výroby v zemním tělese

Transkript

1 Vedlejší produkty hutní výroby v zemním tělese pozemních komunikací Ing. Vítězslav Herle RNDr. František Kresta, Ph.D. Seminář Fámy a fakta o dálnici D47, Praha, of 44Imagine the result

2 Obsah 1) Úvod a terminologie 2) Předpisová základna 3) Požadavky na uložení vedlejších produktů hutní výroby v zemním tělese pozemních komunikací (je certifikace nutná?) 4) Rizikové faktory při používání vedlejších produktů z hutní výroby 5) Vlastnosti studeného odvalu 6) Závěry 2 of 44

3 1. Úvod a terminologie 3 of 44

4 Druhotné materiály nejčastěji používané v zemním tělese PK Elektrárenské popílky, elektrárenská struska, stabilizáty Lomové výsivky a skrývka Důlní hlušina, odvaly, výsypky Stavební demoliční odpad Produkty hutní výroby (strusky, studený odval) Produkty chemické výroby (např. z titanové běloby) Další (např. slisované použité pneumatiky, popel ze spalování komunálního odpadu) 4 of 44

5 Terminologie Vedlejší produkty hutní výroby používané při výstavbě pozemních komunikací -vysokopecní struska vzniká při výrobě surového železa ve vysokých pecích -ocelářská struska vzniká při výrobě oceli a podle způsobu výroby se dělí na - ocelářská struska BOF (zásaditá ocelářská struska) - většina starších ocelářských strusek ze Siemens Martinských pecí) ocelářská struska LD ocelářská struska z konvertorových pecí ocelářská struska EAF ocelářská struska z elektrických pecí 5 of 44

6 Druhotné suroviny z hutní výroby: Vysokopecní struska - využívána od 50.let 20.století při výrobě struskoportlandského cementu a kameniva do asfaltu, kameniva do betonu, podkladní konstrukční vrstvy, zemní těleso). Vysoce ceněná. V České republice použití především na Ostravsku (hutní závody). Zásoby vysokopecní strusky klesají a producenti se snaží uplatnit nejen strusku vysokopecní, ale i další produkty z hutní výroby (ocelářská struska, studený odval apod.). 6 of 44

7 Vysokopecní struska silnice I/11 Mosty u Jablunkova obchvat vrstevnaté násypy, R48 Frýdek-Místek Dobrá, R48 Dobrá- Tošanovice, silnice I/56 Ostrava Prodloužená Místecká Zdrojem vysokopecní strusky byly odvaly ostravských a třineckých hutí. odval Hrabůvka odval TŽ Třinec 7 of 44

8 Terminologie Studený odval hutní suť - heterogenní směs vedlejších produktů hutní výroby 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. Poznámka Tzv. studený odval se použil pouze v České republice. Analogické produkty se v zahraničí nepoužívají. - Americké předpisy dokonce zakazují příměs vyzdívek v ocelářské strusce (FHWA RD : User Guidelines for Waste and Byproduct Materials in Pavement Construction.- U.S. Department of Transport. Federal Highway Administration). - Rovněž francouzské předpisy nezmiňují možnost použití studeného odvalu. - Anglické předpisy použití vyzdívek vysokých pecí s vysokým obsahem Ca a Mg nedovolují. 8 of 44

9 2.Předpisová základna v České republice a v zahraničí 9 of 44

10 Předpisová základna Přehled materiálových norem a předpisů pro kamenivo vyrobené z vedlejších produktů hutní výroby platných v České republice Norma / předpis Platnost od Platnost do Poznámka ČSN Kamenivo pro stavební účely. Názvosloví a klasifikace definice umělého kameniva ČSN Kamenivo pro stavební účely. Základní ustanovení obecné technické požadavky na zkoušení ČSN Hutné kamenivo pro stavební účely. Technické požadavky struskové kamenivo bez upřesnění jeho původu ČSN EN Kamenivo do betonu dosud kamenivo z vysokopecní strusky ČSN EN Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní komunikace ČSN EN A1 Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní komunikace ČSN EN Kamenivo pro asfaltové směsi a povrchové vrstvy pozemních komunikací, letištních a jiných dopravních ploch ČSN EN Pórovité kamenivo Část 1: Pórovité kamenivo do betonu, malty a injektáží malty ČSN EN Kámen pro vodní stavby Část 1 Specifikace ČSN EN Kámen pro vodní stavby Část 2 Zkušební metody ČSN Návrh a provádění zemního tělesa pozemních komunikací ČSN Návrh a provádění zemního tělesa pozemních komunikací 10 of kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky dosud kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky dosud kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky dosud nespecifikované umělé kamenivo dosud kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky dosud vysokopecní struska vysokopecní struska

11 Předpisová základna Přehled norem a předpisů platných v České republice pro ukládání vedlejších produktů z hutní výroby do zemního tělesa PK Norma / předpis ČSN Přechody mostů pozemních komunikací ČSN Přechody mostů pozemních komunikací TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací 11 of 44 Platnost od Platnost do Poznámka Zásyp za opěrou: popř. jiné materiály, jejichž vhodnost je pro tento účel ověřena dosud Zásyp za opěrou: popř. jiné materiály, jejichž vhodnost je pro tento účel ověřena (např. recyklované demoliční materiály podle zvláštního předpisu kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky dosud kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky, tzv. studený odval TKP 4 Zemní práce bez konkrétního vyjmenování vedlejších produktů hutní výroby TKP 4 Zemní práce bez konkrétního vyjmenování vedlejších produktů hutní výroby TKP 4 Zemní práce dosud odkaz na TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací Normy a předpisy obsahují ustanovení týkající se vysokopecní a ocelářské strusky. Tzv. studený odval není v ČSN i EN definován. V novém vydání TP 138 (2011) je studený odval uveden s upozorněním na jeho heterogenitu.

12 Předpisová základna zahraniční předpisy Předpisová základna v Evropě - normy pro kamenivo. Britské prováděcí předpisy: Design Manual for Roads and Bridges, Vol. 7, Section 1, Chapter 2 Provisions for Use of Secondary and Recycled Materials Pouze popílek a vysokopecní struska Manual of Contract Documents for Highway Works, Volume 1 Specifications for Highway Works, Series 600 Earthworks Americká norma ASTM D2940 určuje vhodné kamenivo následovně: Kamenivo, které obsahuje složky náchylné k hydrataci, jako je ocelářská struska, musí být získáváno ze zdrojů odsouhlasených inženýrem na základě buď dostatečně zaznamenaného chování, nebo stáří, nebo úpravou vhodnou k redukci expanzivního potenciálu na dostatečnou úroveň, nebo pokud hodnoty objemových změn nejsou vyšší než 0.50% po sedmi dnech zkoušení podle normy ASTM D4792 (horkovodní lázeň). 12 of 44

13 3. Požadavky na uložení vedlejších produktů hutní výroby do zemního tělesa pozemních komunikací 13 of 44

14 TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací Původní předpis TP 138 (z r. 2000), platný v době realizace stavby D4708.2, zahrnoval pod struskové kamenivo jak vysokopecní, tak ocelářskou strusku. Čl předpisu TP 138 z r objemová stálost se po zavedení EN prokazuje zkouškou obsahu volného vápna v ocelárenské strusce zkouškou rozpadavosti strusky v autoklávu (Terminologický rozpor s požadavky EN, kdy pro ocelářskou strusku se požaduje zkouška rozpínavosti.) Čl TP 138 z roku 2000 Prokázání obsahu volného vápna a rozpadavosti strusky není požadováno, pokud struska byla uložena na skládce nejméně 1 rok a jsou doloženy případy ověřeného použití kameniva ze stejného zdroje. Toto ustanovení považujeme při současné znalosti dané problematiky za nedostatečné. 14 of 44

15 TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací TP 138 z r je uvedeno, že: Vedlejší produkty z hutní výroby lze použít v konstrukčních vrstvách nebo v zemním tělese PK pouze za předpokladu garance jejich dlouhodobé objemové stálosti. Požadavky na struskové kamenivo v tělese pozemních komunikací (TP 138) 1.Obsah síry maximálně 1.5% při kontaktu s betonovými konstrukcemi. Jedná se o obecný požadavek vyplývající z norem pro betonové konstrukce. Ve většině případů tento ukazatel vedlejší produkty hutní výroby splňují. 2. Obsah volného vápna dle TP 138 musí být nižší než 4.5% 3. Objemová stálost - 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) - ocelářská struska rozpínavost (frakce 0-22 mm, teplota páry 100 C, 24 hodin pro LD strusky, 168 hodin pro BOF a EAF strusky) 15 of 44

16 TKP 4 Zemní práce čl Druhotné materiály Do zemního tělesa pozemních komunikací se mohou použít pouze takové materiály, u nichž je ověřena vhodnost použití. 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. 16 of 44

17 Certifikovat nebo ne? Použití vedlejších produktů z hutní výroby (studený odval, ocelářská struska, vysokopecní struska) do tělesa násypu a aktivní zóny není podmíněno jejich certifikací. Do zemního tělesa pozemních komunikací lze použít jakýkoliv materiál, který splní požadavky TKP 4 Zemní práce. Certifikáty jsou vyžadovány v případě použití výrobků štěrkodrtí určité frakce do konstrukčních vrstev. Certifikáty uvedených výrobků (štěrkodrti vyrobené z ocelářské strusky a studeného odvalu), které byly dodány před zahájením stavby a pozbyly platnost v roce 2004, nemusely být dle platných resortních předpisů (TKP4) předkládány. 17 of 44

18 4. Rizikové faktory při používání vedlejších produktů z hutní výroby 18 of 44

19 Rizikovými faktory všech vedlejších produktů z hutní výroby je jejich objemová stálost 1. Silikátový rozpad strusky (vysokopecní) 2. Železnatý a manganatý rozpad vysokopecní strusky 3. Obsah volného CaO a MgO (ocelářská struska) max. 4.5% 4. Objemová stálost ocelářské strusky (rozpínavost) - max. 5% Objemová stálost kameniva z vysokopecní strusky se posuzuje podle chemického složení, aby byl vyloučen stav samovolného rozpadu (ve fázovém diagramu soustavy oxid křemičitý-oxid hořečnatý-oxid vápenatý jde o oblast přechodu merwinitu na melilit). Nepřímou průkazní formou této vlastnosti struskového kameniva je snížená odolnost proti drcení hrubého kameniva nad hranici 50%. 19 of 44

20 Okrajové podmínky používání vedlejších produktů hutní výroby silikátový rozpad vysokopecní strusky stabilní oblast vysokopecní strusky 20 of 44

21 Okrajové podmínky používání vedlejších produktů hutní výroby železnatý a manganatý rozpad vysokopecní strusky Železnatý rozpad strusky způsobuje pyrit (FeS) obsažený ve strusce. Ve vlhkém prostředí dochází k oxidaci Fe 2+ na Fe 3+ za současného vzniku síranu železnatého i železitého. Objem produktů reakce se zvětšuje cca o 40%. Manganatý rozpad strusky - mechanismus je obdobný jako u železnatého rozpadu, ale způsobuje ho MnS. I zde dochází ke zvětšení objemu vzniklého produktu Mn(OH) 2, což může mít za následek rozpad strusky. 21 of 44

22 Objemové změny vedlejších produktů hutní výroby Dosavadní výsledky zkoušek ukazují, že příčinou objemových změn ve vedlejších produktech hutní výroby jsou fázové přeměny minerálů. - hydratace volného vápna (CaO) CaO +H 2 O Ca(OH) 2 - hydratace periklasu (MgO) MgO +H 2 O Mg(OH) 2 - karbonatace hydroxidů vápenatého a hořečnatého Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Mg(OH) 2 + CO 2 MgCO 3 + H 2 O - polymorfní přeměny dikalcium silikátů (C 2 S) β-c 2 S α-c 2 S - hydratace C 3 S na CSH fáze a reakce aluminátů 22 of 44

23 Zahraniční případy poruch komunikací Zvlněná vozovky vlivem zabudování objemově nestálé ocelářské strusky do živičné směsi (Newcastle, New South Wales, převzato z Cresdee 2007) Poruchy komunikace v Belgii (převzato z Pierard 2010) 23 of 44

24 5. Vlastnosti studeného odvalu 24 of 44

25 Studený odval hutní suť - heterogenní směs vedlejších produktů hutní výroby 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. Homogenizace vzorku studeného odvalu z hloubky m ze sondy v km ( ) Vzorek studeného odvalu z hloubky m ze sondy v km ( ) 25 of 44

26 Studený odval se vyznačuje velkou heterogenitou. Vzorky nevykazují typické znaky pro jednotlivé složky studeného odvalu (ocelářská struska, keramika apod.). Jemnozrnné vzorky, analyzované chemicky i RTG-difrakcí jsou vlastně průměrnými vzorky složených z různých a silně hydratovaných složek. % hmotnosti ,42 frakce > 5 mm 15,38 frakce mm 27,78 frakce < 1.6 mm 9,19 struska, vč. slitků oceli 4,79 složka studeného odvalu ve vzorku 1,79 12,65 bílé cihly šamot šedobílé cihly Makroskopická separace jednotlivých složek studeného odvalu (vzorek z hl. 4.0 m z km ) Přehled jednotlivých složek ve vzorku studeného odvalu z km z hloubky 4.0 m na základě makroskopické separace 26 of 44

27 Doporučené geotechnické vlastnosti kameniva z vedlejších produktů hutní výroby výsledky poloprovozních zkoušek z r parametr vysokopecní struska (odval Hrabová) ocelářská struska (odval Hrabová) studený odval (odval Hrabová) frakce mm mm mm ČSN G2 GP G1 GW G3 GF přirozená vlhkost wn (%) 4,0 2,0 6,9-12,9 maximální objemová hmotnost ρdmax (kg.m -3 ) úhel vnitřního tření φ ( ) soudržnost c (kpa) koeficient filtrace kf (m.s -1 ) 1,00E-02 4,20E-02 1,00E-08 modul přetvárnosti Edef (MPa) of 44

28 Experimentální zkoušky bobtnání studeného odvalu Zkouška probíhala v uzavřené sušárně při konstantní teplotě 75 C a sycení vodou přes bázi vzorku. Vypařování bylo zabráněno fólií. Pohled na vzorky v sušárně (vlevo vzorek nahutněný energií 100% PS, vpravo vzorek nahutněný energií 100% PM) Pohled na vzorek nahutněný energií 100% Proctor Standard po 85 dnech od zahájení zkoušky 28 of 44

29 Objemové změny vzorků sycených vodou při teplotě 75 C dosahovaly po 85 dnech % pro vzorek nahutněný energií 100% PS % pro vzorek nahutněný energií 100% PM K dnešnímu datu není bobtnání ukončeno. U kontrolních vzorků zkoušených při pokojové teplotě dosahovaly hodnoty bobtnání ve svislém směru za stejné časové období 100x nižších hodnot. svislá deformace % 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 Vývoj přírůstku svislé deformace (%) v čase čas (den) svislá deformace % 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 čas (den) vzorek nahutněný energií 100% PM vzorek nahutněný energií 100% PS 0,0 0,00 Vývoj přírůstku svislé deformace vzorků studeného odvalu sycených vodou při 29 of 44 teplotě 75 C v čase Vývoj přírůstku svislé deformace vzorků studeného odvalu při teplotě 20 C v čase

30 Přírůstky bobtnání v 3 denním cyklu Graf přírůstků 50,00 45,00 40,00 přírůstky ř (mm/měsíc) 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0, dny x 3 Svislá deformace PM Svislá deformace PS 30 of 44

31 Experimentálními zkouškami bobtnání při teplotě 75 C a sycení vzork ů vodou byla prokázána objemová nestálost vzorku studeného odvalu. Experimentální zkoušky budou pokračovat s cílem zjistit hodnoty bobtnacích tlaků, které při objemových změnách vznikají. Wang G. (2010) v laboratorních podmínkách hodnoty stanovil expanzivní síly (556 N až 1609 N) a bobtnacího tlaku, který dosahoval u BOF strusky 0.57 MPa MPa. Dosud nikdo nestanovil korelaci mezi zrychlenými zkouškami objemových změn za vyšší teploty (případně i tlaku) a zkouškami při běžné teplotě. Nemůžeme tedy určit, jaký počet dnů při zrychlené zkoušce odpovídá počtu dnů při zkoušce za normálních podmínek. 31 of 44

32 6. Závěry 32 of 44

33 Závěry a doporučení Na základě dosavadních poznatků je možné konstatovat: i v případě vysokopecní strusky, je nutno s ohledem na změny zdrojů železných rud a technologie výroby sledovat obsah volného CaO a MgO, případně skla ocelářská struska bezproblémové využití ocelářské strusky lze doporučit pouze pro frakci nad 32 mm (eliminuje se podíl jemnozrnné frakce náchylné k objemovým změnám). Pro použití ocelářských strusek je nutné prokázat jejich chemismus (silikátová analýza) a vyhovující parametry rozpínavosti ostatní vedlejší produkty např. studený odval je možné použít pouze na základě dlouhodobých zkoušek jak objemových změn tak bobtnacích tlaků za různých okrajových podmínek odpovídající umístění v zemním tělese 33 of 44

34 Děkuji Vám za pozornost 34 of 44