Wykorzystanie do budowy nasypów drogowych kruszyw z recyklingu odpadów budowlanych

Transkrypt

1 Geoinżynieria DROGI Wykorzystanie do budowy nasypów drogowych kruszyw z recyklingu odpadów budowlanych Wyniki badań geotechnicznych materiału gruntowego, pochodzącego z recyklingu konstrukcji betonowych, asfaltobetonowych, murowych i odpadów gruntowych dr inż. Andrzej Batog, dr inż. Maciej Hawrysz Instytut Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej ostatnim czasie obserwujemy zdecydowane przyspieszenie realizacji inwestycji komunikacyjnych, co bezpo- W średnio wpływa na większe zapotrzebowanie na kwalifikowany materiał gruntowy. Istotnym czynnikiem, wpływającym na zwiększony popyt na dobry materiał gruntowy, jest nie tylko ilość realizowanych inwestycji, ale również sposób projektowania tras komunikacyjnych na terenach zurbanizowanych, preferujący prowadzenie ruchu po nasypach ziemnych, a nie po estakadach żelbetowych. Uzasadnieniem takiej preferencji jest wyższy obecnie koszt wykonania konstrukcji żelbetowej. To kryterium ekonomiczne w niedalekiej przyszłości może ulec zmianie, bowiem występowanie w rejonie Wrocławia odpowiedniego materiału gruntowego, przydatnego do bezpośredniego wbudowania w korpus nasypu komunikacyjnego, jest praktycznie ograniczone do minimum. W tej sytuacji możliwe są dwa sposoby rozwiązania problemu braku odpowiedniego materiału gruntowego do formowania nasypów komunikacyjnych: eksploatacja złóż położonych w znacznej odległości od budowy lub poszukiwanie i uruchamianie eksploatacji nowych złóż surowców mineralnych; wykorzystanie antropogenicznych materiałów gruntowych, takich jak odpady paleniskowe lub budowlane. Po odpowiednim przetworzeniu i użyciu jako składników mieszanek z gruntami mineralnymi ich właściwości mogą się znacznie polepszyć. Jednocześnie należy zwrócić uwagę, że wykorzystywanie materiału gruntowego z recyklingu odpadów budowlanych dotyczy przede wszystkim dużych aglomeracji miejskich ze względu na możliwość pozyskania odpowiedniej ilości odpadu. W pracy niniejszej prezentowane są wyniki badań geotechnicznych materiału gruntowego, pochodzącego z recyklingu konstrukcji betonowych, asfaltobetonowych, murowych i odpadów gruntowych, wytwarzanego przez przedsiębiorstwo zlokalizowane na terenie miasta Wrocławia. Rezultaty badań pozwoliły na ustalenie zakresu przydatności badanego materiału gruntowego do budowy nasypów komunikacyjnych zgodnie z kryteriami zawartymi w stosownych przepisach i zaleceniach. ZAKRES I METODYKA BADAŃ Przeprowadzone badania laboratoryjne dotyczyły materiału gruntowego pochodzącego z segregacji i przeróbki mechanicznej rozbiórkowych konstrukcji betonowych, murowych, asfaltobetonowych oraz odpadów gruntowych z terenu miasta Wrocławia i jego okolic. Badany materiał gruntowy po procesie recyklingu składowany jest na hałdach formowanych na terenie przedsiębiorstwa. Celem badań było ustalenie możliwości wykorzystania badanego materiału gruntowego z recyklingu do robót ziemnych, a w szczególności do budowy nasypów drogowych. Zakres przeprowadzonych badań obejmował oznaczenie następujących parametrów geotechnicznych: skład granulometryczny, wskaźnik piaskowy, parametry zagęszczalności, zawartość części organicznych, parametry wytrzymałości na ścinanie, parametry ściśliwości. Badania laboratoryjne uzupełniono oceną zawartości istotnych składników tworzących po recyklingu badany materiał gruntowy. Uśrednione próby materiału gruntowego do badań laboratoryjnych zostały pobrane w sposób losowy z połowy wysokości 32 maj - czerwiec 3 / 2011 [32]

2 DROGI Geoinżynieria Zawartość składników Pr. H1 Pr. H2 Pr. H3 % % % Rozkruszony beton cementowy Rozkruszony mur ceglany Rozkruszona ceramika budowlana Piaski (Ps) Żwiry (Ż) Składniki spoiste, gliny (G) Asfalt / asfaltobeton Drewno Tab. 1. Zawartość składników kruszywa Uwaga: w tabeli podano zawartość składników w % wagowych trzech hałd oznaczonych odpowiednio H1, H2, H3, na których zgromadzono produkty procesu recyklingu. Zastosowana metodyka oznaczenia wybranych parametrów geotechnicznych jest zgodna z procedurami podanymi w normie PN-88/B [1]. Badanie wskaźnika piaskowego WP wykonano zgodnie z normą BN-64/ [2]. Próbki materiału gruntowego do poszczególnych badań przygotowywano znaną metodą ćwiartowania podstawowej próby huraganowej. Skład granulometryczny badanego materiału gruntowego ustalono na podstawie analizy sitowej z przemywaniem jego próbek. Zawartość części organicznych oznaczono metodą prażenia próbek w piecu muflowym w temperaturze 850 C. Badania wytrzymałości gruntu na ścinanie prowadzono w aparacie bezpośredniego ścinania na próbkach o wymiarach Właściwości Parametry Hałda 1 (Pr. H1) Hałda 2 (Pr. H2) Hałda 3 (Pr. H3) Zawartość frakcji kamienistej i żwirowej (powyżej 2 mm) f k +f ż 54% 44% 18% Zawartość frakcji piaskowej (0,05 2 mm) f p 40% 42% 58% Zawartość frakcji pyłowej (0,002 0,05 mm) f π 5% 8% 14% Uziarnienie Zawartość frakcji iłowej (poniżej 0,002 mm) f i 1% 6% 10% Symbol gruntu wg PN-86/B Ż P og P og Średnica miarodajna d 10 0,17 mm 0,01 mm 0,002 mm Średnica miarodajna d 30 0,69 mm 0,33 mm 0,12 mm Średnica miarodajna d 60 4,0 mm 2,8 mm 0,39 mm Wskaźnik jednorodności uziarnienia C u >15 >15 >15 Zawartość części organicznych Parametry zagęszczalności Wysadzinowość I om 7,4% 5,1% 4,5% Wilgotność optymalna w opt 8,3% 10,6% 13,3% Maksymalna gęstość obj. szkieletu gruntowego s 2,09 g/cm 3 2,01 g/cm 3 1,96 g/cm 3 Zawartość cząstek o średnicy mniejszej niż 0,075mm 7% 16% 27% Zawartość cząstek o średnicy mniejszej niż 0,02mm 4% 12% 19% Wskaźnik piaskowy WP 25, Kapilarność bierna H kb <1m <1m <1m Grupa wysadzinowości grunt wątpliwy grunt wysadzinowy/ wątpliwy grunt wysadzinowy Wodoprzepuszczalność Współczynnik filtracji wg. wzoru USBSC k 10 40, m/s 5, m/s 0, m/s Wytrzymałość na ścinanie Kąt tarcia wewnętrznego φ Spójność pozorna c 37,8 o 40,3 o =1,79 1,99 g/cm kpa =1,79 1,99 g/cm 3 35,2 o 40,2 o =1,74 1,91 g/cm kpa =1,74 1,91 g/cm 3 35,9 o 39,2 o =1,77 1,94 g/cm kpa =1,77 1,94 g/cm 3 Ściśliwość Edometryczny moduł ściśliwości Mo dla przedziału obciążeń σ =25 100kPa Edometryczny moduł ściśliwości Mo dla przedziału obciążeń σ = kPa 2,3 2,7MPa =1,75 1,92 g/cm 3 5,2 7,2MPa =1,75 1,92 g/cm 3 4,8 15,9MPa =1,77 1,97 g/cm 3 20,8 42,6MPa =1,77 1,97 g/cm 3 2,5 12,7MPa =1,70 2,03 g/cm 3 15,8 31,3MPa =1,70 2,03 g/cm 3 Tab. 2. Zestawienie wyników badań laboratoryjnych maj - czerwiec 3 / 2011 [32] 33

3 Geoinżynieria DROGI φ [stop.] 40 procentową zawartość wagową ich masy w stosunku do masy badanej próbki. Wyniki badania przedstawiono w tab. 1. a) c [kpa] [g/cm 3 ] PARAMETRY GEOTECHNICZNE W tab. 2 zestawiono wyniki badań parametrów geotechnicznych próbek materiałów gruntowych z recyklingu. Przykładową dokumentację badania parametrów mechanicznych próbki materiału gruntowego z hałdy H2 przedstawiono na rys. 1. i rys. 2, na których zamieszczono wykresy ilustrujące zależność wartości parametrów wytrzymałości i ściśliwości gruntu od stanu jego zagęszczenia, wyrażonego za pomocą wartości gęstości objętościowej szkieletu gruntowego. Podczas interpretacji wyników ścinania gruntów w aparacie bezpośredniego ścinania wyznaczono, niezależnie od rodzaju (nazwy) badanego gruntu, zarówno wartość kąta tarcia wewnętrznego φ, jak i spójności c, który to parametr w gruntach niespoistych nosi nazwę spójności pozornej, będącej efektem zazębiania się jego ziaren w strefie ścinania oraz w znacznie mniejszym zakresie efektem działania sił międzycząsteczkowych. Podane w tab. 2. wartości edometrycznych modułów ściśliwości M 0 zostały ustalone według zależności: 10 M 0 = χ M E, b) x 12 x 6 cm, wstępnie zagęszczonych do przyjętego poziomu gęstości objętościowej szkieletu gruntowego s. Ścinanie kształtek gruntowych przeprowadzono przy trzech różnych obciążeniach pionowych σ n, odpowiadających naprężeniom pionowym występującym w nasypach ziemnych o wysokości do 10 m. Prędkość ścinania kształtek wynosiła 0,1 mm/min. W podobny sposób przygotowywano próbki do badań ściśliwości w edometrze. W rezultacie wykonano trzy serie badań (próby Pr. H1, H2, H3), a w każdej z nich przeprowadzono po trzy badania próbek o różnym wstępnym zagęszczeniu. WYNIKI BADAŃ PRÓBEK MATERIAŁU GRUNTOWEGO ZAWARTOŚĆ SKŁADNIKÓW W wyniku zastosowanego procesu recyklingu w badanym materiale gruntowym wyróżniono następujące substancje: rozkruszony beton cementowy, rozkruszony mur ceglany, rozkruszoną ceramikę budowlaną, grunty niespoiste (piaski i żwiry), grunty spoiste (gliny), asfaltobeton lub asfalt, drewno. Zawartość wymienionych składników ustalono jako średnią [g/cm 3 ] Rys. 1. Zmienność parametrów wytrzymałości (φ - kąt tarcia wewnętrznego, c spójność pozorna) materiału gruntowego z hałdy H2 gdzie: χ współczynnik poprawkowy do obliczenia modułów ściśliwości wg monografii [3], o ograniczonej wartości do 2,0; M E edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej uzyskany bezpośrednio z badania. CHARAKTERYSTYKA BADANEGO MATERIAŁU GRUNTOWEGO OCENA BADANEGO MATERIAŁU GRUNTOWEGO POD WZGLĘDEM ZAWARTOŚCI CZĘŚCI ORGANICZNYCH Oznaczona metodą prażenia zawartość części organicznych (I om = 4,5% 7,4%) kwalifikuje te grunty do grupy gruntów organicznych wg normy PN-86/B-2480 [4], lub do grupy gruntów nisko organicznych wg normy EN ISO :2004 [5]. Zastosowana metoda oceny wartości parametru I om w rezultacie sprowadza się do określenia straty masy badanej próbki M0 [MPa] σ = kpa σ = kpa [g/cm 3 ] Rys. 2. Zmienność parametru ściśliwości (M 0 edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej) materiału gruntowego z hałdy H2 34 maj - czerwiec 3 / 2011 [32]

4 DROGI Geoinżynieria w procesie jej wygrzewania w wysokiej temperaturze. Wówczas, oprócz wyprażenia naturalnych części organicznych, wyprażane są również substancje wchodzące w skład asfaltobetonu lub asfaltu, będące elementami składowymi badanych materiałów gruntowych z recyklingu. W tej sytuacji powszechnie stosowana metoda prażenia nie daje jednoznacznej informacji o zawartości materiału organicznego, wpływającego niekorzystnie na właściwości mechaniczne gruntów, jak ma to miejsce w przypadku namułów, torfów czy gytii. Zatem odrzucenie badanych materiałów gruntowych jako nienadających się do formowania budowli ziemnych z powodu przekroczenia wartości parametru I om (norma PN-S [6], a także norma PN-B [7]) nie wydaje się w pełni uzasadnione. Warto zauważyć, że wyniki badań parametrów wytrzymałości i ściśliwości przedmiotowych materiałów gruntowych są porównywalne z parametrami czystych odpadów budowlanych, których liczbowe wartości zostały zamieszczone w publikacji S. Pisarczyka [8] i ponadto znacznie odbiegają od parametrów naturalnych gruntów organicznych. Jednocześnie należy zwrócić uwagę, że w przypadku nasypów drogowych formowanych z mieszanin popiołowo-żużlowych norma PN-S [6] dopuszcza w tym materiale konstrukcyjnym zawartość niespalonego węgla sięgającą aż 10%. Konkludując, należy stwierdzić, że oznaczona w badanych materiałach wartość parametru I om nie powinna być zasadniczym kryterium oceny ich przydatności do budowy nasypów drogowych. OCENA BADANEGO MATERIAŁU GRUNTOWEGO POD WZGLĘDEM PRZYDATNOŚCI DO WYKONYWANIA BUDOWLI ZIEMNYCH Badany materiał gruntowy pod względem wysadzinowości należy zaliczyć do grupy gruntów wątpliwych lub wysadzinowych, na co wskazuje mała wartość wskaźnika WP oraz wysoka zawartość cząstek drobnych przy jednocześnie niskiej wysokości podciągu kapilarnego. maj - czerwiec 3 / 2011 [32] 35

5 Geoinżynieria DROGI Wyniki badań próbek materiału gruntowego pobranych z poszczególnych odkładów (hałd) wykazały, że można wziąć pod uwagę dwa przypadki wykorzystania przedmiotowego materiału gruntowego do formowania budowli ziemnych: jako samodzielny materiał konstrukcyjny, kiedy decydującym kryterium przydatności jest wysadzinowość i dobre właściwości mechaniczne bez uwzględnienia podwyższonej zawartości części organicznych. Wówczas można przyjąć, że materiał gruntowy składowany na hałdach H1, H2 i H3 jest przydatny na dolne warstwy nasypów, umieszczone poniżej strefy przemarzania z zastrzeżeniem, że zostanie wbudowany w miejsca suche lub zabezpieczone przed oddziaływaniem wód gruntowych i powierzchniowych; jako domieszka do naturalnych gruntów mineralnych, w zależności od miejsca składowania w następujących proporcjach wagowych: grunt z hałdy H1 (żwir) / niespoisty grunt mineralny (piaski, pospółki) 25% / 75%; grunt z hałdy H2 (pospółka gl.) / niespoisty grunt mineralny (piaski oraz pospółki) 33% / 67%; grunt z hałdy H3 (pospółka gl.) / niespoisty grunt mineralny (piaski, pospółki) 50% / 50%. W takiej sytuacji można przyjąć, że powstałe mieszanki będą przydatne bez zastrzeżeń na dolne i górne warstwy nasypów w strefie przemarzania. PODSUMOWANIE Badany antropogeniczny materiał gruntowy wytworzony w następstwie procesów kruszenia, przesiewania i mieszania odpadów budowlanych posiada właściwości gruboziarnistych gruntów niespoistych lub gruntów mało spoistych w zależności od wyjściowego składu odpadu budowlanego i parametrów technologicznych maszyn. Badany materiał gruntowy pod względem udziału wyróżnionych składników zawiera: około 50% niespoistych gruntów mineralnych, 10 30% gruntów spoistych, w tym gruntów organicznych, pozostałe 20 40% stanowią pokruszone betony cementowe, cegły i ceramika budowlana, znikomym dodatkiem (2 3%) są fragmenty rozkruszonego asfaltobetonu i drewna. Skład granulometryczny badanych gruntów kwalifikuje się jako żwiry (H1) i pospółki gliniaste (H2 i H3). Występują również różnice właściwości mechanicznych gruntów składowanych na poszczególnych odkładach (hałdach), niemniej jednak wszystkie z nich charakteryzują się: bardzo dobrą zagęszczalnością, dobrą i bardzo dobrą wodoprzepuszczalnością, wysokimi parametrami wytrzymałości na ścinanie. Zawartość części organicznych w badanym materiale gruntowym oceniana na podstawie standardowej metody wyprażania próbki nie daje jednoznacznych przesłanek do zakwalifikowania badanego gruntu do grupy gruntów organicznych o niekorzystnych właściwościach mechanicznych. W tej sytuacji należy albo wprowadzić inną metodę badania wartości parametru I om (np. metodę utleniania Tiurina), co wymaga przeprowadzenia serii badań porównawczych, albo przyjąć inną niż 2% wartość progową parametru I om, jak np. ma to miejsce dla odpadów paleniskowych, gdzie I om 10% w odniesieniu do niespalonego węgla. Na podstawie wyników badań określono przydatność badanego materiału gruntowego do robót ziemnych i budowy nasypów zgodnie z kryteriami podanymi w normie PN-S [6], a także w normie PN-B [7]. Badane materiały gruntowe mogą być wykorzystane do formowania budowli ziemnych, w tym nasypów drogowych w dwu przypadkach: jako samodzielny materiał konstrukcyjny przy pominięciu kryterium zawartości części organicznych, oznaczanych obecnie metodą wyprażania; przedmiotowy materiał gruntowy jest przydatny na dolne warstwy nasypów poniżej strefy przemarzania i wbudowywany w miejsca suche lub zabezpieczone od wód gruntowych i powierzchniowych; jako domieszka w odpowiedniej proporcji do niespoistych gruntów mineralnych wytworzone mieszanki gruntowe w proporcjach podanych wcześniej, przy czym należy sprawdzić otrzymane mieszanki pod względem zawartości części organicznych i wysadzinowości, a w przypadku spełnienia powyższych wymogów powstała mieszanka jest przydatna bez zastrzeżeń na dolne i górne warstwy nasypu w strefie przemarzania. Zgodnie z treścią pkt normy PN-S [6] na stosowanie w nasypach drogowych materiałów odpadowych, jakimi są badane materiały z recyklingu odpadów budowlanych, należy uzyskać pozwolenie z terenowego organu inspekcji ochrony środowiska lub Aprobatę Techniczną z Instytutu Budowy Dróg i Mostów. Referat został wygłoszony w trakcie XXXIII Zimowej Szkoły Mechaniki Górotworu i Geoinżynierii. Artykuł pt. Zastosowanie mieszanek popiołowo-gruntowych do budowy nasypów drogowych zostanie opublikowany w dwumiesięczniku Geoinżynieria nr 4/2011 [33]. LITERATURA [1] PN-88/B Grunty budowlane. Badania próbek gruntu. [2] BN-64/ Drogi samochodowe. Oznaczanie wskaźnika piaskowego. [3] Wiłun Z., Zarys geotechniki, Wyd. KiŁ, Warszawa, [4] PN-86/B Grunty budowlane. Określenia, symbole, podział i opis gruntów. [5] EN ISO :2004. Badania geotechniczne. Oznaczenie i klasyfikowanie gruntów. Część 2: Zasady klasyfikowania. [6] PN-S-02205:1998. Drogi samochodowe. Roboty ziemne. [7] PN-B-06050:1999. Geotechnika. Roboty ziemne. Wymagania ogólne. [8] Pisarczyk S., Grunty nasypowe. Właściwości geotechniczne i metody ich badania. Oficyna Wyd. PW, Warszawa, maj - czerwiec 3 / 2011 [32]

6 DROGI Geoinżynieria maj - czerwiec 3 / 2011 [32] 37