Co bobtná v dálnici: odpadky, stavební odpad, studený odval NH, vysokopecní či ocelárenská struska? RNDr. František Kresta, Ph.D.
Seminář “Fámy a fakta o dálnici D47“, Praha, 24.4.2012
1 of 44
© 2009 ARCADIS Imagine 24 April 2012 the result
Obsah 1) Úvod 2) Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47 3) Objemová stálost druhotných surovin (především vedlejších produktů hutní výroby) 4) Příčiny objemových změn 5) Prokazování objemové stálosti 6) Výsledky zkoušek 7) Závěry
2 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
1. Úvod
3 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Využití druhotných surovin patří k základním úkolům rozvinutého světa. Česká republika patřila a patří k průkopníkům ve využití druhotných surovin v zemních pracech, a to nejen v dopravním stavitelství, kde jsou největší objemy prací, ale i v dalších oblastech stavební činnosti - pozemní stavby, rekultivace a úprava krajiny. Výhody používání druhotných surovin jsou především následující: ekologické hledisko – používáním druhotných surovin se snižuje množství vedlejších produktů na skládky a snižují se tedy i náklady na následnou rekultivaci náklady stavby – většinou jsou druhotné suroviny levnější než přírodní kamenivo (avšak i zde se mnohdy ceny srovnávají, protože majitelé zdrojů druhotných surovin mají zájem na zisku) časové hledisko (v případě uhelné hlušiny a strusek) – zemní tělesa z těchto materiálů lze provádět i ve zhoršených klimatických podmínkách (zimní měsíce)
4 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Úsek dálnice D47 s deformacemi vozovky – stav při výstavbě km 152.660 most SO 8220 most SO 8219
km 150.330
most SO 8216
Most SO 8216 a násyp km 150.330-152.660 – stav 15.4.2006 5 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
2.Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47
6 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47 Uhelná hlušinová sypanina z odvalu Paskov D – povinná do úrovně Q100+0.50 m Studený odval – lze použít nad úrovní Q100+0.50 m (uložen v násypu km 150.330-152.660) Ocelářská struska frakce 0-90 mm – aktivní zóna (0.50 m pod konstrukčními vrstvami)
uhelná hlušinová sypanina pod úrovní Q100 7 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
studený odval v přechodové oblasti mostu
aktivní zóna – ocelářská struska
Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47 Uhelná hlušinová sypanina z odvalu Paskov D - uhelná hlušina po úpravě frakce 0180 mm - objemově stálá - nízký obsah organické hmoty - velmi vhodná pro výstavbu násypových těles - obecně uhelnou hlušinovou sypaninu nelze použít do aktivní zóny (riziko vyšší namrzavosti jemné frakce)
8 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47 Studený odval Definice studeného odvalu: “Směs hutnických strusek, slévárenských písků a žáromateriálů – vyzdívky vysokých pecí, které vznikají při výrobě surového železa a oceli. Ve studeném odvalu je zastoupen zcela podřadně i ostatní materiál – např. dřevo, PVC apod.“
- minerální složení se mění zrno od zrna - je dobře hutnitelný, vykazuje vysoké hodnoty modulu přetvárnosti - je objemově nestálý 9 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47 Ocelářská struska - aktivní zóna z ocelářské strusky tvoří vrstvu tl. 0.5 m pod konstrukčními vrstvami. - jedná se o bazickou strusku (BOF) z odvalu Hrabová (nyní rekultivován) - vykazuje vysokou objemovou hmotnost (nad 2600 kg.m-3)
Odval Hrabová je nyní již rekultivován
10 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
3. Objemová stálost druhotných surovin (především vedlejších produktů hutní výroby) 11 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
TKP 4 Zemní práce čl. 4.2.3 Druhotné materiály Do zemního tělesa pozemních komunikací se mohou použít pouze takové materiály, u nichž je ověřena vhodnost použití na základě průkazních zkoušek. V případě nestandardních heterogenních materiálů je nutné terénními a laboratorními zkouškami prokázat jejich použitelnost v souladu s dokumentací. Vždy je nutné definovat zejména: přesný popis, technologii zpracování, projektové fyzikálně-mechanické parametry, nezávadnost pro životní prostředí, vyluhovatelnost a její změny v čase (dle TP 93) časový vývoj mechanických vlastností (např. u materiálů zpevněných pojivy) způsob kontroly a četnost. Dosažení projektovaných parametrů musí být podloženo laboratorními zkouškami za okrajových podmínek odpovídajícím skutečným podmínkám v zemním tělese a ověřeno zhutňovací zkouškou. 12 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Objemová stálost druhotných suroviny na stavbě dálnice D47 Uhelná hlušinová sypanina – objemově stálá. Je složena z hornin karbonského stáří, které byly vytěženy z hloubky 800-1000 m, a které prošly praním při úpravě uhlí. Studený odval – objemově nestálý. Je velmi heterogenní (každé zrno je jiné) a mění své chemické složení. Před zahájením stavby byly provedeny zkoušky rozpadavosti v autoklávu, které však nepřekročily hodnotu 5%. Ocelářská struska – její objemová stálost závisí na chemickém složení, které vyplývá z technologie výroby a složení rudy a struskotvorných přísad. Před zahájením stavby byly provedeny zkoušky rozpadavosti v autoklávu, které však nepřekročily hodnotu 5%. Dosud provedené výsledky prokazují její objemovou stálost.
13 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
4. Příčiny objemových změn
14 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Příčiny objemových změn Dosavadní výsledky zkoušek ukazují, že příčinou objemových změn ve vedlejších produktech hutní výroby jsou fázové přeměny minerálů. - hydratace volného vápna (CaO) CaO +H2O → Ca(OH)2 - hydratace periklasu (MgO) MgO +H2O → Mg(OH)2 - karbonatace hydroxidů vápenatého a hořečnatého Ca(OH)2+ CO2 → CaCO3 + H2O Mg(OH)2 + CO2 → MgCO3 + H2O - polymorfní přeměny dikalcium silikátů (C2S) β -C2S → α-C2S - hydratace C3S na CSH fáze a reakce aluminátů Všechny reakce spojené s hydratací nebo rozpadem vedlejších produktů hutní výroby (strusek) jsou ovlivněny přítomností sklovité fáze. Sklovité fáze se snadno rozpadají a přispívají k objemovým změnám. 15 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Příčiny objemových změn
16 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Příčiny objemových změn Periklasová (MgO) cihla s intenzivní hydratací (brucit – Mg(OH)2) na okraji zrn a podél štěpných trhlin a s karbonátovou hmotou (MgCO3) v základní hmotě.
Ocelářska struska pánvová. Krystalickosklovitá struska. Natavené krystaly merwinitu jsou spolu s drobnými zrny C2S a izotropního periklasu uloženy v tmavě hnědé sklovité barvě.
17 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Příčiny objemových změn Pro rozvoj procesů hydratace, vznik druhotných minerálů a ve svém důsledku pro objemové změny mají zásadní vliv následující faktory: vyšší podíl jemnozrnné frakce. V případě studeného odvalu mohl být vyšší podíl jemnozrnné frakce jak primární, tak se ještě zvýšil při hutnění materiálu studeného odvalu, kterým se větší zrna drtila vysoký měrný povrch zrn – úzce souvisí s výše uvedeným a vysokou pórovitostí jemnozrnné frakce materiálu studeného odvalu. Hodnota pórovitosti u vzorku studeného odvalu frakce < 4 mm (zhutněném energií 100% PS), která je z hlediska objemových změn kritická, dosahovala až 36.8%
druhotné karbonáty
18 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Příčiny objemových změn Pro rozvoj procesů hydratace, vznik druhotných minerálů a ve svém důsledku pro objemové změny především u studeného odvalu mají zásadní vliv následující faktory: zásadité prostředí (pH >9.2). V zásaditém prostředí probíhají procesy hydratace. Zastavují se při poklesu pH pod 8. teplota nad 10°C (bylo pozorováním zjišt ěno, že při teplotách nižších se proces zpomaluje). Vlastní reakce je exotermní (vyvíjí se teplo), což bylo pozorováno při opravných pracech. přítomnost CO2 v okolním prostředí
19 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Příklady objemových změn při použití vedlejších produktů z hutní výroby mimo stavby dopravní infrastruktury
PZ Karviná – zdvih chodníku, v jehož podloží bylo 0.5 m vysokopecní strusky z TŽ Třinec (2011) 20 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Ostrava – OBI – výkop pod podlahami; detail použitých materiálů pro zásyp starých sklepů – studený odval (2006)
5. Prokazování objemové stálosti
21 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Zkoušky objemové stálosti vedlejších produktů hutní výroby 1. Dlouhodobé zkoušky bobtnání při zkoušce CBR (cca 6 měsíců) 2. Zkoušky urychlující objemové změny - rozpadavost v autoklávu – autoclave test - rozpínavost (v parní komoře) – steam test (EN 1744-1) - rozpadavost v horkovodní lázni – hot-water bath test Chování vedlejších produktů hutní výroby bývá často diametrálně odlišné od laboratorních výsledků. Aplikace ve stmelených vrstvách a asfaltových vrstvách – nejlépe odpovídají zkoušky rozpínavosti (dle EN 1744-1) nebo zkoušky v horkovodní lázni. Nestmelené vrstvy - nejlepší výsledky přinášely dlouhodobé zkoušky bobtnání při zkoušce CBR.
22 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Laboratorní zařízení pro stanovení rozpínavosti ocelářské strusky (foto ZKK Hořice)
Zkouška objemových změn v horkovodní lázni dle ASTM D4792 (převzato z Wang G. (2010))
Zkouška objemové stálosti v autoklávu (převzato z Yildirim I. Z. - Prezzi M. (2009))
23 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Zkoušky prokazující objemovou stálost vedlejších produktů hutní výroby – normativní požadavky vysokopecní struska – rozpadavost pařením v autoklávu musí být nižší než 5% (frakce 8-16 mm, teplota 105°C, tlak 0.20 MP a, 2 hodiny) – viz TP 138 ocelářská struska – rozpínavost (frakce 0-22 mm, teplota páry 100°C, 24 hodin pro LD strusky, 168 hodin pro BOF a EAF strusky) musí být nižší než 5%– viz EN 1744-1
24 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Zkoušky prokazující objemovou stálost vedlejších produktů hutní výroby – normativní požadavky Studený odval – nebyl vyjmenován v žádném z předpisů, a proto nebyla ani stanovena zkouška ověření jeho objemové stálosti. Při jeho certifikaci jako Umělé kamenivo homogenizovaný materiál, štěrkodrť B-0-125 se provedla zkouška rozpadavosti v autoklávu dle tehdy platné ČSN 72 1512. Avšak pro štěrkodrť třídy B nebyla v ČSN 72 1512 deklarována limitní hodnota) – viz tabulka 4 na straně 7).
25 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
6. Výsledky zkoušek
26 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Staničení
Výsledky dosud provedených zkoušek objemové stálosti vedlejších produktů z hutní výroby z násypu na dálnici D47 – zkoušky z let 2009-2011
27 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Popis materiálu
150,330 studený odval
Materiál dle Rozpadavost stavebního v autoklávu deníku studený odval
150,330 studený odval
studený odval
150,340 studený odval
studený odval
2,8
TZÚS
150,340 studený odval
studený odval
3,8
TZÚS
150,340 studený odval
studený odval
7,3
TZÚS
150,345 studený odval
studený odval
10,9
ZKK
150,400 studený odval
studený odval
3,4
TZÚS
150,540 studený odval
studený odval
4,1
TZÚS
150,540 studený odval
studený odval
6,1
TZÚS
150,580 struska šedá 150,580 různorodý materiál charatkeru štěrku 150,690 studený odval
aktivní zóna
studený odval
3,8
TZÚS
150,730 studený odval
studený odval
1,2
TZÚS
studený odval
Rozpínavost
Laboratoř Zpráva
1,5 VÚSH
Kratochvíla (2009)
23,9 VÚSH
Kratochvíla (2009)
0,4 VÚSH
dosud nepublikováno (2011) dosud nepublikováno (2011) dosud nepublikováno (2011) dosud nepublikováno (2009) dosud nepublikováno (2011) dosud nepublikováno (2011) dosud nepublikováno (2011) Kratochvíla (2009)
11,4 VÚSH
Kratochvíla (2009)
dosud nepublikováno (2011) dosud nepublikováno (2011)
Výsledky zkoušek ocelářské strusky z aktivní zóny odebrané z kontrolních sond provedených ŘSD ve dnech 14.-15.4.2012 Sonda KS2 (km 151.160), hl. 0.6-0.8 m – rozpadavost v autoklávu – 0.9% Sonda KS2 (km 151.160), hl. 0.8-0.9 m – rozpadavost v autoklávu – 0.5% Sonda KS1 (km 150.340), hl. 0.6-0.9 m – rozpadavost v autoklávu – 1.5%
28 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
7. Závěry
29 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Nejdůležitější závěry 1. Druhotné suroviny jako alternativní zdroj surovin pro zemní práce budou i v budoucnu hrát podstatnou roli a jejich význam bude stoupat. 2. Příčinou objemových změn a zdvihů dálnice D47 byly objemově nestálé materiály. Dosud provedené zkoušky potvrzují objemovou nestálost studeného odvalu, který je velmi heterogenním materiálem. Podíl ocelářské strusky v aktivní zóně na objemových změnách nebyl prokázán. 3. Uhelná hlušinová sypanina v násypu je objemově stálá. 4. V kontrolních sondách provedených ŘSD ve dnech 14.-15.4.2012 nebyl zjištěn žádný odpad.
30 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Nejdůležitější závěry Z dosavadní analýzy vyplývá, že zásadním pochybením bylo použití materiálu, se kterým nebyly žádné zkušenosti (studeného odvalu) při budování zemních těles takového rozsahu jako je dálnice. Pozornost odpovědných pracovníků byla soustředěna na ekologickou nezávadnost studeného odvalu a jeho zhutnitelnost. Nikoho nenapadlo, že objemová stálost prokázána zkouškou rozpadavosti v autoklávu při certifikaci se může měnit v čase a v souvislosti s postupným odtěžováním zásob studeného odvalu. To, že se neprováděly zkoušky pro ověření objemové stálosti studeného odvalu v průběhu výstavby a vlastně v celém období 20012008 (protože se jednalo o výrobek, nevyplývala povinnost jednoznačně ze žádného předpisu a nikdo kontrolní zkoušky nepožadoval), mělo za následek nejen zvlnění dálnice D47, ale i další problémy se stavbami na Ostravsku, kde byl tento materiál použitý (Avion Shopping Park, Mountfield, OC Saller apod.).
31 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Děkuji Vám za pozornost
32 of 44
24 April 2012
© 2009 ARCADIS
Imagine the result
© 2009 ARCADIS
