vysokopecní či RNDr. František Kresta, Ph.D. Seminář Fámy a fakta o dálnici D47, Praha,

Transkript

1 Co bobtná v dálnici: odpadky, stavební odpad, studený NH, vysokopecní či ocelárenská struska? RNDr. František Kresta, Ph.D. Seminář Fámy a fakta o dálnici D47, Praha, of 44Imagine the result

2 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

3 1. Úvod 3 of 44

4 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

5 Úsek dálnice D47 s deformacemi vozovky stav při výstavbě most SO 8220 km most SO 8219 km most SO 8216 Most SO 8216 a násyp km stav of 44

6 2.Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47 6 of 44

7 Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47 Uhelná hlušinová sypanina z u Paskov D povinná do úrovně Q m Studený lze použít nad úrovní Q m (uložen v násypu km ) Ocelářská struska frakce 0-90 mm aktivní zóna (0.50 m pod konstrukčními vrstvami) uhelná hlušinová sypanina pod úrovní Q100 7 of 44 studený v přechodové oblasti mostu aktivní zóna ocelářská struska

8 Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47 Uhelná hlušinová sypanina z u Paskov D - uhelná hlušina po úpravě frakce 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

9 Druhotné suroviny použité při výstavbě dálnice D47 Studený Definice studeného u: Směs hutnických strusek, slévárenských písků a žáromateriálů vyzdívky vysokých pecí, které vznikají při výrobě surového železa a oceli. Ve studeném u 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

10 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 u Hrabová (nyní rekultivován) - vykazuje vysokou objemovou hmotnost (nad 2600 kg.m -3 ) Odval Hrabová je nyní již rekultivován 10 of 44

11 3. Objemová stálost druhotných surovin (především vedlejších produktů hutní výroby) 11 of 44

12 TKP 4 Zemní práce čl 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

13 Objemová stálost druhotných suroviny na stavbě dálnice D47 Uhelná hlušinová sypanina objemově stálá. Je složena z hornin karbonského stáří, které byly vytěženy z hloubky m, a které prošly praním při úpravě uhlí. Studený 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

14 4. Příčiny objemových změn 14 of 44

15 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 +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 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

16 Příčiny objemových změn 16 of 44

17 Příčiny objemových změn Periklasová (MgO) cihla s intenzivní hydratací (brucit Mg(OH) 2 ) na okraji zrn a podél štěpných trhlin a s karbonátovou hmotou (MgCO 3 ) v základní hmotě. Ocelářska struska pánvová. Krystalickosklovitá struska. Natavené krystaly merwinitu jsou spolu s drobnými zrny C 2 S a izotropního periklasu uloženy v tmavě hnědé sklovité barvě. 17 of 44

18 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 u mohl být vyšší podíl jemnozrnné frakce jak primární, tak se ještě zvýšil při hutnění materiálu studeného u, kterým se větší zrna drtila vysoký měrný povrch zrn úzce souvisí s výše uvedeným a vysokou pórovitostí jemnozrnné frakce materiálu studeného u. Hodnota pórovitosti u vzorku studeného u frakce < 4 mm (zhutněném energií 100% PS), která je z hlediska objemových změn kritická, dosahovala až 36.8% druhotné karbonáty 18 of 44

19 Příčiny objemových změn Pro rozvoj procesů hydratace, vznik druhotných minerálů a ve svém důsledku pro objemové změny především u studeného u 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 CO 2 v okolním prostředí 19 of 44

20 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 Ostrava OBI výkop pod podlahami; detail použitých materiálů pro zásyp starých sklepů studený (2006)

21 5. Prokazování objemové stálosti 21 of 44

22 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 ) - 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 ) nebo zkoušky v horkovodní lázni. Nestmelené vrstvy - nejlepší výsledky přinášely dlouhodobé zkoušky bobtnání při zkoušce CBR. 22 of 44

23 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 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 of 44

25 Zkoušky prokazující objemovou stálost vedlejších produktů hutní výroby normativní požadavky Studený 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 se provedla zkouška rozpadavosti v autoklávu dle tehdy platné ČSN Avšak pro štěrkodrť třídy B nebyla v ČSN deklarována limitní hodnota) viz tabulka 4 na straně 7). 25 of 44

26 6. Výsledky zkoušek 26 of 44

27 Výsledky dosud provedených zkoušek objemové stálosti vedlejších produktů z hutní výroby z násypu na dálnici D47 zkoušky z let of 44 Staničení Popis materiálu 150,330 studený 150,330 studený 150,340 studený 150,340 studený 150,340 studený 150,345 studený 150,400 studený 150,540 studený 150,540 studený 150,580 struska šedá 150,580 různorodý materiál charatkeru štěrku 150,690 studený 150,730 studený Materiál dle stavebního deníku studený studený studený studený studený studený studený studený studený Rozpadavost v autoklávu Rozpínavost Laboratoř Zpráva 1,5 VÚSH Kratochvíla (2009) 23,9 VÚSH Kratochvíla (2009) 2,8 TZÚS dosud nepublikováno (2011) 3,8 TZÚS dosud nepublikováno (2011) 7,3 TZÚS dosud nepublikováno (2011) 10,9 ZKK dosud nepublikováno (2009) 3,4 TZÚS dosud nepublikováno (2011) 4,1 TZÚS dosud nepublikováno (2011) 6,1 TZÚS dosud nepublikováno (2011) aktivní zóna 0,4 VÚSH Kratochvíla (2009) studený studený studený 11,4 VÚSH Kratochvíla (2009) 3,8 TZÚS dosud nepublikováno (2011) 1,2 TZÚS dosud nepublikováno (2011)

28 Výsledky zkoušek ocelářské strusky z aktivní zóny odebrané z kontrolních sond provedených ŘSD ve dnech Sonda KS2 (km ), hl m rozpadavost v autoklávu 0.9% Sonda KS2 (km ), hl m rozpadavost v autoklávu 0.5% Sonda KS1 (km ), hl m rozpadavost v autoklávu 1.5% 28 of 44

29 7. Závěry 29 of 44

30 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 u, 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 nebyl zjištěn žádný odpad. 30 of 44

31 Nejdůležitější závěry Z dosavadní analýzy vyplývá, že zásadním pochybením bylo použití materiálu, se kterým nebyly žádné zkušenosti (studeného u) při budování zemních těles takového rozsahu jako je dálnice. Pozornost odpovědných pracovníků byla soustředěna na ekologickou nezávadnost studeného u 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 u. To, že se neprováděly zkoušky pro ověření objemové stálosti studeného u v průběhu výstavby a vlastně v celém období (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

32 Děkuji Vám za pozornost 32 of 44

33 Imagine the result