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, 24.4.2012
1 of 44
© 2009 ARCADIS
Imagine
the result
23. duben 2012
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
23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
1. Úvod a terminologie
3 of 44
23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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
23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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
23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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
23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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
7 of 44
23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
odval TŽ Třinec
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-97-148: 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
23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
2.Předpisová základna
v České republice
a v zahraničí
9 of 44
23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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 72 1510 Kamenivo pro stavební účely. Názvosloví a klasifikace
1.1.1988
1.6.2004
definice umělého kameniva
ČSN 72 1511 Kamenivo pro stavební účely. Základní ustanovení
1.1.1992
1.6.2004
obecné technické požadavky na zkoušení
ČSN 72 1512 Hutné kamenivo pro stavební účely. Technické
požadavky
1.1.1992
1.6.2004
struskové kamenivo bez upřesnění jeho
původu
ČSN EN 12620 Kamenivo do betonu
1.6.2004
dosud
kamenivo z vysokopecní strusky
ČSN EN 13242 Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené
hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní
komunikace
1.6.2004
1.12.2007
kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z
ocelářské strusky
ČSN EN 13242+A1 Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené
hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní
komunikace
1.12.2007
dosud
kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z
ocelářské strusky
ČSN EN 13043 Kamenivo pro asfaltové směsi a povrchové vrstvy
pozemních komunikací, letištních a jiných dopravních ploch
1.6.2004
dosud
kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z
ocelářské strusky
ČSN EN 13055-1 Pórovité kamenivo – Část 1: Pórovité kamenivo do
betonu, malty a injektáží malty
1.6.2004
dosud
nespecifikované umělé kamenivo
ČSN EN 13383-1 Kámen pro vodní stavby Část 1 – Specifikace
ČSN EN 13383-1 Kámen pro vodní stavby Část 2 – Zkušební
metody
1.6.2004
dosud
kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z
ocelářské strusky
ČSN 73 6133 Návrh a provádění zemního tělesa pozemních
komunikací
1.6.1998
28.2.201
0
vysokopecní struska
ČSN 73 6133 Návrh a provádění zemního tělesa pozemních
komunikací
28.2.201
0
dosud
vysokopecní struska
10 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Předpisová základna
Přehled norem a předpisů platných v České republice pro ukládání
vedlejších produktů z hutní výroby do zemního tělesa PK
Norma / předpis
Platnost
od
Platnost
do
Poznámka
ČSN 73 6244 Přechody mostů pozemních
komunikací
06.1999
08.2010
Zásyp za opěrou: popř. jiné materiály, jejichž
vhodnost je pro tento účel ověřena
ČSN 73 6244 Přechody mostů pozemních
komunikací
08.2010
dosud
Zásyp za opěrou: popř. jiné materiály, jejichž
vhodnost je pro tento účel ověřena (např.
recyklované demoliční materiály podle zvláštního
předpisu
TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních
komunikací
1.12.2000
1.4.2011
kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z
ocelářské strusky
TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních
komunikací
1.4.2011
dosud
kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z
ocelářské strusky, tzv. studený odval
TKP 4 Zemní práce
14.3.2001
1.10.2005
bez konkrétního vyjmenování vedlejších produktů
hutní výroby
TKP 4 Zemní práce
1.10.2005
1.1.2010
bez konkrétního vyjmenování vedlejších produktů
hutní výroby
TKP 4 Zemní práce
1.1.2010
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. © 2009 ARCADIS
11 of 44 23. duben 2012
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 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
3. Požadavky na
uložení vedlejších
produktů hutní
výroby do zemního
tělesa pozemních
komunikací
13 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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.5.1.3 předpisu TP 138 z r. 2000 - 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. 5.1.6 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 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací
TP 138 z r. 2011 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 23. duben 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.
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 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
4. Rizikové faktory při
používání vedlejších
produktů z hutní
výroby
18 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Okrajové podmínky používání vedlejších produktů hutní výroby –
silikátový rozpad vysokopecní strusky
stabilní oblast
vysokopecní strusky
20 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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 Fe2+ na Fe3+ 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 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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 +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
22 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Zahraniční případy poruch komunikací
Zvlněná vozovky vlivem
zabudování objemově nestálé
ocelářské strusky do živičné
směsi (Newcastle, New South
Wales, převzato z Cresdee 2007)
23 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Poruchy komunikace v Belgii
(převzato z Pierard 2010)
5. Vlastnosti studeného
odvalu
24 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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 2.8-3.0 m ze
sondy v km 150.340 (15.4.2012)
25 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Vzorek studeného odvalu
z hloubky 2.8-3.0 m ze sondy v
km 150.340 (15.4.2012)
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.
50
45
40
% hmotnosti
35
30
28,42
27,78
25
20
15,38
12,65
15
9,19
10
4,79
5
1,79
0
frakce > 5 frakce
mm
1.6-5.0
mm
frakce <
1.6 mm
struska, bílé cihly
vč. slitků
oceli
„šamot“
šedobílé
cihly
složka studeného odvalu ve vzorku
Makroskopická separace
jednotlivých složek studeného
odvalu (vzorek z hl. 4.0 m z km
150.330)
26 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Přehled jednotlivých složek ve vzorku
studeného odvalu z km 155.330
z hloubky 4.0 m na základě
makroskopické separace
Doporučené geotechnické vlastnosti kameniva z vedlejších produktů
hutní výroby – výsledky poloprovozních zkoušek z r. 1996
parametr
vysokopecní
struska (odval
Hrabová)
frakce
ČSN 736133
přirozená vlhkost wn (%)
maximální objemová hmotnost
ocelářská struska
(odval Hrabová)
studený
odval (odval
Hrabová)
0-300 mm
0-200 mm
0-300 mm
G2 GP
G1 GW
G3 GF
4,0
2,0
6,9-12,9
2330
2681
1930
37
35
30
3
5
5
1,00E-02
4,20E-02
1,00E-08
100-131
90-130
80-100
-3
ρdmax (kg.m )
úhel vnitřního tření φ (°)
soudržnost c (kPa)
-1
koeficient filtrace kf (m.s )
modul přetvárnosti Edef (MPa)
27 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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)
28 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Pohled na vzorek nahutněný energií
100% Proctor Standard po 85 dnech
od zahájení zkoušky
Objemové změny vzorků sycených vodou při teplotě 75°C dosahovaly
po 85 dnech
- 24.4% pro vzorek nahutněný energií 100% PS
- 35.6% 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.
čas (den)
Vývoj přírůstku svislé deformace (% ) v čase
0
10
20
30
40
50
60
70
80
30
40
50
90
0,10
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
svislá deformace %
40,0
svislá deformace %
20
0,12
čas (den)
0
10
vzorek nahutněný
energií 100% PM
0,08
0,06
0,04
vzorek nahutněný
energií 100% PS
10,0
0,02
5,0
0,0
Vývoj přírůstku svislé
deformace vzorků studeného
odvalu sycených vodou při
2009 ARCADIS
29 of 44 23. duben 2012
teplotě
75°C v © čase
0,00
Vývoj přírůstku svislé deformace
vzorků studeného odvalu při
teplotě 20°C v čase
60
Přírůstky bobtnání v 3 denním cyklu
Graf přírůstků
50,00
45,00
přírůstky
ř ůstky (mm/měsíc)
(mm/mě
40,00
35,00
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
1
4
7
10
13
16
19
dny x 3
Svislá deformace PM
30 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Svislá deformace PS
22
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 - 1.28 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 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
6. Závěry
32 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
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 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Děkuji Vám za pozornost
34 of 44 23. duben 2012
© 2009 ARCADIS
Download

Vedlejší produkty hutní výroby v zemním tělese výroby v