Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací, 1998 [2] TP 176 Hlušinová sypanina v tělese pozemních komunikací, 2005 [3] ČSN 72 1006 Kontrola zhutnění zemin a sypanin [4] Vyhláška SÚJB č.307/2002 Sb. pozdějších předpisů

o radiační ochraně, ve znění

[5] TP 94 Zlepšení zemin [6] ČSN 73 6124 Stavba vozovek. Kamenivo stmelené hydraulickým pojivem [7] ČSN 73 6125 Stavba vozovek. Stabilizované podklady [8] ČSN 73 6126 Stavba vozovek. Nestmelené vrstvy [9] ČSN 72 1002 Klasifikace zemin pro dopravní stavby [10] ČSN EN ISO 14688-1 Geotechnický průzkum a zkoušení – Pojmenování a zatřiďování zemin. Část 1:Pojmenování a popis. [11] ČSN EN ISO 14688-2 Geotechnický průzkum a zkoušení – Pojmenování a zatřiďování zemin. Část 2: Zásady pro zatřídění [12] Havlicová Pavla, Ing., Stavební materiál D47 – hlušina, Příloha k Informacím OP ČSSI Ostrava, 2005

56

VYUŽITÍ VYSOKOPECNÍ STRUSKY V PK Dušan Stehlík 1 Příspěvek vychází z materiálu SAMARIS D29, který připravil CEDEX, Španělsko. autor přidal poznatky z české literatury a další zkušenosti.

Vyprazdňování žhavé strusky

Struska 32/125 po podrcení a třídění

Původ materiálu Vysokopecní struska vzniká ve vysoké peci při tavení železné rudy, uhelného koksu a dalších přísad. Po prohoření spalitelných látek zůstane ve spodní části pece roztavené železo a struska. Struska, která vytéká ze spodní části pece při teplotě okolo 1500 °C, může být podle způsobu chlazení různého typu: − Vzduchem chlazená vysokopecní struska. Proces krystalizace je způsoben pomalým ochlazováním na vzduchu. Obvykle se tato úprava druhotného materiálu označuje jako CBFS (Crystallized Blast Furnace Slag), krystalická vysokopecní struska. − Granulovaná vysokopecní struska. Proces ochlazování řízen, je náhlý a rychlý a ve většině případů se provádí vodou, běžné označení je VBFS (Vitrified Blast Furnace Slag), slinutá vysokopecní struska. 1

Dušan Stehlík, Ing., Ph.D., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací, [email protected]

57

− −

Mletá granulovaná vysokopecní struska (GGBS) je druhotný materiál vycházející z rychlého ochlazení vodou a následným drcením, případně mletím. Expandovaná struska.

Materiál CBFS má podobné charakteristické vlastnosti jako vulkanická vyvřelá hornina: drsnou texturu, tmavošedou barvu, výrazně kubický tvar zrn. Na rozdíl od vyvřelin má strukturu s mnoha vnitřními a vnějšími póry. VBFS je sklovitý materiál se běžně používá ve frakci 0/6. Množství jemnozrnných částic menších než 0,08 mm je okolo 5 až 10%. Částice s velikostí nad 5 mm jako inertní materiál mají tmavou barvu a vysokou tvrdost v krystalickém stavu. Fyzikální vlastnosti Měrná hmotnost částic menších jak 0,08 mm se u CBFS pohybuje 2940 až 2980 kg/m3. Zdánlivá pórovitost je deklarována 8,8 – 9,8%. Skutečná pórovitost 20,5%. Objemová hmotnost vysokopecní strusky je průměrně okolo 2600 kg/m3. Hodnota otlukovosti LA 35-45%. Interval hodnot poměru únosnosti CBR dosažený na vzorcích zhutněného struskového kameniva z vysokopecní strusky je široký 56 až > 200. Chemické složení Chemické složení strusky závisí na přítomných minerálech, popelu z koksu použitého jako palivo a vytavených oxidů. Homogenita materiálů je závislá na fungování vysoké pece. Podle intenzit a doby tavení železa se mění chemické vlastnosti strusky. Obvyklé hodnoty základních minerálů jsou : Oxid vápenatý CaO 35 – 45% Oxid křemičitý SiO2 31 – 35% Oxid hlinitý Al2O3 15 – 20%

Proces vedoucí k použití strusky Pro úpravu strusky se dnes s výhodou používají mobilní drtící a třídící zařízení. Tímto procesem pak vzniká struskové kamenivo.

Kontrola kvality materiálů z vysokopecní strusky Vysoká pórovitost krystalické strusky způsobuje rychlé změny vlhkosti a chemickou reaktivnost. Je důležité kontrolovat vlastnosti jako je mrazuvzdornost kameniva, mechanické pevnosti. 58

Mechanická pevnost krystalické strusky je různá v přímé závislosti na pórovitosti strusky, která je závislá na metodě ochlazování tavené strusky. GGBS má nízkou odolnost proti otěru tj. používá se jako výplňové kamenivo nebo pojivo. Reaktivnost strusky jako pojiva se stanovuje výpočtem koeficientu reaktivity (α). Proces tuhnutí a tvrdnutí GGBS jako pojiva musí být nastaven stejnoměrně ve vztahu k použitému cementu. Rozpad sklovité fáze strusky a vytvoření vhodných hydraulických vlastností závisí na použitém plnivu – např. CaO, Ca(OH)2.

Vlivy na životní prostředí Vzduchem chlazená vysokopecní struska je vedena v katalogu odpadů pod kódovým číslem 10 02 02. Dopad použití vysokopecní strusky a struskového kameniva z vysokopecní strusky na životní prostředí má být analyzován způsoby: − při vzniku strusky – sledování zátěže vysoké pece a produkce strusky na životní prostředí (emisní limity obsahu prachu a nebezpečných látek v ovzduší), − sledování při skladování a dopravě, (odběrem pravidelných vzorků se sledují změny vlastností) − konečného užití strusky a struskového kameniva před zabudováním do vrstvy PK – výluh z použitého druhotného materiálu, sledování změn fyzikálních a chemických vlastností . Mezi dvě hlavní výhody použití vysokopecní strusky do pozemních komunikací z hlediska ochrany životního prostředí: − částečné nebo úplné odstranění existujících velkoobjemových skládek (hald) s využitím materiálu do násypových těles pozemních komunikací nebo podkladních vrstev vozovek, − snížení spotřeby přírodních zdrojů.

Užití strusek v silničním stavitelství Krystalickou vysokopecní strusku lze použít jako „umělé kamenivo“ do pozemních komunikací. V nestmelených podkladních vrstvách a podloží se tento typ strusky používá v celé Evropě a USA zejména kvůli dobré drenážní schopnosti, atd. Ve stmelených podkladních vrstvách působí jemnozrnná část vysokopecní strusky jako pojivo, které během hutnění vyplní mezery ve zhutněné vrstvě a vytvoří vazbu mezi většími částicemi. V krytových vrstvách se struskové kamenivo z vysokopecní strusky používá jen v některých evropských zemích a v USA. 59

Ve Velké Británii se v devadesátých letech zpracovávalo okolo 4 000 000 t/rok. Velká část struskového kameniva byla použita do násypů a podkladních vrstev pozemních komunikací. Ve Francii se běžně používá vzduchem chlazená vysokopecní struska v současné době v množstvích nad 3 000 000 t/rok. Základní velikost se pohybuje do D = 300 mm (do podloží násypů apod.), běžná zrnitost směsi používaná pro konstrukční vrstvy vozovek je 0/50. Ve východní Francii se drcené struskové kamenivo z vysokopecní strusky používá dlouhodobě do asfaltových vrstev. Pórovitost struskového kameniva má všeobecně za následek zvýšení obsahu asfaltu o 0,1 až 0,3% hm. ve srovnání s klasickým návrhem asfaltové směsi z přírodního kameniva. (SAMARIS D4, 2004) Technologie se struskovým kamenivem Asfaltové směsi Ve srovnání s výrobními předpisy se v praxi doporučuje zvýšení obsahu asfaltu, aby se zabránilo jevu, kdy se asfaltová směs stává „hubenější“ na asfalt a tím náchylná na tvorbu poruch. Tento jev je dlouhodobý – pórovitá zrna sorbují asfalt a způsobují tak jeho snížení ve směsi. Doporučuje se zvýšení obsahu o min.0,5% hm. Pro další asfaltovou úpravu – mikrokoberec lze použít hrubé struskové kamenivo. U této technologie se nepředpokládá sorbce vzhledem k používání modifikovaného asfaltu nebo modifikovaných asfaltových emulzí. Pro nátěry vozovek se používá struskové kamenivo a asfaltová emulze z modifikovaného asfaltu pro vozovky dopravního zatížení třídy I až IV z důvodu vysokých hodnot součinitele odladitelnosti kameniva. Nestmelené podkladní vrstvy Nejběžněji se používají frakce struskového kameniva 0/32, 0/45, 0/63. Je důležité dodržet čáru zrnitosti, především dostatečné množství jemnozrnných částic směsi, protože u špatně vyplněných mezer zhutněné vrstvy ze struskového kameniva nedochází, nebo jen v omezené míře, k „pucolánové reakci“, čímž dochází k ovlivnění únosnosti vrstvy ze struskového kameniva. Při dodržení předepsaných zrnitostí se hodnota optimální vlhkost struskového kameniva pohybuje v rozmezí 5 až 8%. Stmelené směsi hydraulickým pojivem Při návrhu se postupuje v souladu s platnými předpisy pro návrh stmelených směsí s přírodním kamenivem. Důležité je vhodné zhutnění stmelené vrstvy, v tloušťkách max. 300 mm, vibračním válcem, které zabezpečí dokonalé zavibrování zrn struskového kameniva. Hodnoty pevností v prostém tlaku na stmelených vrstvách se pohybují okolo 60

5 MPa při použití 6% cementu CEM II/R-S jako pojiva. Pokud se jako pojiva použije vzdušné vápno (4% hm.), hodnota pevnosti v prostém tlaku je 2 MPa.

Technické předpisy V průběhu řešení projektu SAMARIS bylo vyhledáno přibližně 57 norem a předpisů souvisících s problematikou použití strusky a struskového kameniva do pozemních komunikací v zemích EU, jejichž seznam spolu s další použitou literaturou je obsahem dokumentu SAMARIS D29, 2005.

Speciální podmínky návrhu použití do konstrukce vozovky Granulovaná vysokopecní struska se ve většině zemí EU dodává do směsi s přírodním kamenivem v množství 15 až 20%. Zhutněná směs s hydraulickým pojivem (GGBS) vykazuje nízké počáteční pevnosti. Hodnoty pevnosti a únosnosti se zvyšují v čase při zkoušení po 7 a 90 dnech od zhutnění. Úprava se obvykle používá jako spodní podkladní vrstva, případně jako horní vrstva podloží vozovky. V některých případech, což závisí do značné míry na chemickém složení vysokopecní strusky, dochází ve zhutněných vrstvách ze struskového kameniva ke ztrátě trvanlivosti, rozpínání a následné rozpadavosti zrn. V Belgii, Francii nebo ve Velké Británii (i v nových předpisech EU pro „silniční kamenivo“) jsou zpracovány dodatečné specifikace, které popisují tento jev v závislosti na chemickém složení a pečlivě sledují obsah CaO, MgO, SiO2, Al2O3 a celkové síry S, stejně tak jako obsah oxidů železa, které způsobují objemové změny (rozpínání) vlivem oxidace. Kontrola kvality při provádění vrstev ze struskového kameniva Britské normy jsou dobrým příkladem kontroly kvality pro vzduchem chlazenou vysokopecní strusku používanou do pozemních komunikací. Normy popisují požadavky na minimální velikost zrn struskového kameniva pro užití do betonu, objemovou hmotnost, stabilitu, obsah síry, absorpci vodou, tvarový index, mechanické vlastnosti a zrnitost. Britské normy uvádí, že celková hodnota obsahu síry nesmí být větší jak 2,75%, u nestmelených materiálů pak koncentrace vodou rozpustných síranů nesmí překročit hodnotu 2,0 g/l (SAMARIS D7, 2004).

61

Zhutnění technologické vrstvy struskového kameniva z vysokopecní strusky po prvním pojezdu a po zhutnění na požadovanou hodnotu míry zhutnění

Stav užívání struskového kameniva z vysokopecní strusky v ČR V ČR se vysokopecní struska běžně používá do násypů, zejména vrstevnatých jako ztužující vrstva, do podloží a podkladních vrstev pozemních komunikací. Problematika je řešena v TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací, str. 5-9. Hlavní lokalitou, kde je struskové kamenivo používáno je moravskoslezský kraj, ostravsko-karvinský region, kde mají s používáním těchto materiálů velké zkušenosti. Tak jak již bylo naznačeno v předchozích odstavcích v Evropě, problémy s rozpadavostí, a rozpínáním strusky se vyskytly i v ČR. V TP 138 jsou tyto problémy popsány s návrhem kontroly a způsobu odstranění. Při použití CBFS pro výrobu kameniva se požaduje prokázání obsahu volného vápna a rozpadavosti strusky v autoklávu. Obsah volného vápna ve struskovém kamenivu se stanoví podle ČSN EN 451/1. Prokázání obsahu volného vápna a rozpadavosti struskového kameniva není požadováno, pokud CBFS byla uložena na skládce min. 1 rok a jsou doloženy případy ověřeného použití struskového kameniva ze stejného zdroje. V ČR se podle TP 138 deklaruje množství síry v elementární formě v rozsahu 0,5 až 1% nebo ve formě SO3 v rozsahu 0,8 až 3,0%. Pro stavbu zemního tělesa PK je předepsána max. hodnota obsahu SO3 3%, pro struskové kamenivo do konstrukčních vrstev PK je max. obsah SO3 2%. Zmíněná vysoká pórovitost struskového kameniva použitého do obrusných asfaltových vrstev je obdobně jako v některých jiných evropských zemích řešena zvýšením množství asfaltu. Vlastnosti asfaltové směsi se musí ověřit v 5 sadách zkušebních vzorků s různým množstvím asfaltu. Ještě před zhutněním zkušebních těles se asfaltové směsi vystaví působení teploty zhutňování po dobu 4 hodin, tak se 62

simuluje adsorpce asfaltu do pórů struskového kameniva před položením a zhutněním vrstvy. Doporučené zvýšení obsahu asfaltového pojiva a další zkušební postupy jsou uvedeny v TP 138.

Závěr Možné problémy s využitím struskových kameniv v konstrukčních vrstvách PK byly vyřešeny. Je třeba připomenout některá doporučení pro producenty struskových kameniv: − již citovaná kontrola obsahu volného vápna a rozpadavosti (viz TP 138) případně dodržení ročního skladování strusky za atmosférických podmínek, − zapojení kvalitního řízení ochlazování strusky do výroby granulované strusky, − snaha o homogenní struskového kamenivo z hlediska pórovitosti v případě použití strusky ze starých skládek na výrobu asfaltových směsí, − pravidelná kontrola čáry zrnitosti struskového kameniva. Platné TP 138 umožňují plynulé navázání legislativních předpisů na nově zaváděné EN.

Použitá literatura [1] SAMARIS Guide on techniques for recycling in pavement structures, Deliverable 29, Competitive and Sustainable Growth Programme, Sustainable and Advanced Materials for Road InfraStructure, 2005 [2] ČSN 73 6133 Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací, 1998 [3] TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací, 2000 [4] STEHLÍK, D. Použití struskového kameniva do pozemních komunikací (DÚ 1), Použití druhotných surovin (průmyslových odpadů a recyklovaných materiálů) do tělesa pozemních komunikací, Projekt výzkumu a vývoje č. S 304/120/703 MD ČR, závěrečná zpráva, 2000 [5] ČSN 72 1006 Kontrola zhutnění zemin a sypanin, 1998 [6] ČSN 73 6124 Stavba vozovek. Kamenivo stmelené hydraulickým pojivem [7] ČSN 73 6125 Stavba vozovek. Stabilizované podklady [8] ČSN 73 6126 Stavba vozovek. Nestmelené vrstvy

63

VYUŽITÍ OCELÁRENSKÉ STRUSKY V PK Dušan Stehlík 1 Příspěvek vychází z materiálu SAMARIS D29, který připravil CEDEX, Španělsko, autor přidal poznatky z české literatury a další zkušenosti.

Makroskopický a mikroskopický snímek ocelárenské strusky

Původ materiálu Ocelárenská struska se tvoří okysličováním vsázkových surovin (surové železo, ocelový odpad, struskotvorné přísady, legovací přísady, aj.) působením okysličovacích přísad a odtavením části žárovzdorné vyzdívky. Výroba oceli probíhá v různých zařízeních (konvertory; martinská, elektrická, indukční, oblouková pec) a to při kyselém nebo zásaditém pochodu. Kyselý pochod probíhá zpravidla bez struskotvorných přísad a s kyselou vyzdívkou (dinas). Ocelárenská struska se odváží pánvovými vozy na struskoviště, kde se vylévá do struskových loží. Ztuhlá se rozbíjí, drtí a elektromagneticky se odděluje kovové součásti, které se vrací zpět do vsázky ocelářské pece. Existují tři rozdílné zdroje ocelárenské strusky z různých pecí: - BOF nebo LD, kyslíková pec se zásaditou vyzdívkou, - EAF elektrická oblouková pec, - otevřená výhňová pec, starší technologie.

Materiál k recyklaci Fyzikální vlastnosti Objemová hmotnost, pórovitost a velikost částic závisí na rychlosti ochlazování strusky a chemickém a mineralogickém složení. 1

Dušan Stehlík, Ing., Ph.D., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací, [email protected]

64

Některé důležité vlastnosti ocelárenské strusky používané jako kameniva do hrubozrnných podkladních vrstev nebo asfaltových směsí: - zrnitost je běžná jako u přírodního kameniva, chybí dostatek jemnozrnné frakce (≤ 0,063 mm); - objemová hmotnost je vyšší ve srovnání s přírodním kamenivem (3200 až 3900 kg/m3); - otlukovost je obvykle mezi 15 až 50%; - velký úhel vnitřního tření (40° až 50°) přispívá k vysokým hodnotám poměru únosnosti CBR nad 100%; - nasákavost u hrubozrnné ocelárenské strusky do 2% a do 4% pro jemnozrnné struskové kamenivo; - odladitelnost (PSV) podobně jako nejlepší přírodní kameniva PSV = 65; - objemová stabilita se určuje podle chemické analýzy obsahu volného vápna a oxidu hořečnatého. Existuje několik metod s různou kvalitou vypovídací schopnosti hodnoty objemové stability (viz tabulka1) Tabulka 1 – Zkoušky objemové stability Zkouška Zkouška vodní párou (podle EN 1744-1) Zkouška autoklávem (podle NLT 361) Objemové změny (podle ASTM D 4792) Ponoření horké asfaltové směsi (podle ASTM D 1075)

Účel Vzorek zhutněné strusky je namáhán tlakovým proudem páry po dobu 24 hod. pro LD strusku nebo 168 hod. pro EAF strusku Rychlá 1 hodinová zkouška stanovení objemové změny 7 dní ponořené ve vodě a měří se objemové změny Marshallovo těleso ponořené do vody, sledují se změny

Chemické složení Hlavní složkou ocelárenské strusky je SiO2. Zásadité oxidy jsou vázány jako křemičitany a SiO2 je volný. Struska obsahuje min. S, P a CaO (např. struska z Martinských pecí obsahuje 5 -10% CaO). Při zásaditých pochodech se struskotvornými přísadami (vápenec, bauxit, aj.) a s vyzdívkou zásadité povahy (magnezit, hlinitý šamot, dolomit), vzniká struska zásadité povahy, která může obsahovat až 48% CaO; 2 až 20% SiO2. S ohledem na rozmanitost kovové vsázky mohou strusky obsahovat škodlivé látky včetně těžkých kovů (Cr, Ni, Zn, Pb, Cd). Zejména se to týká obsahu Cr3+, který se s kyslíkem slučuje rychleji než železo a snadno přechází z kovové taveniny do strusky, kde se vyskytuje ve formě Cr2O3. V kyselém půdním prostředí může přecházet na karcinogenní Cr6+. 65

Tabulka 2 – Obvyklé chemické složení ocelárenské strusky %

CaO

SiO2

Al2O3

MgO

FeO

MnO

P2O5

Cr2O3

S

LD EAF

42-52 30-40

10-20 10-20

0,5-3 <10

1-8 <10

15-35 15-35

3-10 <10

1,5-4 <2

<2 <2

0,25 <0,25

CaO/ SiO2 4 1,8-2,8

Proces vedoucí k užívání ocelárenské strusky Drcení a třídění Pro recyklaci strusky se dnes s výhodou používají mobilní drtící a třídící zařízení. Drtící linky jsou vybaveny magnetickou separací, která odděluje zrna železa přímo z dopravníkového pásu. Magnetickou separací se získává kov použitelný v hutním průmyslu. Po magnetické separaci je materiál předrcován, případně se podrtí na požadované frakce. Pokud se ocelárenská struska používá jako kamenivo je drcená, tříděná a poté vystavená vlivu povětrnosti před konečným použitím. Speciální kontrola kvality proti objemovým změnám, rozpínavosti a rozpadavosti se v jednotlivých zemích Evropy provádí různým způsobem. Jednak se kontroluje stanovením obsahu volného vápna a rozpadavosti a dále nejúčinnějším preventivním opatřením zrání na otevřených skládkách. To souvisí s ošetřováním těchto skládek. Promývání Kropením a promýváním se snižuje obsah cizorodých částic lehčích než struskové kamenivo. Maximální množství tohoto cizorodého materiálu je 3% hm. Obsah dřeva nesmí překročit 0,1% hm. a to platí i na měkké částice na bázi vápna nebo oxidu vápenatého.

Kontrola kvality struskového kameniva z ocelárenské strusky V ocelárenské strusce může docházet k objemovým změnám během hydratace volného vápna nebo oxidu hořečnatého. Surová struska se nechává zrát na kontrolované skládce vysoké max. 2 m. Ocelárenská struska s vysokým obsahem volného vápna (nad 3%) má být uložena na 6 až 18 měsíců a během zrání se kontroluje obsah reaktivních složek. Pokud je obsah volného vápna menší než 3% a rozpadavost není prokázána, zrání čerstvé ocelárenské strusky je nejméně 3 měsíce na kontrolované skládce.

66

Vlivy na životní prostředí Dopad použití ocelárenské strusky a struskového kameniva z ocelárenské strusky na životní prostředí má být analyzován způsoby: - při vzniku strusky – sledování zátěže pece a produkce strusky na životní prostředí (emisní limity obsahu prachu a nebezpečných látek v ovzduší), - sledování při skladování a dopravě (odběrem pravidelných vzorků se sledují změny vlastností, výskyt a obsah těžkých kovů), - konečného užití strusky a struskového kameniva před zabudováním do vrstvy PK – výluh z použitého druhotného materiálu, sledování změn fyzikálních a chemických vlastností .

Užití strusek v silničním stavitelství Drcená ocelárenská struska z BAF a LD pecí je po úpravě vhodným materiálem pro stavebnictví. Plně nahrazuje kameniva přírodní a lze je použít jako materiál do konstrukce vozovky do krytových a podkladních vrstev a PK. Použití ocelárenské strusky jako druhotné suroviny je limitováno především obsahem těžkých kovů, jež jsou výsledkem rozmanitosti kovové vsázky. Z hlediska použitelnosti do silničních konstrukcí je rozhodující posouzení vyluhovatelnosti a rozpadavosti ocelárenské strusky. V Evropě se pro silniční účely používá 39% objemu vyrobené nebo uložené ocelárenské strusky. Technologie se struskovým kamenivem Asfaltové směsi Hlavní použití je jako umělé kamenivo do asfaltových směsí (AB, AKD, AKM, AKT, „slurry seal“, nátěry). Kubický, drsný charakter zrn se projevuje dobrou smykovou pevností a odolností proti trvalým deformacím za vysokých teplot. Obrusné vrstvy ze struskového kameniva mají vysokou odolnost proti ohladitelnosti. Vyšší hodnota pH způsobuje lepší přilnavost asfaltu ke kamenivu z ocelárenské strusky. Asfaltové směsi jsou navrhovány standardními metodami. Kamenná kostra může být složena z ocelárenské strusky a přírodního kameniva, což se používá na místech s očekávanou rychlou ztrátou mikrotextury a makrotextury povrchu vozovky. Při míchání kameniva ve směsi je při návrhu důležité sledovat různou objemovou hmotnost zrn kameniva. Minimální obsah pojiva má být stanoven objemově. Relativně vyšší pórovitost struskového kameniva z ocelárenské strusky způsobuje zvýšení optimálního množství pojiva v asfaltové směsi. 67

Nestmelené podkladní vrstvy Užití ocelárenské strusky do podkladních vrstev vozovek PK velmi závisí na stanovení rozpadavosti. Rozpadavost na směsích s přítomností ocelárenské strusky se běžně kontroluje podle ASTM D 4792 (viz tabulka 1). Vzorek je zhutňován ve formě Ø 152 mm na optimální vlhkost stanovenou podle metody zhutnitelnosti (Proctorova modifikovaná zkouška) ve třech vrstvách po 56 úderech na vrstvu. Vzorek s formou je poté umístěný do vody a vzápětí po nasycení do sušárny s nastavenou teplotou 70°C. Indikátorové měřící zařízení měří objemové změny ve svislém směru. Zkouška trvá 7 dní. Maximální hodnota jednoosého zdvihu je pro asfaltové vrstvy 2% z poměru zdvihu k původní výšce zhutněného vzorku, u podkladních vrstev pak 0,5%. Při vyšších hodnotách objemových změn se směs ocelárenské strusky používá na nedlážděné parkovací plochy, do nezpevněných krajnic, na zpevnění pat násypů apod.

Technické předpisy V průběhu řešení projektu SAMARIS bylo vyhledáno 59 norem a předpisů souvisících s problematikou použití strusky a struskového kameniva do pozemních komunikací v zemích EU, jejichž seznam spolu s další použitou literaturou je obsahem dokumentu SAMARIS D29, 2005.

Speciální podmínky návrhu použití do konstrukce vozovky Podle EN je možné umělé kamenivo z ocelárenské strusky používat do asfaltem stmelených a nestmelených směsí. Speciálním požadavkem je provedení zkoušky objemové stability ocelárenské strusky prováděné podle EN 1744-1 „Zkoušení chemických vlastností kameniva – chemické analýzy“.

Stav užívání struskového kameniva z ocelárenské strusky v ČR V ČR se ocelárenská struska se používá do asfaltových vrstev a podkladních vrstev vozovek PK. Problematika je řešena v TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací. Hlavní lokalitou, kde je struskové kamenivo používáno je moravskoslezský kraj, ostravsko-karvinský region, kde mají s používáním těchto materiálů velké zkušenosti. Tak jak již bylo naznačeno v předchozích odstavcích v Evropě, problémy s rozpadavostí a rozpínáním strusky se vyskytly i v ČR. V TP 138 jsou tyto problémy popsány s návrhem kontroly a způsobu odstranění. Příliš vysoký obsah volného CaO v ocelárenské 68

strusce může mít destrukční účinky, protože specifický objem CaO ve styku s vodou se zvětšuje až o 100% (tzv. vápenaté bobtnání). Při zkouškách na LD-strusce vykazovalo 40% vzorků vysoký obsah volného vápna (od 4 % do 5%). Marshallova tělesa ze zhutněné asfaltové směsi však nenesly stopy destrukčních účinků – zvětšením objemu. V ČR se obsah volného vápna stanovoval podle podnikových norem a předpisů, metodik vypracovaných různými laboratořemi. V TP 138 je postup stanovení sjednocen podle EN 451-1 Metoda zkoušení popílku – část 1: Stanovení obsahu volného oxidu vápenatého. V současné době je v platnosti ČSN EN 1744-1, která sjednocuje postup v celé Evropě. Z hlediska rozpadavosti se v ČR používají dvě metody hodnocení, již uvedená metoda stanovení rozpadavosti ocelárenské strusky v autoklávu a kanadská zkušební metoda rozpadavosti asfaltové zhutněné směsi z ocelárenské strusky popsaná v příloze TP 138, kde jsou Marshallova tělesa s optimálním obsahem asfaltu uložena do vodní lázně temperované na teplotu 60ºC na dobu 72 hodin, po této době jsou tělesa vyjmuta, povrchově osušena. Hodnocení probíhá vizuálně, pokud se na povrchu těles objeví barevné bílé nebo hnědočervené skvrny jedná se o vápenatý, hořečnatý rozpad v počátečním stádiu, případné reakce oxidů železa a použitá ocelárenská struska se nedá v tomto stavu do vrstev vozovky použít. (STEHLÍK, 2000) Stanovení obsahu volného vápna a rozpadavosti není podle TP 138 požadováno, pokud je struska uložena na otevřené skládce min. 1 rok a jsou doloženy případy ověřeného použití struskového kameniva ze stejného zdroje. Otlukovost je u ocelářské strusky 15 až 20%. Při hutnění vrstev ze struskového kameniva dochází k částečnému podrcení zrn válci. Při dosažení obvykle požadovaného zhutnění podíl zrn o velikosti 0,5 až 8 mm narůstá o 5 až 15 % celkové hmotnosti. Podíl zrn menších než 0,5 mm narůstá o 2 až 3 % celkové hmotnosti. Ohladitelnost hrubého kameniva z ocelárenské strusky je v rozmezí 0,48 až 0,62. Přilnavost asfaltu ke kamenivu z ocelárenské strusky je obvykle dobrá až výborná. (TP 138)

Závěr Možné problémy s využitím ocelárenských struskových kameniv v krytových konstrukčních vrstvách PK byly vyřešeny. Je třeba připomenout některá doporučení pro producenty struskových kameniv: - již citovaná kontrola obsahu volného vápna a rozpadavosti (viz TP 138) případně dodržení ročního skladování strusky za atmosférických podmínek,

69

- kvalitní řízení kontroly jakosti struskového kameniva – pravidelné zkoušky a ověření výše uvedených vlastností ocelárenské strusky, - snaha o homogenní struskové kamenivo z hlediska pórovitosti v případě použití strusky ze starých skládek na výrobu asfaltových směsí, udržování vlhkosti na skládkách – kropením, - pravidelná kontrola čáry zrnitosti struskového kameniva s kvalitní magnetickou separací zbytků železa z ocelárenské strusky. Platné TP 138 umožňují plynulé navázání legislativních předpisů na nově zaváděné EN.

Použitá literatura TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací, VUT FAST, 2000 STEHLÍK, D. , Použití struskového kameniva do pozemních komunikací (DÚ 1), Použití druhotných surovin (průmyslových odpadů a recyklovaných materiálů) do tělesa pozemních komunikací, Projekt výzkumu a vývoje č. S 304/120/703 MD ČR, závěrečná zpráva, 2000

70

VYUŽITÍ ELEKTRÁRENSKÝCH POPÍLKŮ V PK Dušan Stehlík 1 Příspěvek vychází z materiálu SAMARIS D29, který zpracoval CEDEX, Španělsko, autor doplnil poznatky z české literatury a další zkušenosti.

Elektrárenský popílek

Ložový popel (popelová struska)

Původ materiálu Elektrárenský popílek je produkt získaný spalováním uhlí v tepelných elektrárnách (viz obrázek 1), vyznačující se obsahem velmi jemných stejnozrnných částic kulovitého tvaru. Před spalováním je uhlí rozemleto v mlýnech a vháněno do kotle proudem horkého vzduchu, přitom je spalováno za teploty (1500 ± 200)°C. Reakce závisí nejen na teplotě, ale také na typu spalovaného uhlí, velikosti pomletých spalovaných částic a době spalování. Spalování vytváří dva typy druhotné suroviny: − klasický úletový (polétavý) popílek (cca 80% ze vzniklého druhotného materiálu) a − ložový popel někdy nazývaný jako popelová struska (cca 20%). − Celkový hmotnostní obsah vzniklých druhotných surovin je cca 30% celkové hmotnosti spáleného uhlí.

1

Dušan Stehlík, Ing., Ph.D., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací, [email protected]

71

pomleté (rozdrcené) uhlí tepelná elektrárna

horký vzduch

elektrostatické filtry

uhlí do komína

výsypky popílku uletový popílek ložový popel

Obrázek 1 – Schéma elektrárny používající drcené (práškové) uhlí

Vlastnosti popílku a ložového popela Suchý úletový popílek má obvykle charakter velmi jemného prachu, měkkého na dotek s více méně čistě šedivou barvou přecházející v některých případech do krémově hnědé až šedo-černé barvy, což způsobuje nevypálený oxid železa, koncentrace uhlí a obsah vody. Fyzikální vlastnosti závisí na : − chemickém složení složek uhlí, − stupni pomletí uhlí, − typu kotle, − teplotě spalování, − systému dopravy popílku z tepelné elektrárny. Průměrná zrnitost nemletých elektrárenských popílků je srovnatelná s používaným portlandským cementem a to od 0,2 do 200 μm průměru částic. Specifický povrch (hodnota podle Blaina) je většinou mezi 2200 až 4000 cm2/g, ale i vyšší od 5000 do 8000 cm2/g, což závisí na typu elektrárny. Zdánlivá objemová hmotnost částic je do 890 kg/m3 a specifická hmotnost částic je 2000 až 2900 kg/m3. Objemová hmotnost sušiny zhutněného popílku při optimální vlhkosti je 1100 až 1300 kg/m3. Ložový popel - je zrnitý materiál s porézní povrchovou texturou. Velikost částic je různá a pohybuje se mezi jemnozrnným štěrkem až jemnozrnným pískem s nízkým obsahem částic menších než 0,063 mm. Je to dobře zrněný materiál s hlavní složkou velikosti písku. 72

Měrná hmotnost ložového popela závisí na chemickém složení. Pokud se zvyšuje obsah uhelných zbytků snižuje se měrná hmotnost, běžné hodnoty se pohybují do 2100 – 2700 kg/m3. Ložový popel s nízkou měrnou hmotností se rychleji rozpadá pod aktivním velkým zatížením. Základní laboratorní zkoušky určující vhodnost použití připraveného ložového popela do pozemních komunikací: −

maximální objemová hmotnost suchého zhutněného materiálu: 1210 až 1620 kg/m3

−

optimální vlhkost : 12 až 24%

−

otlukovost LA: 30-50%

−

síranová ztráta: 1,5 až 10%

−

úhel vnitřního tření: 38 až 42°

−

poměr únosnosti CBR: 40 až 70%

− koeficient propustnosti: 10-2 až 10-3 cm/sec Chemické složení popílku a ložového popela je velmi variabilní. V podstatě mluvíme o základních složkách : SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO a uhlí, v menším množství je to MgO, SO3, Na2O a K2O obvykle do 5% hm. Jiné složky jako titanium, vanadium, fosfor, germanium, galium, atd. se objevují ve velmi malém množství. V souladu s chemickým složením a přítomností uhlí, může být popílek klasifikován jako popílek křemičito-hlinitý (s obsahem CaO do 10%), sírano-vápenatý (s obsahem CaO nad 20%) a křemičito-vápenatý. Nejdůležitějším z hlediska množství vyrobeného a recyklovaného množství je křemičito-hlinitý popílek. Nicméně klasifikace pro využití popílku jako pojiva má tendenci rozdělovat popílky podle obsahu vápna na „s vysokým obsahem CaO“ a „s nízkým obsahem CaO“. Existující rozdíly mezi oběma skupinami nepočítají jen s obsahem vápna, ale také s chemickým a minerálovým složením. Popílek musí mít hydraulický index mezi 0,15 a 0,40, aby mohl zasáhnout do hydraulické reakce jako její účinná složka. Hydraulický index je definován jako poměr mezi množstvím oxidu křemičitého, hlinitého a železitého a množstvím oxidu vápenatého a hořečnatého. Pucolánová aktivita jako jedna z nejdůležitější vlastností hodnocení hydraulické reakce je u křemičitano-hlinitý popílků vyšší než u mnohých přírodních a umělých pucolánových materiálů. Závisí na množství rozpustného křemičitano-hlinitého materiálu. Toto je jednou z hlavních příčin užití těchto popílků v cementech zpevněných materiálech.

73

Užití popílku v silničním stavitelství Poznatky z výzkumu SAMARIS uvádí použití popílků obvykle jako fileru nebo jako pojiva v podloží a podkladních vrstvách vozovek, jako jemné kamenivo v cementobetonových krytových vrstvách, nestmelených a stmelených podkladních vrstvách a do násypů. Pojivo Sírano-vápenatý popílek se obvykle používá jako hydraulické pojivo podobné cementu. Je používán jako příměs do směsí drceného kameniva spodních podkladních vrstev vozovek. V tomto případě bývá drcené kamenivo mícháno s 5,5% popílku a 5,5 až 6,5% vody. Dlouhodobé pevnosti jsou různé, maximální hodnoty pevností v prostém tlaku se pohybují od 15 do 18 MPa. V některých případech dochází ke zvětšování objemu, bobtnání což je pro použití do uvedených vrstev nevyhovující. Kamenivo Ve speciálním případě, když je elektrárenský popílek nebo ložový popel používán jako lehké kamenivo obvykle jako granulovaný popílek získaný „spékáním“ a „vytvrzením“. Spékání může být dosaženo setřásáním, drcením při zhutňování; vytvrzení je v současné době dosahováno vypalováním (teplota nad 900°C), při postupu hydrotermickou metodou (teploty mezi 100 až 200°C) a při studené metodě (teplota pod 100°C), případně příměsí aktivního pojiva. Při vysoké teplotě výroby tohoto lehkého kameniva se objemová hmotnost částic pohybuje od 1350 do 1650 kg/m3. Vyznačuje se vysokým obsahem mezer (cca 40%). Stmelené vrstvy Křemičito-hlinitý popílek se používá k výrobě stmelených směsí s hydraulickým pojivem. Ve Španělsku se např. používá směs drceného kameniva s 8-12% popílku, 2-3% vápenného hydrátu a 5-7% vody. Největších pevností je dosahováno s použitím drceného kameniva z přírodního vápence, kde po jednom roce dosahuje pevnost v prostém tlaku hodnot 20 MPa. Podkladní vrstvy z drceného materiálu smíchaného s popílkem nebo ložovým popelem, vápnem a vodou přinášejí tyto výhody: -

lehčí zhutnění (zpracovatelnost), protože popílek působí jakýmsi „mazivových efektem“;

-

pomalé tuhnutí a tvrdnutí s pomalým nárůstem tuhosti zhutněné vrstvy, což eliminuje vznik možných trhlin;

-

možnost pojíždění komunikace téměř okamžitě po zhutnění. 74

V některých evropských zemích (Dánsko, Španělsko) se popílek používá jako filer do asfaltových směsí. Množství použitého popílku v tomto konkrétním případě nejsou významná. Filer z popílku obvykle splňuje požadavky existujících norem, ale případné dávkování podílu fileru musí být přizpůsobeno specifickým fyzikálním vlastnostem popílku – jiná objemová hmotnost, atd. Při výrobě betonu do cementobetonových krytů vozovek pozemních komunikací působí příměs popílku jako aktivní část nebo neaktivní (výplňová) část. Aktivní obsah popílku umožňuje redukci množství cementu, snižuje teploty při hydrataci a tím snižuje riziko vzniku trhlin. Pro tyto betony je také charakteristické zlepšení jejich zpracovatelnosti. Mechanické vlastnosti těchto materiálů se vyznačují nízkými hodnotami počátečních pevností v prostém tlaku, které se ovšem v dlouhodobém srovnání vyrovnají s hodnotami pevností na betonech bez použití popílku. Delší doba tuhnutí a tvrdnutí betonů z popílkem může způsobovat problémy tam, kde se očekává rychlý nárůst únosnosti betonové konstrukce při extrémně zatížených konstrukcí. Neaktivní (výplňová) složka popílku se používá tam, kde je potřeba doplnit nebo upravit čáru zrnitosti. V tomto případě popílek ve směsi nahrazuje jemnou frakci drobného přírodního kameniva. Zde není tak důležité složení popílku, jako homogenita a citlivost na vodu plastické části směsi (velikost částic pod 0,5 mm).

Kontrola kvality elektrárenského popílku Kontrola kvality recyklace popílku zahrnuje následující postupy během výroby: - obsah vody může být velmi různý, závisí to na typu popílku, skladování a klimatických podmínkách; - obsah spalitelných látek zahrnuje malá zrna uhlí nebo sazí, které nemá přesahovat 8% hm. - měrný povrch (hodnota podle Blaina): obvyklá hodnota pro využití do podloží vozovky, případně do směsí kameniva, popílku a vápna je 2000 cm2/g - podsítné pod 0,04 mm: existuje slušná korelace mezi hodnotou podsítného a pucolánovou schopností popílků, Pro silniční úpravy má být hodnota propadu pod 0,04 mm vyšší než 40%; - chemické vlastnosti: mají být konstantní pro recyklovaný materiál z tepelné elektrárny. 75

Pozn. Barva je nedostatečným indikátorem kvality, šedo-černá barva neznamená nutně vysoký obsah spalitelných látek v popílku. U ložového popela vyvstává velký problém velmi různých vlastností a tím značně odlišných klasifikací recyklovaného ložového popela. V praxi to způsobuje rozdílné hodnoty vlhkostí, míry zhutnění, únosnosti, objemové hmotnosti zhutněného materiálu v technologické vrstvě. Ložový popel může obsahovat neodbouratelné pyrity („železné zbytky“), které jsou objemově nestabilní a rozpínavé. Pokud materiál vykazuje nízkou hodnotu pH, případně vyšší obsah solí, je to důležitá informace pro omezení použití v uvedených konstrukcích .

Vlivy na životní prostředí Samotná tepelná elektrárna s vysokými komíny, chladícími věžemi a skládkami uhlí narušuje přírodní ráz krajiny, ale daleko závažnější než vizuální vliv na krajinu a životní prostředí je likvidace odpadů. Největší množství odpadů tvoří produkty spalování, tj. popílek a popel. Dříve prováděné mokré ukládání popílku a škváry do odkališť negativně ovlivňovalo životní prostředí. Při nedostatečném zaizolování podloží odkališť docházelo ke znečišťování podzemních vod a následně povrchových vod průsaky škodlivých látek. Častá snaha využívat elektrárenský popílek a škváru k výrobě stavebních materiálů vedl bohužel ke zjištění, že škodlivé látky, které přešly v procesu spalování z uhlí do druhotného produktu způsobují nadměrné emise radonu v interiérech budov. Z těchto důvodů se ve vyspělých státech používá suchá ukládka produktů spalování a tyto jsou poté využívány pomocí vhodných technologií ke stavbě nejčastěji násypů, zpevňování nevhodných zemin v podloží, atd. Technologie je výhodná, protože nevznikají problémy s odkališti a zároveň se rekultivuje těžbou zdevastované prostředí.

Technické předpisy V zemích Evropy se běžně technologie použití popílku do pozemních komunikací popisuje v několika na sebe navazujících základních normách. Materiálová (výrobková) norma popisuje definice, složení, požadavky a specifikace na popílek jako vstupní materiál pro použití v PK. Norma na specifikaci určité vrstvy nestmelené nebo stmelené hydraulickým pojivem rozděluje popílek na plnivo a pojivo a shrnuje požadavky na vyrobenou směs a aplikační norma stanoví požadavky na zhutněnou vrstvu, kde je použit popílek v určité formě. V průběhu řešení projektu SAMARIS bylo vyhledáno 59 norem a předpisů souvisících s problematikou použití popílku ze spalování uhlí do pozemních komunikací v zemích EU, jejichž 76

seznam spolu s další použitou literaturou je obsahem dokumentu SAMARIS D29, 2005.

Stav užívání elektrárenských popílků v PK ČR Popílek nebo ložový popel (škvára) je možné použít pro stavbu násypu včetně aktivní zóny za určitých podmínek. Pro stavbu PK je lze aplikovat plavený popílek ze složišť po patřičném odvodnění a jen ten, který je těžen nad hladinou vody nebo popílek z odběrných míst v elektrárnách. Pro PK je přípustný pouze zdroj popílku, u něhož jsou po celou dobu odběru garantovány požadované vlastnosti jako např. limitní hodnoty chemických prvků z vodního výluhu prováděného podle metodiky popsané v TP 93. Pórovitost zhutněného popílku při zhutnění hutnící energií Proctor Standard musí být ≤ 65%. Zemní těleso provedené z popílku nebo popílkového stabilizátu (tj. směsi popílku, vody a pojiva – vápno, cement) by mělo být budováno na voděnepropustném podkladu, popřípadě chráněno těsnící vložkou tak, aby nedocházelo k vzlínání podzemní vody do tělesa. Boky násypu musí být chráněny min 0,8 m tlustou vrstvou nenamrzavé zeminy, chránící zemní těleso z popílku. Poměr únosnosti popílku nebo popílkového stabilizátu použitého do násypu musí být CBRsat ≥ 2%, výsledná hodnota závisí na vlastnostech popílku a použitého pojiva. Pro popílkový nebo popelový stabilizát do zemního tělesa (mimo aktivní zónu) lze saturaci zkušebního tělesa zaměnit za uložení ve vlhkém prostředí. V aktivní zóně (pokud je zahrnuta do nenamrzavé tloušťky vozovky) musí popílkový stabilizát splňovat minimálně parametry stabilizovaného podkladu kvality S III (podle ČSN 73 6125:1994). Při sledování namrzavosti jednotlivých směsí byla zjištěna závislost míry namrzavosti na čase od zhutnění popílkového stabilizátu. Popílkový stabilizát s příměsí 3% vápna (CaO) zkoušený podle ČSN 72 1191 byl po 90 dnech zrání nenamrzavý. V praxi to znamená, že zabudování (zhutnění) technologických vrstev násypu PK by mělo skončit 3 měsíce před prvními mrazy. Podle ČSN 73 6133 je umožněno do směsi popílkového stabilizátu použít energosádrovec. Je popisován jako síran vápenatý, vznikající při čištění kouřových plynů mokrou vápencovou vypírkou v elektrárnách a teplárnách. Energosádrovec lze použít pouze v kombinaci s cementem nebo vápnem za podmínek stanovených zvláštním předpisem. V ČR bylo uskutečněno několik zkušebních úseků a staveb PK, kde byl popílek aplikován do konstrukčních vrstev vozovek. Jednou z nejvýznamějších akcí bylo využití popílku do výplňové popílkové suspenze (popílek+cement+voda) stmelené podkladní vrstvy KAPS. Po několika 77

zimách byly zjištěny poruchy krytových vrstev vozovky. Jako příčinu těchto poruch označili nezávislí posuzovatelé nepropustnost a nasákavost (60% hm.) ztvrdlé popílkové suspenze, která vyplňuje kamenný skelet podkladní vrstvy. Krátkodobý mráz okolo -10 až -15°C stačí k tomu, aby po nasycení došlo k destrukci vazby mezi jednotlivými částicemi vytvrzené popílkové suspenze a vrstva rychle ztrácí požadovanou únosnost. Plně nebo částečně nasycená cementopopílková vrstva umožní sycení povrchu vrstvy pod asfaltovými vrstvami vodou a vytváření vrstvy ledu, která způsobí mrazový zdvih asfaltových vrstev. Po tání ledu ztrácí asfaltové vrstvy podepření. Byly tak naměřeny mrazové zdvihy dosahující výšky až 43 mm a bylo zaznamenáno úplné prolomení asfaltových vrstev. (POHANKA, 2003) Z tohoto důvodu v ČR nepanuje ohledně použití popílku jako skeletového materiálu do podkladních vrstev pozemních komunikací velký optimismus. Pro ověření uvedených nepříznivých vlastností popílkového stabilizátu byly na ústavu pozemních komunikací provedeny návrhy vhodných receptur pro použití popílkového stabilizátu (směsi vápna a popílku, s přídavkem cementu, energosádrovce a ložového popela - škváry). Po zhodnocení výsledků bylo doporučeno (ŘEZNÍČEK, 2001)využití směsí do podkladních vrstev a zemního tělesa pozemních komunikací. Čtyři navržené receptury dosáhly nejlepších výsledků:

P 1 Směs 3 % CaO (Kotouč Štramberk), 92% popílku ( ECHVA) a 5% energosádrovce ( ECHVA ) Rc1 = 2,74 MPa; Rc2 = 1,98 MPa; Rc3 = 1,67 MPa; n = 37,7 %

P 2 Směs 3 % CaO ( Kotouč Štramberk ), 1% CEM II B/S 32,5 R – Mokrá, 71% popílku ( ECHVA) a 25% energosádrovce (ECHVA) Rc1 = 3,06 MPa; Rc2 = 1,98 MPa; Rc3 = 2,29 MPa; n = 47,5 %

P 3 Směs 3 % CaO (Kotouč Štramberk ), 5% CEM II B/S 32,5 R –Mokrá, 67% popílku (ECHVA) a 25% energosádrovce (ECHVA) Rc1 = 4,88 MPa; Rc2 = 4,00 MPa; Rc3 = 4,89 MPa; n = 44,9 %

P 4 Směs 5 % CaO (Kotouč Štramberk ), 87 % popílku ( ECHVA ), 5% energosádrovce ( ECHVA ) a 5 % ložové škváry ( ECHVA ) Rc1 = 5,23 MPa; Rc2 = 3,14 MPa; Rc3 = 2,97 MPa; n = 41,5 % Pozn. ECHVA – Elektrárna Chvaletice ČEZ, a.s. Rc1 … pevnost v prostém tlaku za sucha po 28 dnech zrání; Rc2 … odolnost proti mrazu a vodě po 60 dnech zrání a 7 dnech mrazových cyklů při -10 °C; Rc3 … pevnost v prostém tlaku po 28 dnech a 5 hodinové saturaci vodou; n … nasákavost v % hm. 78

Výsledky pevností v prostém tlaku u směsi P2 a P3 splňují požadavky pro stabilizované podklady, což je způsobeno směsným pojivem z cementu, vzdušného vápna a energosádrovce. Možné použití uvedených receptur podle výsledků zkoušek pevností v prostém tlaku: - stmelené spodní podkladní vrstvy (použití jako stabilizace S III) s tím, že není vhodné vrstvu vystavovat přílišnému sycení vodou a promrzání, což vychází z měřených pevností po saturaci a mrazových cyklech, - násypy zemního tělesa, - aktivní zóna zemního tělesa, - obsyp inženýrských staveb. Pro ověření možností využití popílku jako pojiva do nevhodné zeminy v podloží vozovky pozemní komunikace byly výzkumné práce na Ústavu pozemních komunikací zaměřeny na zkoušení poměru únosnosti CBR a namrzavosti přímou metodou. Výsledky, tak jak jsou uvedeny na obrázku 7 vypovídají o zvýšení únosnosti jemnozrnné zeminy s příměsí popílku (MUNDIL, 2005). 70,0

2000 1840

IBI, CBR, pH, vlhkost

1900 1770

1750

50,0

45,0

1800 1700

45,0

1600

40,0

1500 28,0

30,0 16,7

20,0

25,0

7,0

1400

16,7

1300

12,6

12,0 10,0

27,0

24,0

10,9

10,4

7,9

11,9

11,2

Objemová hmotnost

1840 60,0

1200 1100

0,0

1000 bez zlepšení

IBI [%]

CBR [%]

popílek 8% pH

popílek 10%

popílek 12%

objemová hmot. suché zem. [kg/m3]

vlhkost vzorku [%]

Obrázek 7 – Hodnoty CBR a IBI podle ČSN EN 13286-47 -zeminy zlepšená popílkem při zamezení odpařování Pozn. CBR je poměr únosnosti stanovený na zhutněném materiálu při optimální vlhkosti zhutnění ponechaný 4 dny při této vlhkosti; IBI je okamžitý index únosnosti, stanovený bez zrání a bez přítížení zkušebního tělesa závažím ihned po zhutnění.

79

Závěr Popílky vzniklé při spalování uhlí v tepelných elektrárnách jsou obecně v Evropě a v ČR lokálně používaným materiálem na zlepšení vlastností nevhodných materiálů (jako pojivo, příp. plnivo) při výstavbě pozemních komunikací. V pracích ústavu jsme se zaměřili na prokázání vhodné úpravy popílku vápnem, účinku popílku na zlepšení nevhodné zeminy v podloží a také na stanovení vhodného složení vrstvev s použítím popílku a energosádrovců v podkladní vrstvě vozovky. Pro použití konkrétního popílku v PK je třeba zpracovat průkazní zkoušky týkající se konkrétního použití, které se z důvodů použití druhotného odpadního materiálu doplňují o zkoušky v praxi ne zcela běžné (vyluhovatelnost, stanovení namrzavosti přímou metodou, použití mrazových cyklů, stanovení namrzavosti - obojí případně pro nasycení vodou, apod.). Použití popílku značně eliminuje ekologickou zátěž, protože je většinou uskladněn na složištích v podobě popílkového stabilizátu nebo v zatopených odkalištích s velkými nároky na ochranu životního prostředí zejména kvality podzemní vody.

Použitá literatura ČSN 73 6133 Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací, 1998 TP 93 Návrh a provádění staveb pozemních komunikací s využitím popílků a popelů (1997, revize 2001) ŘEZNÍČEK, J.: Návrh podkladních vrstev vozovek z odpadních materiálů, diplomová práce, VUT v Brně, FAST, Ústav stavebních hmot a dílců, 2001 MUNDIL, P., Využití druhotných surovin jako pojiva do pozemních komunikací, diplomová práce, VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací, 2005 POHANKA, M., Diagnostika vozovky Pražské radiály, diplomová práce, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemních komunikací, 2003

80

VYUŽITÍ OJETÝCH PNEUMATIK VE STAVBĚ PK Jan Kudrna 1 Tento příspěvek vychází z materiálu D29, který zpracoval sám autor.

Skládka ojetých pneumatik Primární redukce pneumatik

Užití ojetých pneumatik v násypu Drcená guma uvedené zrnitosti

Původ materiálu Ojeté pneumatiky většinou pochází z osobních a nákladních automobilů a strojů s pneumatikovým podvozkem. Jsou to pneumatiky, které ukončily svou životnost. Směrnice EU 1999/31 o ukládání odpadů zakazuje celé pneumatiky ukládat na skládky. Směrnice 2000/76 o spalování odpadů umožňuje spalovat pneumatiky v cementárenských pecích s výjimkou pecí s mokrým způsobem. Směrnice 2000/53 o ojetých automobilech ukládá před jejich likvidací odstranit z vozidla pneumatiky. Dodržováním směrnic vzniká velké množství pneumatik určených k likvidaci (na světě končí svou životnost ročně více než 1 miliarda pneumatik). Jan Kudrna, doc. Ing., CSc., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací [email protected]

81

Recyklace Recyklace znamená přeměnění ojetých pneumatik na použitelný materiál jakýmkoliv procesem. Vlastnosti materiálu z ojetých pneumatik Hlavní fyzikální vlastností je nízká hmotnost získaného materiálu a jeho pružné chování. Materiál je vysoce výhřevný (podobně jako uhlí). Pneumatiky sestávají ze směsi přírodních a syntetických kaučuků, plnidel, jako jsou saze, síra, polymery, oleje, parafin, pigmenty, ocelová výztuž a polymerní vlákna. Proces vedoucí k recyklaci Ojeté pneumatiky mohou být použity celé, podélně rozříznuté, natrhané v kusech, v podobě drcené nebo mleté gumy. Všechny procesy znázorňuje schéma v obrázku 1.

Obrázek 1 – Různé typy recyklovaný materiálů z ojetých pneumatik Recyklovaný materiál Rozříznuté pneumatiky (slit tyre). Pneumatiky jsou rozříznuty řezačkou na dvě půlky nebo zůstanou jen bočnice a běhoun je odstraněn. Velké nebo malé kusy (tyre shreds or chips). Mezi dvěma válci se smykovými silami na řezných hranách pneumatiky trhají (viz 3. obrázek na začátku příspěvku). Primární trhání vytvoří nepravidelné velké kusy pneumatik, sekundární trhání vytvoří kusy jednotné velikosti. Na trhaných hranách kusů je vždy viditelná ocelová výztuž nebo vlákna z pneumatik. Drcená guma (ground rubber). Pravidelná kubická zrna s relativně 82

malým povrchem zrn. Získá se drcením, tříděním, magnetickou separací ocelové výztuže a vyfoukáním vláken tvořících kostru pneumatiky. Mletá guma (scrumb rubber). Používají se válcové mlýny k rozmělnění pneumatik za běžné teploty nebo drcení při teplotě – 87 °C. Mletí při běžné teplotě vytváří zrna s vysokým specifickým povrchem (lze je také použít jako absorbéry olejů), drcení po zchlazení kapalným dusíkem vytváří zrna s křehkým hladkým lomem. Pro modifikaci asfaltu se musí použít drcená guma s vysokým specifickým povrchem. Velikost a tvar částic recyklovaného materiálu je obsahem tabulky 1 Tabulka 2 – Velikost a tvar různých materiálů z ojetých pneumatik Materiál Řezaný Velké kusy Malé kusy Gumový granulát drcený Gumový granulát mletý Prach Jemný prach

Velikost větší než 300 mm 50 mm – 300 mm 10 mm – 50 mm

Tvar a povrch plochý plochý a nepravidelný plochý a pravidelný

0,15 mm – 16 mm 0,063 mm – 6 mm menší než 1 mm menší než 0,5 mm

kubický a pravidelný velká povrchová plocha velká povrchová plocha velká povrchová plocha

Fyzikální vlastnosti materiálů Důležité fyzikální vlastnosti jsou: - Objemová hmotnost materiálu (hustota) je v rozmezí od 1 100 kg/m3 do 1 300 kg/m3, vysoký obsah oceli zvyšuje hmotnost materiálu. - Objemová hmotnost zhutněného materiálu je 300 kg/m3 až 750 kg/m3. To představuje jednu třetinu až čtvrtinu běžné objemové hmotnosti násypu z přírodních materiálů. Smyková pevnost. Úhel vnitřního tření menších kusů (chips) stanovený doposud malým počtem zkoušek je 19° až 25°. Vystupující ocelová výztuž z jednotlivých útržků zvyšuje vnitřní tření. Hodnoty koheze byly stanoveny od 7,6 kPa do 11,5 kPa, ačkoliv pro vznik koheze se vyžaduje výrazná deformace. Stlačitelnost. Kusy pneumatik (shreds and ships) jsou v počátečním stavu zatížení velmi stlačitelné, ale následné zatěžovací cykly snižují deformaci. Modul pružnosti má hodnoty 770 kPa až 1 250 kPa. - Propustnost. Koeficient hydraulické propustnosti menších kusů má hodnoty 1,5 cm/s až 15 cm/s, v závislosti na mezerovitosti vrstvy. Propustnost odpovídá čistému štěrku.

83

Chemické vlastnosti materiálů Mletý a drcený gumový granulát se skládá pouze z gumy; vlákna a ocel jsou separovány. Soubor chemických vlastností, které jsou podstatné pro pozemní stavitelství a použití recyklovaných ojetých pneumatik při výstavbě obvykle souvisí s jejich chemickým složením. Důležitými charakteristika-mi jsou jejich potenciální reaktivita a vliv na přírodní prostředí. Potenciální reaktivita: Kusy pneumatik jsou v běžných podmínkách životního prostředí nereaktivní, protože jsou směsí přírodního a syntetického kaučuku. Pokud se mletá guma smísí s asfaltem, je produkt často označován jako gumoasfalt. Pokud se asfalt a mletá guma označovaná jako modifikátor z ojetých pneumatik (CRM) smíchají, pak dojde k reakci způsobující bobtnání a měknutí částic gumy. Tato reakce je ovlivněna: a) teplotou, při které dochází ke smísení, b) dobou trvání zvýšené teploty, c) typem a dobou mechanického mísení, d) velikostí a texturou CRM a e) aromatickými složkami obsaženými v asfaltu. Samotná reakce zahrnuje absorpci aromatických olejů z asfaltu do polymerních řetězců, které obsahují hlavní strukturální složky přírodního a syntetického kaučuku. Zvětšení plochy povrchu částic CRM může zvýšit i rychlost reakce mezi CRM a asfaltem. Oxid zinečnatý, který je užíván při výrobě pneumatik jako ztužující činidlo, může v důsledku vyluhování ovlivňovat životní prostředí. Při použití v konstrukci vozovky toto nebezpečí neexistuje. Kontrola jakosti materiálů Metody recyklace použité v každém recyklačním zařízení, musí být popsány v Příručce jakosti výrobce, která je nejdůležitějším dokumentem pro jakost. U některých aplikací recyklovaných materiálů je nutné použít pouze definované typy pneumatik, protože poměr obsahu přírodního a syntetického kaučuku je velmi důležitý. Kontroluje se velikost částic nebo čára zrnitosti. Pokud se týče drcené nebo mleté gumy, kontroluje se obsah oceli a vláken.

Použití materiálů k recyklaci Materiály získané z ojetých pneumatik lze užít v konstrukci vozovky. Celé 84

pneumatiky, podélně rozříznuté pneumatiky, velké a malé kusy pneumatik mohou být použity v násypech, v antivibračních vrstvách a drenážních konstrukcích. Rozemleté a drcené pneumatiky lze použít jako kamenivo do asfaltových směsí a jako příměs pro úpravu asfaltového pojiva. Celé nebo rozříznuté pneumatiky Celé pneumatiky byly užity také pro konstrukci opěrných zdí. Byly použity i pro stabilizaci ploch krajnic vozovky a pro zajištění ochrany svahu příkopů. U každé aplikace jsou celé pneumatiky stohovány na sebe ve svislém směru. Pneumatiky uložené vedle sebe jsou poté spojkami vzájemně spojeny v podélném směru a do otvorů pneumatik se použijí kovové tyče, které se ukotví v podložní zemině. Každá vrstva pneumatik se při stavbě zaplní zhutněným zásypem. Podélně proříznuté pneumatiky mohou být užity jako výztuž v násypech a kotvených opěrných zdech. Násypy se posuzují podle zásad vyztužených zemních těles. Ve vyztužených násypech mohou být boční stěny drženy pomocí kovových spon. Boční strany vzájemně propojených pásů nebo rohoží z pneumatik mají velmi vysokou pevnost v tahu. V opěrných zdech drží boční stěny kotvicí kovová tyč. Kusy z pneumatik Tyto materiály mohou být užity jako lehký ekologicky nezávadný materiál, který lze použít jako náhradu tradičního stavebního materiálu (zemina, štěrk atd.) v následujících aplikacích: - materiál pro lehký násyp a zásyp, zásyp opěr mostu, - drenážní materiál, - na tepelnou izolaci a - na antivibrační účely a konstrukce sloužící k pohlcování zvuku. Granulát nebo prach do asfaltových směsí vyráběných za horka Drcený nebo rozemletý granulát nebo prach z pneumatik jsou užívány v asfaltových směsích po více než 30 let. Takto recyklované pneumatiky mohou být zabudovány do asfaltové směsi za horka dvěma různými metodami: způsobem nazývaným za mokra nebo za sucha. U postupu za mokra působí mletá guma jako asfaltový modifikátor, zatímco u postupu za sucha je granulovaná a/nebo rozemletá guma užita jako část jemného kameniva. V obou případech je někdy guma považována za modifikační přísadu (Crumb Ruber Modifier – CRM), protože její použití modifikuje vlastnosti výsledné asfaltové směsi vyráběné za horka. Postup za mokra lze použít jak pro asfaltové směsi, tak i pro nátěry 85

a postřiky. Postup lze také použít k přípravě gumoasfaltových zálivek k těsnění spár, které nejsou zahrnuty v tomto příspěvku. V postupu za mokra se mletá guma míchá s asfaltem (obvykle v množství 18 % až 25 %) před dávkováním pojiva do míchačky obalovny. Po smíchání asfaltu s modifikační přísadou se nastartuje reakce popsaná v části příspěvku chemické vlastnosti. Primární charakteristikou gumoasfaltové směsi je viskozita, která se používá k monitorování reakce. Stanovená doba reakce je minimální doba za předepsané teploty, která je zapotřebí ke stabilizaci viskozity pojiva. V porovnání s postupem za mokra je suchý postup mnohem méně populární. Přesto tento způsob zajišťuje spotřebu většího množství recyklované gumy a je z hlediska logistiky snadnější než postup za vlhka a proto je potenciálně dostupný pro mnohem širší trh. Suchý postup může být použit pro asfaltové směsi za horka s plynulou čárou zrnitosti (v asfaltovém betonu) nebo s přerušovanou čárou zrnitosti, jako je asfaltový koberec mastixový. Nelze ho použít v jiných aplikacích asfaltu, jako jsou směsi za studena nebo nátěry. V suchém postupu se používá granulát a/nebo mletá guma jako náhrada malého množství drobného kameniva (obvykle 1 % až 3 % hmotnosti celkového množství kameniva ve směsi). Částice gumy se smísí s kamenivem před přidáním asfaltu. Pokud se použije guma z pneumatik jako část podílu kameniva v asfaltové směsi za horka, je výsledný produkt někdy označován jako asfaltový beton modifikovaný gumou (RUMAC). Jiné použití materiálů z pneumatik Použití ojetých pneumatik v jiných oborech stavitelství je rovněž zajímavé. I když tyto druhotné aplikace by neměly být považovány za materiály pro stavbu vozovky, jak je cílem tohoto příspěvku, ale díky vazbě na pozemní komunikace si zaslouží alespoň zmínku. Ojeté pneumatiky představují dostupný zdroj levného materiálu, který se po regeneraci gumy nebo použitím pojiva užívá v silničním bezpečnostním zařízení, na železničních přejezdech, v tlumících kobercích apod., nebo jako pružné kamenivo v umělém trávníku pro sportovní a dětská hřiště. Zvláštní požadavky pro navrhování a provádění Ve všech aplikacích materiálu z ojetých pneumatik je třeba respektovat fyzikální a mechanické vlastnosti materiálů. Hlavním přínosem užití materiálů z ojetých pneumatik je: - nízká hmotnost materiálu v zemních konstrukcích, - asfaltovým směsím přináší vyšší odolnost vůči únavě, tvorbě trvalých deformací a tvorbě mrazových trhlin. 86

Problémem z hlediska stavby je: - nízká objemová hmotnost materiálů z ojeté pneumatiky a nízký modul pružnosti, obojí vede k obtížnému hutnění materiálů a ke stlačitelnosti vrstvy, - technologie produkce asfaltové směsi za horka vyžaduje přesné dodržení všech teplot, doby míchání a skladování, - v průběhu míchání a skladování se směs stává velmi lepivou, přeprava, pokládka a hutnění je obtížnější, - obzvláště výroba asfaltové směsi postupem za sucha vyžaduje dokonalou výrobu a organizaci pokládky a hutnění, - hutnění asfaltových směsí se do určité míry liší od hutnění běžných směsí a pokud je pórovitost vyšší, než je pórovitost požadovaná, může dojít ke korozi a výtlukům. Kontrola jakosti Řízení jakosti užitých materiálů z ojetých pneumatik na staveništi je stejná jako pro přírodní kameniva, tzn., že jsou požadována měření geotechnických vlastností nebo vlastností asfaltových směsí za horka. Někdy může kontrola objemové hmotnosti a požadované objemové hmotnosti vrstvy zemního tělesa představovat problém.

Vlivy na životní prostředí Užití ojetých pneumatik při výstavbě vozovky nabízí ve srovnání se skládkováním nebo energetickým využitím pneumatik nesporné výhody z hlediska ochrany životního prostředí. Ojeté pneumatiky Ojeté pneumatiky jsou uvedeny na seznamu odpadních materiálů v Evropském katalogu odpadních materiálů pod kódem 16 01 03 a jsou považovány za odpad, který není škodlivý. Materiál z recyklace ojetých pneumatik je jednou z metod, které umožňují zastavit skládkování ojetých pneumatik. Skládkování je nebezpečné z hlediska možnosti vzniku požáru, který může způsobit vážné znečištění ovzduší. Materiály z pneumatik Všechny recyklační metody produkují využitelné materiály, nedochází k produkci jiného odpadu. Z hlediska životního prostředí nedochází k negativnímu vlivu a recyklované materiály nejsou považovány za nebezpečné.

87

Materiály po zabudování Užití recyklovaných ojetých pneumatik v konstrukci vozovky má následující výhody: - pokud jsou v silniční konstrukci použity celé pneumatiky, pneumatiky podélně rozříznuté nebo ve velkých a malých kusech dochází ke snížení množství užívání přírodních materiálů a omezuje se zábor půdy pro stavbu PK, - pokud se drcená a/nebo mletá guma použije v povrchu PK z asfaltové směsi, lze očekávat snížení dopravního hluku v důsledku silničního provozu a větší odolnost povrchu vůči náledí.

Používání pneumatik v ČR Odhaduje se, že se má v ČR ročně likvidovat 50 000 t až 70 000 t pneumatik všech typů. Neexistuje žádná evidence ani podporovaný systém sběru a likvidace ojetých pneumatik. Pokud ojeté pneumatiky neskončí pohozeny v přírodě nebo na skládkách, tak jsou převážně likvidovány spalováním v cementárenských pecích. Jen malá část pneumatik (cca 4 000 t) prochází zpracováním na mletou gumu, kterou lze využít při výrobě hutněné asfaltové směsi do obrusné vrstvy vozovek. Popis a vlastnosti asfaltové směsi s přídavkem drcené gumy Pro tuto asfaltovou směs pod označením RUBIT® byly vytvořeny podmínky pro její výrobu a pokládku a byly vydány TP 148 [1]. Jedná se o výrobu asfaltové směsi typu asfaltový koberec mastixový, kde část kameniva do 4 mm je nahrazena drcenou gumou přidávanou do míchačky obalovny. Drcená guma tvoří jednak náhradu části kameniva a nejjemnější částice částečně modifikují pojivo, pojivo se stává méně teplotně závislé a na úkor viskózního přetváření vystupuje do popředí pružná složka přetváření. Při zkoušení směsi RUBIT® v silniční laboratoři [2] se sice vyskytovaly s jejím hutněním, nakonec se zkušební tělesa pro funkční zkoušky připravila v lamelovém zhutňovači podle EN 12697-33. Stanovené hodnoty modulu tuhosti, fázového úhlu charakterizujícího vazké a pružné přetváření, odolnost vůči vodě, tvorbě trvalých deformací a únavě zařadily tuto směs mezi nejlepší směsi vůbec v ČR zkoušené. Zejména zajímavou vlastnost směs vykazovala při zkoušce odolnosti proti tvorbě mrazových trhlin, obsažená zrna gumy zakotvená do směsi nedovolila zkušebnímu tělesu se až do teploty – 40 °C přetrhnout, přičemž všechny doposud zkoušené směsi se porušily trhlinou v rozmezí teplot – 3 °C až – 30 °C. Zkoušením směsi položené na vozovku se zjistilo, že směs při odvalování pneumatiky vytváří nižší dopravní hluk. V literatuře se také popisuje, že 88

směs má výhodnější vlastnosti v zimě, zrna gumy na povrchu snižují možnost náledí a povrch se rychleji účinkem záření zahřívá. Výsledky realizovaných obrusných vrstev První pokládky této asfaltové směsi se uskutečnily v roce 1998. Směs se ukázala jako realizovatelná v běžných podmínkách stavební výroby. Od roku 1999 bylo pak různými zhotoviteli položeno množství úseků. V roce 2002 byly prakticky položeny poslední úseky. Od té doby se traduje, že směs s přídavkem drcené gumy nezaručuje trvanlivost a přestala se provádět. Přehled některých úseků je v tabulce 2 přejaté z [3] uvedené na konci tohoto příspěvku Co bylo příčinou tak špatných zkušeností? Jak už bylo zjištěno v laboratoři, směs se obtížně zhutňuje rázovým hutněním, je nutno ji zhutňovat staticky nebo hnětením. Směs vykazuje výrazné „zlomení“ vlastností, stane se po několika přejezdech válců plastickou, vytváří před válcem vlnu, válec směs hněte jako dřívější asfaltové betony s vysokým obsahem asfaltu navrhované pomocí válečkové zkoušky (před rokem 1978). Tímto způsobem se povrch zdánlivě přesytil asfaltovým tmelem, vznikala „přemaštěná“ místa. Po vychladnutí se sice textura smrštěním tmele částečně vytvořila, z povrchu v každém případě vystupovala větší zrna gumy. Přesto se zhutňování buď ukončovalo, nebo se provádělo až po částečném vychladnutí směsi. Výsledkem byla vysoká mezerovitost vrstvy, do vrstvy pronikala voda a díky zrnům z gumy se stlačitelností při zatížení mohla vrstva jistým způsobem „pumpovat“ s tím, že byla z vrstvy vytlačována a zpětně nasávána voda. Na povrchu se projevil nový vývoj porušení. Mokrá místa se v krátké době proměnila v nestabilní směs, objevily se trvalé deformace a mozaikové trhliny a směs se rychle rozpadla a vytvořil se výtluk; tento mechanizmus porušení dobře dokumentuje následující obrázek 1. Odlišný vzhled nedobře zhutněné a správně zhutněné směsi dokumentuje obrázek 2. Detailním rozborem porušených a neporušených vozovek byla stanovena doba životnosti povrchů v závislosti na mezerovitosti vrstvy, jak udává tabulka 3.

89

Obrázek 1 – Rychlý vývoj porušení obrusné vrstvy při mezerovitosti vyšší než 6 %. Tabulka 3 – Mezerovitost, popis a předpokládaná doba životnosti vrstvy RUBIT®. Mezerovitost < 3%

3 % to 5 % (6) *) >5% (6%)*)

Popis povrchu Povrch má částečně uzavřenou texturu Dobrá makrotextura Povrch je otevřený, nasáknutí vody Nasákavá vrstva

Možné poruchy Žádné změny po 7 letech užívání Vypírání asfaltového tmele Koroze, trhliny a výtluky během 3 až 5 let užívání Koroze, trhliny a výtluky během 3 let užívání

*) Mezerovitost 6 % platí pro směs zrnitosti 0/8

Závěr Ojeté pneumatiky lze využívat také jako materiál pro výstavbu pozemních komunikací. V příspěvku jsou uvedeny možné způsoby od výstavby zemních těles s nízkou hmotností, vyztužených násypů, protihlukových valů, antivibračních vrstev a pro modifikaci asfaltů. V ČR jako zřejmě jediné zemi v Evropě se používala drcená guma jako přídavek do asfaltové směsi. Zkušenosti jsou jak dobré, tak velmi špatné. 90

Autor se přesto domnívá, že technologie má svou budoucnost. Nové možnosti využití také může přinést technologie přidávání mleté gumy do asfaltu, tedy výroba asfaltové směsi způsobem „za mokra“.

Obrázek 2 – Vliv odlišného zhutnění vrstvy s detaily povrchu Literatura 1. Kudrna, J., Urbanec, K. Hutněné asfaltové směsi s přídavkem drcené gumy z pneumatik, TP MD ČR 148, 2001 2. Kudrna, J., Urbanec, K. Hutněné asfaltové směsi s přídavkem drcené gumy z pneumatik, Sborník z konference Asfaltové vozovky, České Budějovice, 1999 3. Kudrna J. Technology of ground waste tyres usage in bituminous mixtures for road construction, in Technical Manual for the Use of Postconsumer Tyre Materials in Civil Engineering and Road Construction Applications, University of Roma, La Sapienza (2005).

91

Tabulka 2 – Přehled úseků s vrstvou RUBIT®, jejich stav a porušení s předpokladem dalšího vývoje stavu Realizace Číslo silnice a název úseku

rok

Zrnitost

Počet těžkých vozidel (>3,5 t) plocha, 2 za 24 h m

No 1998 0/11 1 000 1 II/603, Jesenice 2 Praha, Vídeňská ul. 1998 0/11 18 000 3 III/01873 Hrachovec 1999 0/11 3 000 4 I/35, DEZA

Stav povrchu v roce 2004

Předpokládaný budoucí vývoj

21 899/2120

Lokální koroze

velmi dobrý

35 000/3 000

Lokální koroze

běžná údržba

Beze změn

velmi dobrý

400/40

Nová vrstva na 30 % plochy, malá tloušťka nebo porucha ložní vrstvy Zesílení železobetonových panelů, žádné trhliny nebo změny povrchu Koroze na počátku pokládané vrstvy, jinak žádné změny

1999

0/11

5 000

9128/2940

5 výrobků

1999

0/8

1 500

80/15

6 II/487, Karolinka

2000

0/11

8 000

2 638/203

7 III/04816, Kojetín 8 III/04803, Příbor

2000

011

25 000

200/30

Výtluky v případě nižší tloušťky než 15 mm

velmi dobrý

2000

0/11

16 000

300/40

300 m otevřená středová spára

velmi dobrý

Sklad ocelových

9

II/210, Jindřichovice – Kraslice

10 I/35, Hranice I/37, Chrudim –

11 Slatiňany

II/358, Zaječice -

12 Orel 1)

lokální opravy velmi dobrý velmi dobrý

2

2000

0/11

60 000

2 397/171

2002

0/11

15 000

9 506/2 389

2002

0/11

21 000

10 958/1 292

2002

0/11

15 000

4 860/303

Koroze, na 2 000 m byla v roce 2002 položena nová vrstva Nová vrstva na 15 % plochy úseku, vývoj výtluků je dokumentován v obrázku 1 Koroze; na 20% plochy úseku je položena nova vrstva obrusné vrstvy Polovina sekce trpí korozí, viz obrázek 2

Přesně uvedené počty těžkých vozidel pochází ze sčítání doprav

92

dobrý špatný špatný dobrý, velmi dobrý

ODPADNÍ SKLO A JEHO MOŽNÉ UŽITÍ PŘI STAVBĚ PK Jan Kudrna 1

Úvod Z průmyslových odpadů uvedených v přehledu se zbývá zmínit o odpadním skle. Jeho použitím se zabývají výzkumné práce již od 70tých let, zejména v USA. Sklo pochází z odděleného sběru použitého skla a pro recyklaci se připravuje drcením na velikost do 50 mm. Obvykle 90 % takto připraveného materiálu se recykluje ve sklárnách, přesto nachází toto sklo uplatnění ve stavebnictví a také v pozemních komunikacích. Drcené sklo tříděné do frakcí nabízí podobné vlastnosti jako má drcené přírodní kamenivo. V D29 je odpadnímu sklu věnována více než 20tistránkový přehled, který zpracoval CEDEX, Španělsko. Přehled se zaměřuje na použití odpadního skla v asfaltových směsích, v betonu, v nestmelených vrstvách vozovek a zemních tělesech. V tomto příspěvku je zpracován jen stručný výtah k charakterizování problematiky. Ve všech odpovědích dotázaných zemích CEE je zdůrazněno, že o použití skla do stavby PK neuvažují. Vlastnosti odpadního skla a recyklovatelného materiálu Odpadní sklo pocházející obvykle ze znečištěných, rozbitých lahví a tabulového skla je drceno na běžné frakce jako kamenivo. U hrubých frakcí se vyskytuje 20 % až 30 % plochých zrn u jemných jen mizivé procento. Sklo jsou tavené oxidy s největším obsahem SiO2 s přídavkem dalších oxidů podle druhů skla (CaO, MgO, Na2O, B2O3, PbO a další). Sklo je odolné proti kyselinám, ale pro portlandský cement je agresivní. Důležité je zmínit, že drcené sklo obsahuje znečištění, přičemž nevhodné jsou organické látky (papír, textil, korek, plasty apod.). Při použití do betonu je nebezpečný obsah příměsi cukru. Z hlediska mechanických vlastností ve směsi s přírodním kamenivem dává drcené sklo podobné vlastnosti jako směs bez náhrady přírodního kameniva sklem (CBR, úhel vnitřního tření). Otlukovost drceného skla podle zkoušky Los Angeles se ovšem pohybuje nad 50 %. Při dávkování se nesmí opomenout nižší kusová objemová hmotnost skla (menší než 2 500 kg/m3). Jan Kudrna, doc. Ing., CSc., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací [email protected]

93

Použití odpadního skla Odpadní sklo musí být před praktickým použitím seriózně odzkoušeno (jedná se zejména o možnost reakce drceného skla s alkáliemi v cementu). Zemní těleso Drcené sklo se doporučuje v zrnitosti menší než 19 mm, aby se omezilo nebezpečí, které mohou způsobit ostré hrany skla. Příměsi, jako jsou železné a neželezné kovy a organické látky, jsou obvykle limitovány množstvím do 5 % hmotnosti materiálu. Použití drceného skla bez smíchání s přírodním kamenivem není ve světě dokumentováno. Nestmelené vrstvy Je možno použít drcené sklo zrnitosti do 4 mm, které je smícháno s přírodním kamenivem a tvoří pak materiál pro nestmelené vrstvy. I v tomto případě nedochází k masivnímu použití a hodnocení příznivých vlastností vychází jen z laboratorních zkoušek. Beton Nebezpečím pro beton je možná alkalicko-křemičitá reakce s hydraulickým pojivem a zmenšení pevnosti vlivem obsahu cukru v drceném skle. Proto se drcené sklo musí čistit, přidávat minerály zabraňující reakci (nebo vybírat vhodné sklo, upravovat ho), používat vhodný cement s nízkým obsahem alkálií apod. Za vhodnou frakci se považuje do frakce 0,5 mm a pak se musí provádět ochrana proti prašnosti. Zjednodušeně řečeno – existuje příliš mnoho problémů. Na druhé straně přidání drceného skla přináší vyšší trvanlivost betonu, snížuje obrusnost, zlepšuje zpracovatelnost, přináší možnosti probarvení a pucolánová reakce umožní snížit množství cementu a jemných částic. Asfaltové směsi Drcené sklo obsahující protáhlá a plochá zrna přináší zhoršené protismykové vlastnosti a zároveň vyšší opotřebení pneumatik, vysokou odrazivost světla, špatnou přilnavost asfaltu se sníženou dobou životnosti. Přesto se tyto vlastnosti kompenzují přídavkem adhezívních přísad a úpravou technologie. Drcené sklo musí být prakticky bez příměsí kovů a organických látek. Zrnitost je do 4 mm, věnuje se pozornost protismykovým vlastnostem a nedoporučuje se používat v oblastech s častými srážkami. Dávkované množství skla je 10 % až 15 %, obvykle se přidávají 2 % vápenného hydrátu a při výrobě a zpracování takto navržené asfaltové směs již 94

nedochází k problémům. Přínosem je menší teplotní roztažnost, čímž se zvýší odolnost proti mrazovým trhlinám.

Vlivy na životní prostředí Je doporučena řada zkoušek, které posuzují všechny technologie, ve kterých se používá drcené sklo. Předpokládá se prašnost materiálu během provádění prací, a proto se doporučuje ji řádně kontrolovat. Příměsi, jak kovové, tak organické, mohou ovlivnit vodní výluh a mít nepříznivý vliv na zeminu, podzemní a povrchovou vodu. Je třeba kontrolovat jak obsah vyplavených tuhých látek, tak rozpustných látek. V případě použití drceného skla do zemních těles a zásypů se doporučuje provádět opatření proti vyplavení drceného skla (protierozívní opatření) a pro kontrolu použít usazovací bazény nebo automatické vzorkovací zařízeni, které zaznamenají přítomnost skla.

Technické předpisy Pro použití drceného skla nebyly nalezeny žádné normy nebo předpisy.

Závěr Použití odpadního skla je spíše ve stavu laboratorních zkoušek, ověřování výroby a vlastností vyrobených materiálů pro stavbu PK. Technický návod zpracovaný v D29 slouží jako návod k provádění přípravných prací.

95

VLASTNOSTI RECYKLOVANÝCH SMĚSÍ Z ASFALTOVÝCH VOZOVEK Jiří Fišer 1

1 Úvod Jak vyplynulo ze studie SAMARIS D15 z hlediska používaných technologií recyklace materiálů z vozovky a množství zpracovávaných hmot se ČR blíží stavu v západní Evropě. Bylo také zjištěno, že technické předpisy se v zemích střední a východní Evropy přejímají a do předpisů se tak dostávají zásady výroby a zkoušení z více zahraničních předpisů, které se ještě různě modifikují. Následně se pak zjišťuje, že různé metody dávají jiné výsledky pro návrh a posouzení směsi a požadované hodnoty specifikací neodpovídají požadavkům funkce v daných klimatických poměrech nebo zatížení. V tomto příspěvku jsou publikovány dlouhodobé práce ústavu pozemních komunikací v rámci diplomových a doktorských prací a cíleného výzkumu v rámci projektu CIDEAS, které dokumentují přínos pracoviště pro recyklaci asfaltových materiálů metodou za studena na místě. Aplikace této perspektivní technologie je, i přes množství různých realizovaných staveb, více méně v začátcích. Hlavní důvody a význam recyklace materiálů z vozovek jsou: - zpracování materiálu ze starých porušených vozovek, - ochrana přírodních zdrojů, - omezení prostoru skládek, - ochrana životního prostředí snížením zásahů do krajiny, - snížení objemu transportovaného materiálu nákladními vozidly, - přičemž celkovým výsledkem může být ekonomická výhodnost. Základní cíle, kdy pomocí recyklace jsou dosaženy provozních funkce vozovky odpovídající novým potřebám, jsou vyjádřeny těmito charakteristikami: - přeměna nestejnorodě porušené vozovky na konstrukci se sníženou variabilitou fyzikálně mechanických vlastností původních vrstev vozovky, - to má za následek zvýšení únosnosti vozovky, omezení namáhání podloží s celkovým přizpůsobením vozovky požadavkům dopravního zatížení, 1

Jiří Fišer, Ing., VUT v Brně, FAST, Ústav pozemních komunikací [email protected]

96

-

zlepšení charakteristik rovnosti, příčných sklonů a homogenizace příčného řezu vozovky, ochrana vozovky před účinky vody a při případném obsahu dehtových pojiv imobilizace (uzavření) škodlivých složek v konstrukčních vrstvách vozovky.

2 Podstata recyklace za studena na místě Jednotlivé pracovní kroky technologického zařízení (schéma v obrázku 1) jsou: - frézování/předdrcení staré vrstvy vozovky, - případný odvoz přebytečného materiálu (zejména v intravilánu), - případné přidání materiálu (úprava čáry zrnitosti přidáním frakce kameniva a/nebo přidání kameniva nebo asfaltového recyklátu pro vyrovnání vozovky, - dávkování pojiv(a) a vody k recyklovanému materiálu, - míchání směsi recyklovaného materiálu a pojiva, - předhutnění směsi, reprofilace a hutnění, - ochrana a ošetřování k zamezení vzniku smršťovacích trhlin, - pokládka krytové nebo krytových vrstev.

Obrázek 1 –

Schéma recyklace vozovky za studena

Materiálové složení a požadavky na směsi recyklované obalením za studena na místě (SROSM) jsou uvedeny v souladu s předběžnými TP 162. Samotnými materiály pro výrobu SROSM jsou recykláty (konkrétně recyklát asfaltový – RA, neasfaltový - RN, směsný – RSM), který může být doplněn přídavným kamenivem a přidávaná pojiva (kationaktivní asfaltová emulze se speciálním požadavkem na snášenlivost s cementem, dále cement – portlandský nebo portlandský struskový, pevnostní třída 32,5 R) , voda nebo příměsi.

97

3 Cíle příspěvku Postup návrhu směsi podle TP 162 je pokryt několika zkušebními postupy, které jak se v praxi, ukázalo, nedávají shodné výsledky a různé výsledky mohou vést nesprávným nebo neekonomickým návrhům směsí nebo k nesprávnému posouzení kvality recyklace. Pro odstranění těchto rozporů byly provedeny níže popsané zkoušky, které mají za cíl uvést navrhování recyklace a posuzování recyklovaných vrstev do vyššího poznání technologie a položit základy dalšímu jejímu vývoji. Práce v roce 2005 byly provedeny v rámci projektu CIDEAS [6].

4 Výsledky řešení 4.1 Laboratorní návrh recyklovaných směsí dle TP162 Cílem prací bylo zejména porovnat dva níže uvedené zkušební postupy pro návrh materiálového složení, průkazní a kontrolní zkoušky směsí recyklovaných obalením za studena na místě při použití cementu a asfaltové emulze jako pojiv. Současně při provádění laboratorních prací byly oba dva zkušební postupy sledovány z hlediska jejich funkčnosti a možných nejasností v nich uvedených. Srovnávací zkoušky byly prováděny v silniční laboratoři FAST. TP 162 dává na výběr ze dvou možných metod pro průkazní a kontrolní zkoušky SROSM. Zkušební postup I (příloha C), který hodnotí směs pevností v příčném tahu. Vyrobí se sada 6 zkušebních těles ∅150 mm a výšky 125 mm. Tělesa se lisují statickou silou 49 kN a zkouší se po 7 a 28 dnech. Zkušební postup II (příloha D), kterým je modifikovaná Marshallova zkouška s výslednou stabilitou a přetvořením podle Marshalla (ČSN 73 6160). Zkušební sada obsahuje 8 těles ∅150 mm a výšky 63,5 mm, které se lisují statickou silou 142 kN. Tělesa se zkouší po 16 dnech. Pro stanovení optimální vlhkosti směsi je předepsána Proctorova modifikovaná zkouška podle ČSN 72 1015 (metoda D, resp. H). Postup pokračuje výběrem nejvhodnější kombinace množství pojiv pro danou základní směs (ZS), který je pro každou zkušební metodu jiný. Zpracování postupů nebylo předmětem této práce, důsledně vychází z TP 162. Po stanovení jednotlivých komponent směsi k recyklaci se vyrobí sada zkušebních těles. Na tělesech se stanoví pevnost v příčném tahu (ITS) nebo stabilita a přetvoření podle Marshalla (SM a PM). Výsledky se porovnají s požadovanými hodnotami. Výsledkem průkazní zkoušky je návrh složení směsi SROSM včetně požadavků na její jednotlivé složky a výsledné hodnoty ITS nebo SM, PM a mezerovitosti směsi. 98

propad na sítě (%)

Vlastní návrh složení SROSM pro srovnávací zkoušky Porovnání obou zkušebních postupů proběhlo na uměle složeném materiálu v laboratoři, tak aby se co nejvíce minimalizoval vliv variability zrnitosti základní směsi na výsledky zkoušek. Jako vstupní materiály pro složení základní směsi byly použity: RAM 1 – vyfrézovaný materiál z asfaltových vrstev vozovek bez další následné úpravy (ale s odstraněním nadsítného na sítě 31,5mm) ŠD 0/32 – lom Dolní Kounice (odstranění nadsítného na sítě 31,5mm) Odprach z výroby kameniva – lom Želešice Zastoupení jednotlivých materiálů v ZS bylo RAM 1 60%, ŠD 30% a odprach 10%. Čára zrnitosti materiálů je uvedena v grafu 1. Výsledné čáry zrnitosti ZS měly maximální odchylky na zkušebních sítech ± 2%. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,01

ccc

0,1

1

10

100

velikost ok sít (mm)

Graf 1 –

Čára zrnitosti základní směsi

Jako pojiv bylo podle TP 162 použito: Asfaltová emulze KATEBIT PS, 60% (požadavky na Asf.Em. dle TP162) Cement CEM II/B – S 32,5 R (požadavky na CEM dle TP162) Pro srovnávací zkoušky byly sestaveny dvě směsi SROSM se stejnou ZS. Poměry jednotlivých komponent a pojiv jsou uvedeny v tabulce 1. 4.2 Stanovení wopt, ρmax a množství přidávané vody Stanovení optimální vlhkosti bylo provedeno pomocí zkoušky Proctor modifikovaný - metoda D podle ČSN 73 1015 (výsledná wopt = 6,3%) a zároveň podle ČSN EN 13286-2 (výsledná wopt = 7,0%). Hlavní rozdíl mezi postupy podle obou norem je v průměru Proctorova pěchu a rozmístění jednotlivých úderů na příslušnou vrstvu materiálu v moždíři.

99

Základní směs

Pojiva

RAM 1 ŠD Odprach

směs 1 [%] 60 30 10

směs 2 [%] 60 30 10

Asf. Em. Cement

[% ZS] 3,5 4,0

[% ZS] 2,2 3,0

Tabulka 1 -

Složení směsí 1 a 2

K vysušené základní směsi byly přidány 3% cementu. Předpokládaná hodnota optimální vlhkosti 6,5% byla použita pro stanovení množství přidávané vody při výrobě zkušebních těles. Vlhkost se tedy v rámci 5 připravených vzorků pohybovala v rozmezí 4,5 až 8,5% s intervalem 1%. Vypočtená redukce přidávaného množství vody (dle TP 162, příloha C), se jevila jako příliš přísná a směs byla nedostatečně přivlhčená. Tento problém řeší TP 162 posouzením zpracovatelnosti směsi zkušeným pracovníkem. Tento odborník byl nahrazen součinitelem 0,5C (polovina podílu cementu v % hmotnosti ZS). Později bylo ujasněno, že TP 162 uvažuje pro směsi SROSM přidávání cementu ve formě cementové suspenze o vodním součiniteli 0,5. V laboratorních podmínkách je takový postup problémový, vzhledem k nutnosti vypláchnutí zbytků suspenze a současně dodržení požadovaného množství přidávané vody. Tato skutečnost však v předpise uvedena není. 4.3 Výpočet navážky pro zkušební tělesa Výpočet navážky pro jednotlivá tělesa byl proveden v souladu s TP 162 C3.3 podle následujícího vzorce: Navážka = VZT * 1,1 * ρmax * [1 + (ωopt – a)/100] Po zkušební výrobě jednotlivých druhů těles byly navážky upraveny na hodnoty, které vyhovují požadované výšce těles. Velikosti navážek uvádí tabulka 2.

navážka [g] Hutnící síla

142 kN 49 kN

Tabulka 2 -

směs 1 malé velké těleso těleso 2650 5300 2450 4900

směs 2 malé velké těleso těleso 2600 5200 2450 4800

Navážky pro výrobu těles

100

5 Zkušební postup I 5.1 Výroba těles Zkušební postup I charakterizuje směs SROSM pevností ITS. Pro tuto zkoušku je požadována výroba sady 6 těles o ∅ 150 ± 0,1 mm a výšky 125 ± 5 mm. Tato tělesa jsou hutněna do forem statickou axiální silou 49 kN. Z důvodu porovnání vlivu hutnící síly u obou metod byla tyto velká tělesa hutněna také silou 142 kN, která je předepsána pro Postup II. Dalším podstatným rozdílem je šířka tlačných čelistí, kterými je těleso namáhané při zkoušce ITS. TP 162 předepisují 5 mm široké, ocelové čelisti, zatímco DIN 1048-5 (na niž se odvolává původní německý předpis pro studenou recyklaci, podle něhož byly TP 162 sestaveny), uvádí čelisti široké 10 mm a sololitový pásek na styku čelistí se zkoušeným vzorkem, stejně tak zatěžování řeší evropské normy.

Obrázek 2 – Druhy tlačných čelistí, vlevo šířka 5 mm, vpravo 10 mm se sololitovým páskem Z výše uvedených důvodů byly vyrobeny sady zkušebních těles uvedené v tabulce 3. sada směs 1 směs 2 I I' II II' III III' IV IV'

hutnící síla [kN] 142 142 49 49

Tabulka 3 -

typ zkoušky

šířka čelistí

pevnost v příčném tahu pevnost v příčném tahu pevnost v příčném tahu pevnost v příčném tahu

10mm + sololit 5mm - ocel 5mm - ocel 10mm + sololit

Sady pro zkoušku ITS

Výroba a ošetření těles bylo provedeno v souladu se zkušebním postupem I uvedeným v TP 162. Výroba proběhla na laboratorním hutnícím zařízení. 101

5.2 Zkušební postup I – Pevnost v příčném tahu Výsledkem zkoušky je pevnost v příčném tahu po 7 a po 28 dnech, přičemž se jedná o aritmetický průměr ze dvou změřených hodnot. TP 162 předepisují pro postup I hutnící sílu 49 kN a ocelové čelisti o šířce 5 mm. Rozbor výsledků byl proveden pro každou směs zvlášť a sice v následujících kombinacích: -

Směs 1 – vliv hutnící síly v souvislosti s použitými čelistmi na ITS (graf 2) Směs 2 – dtto směs 1 (graf 3)

Graf 2 –

Výsledky ITS pro směs 1 a jejich porovnání s přípustnými hodnotami

Ze získaných výsledků ITS u zkušebního postupu I vyplývá: - Výsledné hodnoty ITS, kromě sady 1 a 2 u směsi 1, splňují požadavky TP 162 na dosažené pevnosti pro průkazní zkoušku. U směsi 1 nevyhověly sady 1 a 2, protože požadavek na maximální ITS po 7 a 28 dnech je nastaven pro zkoušky na tělesech hutněných silou 49 kN. Protože tyto sady byly hutněny silou 142 kN a množství pojiv byl u směsi 1 poměrně vysoký, byly hodnoty ITS nad hranicí povoleného maxima (po 7 i 28 dnech). - Při požití 5 mm širokých ocelových čelistí dochází ve většině případů k poklesu pevnosti v příčném tahu (ITS) ve srovnání s ocelovými čelistmi širokými 10 mm a s páskem z dřevovláknité hmoty. Bylo vysledováno, že pokles ITS je větší u těles hutněných silou 49 kN 102

(pokles průměrně 15 %) než u těles hutněných silou 142 kN (pokles průměrně 9%). Příčinou poklesu pevnosti je zařezávání čelistí do tělesa a štípání v dotyku čelistí namísto přetržení příčným tahem, který je nejvyšší ve středu zkušebního tělesa.

Graf 3 –

Výsledky ITS pro směs 2 a jejich porovnání s přípustnými hodnotami

6 Zkušební postup II 6.1 Výroba těles Zkušební postup II vychází z Marshallovy modifikované zkoušky, jejímž výsledkem jsou SM, PM. Tento postup vyžaduje výrobu sady 8 zkušebních těles o ∅150 ± 0,1 mm a výšce 63,5 ± 8 mm, přičemž jsou lisována statickou silou 142 kN. Stejně jako v 5.1 byla také zde použita varianta obou hutnících sil (142 kN a 49 kN). Pro zjištění vlivu velikosti síly při výrobě těles byly vyrobeny tyto zkušební sady: sada směs 1 V VI

směs 2 V' VI'

Tabulka 4 -

hutnící síla[kN] 142 49

typ zkoušky Marshallova zkouška Marshallova zkouška

Zkušební sady

Postup přípravy výroby těles byl stejný jako při výrobě těles pro ITS, samotná výroba těles probíhala dle postupu v TP 162 (Příloha D). 103

6.2 Zkušební postup II – Marshallova zkouška Zkouška spočívá ve stanovení stability a přetvoření. Tyto parametry se určují podle ČSN 73 6160. Stabilita i přetvoření se určí zvlášť pro tělesa uložená na suchu a ve vodě. Výsledkem je průměr ze 4 naměřených hodnot. V TP 162 požadovaná hodnota stability je ve výsledném grafu 4 znázorněna. Dále se zjišťovala odolnost směsi SROSM vůči účinkům vody, která je vyjádřená jako pokles stability KSM. Tento pokles nesmí být větší než 40%.

Graf 4 –

Výsledné stability SM v závislosti na hutnící síle

Pozn: Vždy první vzorky uvedené v grafu 4 (SM) byly uloženy na vzduchu, další vzorky (SMm) byly 8 den od výroby vloženy do nádoby s vodou a zkoušeny shodně jako vzorky uložené na suchu po 16 dnech. -

-

Ze získaných výsledků u zkušebního postupu II vyplývá: Stability SM a přetvoření PM u všech zkoušených sad vyhověly požadavkům TP 162. Bez ohledu na velikost hutnící síly dosáhly všechny stability výrazně vyšších hodnot než je požadováno, přestože pro směs 2 bylo dávkování pojiv zvoleno na minimálních hodnotách. Výsledky také ukazují, že tělesa uložená ve vodě dosáhla ve většině případů vyšší nebo stejné stability jako vzorky uložené na suchu Pokles stability KSM je bud nulový (směs 1 při hutnící síle 142 kN) nebo dokonce větší než jedna.

104

6.3 Stanovení mezerovitosti směsí Dále bylo nutné zjistit mezerovitost zhutněné směsi. Ta byla stanovena podle ČSN 73 6160 s tím, že pro získání objemové hmotnosti nezhutněné směsi v pyknometru byla použita voda. Objemová hmotnost zhutněné směsi byla určena z rozměrů zkušebních těles a jejich hmotnosti po vysušení, a to z důvodu poměrně vysokých mezerovitostí těchto směsí, kvůli kterým nebylo možné tuto veličinu stanovit vážením ve vodě. Požadovaná hodnota mezerovitosti pro podkladní vrstvu je v intervalu 8 % až 15 % a je v grafu zdůrazněna silnými čarami.

Graf 5 –

Mezerovitosti (směs 1,2) a jejich porovnání s přípustnými hodnotami

Ze získaných výsledků mezerovitosti vyplývá: - U všech těles hutněných silou 49 kN (síla předepsaná pro postup I) byly výsledné hodnoty mezerovitostí zhutněných směsí nad horní hranicí 15 %, naopak u těles hutněných silou 142 kN se mezerovitosti pohybovaly uprostřed povoleného intervalu. Hutnící síla 49 kN se tedy zdá být nedostatečná. Toto zjištění potvrzují i mezerovitosti získané na vzorcích ze stavby, které poměrně věrně korespondují s mezerovitostmi obdrženými u vzorků hutněných silou 142 kN. - U zkušebního postupu II byly stejně jako u postupu I mezerovitosti směsí hutněných silou 49 nad horní hranicí 15 %. Mezerovitosti těles hutněných 142 kN se opět pohybovaly v povoleném intervalu (pokud se uplatňují požadavky na podkladní vrstvu). 105

6.4 Vyhodnocení srovnávacích zkoušek SROSM TP 162 uvádí dva různé zkušební postupy, které se mezi sebou odlišují v mnoha parametrech. Odlišnosti jsou patrné jak při samotné výrobě zkušebních těles, tak při zkoušení těles, kdy je jasné, že zkouška pevnosti v příčném tahu a Marshallova zkouška jsou nesrovnatelné. Hlavní rozdíly uvádí přehledná tabulka 5. Druh zkoušky Zjišťované hodnoty Rozměry Zkušební tělesa

Hutnící síla Doba zrání

Příprava těles na Temperace zkoušku

Tabulka 5 -

Postup I Postup II Pevnost v příčnén tahu Marshallova zkouška ITS [Mpa] SM, PM [kN], Ksm ∅150 mm, ∅150 mm, výška 125 mm výška 63,5 mm 49 kN 142 kN 28 (7) dní 16 dní o na 5 C na vzduchu při 60 oC ve vodě 8 až 12 hod 30 minut

Rozdíly postupů I a II

Z provedených srovnávacích zkoušek vyplývají následující poznatky: - Velikost hutnící síly při výrobě těles má podstatný vliv na mezerovitosti směsí SROSM. Při použité síle 142 kN byly při obou metodách všechny výsledky mezerovitostí v povoleném intervalu, zatímco při hutnění těles silou 49 kN nevyhovělo požadavkům na mezerovitost ani jedno zkušební těleso. - Velikost hutnící síly ovlivňuje také pevnostní parametry SROSM. Výsledky ITS ukázaly, že při použití síly 142 kN namísto předepsaných 49 kN vzroste hodnota ITS průměrně o 35 % při použití 5mm čelisti a o 28 % při široké čelisti s páskem. Stabilita podle Marshalla se vlivem snížení hutnící síly ze 142 kN na 49 kN také snížila cca o 50 %, nicméně všechny hodnoty stability stále vyhověly požadavkům TP. - Vlivem použití ocelových čelistí o šířce 5 mm dochází k poklesu pevnosti v příčném tahu ve srovnání s ocelovými čelistmi a 10 mm páskem z dřevovláknité hmoty. Míra ovlivnění ITS druhem čelistí závisí také na hutnící síle, kdy je průměrný pokles ITS pro sílu 142 kN o 9 % a pro sílu 49 kN o 15 %. Při zkoušení 5 mm čelistmi se tyto do vzorků zařezávaly a těleso se porušilo tenkou prasklinou od čelistí, na rozdíl od širokých čelistí se sololitem, kdy docházelo k prasknutí (ITS po 7 dnech) a rozlomení (ITS po 28 dnech) těles bez zařezání (viz obrázek 3).

106

Obrázek 3 –

Zkouška ITS: vpravo patrný zářez po 5mm čelistech

7 Metody pro zjištění wopt u směsí SROSM Pro stanovení optimální vlhkosti wopt u směsí SROSM je podle předběžných TP 162 určena Proctorova modifikovaná zkouška (metoda D, resp.H) podle ČSN 72 1015. Tato metoda se na základě dříve provedených zkoušek jeví pro tento materiál jako poměrně nevhodná, zejména u hrubozrnnějších směsí, kdy křivky závislostí suché objemové hmotnosti na vlhkosti vycházejí ploché a určení optima je obtížné. Navíc jsou směsi SROSM z části tvořeny nasákavým materiálem (slepencová zrna z rozfrézovaných vrstev), který může výsledky této zkoušky nahodile ovlivňovat. Dalším rozporem při tomto kroku v rámci průkazních zkoušek SROSM je rozdíl ve způsobu hutnění směsi. Při stanovení wopt Proctorovou modifikovanou zkouškou dochází k dynamickému hutnění směsi na rozdíl od vlastní výroby zkušebních těles (postup I,II), kdy je směs hutněna statickou silou. V této souvislosti je třeba také uvažovat o tom, zda je při hutnění umožněn odtok vody nebo ne. Z výše uvedených důvodů bylo provedeno porovnání různých metod pro zjištění optimální vlhkosti. Srovnávány byly tyto 4 metody: -

Proctorova modifikovaná zkouška podle ČSN 72 1015 Proctorova modifikovaná zkouška podle ČSN EN 13286-2 Metoda zjištění wopt vibračním kladivem EN 13286-4 Metoda zjištění wopt lisováním těles podle „Postupu II“ (TP 162)

Z důvodu nedostatku materiálu, zejména RAM 1, který byl používán pro srovnávací zkoušky SROSM (viz výše), byla vytvořena nová základní směs. Tato ZS se skládala ze stejných materiálů jako při srovnávacích zkouškách, které však měly jinou zrnitost (zejména RAM 1). Podíl jednotlivých komponent základní směsi pro stanovení wopt byl stejný jako 107

při srovnávacích zkouškách (viz 4.2.). K základní směsi složené z výše uvedených komponent byl u všech 4 metod přidán cement v množství 3 % ZS (požadavky na cement podle TP 162). 7.1 Proctorova modifikovaná zkouška – ČSN 72 1015 Tuto metodu předepisují pro stanovení wopt TP 162. Provádění zkoušky probíhalo v souladu s ČSN 72 1015. Interval vlhkostí byl zvolen mezi 3,5 a 7,5 % (vyjádřeno v % hmotnosti ZS), přičemž nárůst vlhkosti byl vždy o 1 %. Pro zhutňování směsi byl použit Proctorův moždíř ∅ 150 mm a výšky 120 mm. Hutnění probíhalo v 5 vrstvách, přitom na každou vrstvu připadlo 55 úderů pěchu. Hutnící pěch měl hmotnost 4500 g, ∅ 75 mm a na hutněnou vrstvu dopadal z výšky 450 mm. Každá dílčí navážka byla přivlhčena na požadovanou vlhkost a takto ponechána po dobu 30 minut. Poté bylo zahájeno vlastní hutnění. Tato 30 minutová doba stanovena s ohledem na vlastní technologii recyklace za studena na místě. Při hutnění vzorku s w = 5,5% bylo dno moždíře mírně vlhké a po nahutnění vzorku s w = 6,5% bylo dno potaženo vrstvou vodního filmu. K žádnému zásadnímu odtoku vody z hutněné směsi nedošlo a wopt byla stanovena na 5,6 %. 7.2 Proctorova modifikovaná zkouška – ČSN EN 13286-2 Při této metodě určení wopt bylo postupováno podobně jako v předchozím oddíle a to včetně intervalu vlhkosti. Podle zrnitosti ZS (propad sítem 31,5 byl 100%, propad sítem 16 byl 75 % až 100%) byl pro tuto zkoušku určen Proctorův moždíř B (∅ 150 mm, výška 120 mm). Dále byl pro zkoušku požit pěch o hmotnosti 4,5 kg a ∅ 50 mm, který dopadal na každou ze zhutňovaných vrstev vzorku z výšky 457 mm. Vzorky byly hutněny v 5 vrstvách, každá vrstva 56 údery pěchu. Údery byly rozmístěny na vrstvu rovnoměrně tak, že vždy 6 úderů dopadlo po obvodě moždíře o sedmý doprostřed. Tato série 7 úderů se u každé hutněné vrstvy opakovala osmkrát. Stejně jako v 6.1 při hutnění vzorku s w = 5,5% bylo dno moždíře mírně vlhké a po nahutnění vzorku s w = 6,5% bylo dno potaženo vrstvou vodního filmu. K žádnému zásadnímu odtoku vody z hutněné směsi nedošlo a wopt byla stanovena na 5,0 %. 7.3 Metoda vibračního kladiva – EN 13286-4 Tato metoda se používá pro směsi jejichž zrnitost odpovídá následujícím 108

požadavkům: - propad na sítě 40 mm – 90 až 100 % - propad na sítě 20 mm – 70 až 100 % Pro zkoušku se připraví navážka materiálu standardním způsobem. Odhadem se určí vlhkost blížící se optimální vlhkosti směsi, a na tuto se navážka dílčího vzorku přivlhčí. Takto připravený materiál se hutní do moždíře pomocí vibračního kladiva s nástavcem, který je opatřen zhutňovací kruhovou deskou. Při samotném hutnění je požadován svislý přítlak o velikosti 300 až 400 N (včetně váhy kladiva). Vibrační kladivo by mělo mít frekvenci v rozmezí 25 – 60 Hz a výkon minimálně 600 W. Vzorek se hutní do moždíře o vnitřním průměru 152 mm ve třech vrstvách, přičemž každá vrstva je hutněna po dobu 60 s (obrázek 4). Po zhutnění třetí, poslední vrstvy, se musí celková výška nahutněného vzorku pohybovat v intervalu 127 mm – 133 mm. Pokud podmínka výšky není splněna, upraví se velikost navážky pro zkušební těleso. Při splnění všech podmínek se pokračuje hutněním dalších vzorků, jejichž vlhkost se odstupňuje po 0,2 až 0,5 % na každou stranu od uvažovaného optima.

•

Obrázek 4 –

Hutnící sestava a hutnění vzorku vibračním kladivem

Při provádění vlastní zkoušky bylo uvažované optimum vlhkosti 5,0 %, což byl výsledek zkoušky Proctor modifikovaný podle EN. Pro tuto vlhkost a příslušnou objemovou hmotnost byla vypočtena navážka tak, aby výsledná výška vzorku byla 130 mm. Průměrem ze 4 měření od horní hrany moždíře byla určena výška vzorku 141 mm, což nebylo v souladu s podmínkami (127 mm až 133 mm). Proto byla navážka snížena a celý proces se opakoval. Výška 109

vzorku s vlhkostí 5,0 % ale s upravenou navážkou byla v povoleném intervalu (128 mm), z čehož se dalo usuzovat, že míra zhutnění při použití vibračního kladiva je menší než u zkoušky Proctor modif. Stejným způsobem se nahutnily další 4 vzorky s vlhkostmi odstupňovanými po 0,5 % (4,5%, 5,0%, 5,5%, 6,5%, 7,0%). Z důvodu menší míry zhutnění než u Proctorovy zkoušky byly voleny vyšší vlhkosti. Při vlhkosti směsi cca 6 % došlo k saturaci vodou a objemová hmotnost se s přibývajícím podílem vody při zhutňování nezvětšuje. Optimální vlhkost lze předpokládat v rozmezí 5,5 až 6,0 %. Tato skutečnost se potvrdila i při pozorování chování směsi při zhutňování vzorků. 7.4 Stanovení wopt – lisování těles (postup II) V tomto případě byla optimální vlhkost SROSM zjišťována na zkušebních těles, vyráběných stejně jako při zkušebním postupu II, uvedeném v TP 162. Tento postup byl zvolen z toho důvodu, aby způsob hutnění vzorků pro určení wopt byl stejný jako při výrobě zkušebních těles. Z 5 navážek přivlhčených na vlhkosti v rozmezí 3,5 až 7,5 %, přičemž zvýšení vlhkosti bylo po 1 %, byla vyrobena tělesa. Tělesa o průměru 150 mm a výšce 63,5 mm se hutnila do forem statickou silou 142 kN. Na rozdíl od výše uvedených metod byla v tomto případě možnost odtoku vody ze vzorku. Voda začala ze směsi vytékat už při vlhkosti 5,5 %, ovšem toto množství se zdálo být zanedbatelné. Větší odtok vody byl zaznamenán při w = 6,5 a 7,5 %. Navíc při těchto vyšších vlhkostech byl vzorek téměř úplně zhutněn už při prvním dosažení síly 142 kN (pokles síly v době 5 minut od jejího dosažení byl minimální, a nebylo nutné ji intenzivně dorovnávat jako u vlhkostí 3,5 až 5,5 %). Zjištěné objemové hmotnosti suché směsi se od sebe lišily v rozmezí 3 kilogramů na m3. Z tohoto lze usuzovat, že hutnící síla je natolik vysoká, že vlhkost směsi nemá podstatný vliv na její zhutnění. Je také potřeba zmínit nepřesnost této metody, v porovnání s Proctorovou zkouškou a vibračním kladivem, která vychází z četných měření rozměrů. 7.5 Porovnání metod pro určení wopt Na základě porovnání výsledků z výše uvedených 4 metod lze říci, že jako nevhodná se pro zjištění wopt jeví metoda lisování těles. Rozdíly objemových hmotností při různých vlhkostech směsi jsou téměř nepatrné. To je důsledkem vysoké hutnící síly a umožnění odtoku vody ze směsi, což zapříčiňuje zaklínění zrn na nejvyšší možnou míru zhutnění, pokud jde o hutnění statické (tělesa pro srovnávací zkoušky vyrobené lisováním silou 142 kN měly téměř totožné objemové hmotnosti). 110

g/cm3

Porovnání metod - Wopt 2,26 2,24 2,22 2,2 2,18 2,16 2,14 2,12 2,1 2,08 3

4

5

6

7

8

[%] Proctor mod_ČSN EN

Graf 6 –

Proctor mod_ČSN

Vibrační kladivo

hutnění těles

Porovnání zkušebních metod

Rázové hutnění u Proctorovy modifikované zkoušky je nejúčinnější, přitom zkouška podle ČSN EN 13286-2 je schopna nahutnit směs na nejvyšší míru zhutnění ze 4 porovnávaných metod. Směs pro tyto zkoušky měla plynulou čáru zrnitosti, která ležela uprostřed povoleného intervalu pro SROSM 1. U hrubozrnnějších nebo špatně zrněných směsí by mohl nastat problém s odlétáváním zrn a vymačkávání směsi při dopadávání pěchu na hutněnou vrstvu (hlavně u ČSN EN – používá úzký pěch průměru 50 mm). Hutnění pomocí vibračního kladiva je méně účinné než obě Proctorovy zkoušky, nicméně na výsledné závislosti je vidět, že se tato zkouška dá použít pro stanovení wopt. Tato zkouška by byla vhodná u hrubozrnných směsí, protože se pomocí vibrace hutní celá plocha vzorku najednou. Rozdíl mezi zjištěnou wopt a objemovou hmotností získanou pomocí vibračního kladiva a Proctorovy modifikované zkoušky je natolik malý, že pro praxi by mohly být použity obě metody. Tyto závěry jsou odvozeny z malého počtu zkoušek na materiálu s plynulou čárou zrnitosti, a proto je potřeba je brát pouze informativně, nebo jako podklad k provádění dalších zkoušek na různě zrněných materiálech k získání většího souboru výsledků.

8 Stanovení ITS a modulu tuhosti v závislosti na hutnící síle a délce zrání Pro stanovení požadovaných hodnot byla použita stejná ZS jako v předchozí kapitole. Ta se skládala ze stejných materiálů jako při srovnávacích zkouškách, které však měly jinou zrnitost (zejména RM). 111

Podíl jednotlivých komponent ZS je uveden v bodě 4.2., přičemž jako wopt bylo bráno 5,6% získaných z Proctorovy modifikované zkoušky podle ČSN 72 1015 (viz.6.4.). U zkoušek byla sledována závislost ITS a modulu tuhosti na hutnící síle a délce zrání těles. Plán zahrnoval použití ZS s kombinacemi dvou různých dávkování pojiv a výrobu těles o ∅ 150 mm a výšce 125 mm. Vše bylo rozděleno do šesti sad (SI až SVI), přičemž sada SI a SIII byla hutněna silou 49 kN (tj. tlak 2,8 MPa), sada SV a SVI silou 88,5 kN (tj. tlak 5,0 MPa) a sada SII a SIV silou 142 kN (tj. tlak 8,0 MPa). Síly 42 kN a 142 kN vycházely z hutnících sil uvedených v TP 162 a síla 88,5 kN je převzata z mezinárodního projektu SCORE. Pro každou sadu bylo nahutněno 7 těles (statickým lisování, dle již uvedeného postupu z přílohy C v TP 162). Tělesa měla označení od a do g. Na tělesech b, c, d byla stanovena hodnota ITS a to v posloupnosti po 7, 14 a 28 dnech. TP 162 požadují stanovení každé hodnoty ITS jako průměr výsledků získaných ze dvou těles, což z kapacitních důvodů nebylo dodrženo a výsledná hodnota je tedy získána pouze z jednoho tělesa. Tělesa a, e, f, g byla po třech dnech zrání v klimatizační komoře rozříznuta, čímž byly získány vhodné vzorky pro zkoušení modulů tuhosti v přístroji BAT (Brno Asphalt Tester). Označení půlených těles vypadalo takto: aa, ab, ea, eb atd. Poslední písmeno a značí, že se jedná o horní polovinu vzorku, písmeno b značí spodní polovinu. Na takto připravených vzorcích byl stanoven modul tuhosti Ebat následujícím postupem – vzorky a (tedy aa a ab) byly zkoušeny jak po 6, tak i po 13 a 27 dnech. Vzorky g (tedy ga a gb) po 6 dnech, vzorky f (tedy fa a fb) po 13 dnech a konečně vzorky e (tedy ea a eb) po 27 dnech. Vždy po stanovení modulu Ebat byla i na půlených vzorcích stanovena hodnota ITS. U těles aa a ab tak bylo učiněno až po 28 dnech. Dohromady tedy bylo vyrobeno 42 těles, přičemž 18 jich bylo vyzkoušeno na ITS dle TP 162, 24 velkých těles bylo rozříznuto a na vzniklých 48 tělesech bylo stanoveno 72 modulů tuhosti Ebat (na 12 tělesech třikrát) a poté byla provedena na všech vyzkoušených půlených tělesech i zkouška ITS. 8.1 Stanovení pevnosti v příčném tahu - ITS Výsledkem zkoušky ITS je dle TP 162 pevnost v příčném tahu po 7 dnech, po 28 dnech a stanovení poklesu ITSR (z kapacitních důvodů jsme tento poměr ITSR nestanovovali). Hodnoty požadovaných parametrů jsou podrobně uvedeny v TP a pro přehlednost jsou zvýrazněny v grafech. Požadovaná hodnota mezerovitosti pro podkladní vrstvu je v intervalu 8 % až 15 %. 112

Stanovení pevnosti v příčném tahu bylo prováděno na tělesech při rychlosti zatěžování 50 mm/min a teplotách zkoušení 5°C. Při zkoušce byly vždy použity tlačné lišty šířky 10 mm a sololitové pásky. Na základě maximální dosažené síly a rozměrů tělesa byla stanovena pevnost v příčném tahu ITS. Na obrázku 5 je zobrazeno zkoušení těleso průměru 150 mm a výšky 60 mm, jehož pevnost v příčném tahu byla stanovena po nedestruktivním stanovení modulu tuhosti v zařízení BAT. Co se týče mezerovitostí tak ty byly pro jednotlivé sady následující: Sady hutněné silou 42 kN (I a III) - mezerovitost 16,4 % a 17,9 %. Sady hutněné silou 88,5 kN (V a VI) - mezerovitost 14,8 % a 15,0 %. Sady hutněné silou 142 kN (II a IV) - mezerovitost 12,4 % a 13,4 %. Samotné výsledky zkoušek ITS jsou přehledně uvedeny v grafech 7, 8 a 9.

Tabulka 6 -

zkouška pevnosti v příčném tahu (vodící rám) (zkoušení s čelistmi šířky 10mm + sololitový proužek)

8.2 Výsledky zkoušek ITS Graf znázorňující hodnoty ITS získané na celých vzorcích a na průměrech získaných z výsledků půlených těles. Červenou přerušovanou čarou jsou vyznačeny pevnosti požadované TP 162 po 7 dnech zrání, černou čarou pevnosti požadované po 28 dnech. Dále je v levé části grafu tabulka s obsahem pojiv u jednotlivých sad a ve spodním řádku je pro lepší orientaci vyznačena i hutnící síla.

113

Graf 7 –

Graf 8 –

Hodnoty ITS stanovené na celých a na půlených vzorcích

Hodnoty ITS stanovené na půlených tělesech s rozlišením horní a spodní půlky

114

Graf 9 –

Hodnoty ITS stanovené na celých vzorcích

Ze získaných výsledků ITS vyplývá: -

-

-

-

Výsledné hodnoty ITS požadavky na dosažené pevnosti pro průkazní zkoušku dle TP 162 (0,5 – 0,8 MPa po 7 dnech a 0,75 – 1,2 MPa po 28 dnech) jsou vyhodnoceny takto: u sady I nevyhověla půlená tělesa a u sady III nevyhověla ani půlená ani celá tělesa. Tato zkušební tělesa byla hutněna silou 49 kN. U sady VI, hutněné 88,5 kN, také velmi těsně nevyhovují půlená tělesa. Nebyl sledován výraznější pokles ITS u těles zkoušených nejdříve nedestruktivním způsobem pro stanovení modulů tuhosti v přístroji BAT a to ani u sad aa a ab, které byly zkoušeny třikrát. Pro zkoušení modulů bylo zvoleno velmi nízké přetvoření, které na porušení nemá vliv. Pokud jsou porovnány rozdíly mezi výsledky celých a polovičních těles zjistíme, že u polovičních těles jsou výsledné hodnoty ITS mírně nižší. Výsledky polovičních těles však pravidelně korespondují s hodnotami získanými ze zkoušek celých těles. Je to obvyklý jev menší vzorky jsou relativně více ovlivněny heterogenitou zkoušených materiálů. Zjištěné mezerovitosti potvrdily závěry získané dříve, tělesa hutněná silou 49 kN nesplňují požadavky TP 162. U těles hutněných silou 88,5 kN se mezerovitost pohybuje na hranici požadované TP.

115

8.3 Stanovení modulu tuhosti v zařízení BAT – Ebat Modul tuhosti byl stanovován na zkušebních tělesech průměru 150 mm při teplotě zkoušení 15°C. Použitá metodika zkoušky vycházela z prEN 12 697-26 s tím rozdílem, že aplikované zatížení bylo oproti normě sníženo. Snížení bylo provedeno s ohledem na skutečnost, aby nemohlo při aplikování normového zatížení dojít k poškození tělesa. Ze stejné sady byla při stejném stáří zkoušena vždy 4 tělesa – 2 stejná tělesa (ozn. aa resp. ab) byla zkoušena po 6, 13 a 27 dnech a druhá 2 tělesa (ozn. ga, gb po 6 dnech, fa, fb po 13 dnech a ea, eb po 27 dnech). Uvedený postup měl za cíl vyhnout se případnému poškození těles při opakovaném zkoušení v průběhu zrání, což by v důsledku zabránilo sledování nárůstu modulu tuhosti v čase na totožném tělese. Z těchto důvodů byla také, oproti asfaltovým směsím, snížena referenční hodnota deformace na 1,5 µm. Tělesa byla zkoušena o den dříve z důvodu nejméně 8 hodinové temperace těles před zkoušku ITS (přemrštěný požadavek TP 162). Na zkušebních tělesech nebylo možné provést zabroušení povrchu a několikrát se vyskytly problémy se správným osazením snímačů dráhy. Z tohoto důvodu by povrch tělesa před osazením snímačů měl být vyrovnán např. sádrou.

Obrázek 5 –

Těleso při zkoušce v BATu

8.4 Výsledky zkoušek Ebat V níže uvedených grafech jsou výsledky zkoušek sledování nárůstu modulu tuhosti pomocí zařízení BAT. Tyto hodnoty jsou vztaženy k délce zrání těles a k hutnící síle: 116

Graf 10 – Průměrné hodnoty modulů tuhosti ze zkoušky v BATu

Graf 11 – Průměrné moduly tuhosti na horním a spodním díle vzorku

117

Graf 12 – Nárůst modulu tuhosti v závislosti na délce zrání (u těles ozn. aa a ab)

Graf 13 – Moduly tuhosti závislé na době zrání Ze získaných výsledků Ebat vyplývá: - Dle očekávání byly u sady I a III naměřeny nižší hodnoty modulů, navíc modul tuhosti vykázal v obou případech při měření po 27 dnech pouze mírný růst oproti měření předchozímu. Sada II a IV 118

-

-

-

vykázala postupný nárůst modulu tuhosti a moduly naměřené po 27 dnech u těchto dvou sad jsou o 38% vyšší než moduly po 27 dnech u sady I a III. Z grafů je zřetelně vidět postupný nárůst modulů při zrání těles, přičemž nejlépe to dokumentují vzorky označené aa a ab (graf 12), které byly zkoušeny třikrát. Jak se zdá, není nutné vyrábět pro každou zkoušku zvláštní tělesa a při rozumném nastavení zkušebních hodnot (síly a přetvoření) je i materiál jako SROSM schopen prokazovat poměrně plynulý nárůst modulů tuhosti. Měření modulů tuhosti recyklovaných směsí výše popsaným způsobem byla pro zařízení BAT upravena příprava zkušebního tělesa jejich rozříznutím vzorků jako pro ITS a byly prokázány nesporné výhody nedestruktivního zkoušení. Vzhledem k nárůstu modulů by při dalších měřeních by bylo vhodné provést zkoušení i po více jak 28 dnech.

9 Zatížení mrazem V rámci zkoušení vlastností SROSM byla provedena i zkouška odolnosti proti mrazovým cyklům. Pro samotné zkoušení bylo stále ze stejné ZS a za stejných podmínek (viz výše) připraveno 8 těles o ∅150 mm a výšce 150 mm (poměr průměr ku výšce 1:1). Z těchto těles byla 4 tělesa s pojivem 3% cementu a 3,5 % asfaltové emulze a zbylé 4 tělesa s 3% cementu a 2,2 % asfaltové emulze. Vždy 3 tělesa byla podrobena cyklům a zkoušeno jako srovnávací vzorek. Zkušební tělesa byla zkoušena postupem dle ČSN 73 6125, kdy byla zvolena varianta se 16 mrazovými cykly a teplotou zmrazování minus 15°C. Po 16 cyklech byla provedena zkouška v prostém tlaku. Výsledky jsou uvedeny v grafu 14. Závěry ze získaných pevností jsou poněkud neočekávané. Především pokles pevnosti je celkově velmi malý a vyšel v neprospěch většího množství přidávané asfaltové emulze. Pro směs s přidávaným množstvím asfaltové emulze 3,5 % je pokles 17,4 % a pro směs s přidanými 2,2 % asfaltové emulze dokonce jen 2,5%. Z našich prvních výsledků v této oblasti lze tedy odvodit, že vyšší množství použité asfaltové emulze nemá na odolnost směsi proti mrazu pozitivní vliv, spíše naopak. V současné době probíhají další zkoušky, které mají za cíl danou problematiku více objasnit.

119

Graf 14 – Pevnosti v prostém tlaku po zkoušce odolnosti proti mrazu a vodě

10 Závěr Hlavním cílem prací na Ústavu pozemních komunikací bylo stanovení doporučení pro úpravu TP 162. Z vyhodnocení výsledků těchto zkoušek byly odvozeny následující závěry a doporučení, které by měly vést k výběru pouze jedné metody pro přípravu a zkoušení zkušebních těles, s možností jejího podrobnějšího rozpracování: - S ohledem na značný rozdíl v hutnících silách u obou v TP uvedených metod, který má podstatný vliv jak na výsledné mezerovitosti, tak i pevnostní parametry, lze pro další používání v tomto předpise doporučit pouze jednu ze zkušebních metod, a to při aplikaci vyšší hutnící síly (142 kN). Síla 49 kN by měla být vyloučena, protože se ani v jednom případě nepodařilo dosáhnout požadované mezerovitosti, přitom zrnitost zkušebních záměsí byla vzhledem ke skutečné zrnitosti dosahované na stavbě výhodnější. V několika případech bylo také ověřeno, že u materiálu zpracovávaného na stavbě lze dosáhnout zhutnění, které odpovídá laboratorním vzorkům hutněných silou 142 kN. - K výběru pouze jedné metody vede i skutečnost, že stejná směs může při posuzování jednou metodou vyhovovat předepsaným 120

-

-

-

-

-

-

požadavkůmi, ale při zkoušení druhou metodou bude nevyhovující. To samé platí pro provádění průkazních a kontrolních zkoušek různými metodami. Tato skutečnost vede ke zvážení nastavení min. a max. hodnot u pevnosti v příčném tahu. Navíc pro Postup II nejsou maximální požadované hodnoty stabilit uvedeny vůbec, což neodpovídá logice nastavení požadavků pro pevnost v příčném tahu. Použití ocelových čelistí o tloušťce 5 mm se jeví jako nevhodné. Jak bylo prokázáno (viz obrázek 3), dochází k zařezávání čelistí do vzorku, čím je těleso jinak namáháno (není dodržena zásada rozložení namáhání zkušebního tělesa a vzorce pro stanovení pevnosti neplatí) a dochází ke snížení pevnosti oproti širokým čelistem. Výsledek je v případě spodní hranice pevnosti v příčném tahu na straně bezpečné, v případě horní hranice však díky použití 5 mm čelistí může dojít ke snížení výsledné hodnoty pod horní mez a tím k akceptování příliš tuhých směsí s nebezpečím vzniku kontrakčních trhlin (za tímto účelem je horní hranice nastavena). Pro zkoušku pevnosti v příčném tahu by bylo dobré posoudit vhodnost rychlosti posuvu lisu, která je stanovena na 50 mm/s, stejně jako u zkoušení asfaltových směsí. Tato rychlost nemusí být pro směsi s použitím cementu jako pojiva vhodná. Vzhledem k výše uvedeným problémům při stanovení hodnoty wopt u zkoušky proctor modifikovaný bylo provedeno porovnání 4 metod pro stanovení wopt. Pro dobře zrněné směsi SROSM lze doporučit zkoušku Proctor modifikovaný nebo metodu vibračního kladiva podle EN 13286-4, protože zjištěný rozdíl výsledných hodnot je pro použití u technologie recyklace za studena zanedbatelný. To ale nemusí platit u hrubozrných nebo špatně zrněných směsí, kde by mohla být výhodnější metoda vibračního kladiva (popř. jiná), a proto je nutné se touto problematikou zabývat hlouběji. V každém případě je vibrační metody použitelná přímo na staveništi. Důležitým krokem pri úpravě předpisu by mělo být sjednocení způsobu hutnění směsi při stanovení wopt (dynamické rázové), při výrobě těles (lisování statickou silou) a při vlastním hutnění směsi na stavbě (dynamické vibrační). Z tohoto důvodu by mohla být statická síla při výrobě těles nahrazena jiným, vhodným způsobem hutnění (např. Marshallův pěch). Doba zrání vzorků při provádění průkazních zkoušek se jeví jako příliš dlouhá. Často je zapotřebí předkládat výsledky v co nejkratších termínech. Z tohotu důvodu by bylo vhodné se dále zabývat nárůstem pevností v čase a případně odvodit mezní požadované hodnoty pro kratší dobu zrání vzorků. Měření modulů tuhosti recyklovaných směsí na zařízení BAT bylo 121

zvládnuto, zkušební tělesa se připravují jako tělesa uvedená pro ITS jejich rozříznutím a pro upevnění snímačů se povrch vyrovnává. - Nedestruktivní metoda pro stanovení mechanických charakteristik formou modulů tuhosti poskytla stejné závěry jako nabídlo posuzování pevnosti, ovšem s vyšší vypovídací schopností. Metoda umožňuje opakovaná měření na jednou zkušebním tělese a sledované veličiny (vlivy doby zrání, vlhkosti a mrazu) nejsou ovlivněny heterogenitou směsi, jsou spolehlivější bez velkého množství zkušebních těles. - Dynamické opakované zatěžování v BAT umožní sledovat také vliv opakovaného zatěžování na porušování (únavu) recyklovaných směsí, tím bude umožněno rozlišení přínosu směsí pro dobu životnosti úpravy z hlediska namáhání dopravou. - Modul tuhosti a posouzení vlivů opakovaného zatěžování umožní posuzovat přínosy recyklovaných směsí pro únosnost a životnost vozovky pomoc návrhové metody obsažené v TP 170 Navrhování vozovek PK, 2004. Pokud má být recyklace vozovek za studena progresivní technologií, která se bude dál rozvíjet, je třeba dbát na to, aby ekonomicky co nejvýhodněji zajistila požadovanou míru zlepšení konstrukce vozovky. Z tohoto hlediska je nutno upozornit na některé problémy technologie, které mohou snížit její přínosy: - Nejčastější krytovou, ložní nebo podkladní vrstvou na silnicích II. a III. tříd je u nás penetrační makadam, pod nímž se obvykle nachází zahliněný štěrk (jak bývalá krytová úprava povrchu „kalená“ jílem nebo podkladní vrstva s vyplněnou mezerovitostí jemnozrnnou zeminou). U těchto vozovek bývá často porušena obrusná vrstva výtluky a jejím vlastním rozpadem a také vozovka sníženou únosností s místními poklesy, sníženými okraji vozovky jako výsledek vysokého namáhání podloží přes porušenou vozovkou a/nebo jako výsledek zavodňování podloží nefunkčním odvodněním. Pouhá recyklace vozovku neopraví. Vozovku je třeba před recyklací vyrovnat, doplnit chybějící jemné frakce kameniva a hlavně odstranit krajnice a vybudovat funkční odvodnění (obnovit příkopy nebo provést podpovrchové odvodnění). Na tyto práce se často zapomíná. Reprofilovaná recyklovaná vrstva vozovky má různou tloušťku, zrnitost, zhutnění, pevnost, pochopitelně únosnost a následně se projeví poruchy a krátká doba životnosti. - Používaný obvyklý návrh značného dávkování pojiv cementu a asfaltové emulze sice zajistí v celém rozsahu složení recyklovaných materiálů a jejich zhutnění splnění požadovaných charakteristik stability a přetvoření, nesplní však požadované 122

pevnosti, jak minimální pevnosti, tak horní omezení pevnosti. Nízké minimální pevnosti pak nepřinesou požadovanou únosnost a dobu životnosti. Vysoké pevnosti přinesou porušování trhlinami, které jsou vážnou poruchou vozovek z hlediska problematické údržby trhlin. Obojí je problém technický a ekonomický. - Jsou důležitá také ekonomická hlediska. Často je snahou opravovat recyklací vozovky, které recyklaci nepotřebují, poruchy se týkají jen obrusné vrstvy, která lze opravit lokální opravou a souvislou údržbou. Na druhé straně se šetří a provede nedokonalá recyklace bez náležité přípravy návrhu, posouzení a optimalizace složení recyklovaných materiálů a bez přípravy stavební. Recyklace se použije také v případech, kde rekonstrukce bude nejen kvalitnější, ale i levnější, přičmž vybouraný materiál z vozovky nalezne jiné použití ve vozovkách. Z výše uvedených důvodů je vhodné: - Pokračovat v posuzování recyklovaných materiálů zkouškami, zejména zkouškami funkčními a hledat optimální složení stávajících materiálů a pojiv, na snižování obsahu asfaltové emulze, orientace na směsná hydraulická pojiva (cement, vápno, popílek a přísady) a také používání pouze asfaltových emulzí. - Sestavit metodiku pro rozhodování o recyklaci, stanovení požadavků pro pozemní komunikaci, posouzení stavu vozovky, potřebných charakteristik recyklovatelných materiálů ve vozovce, zpracování návrhu recyklace a kontroly provádění včetně kontroly hotové úpravy. Literatura 1. TP 162 Recyklace konstrukčních vrstev netuhých vozovek za studena na místě s použitím asfaltových pojiv a cementu, předběžné technické podmínky, IMOS Brno a.s. – divize silničního vývoje, 2003. 2. Merkblatt für Kaltrecycling in situ im Straßenoberbau, FGSV, Arbeitsausschuß: Industrielle Nebenprodukte und Recycling Baustoffe, Köln, 2002. 3. DIN 1048-5, Prüfverfahren für Beton; Festbeton, gesondert hergestellte Probekörper, DIN, Berlin 1991. 4. Sborník z konference Salamanca 2001: Subgrade stabilisation in situ pavement recycling using cement. 5. Horák L.: Recyklace netuhých vozovek za studena, diplomová práce FAST, 2005 6. Fišer J., Kudrna J.: Analýza funkčních vlastností recyklovaných asfaltových směsí obalovaných za studena a inovace technických specifikací, CIDEAS, dílčí výzkumná zpráva za rok 2005 123

Název

Recyklace a využití druhotných surovin při stavbě a opravě pozemních komunikací

Editor Vydal a Vyšlo Vydání

Jan Kudrna Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně duben 2004 první

ISBN 80-214-3178-4

124

125