WŁAŚCIWOŚCI TECHNICZNE I CHEMICZNE ŻUŻLI ZE SPALANIA ODPADÓW KOMUNALNYCH (IBA) ORAZ MOŻLIWOŚCI ICH ZASTOSOWANIA W BUDOWNICTWIE DROGOWYM

Transkrypt

1 WŁAŚCIWOŚCI TECHNICZNE I CHEMICZNE ŻUŻLI ZE SPALANIA ODPADÓW KOMUNALNYCH (IBA) ORAZ MOŻLIWOŚCI ICH ZASTOSOWANIA W BUDOWNICTWIE DROGOWYM dr inż. Cezary Kraszewski Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie Zakład Geotechniki i Fundamentowania Wprowadzenie Od wielu lat w rozwiniętych krajach problem odpadów komunalnych jest rozwiązywany termiczną technologią spalania. Aktualnie w Polsce funkcjonuje jedna spalarnia (Warszawa Targówek), która prowadzi termiczną utylizację odpadów komunalnych, a pozostałości po spalaniu są deponowane na składowiskach odpadów. Obecnie w Polsce budowanych jest 6 spalarni odpadów, które w sposób ekologiczny zmniejszą ilość składowanych odpadów komunalnych, przy okazji produkując energię elektryczną i cieplną. W wyniku ich spalania powstaną pozostałości stałe, które nazywane są w nomenklaturze międzynarodowej MSWI (ang. municipal solid waste incineration). Są to popioły lotne oraz żużle. Żużle, po odpowiednim przetworzeniu mogą być wykorzystane jako materiał budowlany. Jak wykazują doświadczenia krajów zachodnich, na szczególna uwagę zasługuje żużel denny (IBA) (ang. incinerator botom ash), który po przetworzeniu stanowić może kruszywo budowlane. Zgodnie z klasyfikacją kruszyw wg norm europejskich w zakresie budownictwa, kruszywo z termicznego przekształcenia zalicza się do kruszyw sztucznych, które można stosować na równi z kruszywami naturalnymi, oczywiście uwzględniając ich właściwości mechaniczne i chemiczne. Stosowanie kruszyw sztucznych i z recyklingu jest promowane normami europejskimi jak również polskimi dokumentami technicznymi (2014), czego przykładem są nowe katalogi konstrukcji nawierzchni KTKNPiP [1] i KTKNS [2]. W dokumentach tych ze względów ekologicznych preferowane jest użycie materiałów antropogenicznych, miejscowych i z recyklingu, w tym jest miejsce na wykorzystanie żużli IBA. W Polsce brak jest doświadczeń z wykorzystaniem tego typu materiałów na większą skalę, gdyż ich produkcja nie miała miejsca, oprócz jednej wcześniej wspomnianej spalarni. Można bazować jedynie na doświadczeniach zagranicznych. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań żużla dennego (IBA) wykonane w Laboratorium Geotechniki IBDiM. Próbki żużla do badań (po przetworzeniu) pochodziły z belgijskiego zakładu waloryzacji odpadów ze spalania odpadów komunalnych. Program badań obejmował badania żużla jako kruszywa drogowego wg normy PN-EN oraz mieszanki o uziarnieniu ciągłym 0/20mm, w zakresie cech istotnych do zastosowań w drogownictwie Próbki do badań - pochodzenie W procesie spalania odpadów komunalnych w spalarni zawodowej powstają: żużel denny, spadający pod ruszt oraz popioły lotne, które wędrują wraz ze spalinami w stronę komina i poprzez specjalny system filtrów, są tam wychwytywane. Popioły lotne MSWI są materiałem bardzo trudnym do utylizacji ponieważ są odpadem niebezpiecznym i wymagają procesu zestalania. Żużel denny jest odpadem innym niż niebezpieczny i stanowi surowiec do produkcji kruszyw. Żużel jest materiałem o zmiennej granulacji i zawiera wiele zanieczyszczeń, bądź to niespalone części lub metale, szkło i inne. Wymaga więc pracochłonnego procesu technologicznego oczyszczającego, za czym stanie się wyrobem budowlanym (kruszywem). Na wstępie wymagany jest okres leżakowania żużla w celu zakończenia się i stabilizacji reakcji chemicznych (zwykle 3 m-ce). Proces produkcji kruszywa jest złożony i składa się z następujących faz: usunięcie zanieczyszczeń (proces wielokrotny), frakcjonowanie na sitach, składowanie.

2 Rys. 1 Żużel denny bezpośrednio po dostawie ze spalarni Rys. 2 Żużel denny po oczyszczeniu i sortowaniu (kruszywo) Próbki do badań stanowił materiał ziarnisty; żużel denny (IBA) po oczyszczeniu i odsianiu na frakcje 0/10mm i 10/20mm. Widok próbek przedstawiono na Rys.3. Rys. 3 Próbka żużla 0/10mm i 10/20mm

3 Zakres i realizacja badań Program badań opracowano tak, aby wyznaczyć charakterystykę żużla pod względem właściwości istotnych jako kruszywa do zastosowań w budownictwie drogowym. Pod uwagę wzięto również właściwości chemiczne i wpływ na środowisko żużli IBA. Badania przeprowadzono dwukierunkowo: badania techniczne, określające właściwości fizyko-mechaniczne dla zastosowań w budownictwie drogowym wg PN-EN [4], WT-4 [3] i PN-S [5], badania chemiczne (testy wymywalności) pod kątem oddziaływania na środowisko. Biorąc pod uwagę uziarnienie próbek (0/10mm i 10/20mm), zbadano każdą próbkę oddzielnie jak również zaprojektowano mieszankę o optymalnym uziarnieniu 0/20mm, odpowiadającą powszechnie stosowanym mieszankom niezwiązanym w konstrukcjach drogowych, tzw. mieszanka niezwiązana. Szczegółowy zakres badań technicznych był następujący: badania kruszywa 0/10mm i 10/20mm Uziarnienie, zawartość pyłów PN EN Wskaźnik płaskości - PN EN Wskaźnik kształtu PN EN Odporność na rozdrabnianie PN EN Odporność na ścieranie PN EN Gęstość ziaren i nasiąkliwość PN EN Mrozoodporność PN EN Zawartość zanieczyszczeń obcych PN-B-06714/12 badania mieszanki 0/20mm Max. gęstość objętościowa i wilgotność optymalna PN EN Wskaźnik nośności CBR + pęcznienie PN EN Uziarnienie (przed i po zagęszczeniu) PN EN Wskaźnik piaskowy PN EN Badania chemiczne Skład chemiczny podstawowy, Zawartość pierwiastków śladowych, Testy wymywalności i analiza wyciągu wodnego, Promieniotwórczość naturalna. Właściwości techniczne kruszywa z żużli IBA Zbadane próbki kruszywa żużlowego IBA to mineralny materiał ziarnisty o uziarnieniu 0/10mm oraz uziarnieniu 10/20mm. Właściwości kruszywa 0/10mm i 10/20mm przedstawiono w tabeli 1, a właściwości mieszanki 0/20mm w tabeli 2 na podstawie badań [6]. Tab. 1 Zestawienie wyników badań właściwości fizyko-mechanicznych próbek 0/10mm i 10/20mm Lp. Rodzaj badania Badanie Wynik badania dla kruszywa i kategoria według normy Kruszywo 0-10 mm Kruszywo mm 1 Zawartość pyłów PN EN Wskaźnik płaskości PN EN Wskaźnik kształtu PN EN Odporność na PN EN rozdrabianie Kategoria według PN-EN Kategoria według PN-EN ,71 % f Deklarowana 0,91 % f 2 35,14 % fr. > 4 mm FI 50 15,87 % fr. > 4 mm FI 20 30,53 % SI 40 11,92 % SI 20 40,32 % fr. 6.3/10 mm LA 50 40,92 % fr. 6.3/10 mm 5 Odporność na PN EN ścieranie ,70 % M DE 25 21,50 % M DE 25 6 Oznaczenie PN EN mrozoodporności ,20 % F Deklarowana 3,11 % F 4 7 Oznaczenie PN EN 2,6 % WA 24Deklarowana 3,4 % WA 24Deklarowana LA 50

4 nasiąkliwości Oznaczenie gęstości ziaren ρ a PN EN Zawartość PN-Bzanieczyszczeń obcych 2,18 Mg/m 3-2,41 Mg/m ,72 % - Przedstawione w tab. 1 wyniki badań wykazały, że badane kruszywa IBA posiadają właściwości pozwalające na klasyfikację wg normy PN-EN i ich zastosowanie w budownictwie drogowym. Gęstość objętościowa ziaren kruszywa ρ a wynosi odpowiednio: 2,18 Mg/m 3 (0/10mm) i 2,41 Mg/m 3 (10/20mm). Kruszywo IBA jest trochę lżejsze niż kruszywa naturalne, których gęstość wynosi średnio ok. 2,6-2,8 Mg/m 3. Pod względem właściwości mechanicznych (LA, M DE ), obie próbki kruszyw 0/10mm i 10/20mm uzyskują wynik kwalifikujący do kategorii; LA 50 i M DE 25. Mrozoodporność badanych kruszyw kształtuje się na poziomie od 3,11% do 9,20%, przy czym lepszą mrozoodporność wykazuje kruszywo grubsze (10/20mm). Pod względem nasiąkliwości oba kruszywa posiadają zbliżoną wartość WA 24 =2,6-3,4%. Wobec kształtu ziaren (wskaźnik płaskości FI i kształtu SI) występuje dość znaczna różnica pomiędzy badanymi kruszywami. Korzystniejszy kształt, ziarna bardziej kubiczne posiada kruszywo grubsze (10/20mm) uzyskując kategorię FI 20, SI 20. Kruszywo drobne 0/10mm charakteryzuje się wskaźnikiem płaskości FI 50, SI 40. Złożona mieszanka z kruszywa 0/10mm i 10/20mm w kompozycji 50%/50% (m/m) uzyskała uziarnienie optymalne odpowiednie dla podbudów drogowych o uziarnieniu 0/31.5mm (Rys. 4). Uziarnienie optymalne (krzywa przesiewu zawarta w odpowiednim obszarze) pozwala na łatwe zagęszczenie mieszanki kruszywa. Złożona mieszanka charakteryzuje się właściwościami przedstawionymi w tabeli 2 i Rys. 4. Na wykresie uziarnienia obserwuje się, że w procesie zagęszczania (standardowa metoda Proctora) część ziaren ulega skruszeniu i zmienia się uziarnienie. Zmiana ta wynosi ok. 10%. WYKRES UZIARNIENIA KRUSZYWA 100,0 100,0 100 Obszar dobrego uziarnienia kruszyw a fracji 0/ 31,5 mm w g PN-S ,0 26,5 18,3 37,3 26,3 11,8 11,7 10 6,8 8,4 7,2 3,9 4,9 0 47,4 36,0 62,0 50,4 93,3 88,1 Obszar dobrego uziarnienia kruszyw a fracji 0/ 63,0 mm w g PN-S przechodzi przez sito, % 0,000 0,075 0,125 0,25 0, ,5 63 bok oczka sita #, mm przed zagęszczeniem po zagęszczeniu w aparacie Proctora Rys. 4 Wykres uziarnienia mieszanki 0/20mm przed zagęszczeniem i po 5-krotnym zagęszczeniu w aparacie Proctora

5 Tab. 2 Zestawienie wyników badań właściwości fizyko mechanicznych mieszanki 0/20mm Lp. Rodzaj badania Badanie według Wynik badania normy 1 Wilgotność optymalna w opt, % PN-EN ,5 2 Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρ ds, g/cm 3 PN-EN ,569 3 Wskaźnik piaskowy SE 4 - stan naturalny (przed zagęszczeniem) - stan po 5-krotnym zagęszczeniu w aparacie Proctora 4 Wskaźnik nośności CBR, % - bezpośrednio po zagęszczeniu próbki - po 4 dobach moczenia w wodzie - pęcznienie liniowe p, % PN-EN PN-EN ,0 Biorąc pod uwagę obecnie obowiązujące przepisy techniczne dotyczące kruszyw (PN-EN 13242) i mieszanek drogowych WT-4 Mieszanki niezwiązane do dróg publicznych [3] określone właściwości kruszywa IBA wskazują na możliwość zastosowania tego kruszywa w warstwach drogowych. Ze względu na właściwości żużli IBA stosowanie ich w konstrukcjach drogowych będzie ograniczone do dolnych warstw: ulepszone podłoże, dolne warstwy konstrukcyjne. Ograniczenie to jest spowodowane głównie kruchością żużla (LA 50 ). Złożona mieszanka jest materiałem niewysadzinowym (SE 4 >35) - odpornym na powstawanie wysadzin mrozowych, kruszywo jest mrozoodporne - kategoria F 10 (0/10mm) i F 4 (10/20mm), co pozwala na stosowanie tego materiału w strefie oddziaływania mrozu. Mieszanka 0/20mm jest odpowiednio nośna (CBR>60) i zachowuje tą nośność po nasyceniu wodą. Pod względem nośności CBR mieszanka spełnia wymagania dla podbudów pomocniczych zgodnie z WT-4 [3]. Właściwości chemiczne kruszywa z żużli IBA Przeprowadzono również badania chemiczne i dokonano oceny pod względem oddziaływania na środowisko. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 27.IX.2001r. w sprawie katalogu odpadów (Dz.U. nr 112, poz. 1206) [7] kruszywo IBA zaliczyć należy do: grupy o kodzie identyfikacyjnym 19 podgrupy odpady z instalacji i urządzeń służących zagospodarowaniu odpadów, z oczyszczalni ścieków oraz z uzdatniania wody pitnej i wody do celów przemysłowych odpady z termicznego przekształcania odpadów rodzaju żużle i popioły paleniskowe inne niż wymienione w Zgodnie z Rozporządzeniem kruszywo IBA nie zalicza się do odpadów niebezpiecznych, stanowiących zagrożenie dla środowiska oraz dla zdrowia i życia ludzi. Przeprowadzone badania [10] wykazały, że podstawowymi składnikami kruszyw IBA są związki mineralne: krzemionka SiO 2 stanowiąca 39.5% masy dla próbki 0/10mm i 52.3% masy dla próbki 10/20mm. Ponadto, w znacznych ilościach występują: związki wapnia CaO, żelaza Fe 2 O 3, glinu AL 2 O 3, sodu Na 2 O, magnezu MgO i fosforu P 2 O 5 stanowiące łącznie 48.28% masy dla próbki 0/10mm i 43.35% masy dla próbki 10/20mm. Siarka całkowita oznaczona jako SO 3 stanowi 1.72% masy próbki 0/10mm i 0.72% masy próbki 10/20mm. Badania promieniotwórczości naturalnej f 1 i f 2 wykazały, że badane kruszywo 0/10mm i 10/20mm spełnia wymagania w zakresie promieniotwórczości dla surowców i materiałów budowlanych stosowanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi, a także dla materiałów wykorzystywanych w budownictwie inżynieryjnym obiektów budowlanych naziemnych i podziemnych na terenach zabudowanych. Stwierdzono jedynie nieznaczne przekroczenie odczynu ph oraz zawartości siarczanów w próbce 0/10mm w stosunku do wymagań Rozporządzenia [8]. Próbka 10/20mm cechuje się znacznie korzystniejszymi parametrami chemicznymi, gdzie nie stwierdzono przekroczeń wymagań Rozporządzenia [8]. Dlatego

6 wskazane jest wykorzystanie kruszywa drobnego 0/10mm w mieszankach z kruszywem grubym, co pozwoli zredukować ewentualne przekroczenia wymagań. W stosunku do materiałów naturalnych (kruszywa, grunty, gleby) badane próbki kruszyw IBA nie spełniają standardów jakości gleby i standardów jakości ziemi, ale przekroczenia nie są na tyle duże i niebezpieczne aby skazić środowisko. Badania wyciągów wodnych [10] pozwalają na stwierdzenie, że w przypadku gospodarczego wykorzystania w budownictwie drogowym lub składowania kruszywa MSWI nie nastąpi skażenie środowiska: metalami ciężkimi, substancjami promieniotwórczymi, zanieczyszczeniami biologicznymi. Podsumowanie Żużle IBA to ziarnisty materiał mineralny pod względem mechanicznym i fizycznym zbliżony właściwościami do słabszych kruszyw naturalnych (ze skał osadowych). Wg obecnie obowiązującej nomenklatury kruszywo IBA zaliczyć należy do kruszyw sztucznych, uzyskanych w wyniku procesu przemysłowego obejmującego termiczną lub inną modyfikację. Przeprowadzone badania wg PN-EN [4] wskazują na możliwość użycia tych kruszyw jako składników mieszanek drogowych wg PN-EN [11]. Zgodnie z obowiązującymi wytycznymi WT-4 Mieszanki niezwiązane [3] oraz związanymi normami PN-EN i PN-EN mieszanki na kruszywach IBA mogą być stosowane w dolnych warstwach drogowych. W przypadku konstrukcji nieobciążonych lub o małym obciążeniu (ścieżki rowerowe, ciągi pieszo-jezdne), powierzchnie przeznaczone na pojazdy lekkie, możliwe jest zastosowanie mieszanki żużla IBA w warstwie konstrukcyjnej, jako podbudowa. Jako dokument odniesienia Polska Norma wyrobu (podstawa wprowadzenia do obrotu) może być stosowana norma PN-EN w której określono właściwości kruszyw stosowanych w budownictwie drogowym. Do konkretnych zastosowań w konstrukcjach drogowych kruszywa (mieszanki) powinny spełniać wymagania zawarte w WT-4 oraz normą związaną PN-EN W przypadku, gdy właściwości użytkowe różnią się istotnie od właściwości określonych w Polskiej Normie wyrobu może być opracowana Aprobata Techniczna ze wskazaniem właściwego zastosowania wyrobu w konstrukcji drogowej dla tych właściwości. Przeprowadzone badania i analizy objęły zastosowanie żużli IBA jako materiału niezwiązanego spoiwem (mieszanki niezwiązane). Należy wziąć pod uwagę również obszar wykorzystania żużli IBA w mieszankach kruszyw związanych spoiwem hydraulicznym (odpowiednik chudego betonu). Jest to odrębne zagadnienie naukowe, które powinno uwzględniać wpływ na proces i trwałość wiązań hydraulicznych mieszanek z wykorzystaniem żużli IBA. Wnioski Przeprowadzone badania wykazały, że mieszanka kruszywa IBA pod względem mechanicznym może stanowić materiał do wykonywania konstrukcji drogowych (warstwy niezwiązane). Podstawą wprowadzenia kruszywa do obrotu jest norma PN-EN 13242, a dokumentem aplikującym do stosowania w konstrukcjach drogowych (warstwy niezwiązane) są wytyczne WT-4. Badania chemiczne wykazały, że zastosowanie kruszyw IBA w konstrukcjach drogowych nie spowoduje skażenia środowiska. Z uwagi na to, ze kruszywo MSWI odbiega od standardów jakości gleby i standardów jakości ziemi, nie jest wskazane używanie w warstwach poniżej wód gruntowych, na terenach zalewowych. należy rozważyć kierunek badawczy zastosowania kruszywa IBA jako składnika mieszanek związanych hydraulicznie do podbudów drogowych.

7 Literatura [1] Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych; Załącznik do zarządzenia Nr 31 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia r. [2] Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Sztywnych; Załącznik do zarządzenia Nr 30 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia r. [3] Mieszanki niezwiązane do dróg krajowych WT-4. Wymagania techniczne 2010 Załącznik Nr 3 do Zarządzenia Nr 102 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 19listopada 2010r. [4] PN-EN Kruszywa do niezwiązanych i hydraulicznie związanych materiałów stosowanych w obiektach budowlanych i budownictwie drogowym, [5] PN-S Drogi samochodowe. Podbudowy z kruszyw stabilizowanych mechanicznie [6] Raport z badań WYNIKI WYBRANYCH BADAŃ KRUSZYWA ZA SPALANIA ODPADÓW KOMUNALNYCH PRZEZNACZONYCH DO WYKORZYSTANIA W BUDOWNICTWIE DROGOWYM Laboratorium Geotechniki IBDiM, maj 2012 r. [7] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27.IX.2001r. w sprawie katalogu odpadów (Dz.U. Nr 112, poz. 1206), [8] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 Iipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz.U nr 137, poz. 984 z późn., zm.), [9] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia r. w sprawie standardów jakości gleby i standardów jakości ziemi (Dz.U nr 165 poz. 1359), [10] Badania i ocena fizyko-chemicznych własności żużli MSWI pochodzących ze spalania odpadów komunalnych; Energopomiar Sp. z o.o., Gliwice 2012 r. [11] PN-EN Mieszanki niezwiązane Specyfikacja,