INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, PL ISSN nr 4/2014, str

Transkrypt

1 GEOTECHNICZNE UWARUNKOWANIA ZASTOSOWANIA MATERIAŁÓW ANTROPOGENICZNYCH W BUDOWNICTWIE Dr inż. Wojciech Sas, prof. dr hab. inż. Alojzy Szymański, dr inż. Edyta Malinowska, mgr inż. Katarzyna Gabryś Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Katedra Geoinżynierii 1. Wstęp Zastosowanie materiałów antropogenicznych w budownictwie w XXI wieku jest koniecznością wynikającą z wielu uwarunkowań: środowiskowych, prawnych, technicznych i ekonomicznych (Sas i Sobańska 2010). Mogą one być stosowane praktycznie w wielu sektorach budownictwa, w tym do budowy konstrukcji ziemnych w postaci nawierzchni drogowych lub nasypów o różnym przeznaczeniu. Jednym z przykładów materiałów antropogenicznych jest destrukt betonowy, powstający przy rozbiórce elementów konstrukcyjnych obiektów budowlanych: budynków, podbudów betonowych dróg lub podtorzy kolejowych. Po przeróbce (kruszeniu i rozfrakcjonowaniu) na miejscu budowy lub w zakładach recyklingu staje sie on materiałem budowlanym, kruszywem (PN-EN 13285:2004) lub gruntem antropogenicznym (PN-EN ISO ). Poza wspomnianymi uwarunkowaniami istnieje też aspekt zaufania inżynierów co do możliwości jego praktycznego zastosowania. Powodem tego jest min. brak szczegółowej wiedzy o parametrach geotechnicznych tego materiału oraz duże zróżnicowanie parametrów zależne od materiału wyjściowego - np. klasy betonu. Informacje o materiale pozyskane z zakładów recyklingu w stosunku do kruszywa recyklowanego i w odróżnieniu od kruszyw naturalnych zawężają sie jedynie do jego uziarnienia bez wskazania na jego genezę, co w przypadku np. gruntów ma bardzo duże znaczenie. W niniejszym artykule omówione zostały wybrane właściwości geotechniczne materiału: wodoprzepuszczalność (współczynnik filtracji), zagęszczalność (próba Proctora), nośność (CBR), mające duże znaczenie w przypadku budowy konstrukcji nawierzchni drogowej i nasypów ziemnych oraz wskazane kierunki badań dla uzyskania parametrów niezbędnych w analizie odkształceń konstrukcji nasypowych ziemnych. Przedstawione w niniejszym artykule wybrane wyniki badań zostały wykonane w Laboratorium Geotechnicznym Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska, SGGW w Warszawie. 2. Charakterystyka uziarnienia materiału badawczego Prezentowane poniżej wyniki badań zostały wykonane na materiale antropogenicznym: kruszywie z recyklingu - gruncie antropogenicznym pochodzenia z betonu cementowego klasy C20/25 (PN-EN ) odpowiadającemu betonowi klasy B25 (PN-B ). Wybór betonu klasy C20/25 dokonany został celowo jako reprezentatywny dla obecnie wyburzanych konstrukcji z lat 70, 80 i 90 ubiegłego wieku, gdzie beton klasy B25 był jednym z najczęściej stosowanych w konstrukcjach inżynierskich. Do badań laboratoryjnych przygotowano materiał o uziarnieniu 0- Od autorów: tekst zgodny z treścią zawartą w opublikowanym czasopiśmie. 1

2 31,5mm, którego procentowy skład granulometryczny został zaprojektowany tak, aby jego krzywa uziarnienia zgodnie z WT mieściła się w granicach krzywych granicznych dla warstw podłoża ulepszonego oraz podbudowy pomocniczej i zasadniczej. Krzywą uziarnienia badanego materiału antropogenicznego na tle krzywych granicznych dla podłoża ulepszonego przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Krzywa uziarnienia mieszanki niezwiązanej o uziarnieniu 0-31,5 mm na tle krzywych granicznych dla podłoża ulepszonego. Zgodnie z WT oraz PN-EN badany materiał antropogeniczny to kruszywo z recyklingu - mieszanka niezwiązana 0-31,5, natomiast wg PN-EN ISO jest to żwir piaszczysty o symbolu sagr. Na podstawie krzywej uziarnienia analizowanego materiału wyznaczono średnice zastępcze d 10, d 30, d 60, które posłużyły do określenia (wg PN-EN ISO ) wskaźnika różnoziarnistości C u i wskaźnika krzywizny C c. d 60 C u, [-] (1) d 10 C c d, [-] (2) d d 60 gdzie: d 10, d 30, d 60 średnice zastępcze ziaren materiału, które wraz z mniejszymi stanowią odpowiednio 10, 30, 60 % całej próbki. Od autorów: tekst zgodny z treścią zawartą w opublikowanym czasopiśmie. 2

3 Uzyskane wyniki świadczą o tym, że zastosowana mieszanka niezwiązana : kruszywo z recyklingu - grunt antropogeniczny jest wielofrakcyjna (C u > 15) i reprezentuje krzywą o ciągłym uziarnieniu. Wskaźnik krzywizny C c =1.52 określający podatność materiału na zagęszczanie mieści sie w przedziale (C c =1 3) i wyraźnie podkreśla dobre uziarnienie mieszanki 0-31,5mm. Charakterystykę materiału antropogenicznego zestawiono w tabeli nr 1. Tabela 1. Dane charakterystyczne badanego materiału antropogenicznego. nazwa wg nazwa wg PN-EN nazwa wg WT4 PN-86-B- d 10 d 30 d 60 C u C c ISO kruszywo niezwiązane Żwir Żwir piaszczysty 0,11 1,00 6,00 54,55 1, ,5mm Ż sagr 3. Parametry zagęszczalności materiału antropogenicznego Parametrami określającymi możliwości zagęszczenia materiału nasypowego są: wilgotność optymalna (w opt ) oraz maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ( ds ). Uzyskuje się je poprzez wykonanie w laboratorium badania zagęszczania materiału przy różnych wilgotnościach, stosując metodykę (PN-88/B-04481) podaną przez Proctora. Do bezpośrednich badań Proctora usunięto frakcje powyżej 22 mm i zastąpiono je proporcjonalnie frakcją 10-22mm. Po każdym badaniu kontrolowano zmianę uziarnienia i przygotowywano zgodnie z recepturą nową mieszankę (rys.1), uzupełniając brakujące rozkruszone frakcje nowym materiałem. Badania wykonano metodą normalną z energią jednostkową Ej = 0.59J/cm 3. Wyniki badań przedstawiono na rysunku nr 2. Na podstawie wykonanych badań należy stwierdzić, że maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego ds = 1.922g/cm 3 uzyskano przy wilgotności optymalnej w opt = 11.74%. Charakterystyka zależności gęstości objętościowej szkieletu gruntowego od wilgotności wskazuje, że w początkowym przedziale wilgotności ds pozostaje na zbliżonym poziomie. Dopiero po przekroczeniu wartości wilgotności wynoszącej 9% gęstość objętościowa szkieletu gruntowego raptownie wzrasta i po przekroczeniu wartości wilgotności około 13% zdecydowanie zmniejsza się. Tłumaczyć to można dużą wodożądnością porowatego materiału zawierającego "pory w porach" tzn. woda początkowo wchłania się w strukturę porowatą materiału, a jej nadmiar wypełnia pory pomiędzy ziarnami i cząsteczkami materiału oraz zwilża kontakty międzyziarnowe. Badania prowadzone nad strukturą charakterystyki porów materiałów z recyklowanego betonu cementowego (Deshapande i Hiller 2011) wykazują, że absorpcja wody przez materiał może wynosić około 4.5%. Wyniki cytowanych badań wskazują na Od autorów: tekst zgodny z treścią zawartą w opublikowanym czasopiśmie. 3

4 Rys.2. Zależność wilgotności gruntu od gęstości objętościowej szkieletu gruntowego oraz podatność na kruszenie frakcji 10/22 mm. celowość określania tej cechy materiału, jednakże w przypadku próby Proctora ze względów praktycznych ważna jest jednak całkowita ilość wody, jaka niezbędna jest do uzyskania wilgotności optymalnej wbudowywanego materiału. Wyniki badań próby Proctora w zestawieniu z wynikami ubytku frakcji 10-22mm pokazują, że w początkowej fazie wilgotności materiału ubytek ten jest znaczący i wynosi około 13%. Wraz z wzrostem wilgotności ubytek frakcji 10-22mm zmniejsza się i stabilizuje na poziomie około 5%. Stan ten można tłumaczyć zarówno wskazaniami WT , które w przypadku słabych kruszyw nakazują przygotowywanie próbek np. do badań CBR po pięciokrotnym użyciu próbą Proctora (kruszenie się ziaren i wzrost zawartości frakcji o drobniejszym uziarnieniu), a także wspomnianą wodożądnością samego materiału i efektem rozpoczęcia nawilgacania szkieletu gruntowego - wprowadzaniem wody do przestrzeni międzyziarnowej. Wyniki Instytutu Badawczego Dróg i Mostów (IBDiM 2005) wskazują na konieczność określania zmiany uziarnienia w wyniku zastosowanej energii zagęszczenia. Prezentowane przez autorów opracowania (IBDiM 2005) wyniki zmian uziarnienia wskazują na dwukrotnie mniejsze kruszenie frakcji żwirowej i kamienistej niż prezentowane w niniejszym artykule. Wskazują także na wzrost ubytku tej frakcji w przypadku energii zmodyfikowanej, gdzie zmiany sięgają około 10%. Cechą wspólną obydwu charakterystyk zagęszczalności jest to, że wzrost gęstości objętościowej szkieletu gruntowego następuje przy około 8% wilgotności. W przypadku materiałów IBDiM 2005 dla metody zmodyfikowanej Proctora uzyskano wartości w opt =13.7% oraz ds =1.861g/cm 3. Porównanie tych wartości z wartościami prezentowanymi w niniejszym artykule wskazuje na odwrotną tendencję niż w przypadku gruntów naturalnych, w przypadku których wraz ze wzrostem energii zagęszczania wzrasta maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego przy niższej wilgotności optymalnej. Od autorów: tekst zgodny z treścią zawartą w opublikowanym czasopiśmie. 4

5 Dokładna analiza tych wartości jest utrudnione ze względu na niemożliwość porównania charakterystyk materiałowych materiału wyjściowego np. klasy betonu. 4. Badania wodoprzepuszczalności materiału antropogenicznego Do określenia wodoprzepuszczalności gruntu bądź kruszywa wykorzystuje się stałą k, zwaną stałą Darcy ego (wymiennie współczynnikiem filtracji). Opisuje ona zależność między spadkiem hydraulicznym i a prędkością przepływu wody w gruncie v (Wiłun 2001) v ki (3) gdzie: v prędkość przepływu wody w czasie [m/s], k współczynnik wodoprzepuszczalności stała Darcy ego, równy jest prędkości przepływu v przy i = 1, [m/s], i spadek hydrauliczny (liczba niemianowana). Rys.3. Wyniki badań współczynnika filtracji materiału antropogenicznego. Badania współczynnika filtracji materiału antropogenicznego wykonano metodą stałego gradientu zgodnie z WT , załącznik D. Do badań wykorzystano aparat ITB - ZWK - 2. Próbki do badań odpowiadały warunkom uziarnienia zgodnym z rysunkiem nr 1. Badania wykonano na 5 próbkach z zastosowaniem 3 gradientów na każdej próbce o wartościach 0,67; 0,75 oraz 0,83. Zakres gradientów jest zgodny z zakresem podanym w WT (zalecenia 0,3-0,8) oraz z materiałami branżowymi (Wały Przeciwpowodziowe - Wytyczne Instruktażowe 1982) gdzie zakres gradientów dopuszczalnych dla korpusów wałów zależnie od klasy wałów wynosi dla piasku grubego od 0, Wyniki bezpośrednich pomiarów k oraz przeliczonych do temperatury (k 10 ) 10 O C przedstawiono na rysunku nr 3. Po przeprowadzonym badaniu próbki gruntu podlegały ponownej ocenie składu granulometrycznego. Zgodnie z założeniem, że współczynnik filtracji zależy od uziarnienia i Od autorów: tekst zgodny z treścią zawartą w opublikowanym czasopiśmie. 5

6 porowatości badanego materiału oraz od temperatury przepływającej wody i jest niezależny od zastosowanego gradientu (i), uzyskane wartości współczynnika filtracji zostały uśrednione i jego wartość wynosi k 10 =5,25E-05 m/s. Zaobserwowana zmienność współczynnika filtracji w zależności od zastosowanego gradientu może być tłumaczona błędami pomiarowymi, na które może wpływać kilka czynników jak: kruszenie grubszych ziaren podczas procesu zagęszczania i przenoszące się na zwiększanie się frakcji drobniejszych, nakładające się dodatkowo na prawdopodobne wymywanie drobnych cząsteczek poza materiał badawczy jak i sama charakterystyka przepływu wymagająca przekroczenia gradientu początkowego dla zaistnienia filtracji ustalonej. W odniesieniu do materiałów IBDiM (k 10 = 1.86E-04 m/s dla badań wg. normalnej próby Proctora) uzyskane wartości z badań materiału z destruktu C20/25 są o rząd wielkości niższe. 5. Badania wskaźnika nośności (CBR) materiału antropogenicznego Wartość wskaźnika nośności w noś (wskaźnik nośności odpowiada wartości Kalifornijskiego Wskaźnika Nośności CBR) określana może być wg PN-S-02205:1988. W noś określany jest jako zagłębienie znormalizowanego trzpienia o kształcie wydłużonego walca o przekroju 20 cm 2 na głębokość 2,5mm lub 5.0mm ze znormalizowana prędkością 1,25mm/min. Uzyskane wartości siły przeliczone na obciążaną powierzchnię odnoszone są do wartości referencyjnych wyznaczonych dla tłucznia, które wynoszą odpowiednio 7 MN/m 2 oraz 10 MN/m 2. Wymagane minimalne wartości CBR dla warstw ulepszonego podłoża oraz podbudowy pomocniczej i zasadniczej z uwzględnieniem kategorii ruchu drogowego KR1-KR6 wyszczególnione zostały w WT Ponadto wartości CBR wg standardów amerykańskich wykorzystywane są do wyznaczania grubości nawierzchni drogowych (Wiłun 2001), metoda ta także została adaptowana do warunków polskich (Pachowski 1967). Wg. AASHTO 1993 wyniki CBR mają również zastosowanie do empirycznego wyznaczenia modułu odkształcenia M R określanego w warunkach cyklicznego obciążania w badaniach trójosiowego ściskania lub cyklicznego CBR. Badania, których wyniki zaprezentowano w niniejszym artykule, obejmowały wykonanie serii badań CBR na mieszankach o uziarnieniu 0-31,5mm. Badania swoim zakresem obejmowały mieszanki przygotowane próbą Proctora na materiale w stanie powietrznosuchym oraz przy wilgotności optymalnej na próbkach po pięciokrotnym zagęszczeniu próbą Proctora, a także na materiale niepoddanemu wstępnemu przekruszeniu. Wyniki badań zaprezentowano na rysunku nr 4. Z analizy wykresów wynika, że najwyższe wartości CBR uzyskano dla materiału o wilgotności optymalnej na próbkach nieprzekruszonych. Wyniki te są wyższe o około 6% od uzyskanych dla materiału o wilgotności optymalnej po zastosowaniu przekruszenia próbą Proctora oraz około 20% w stosunku do wstępnie przekruszonego materiału w stanie powietrzno-suchym. Z porównania wyników uzyskanych z badań oraz przez IBDiM wynika, że uzyskane wartości są do siebie zbliżone. Wartości CBR w przypadku próbek o wilgotności optymalnej odpowiadają Od autorów: tekst zgodny z treścią zawartą w opublikowanym czasopiśmie. 6

7 wymaganiom (WT ) zarówno dla podłoża ulepszonego, jak i podbudowy pomocniczej oraz zasadniczej. Rys. 4. Badanie CBR destruktu betonowego o wilgotności optymalnej (przy pojedynczym i pięciokrotnym zagęszczeniu) oraz powietrzno - suchej. 5. Podsumowanie W artykule podjęto próbę opisu wybranych właściwości geotechnicznych materiału antropogenicznego uzyskanego z recyklingu destruktu betonowego klasy C20/25. W charakterystyce materiału badawczego odniesiono się zarówno do wytycznych drogowych, jak i do ogólnej oceny przydatności materiału do wznoszenia nasypów inżynierskich. Przedstawione zostały wyniki badań zagęszczalności, współczynnika filtracji oraz wskaźnika nośności CBR jako parametry wspólne zarówno dla warstw konstrukcji nawierzchni drogowej jak i ziemnych obiektów inżynierskich. W analizie wyników badań odniesiono się do zmiany parametrów na skutek kruszenia się materiału w skutek zagęszczania. Omawiane wyniki własne odniesiono także do rezultatów badań Instytutu Badawczego Dróg i Mostów. Z analizy wynika, że materiał antropogeniczny może z powodzeniem zostać użyty do wznoszenia konstrukcji inżynierskich. Wskazano jednak potrzebę dalszych badań nad właściwościami tego typu materiałów i uwzględnienie genezy ich powstawania np. powiązanie ich z klasą betonu z zastrzeżeniem, że nie jest to jedyne uwarunkowanie dla otrzymywanych wyników. Rozpatrzenia wymagać też będą takie czynniki jak: technologia recyklingu, rodzaju użytego kruszywa do produkcji betonu, wielokrotność jego użycia, zastosowane dodatki do cementu i prawdopodobnie wiele innych. Zebranie wielu doświadczeń oraz wyników badań poszczególnych parametrów pozwoli w przyszłości na przeprowadzenie analizy statystycznej, która w przypadku wielu zmiennych umożliwi uwiarygodnienie właściwości inżynierskich materiałów pochodzących z destruktu betonowego. Od autorów: tekst zgodny z treścią zawartą w opublikowanym czasopiśmie. 7

8 Bibliografia 1. Deshpande Y. D. i Hiller J. E Pore characterization of manufactured aggregates: recycled concrete aggregates and lightweight aggregates. Materials And Structures, Volume 45, Numbers 1-2, Pachowski J Projektowanie grubości nawierzchni podatnych na podstawie wskaźnika CBR gruntu. COBiRTD. 3. Sas W. i Sobańska K Recykling jako sposób zagospodarowania odpadów powstających przy remontach dróg. Przegląd Naukowy. Inżynieria i Kształtowanie Środowiska 1 (47), s Wiłun Z Zarys geotechniki. WKŁ. 5. AASHTO Guide for Design of Flexible Pavement Structures. American Association of State Highway and Transportation Officials, Appendix L Washington, DC. 6. WT Wymagania Techniczne. Mieszanki niezwiązane do dróg krajowych. Załącznik Nr 3 do Zarządzenia Nr 102 GDDKiA z dnia 19 listopada 2010r. 7. IBDiM Wpływ technologii zagęszczania na właściwości materiałów gruboziarnistych stosowanych do warstw mrozoodpornych. 8. Wały Przeciwpowodziowe - Wytyczne Instruktażowe Opracowanie zbiorowe pod kierunkiem A. Żbikowskiego. SGGW - AR w Warszawie. 9. PN-EN 13285:2004 Mieszanki niezwiązane - Wymagania. 10. PN-EN ISO :2006 Badania Geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowani gruntów. Część 2: Zasady klasyfikowania. 11. PN-EN Eurokod 2 Projektowanie konstrukcji z betonu Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków. 12. PN-EN 1342:2004 Kruszywa do niezwiązanych i hydraulicznie związanych materiałów stosowanych w obiektach budowlanych i budownictwie drogowym. 13. PN-B_ Beton zwykły. 14. PN-S-02202:1988 Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania. 15. PN-88/B Grunty budowlane. Badania próbek gruntu. Streszczenie Zastosowanie destruktu betonowego do budowy konstrukcji inżynierskich. Wybrane parametry geotechniczne destruktu betonowego: współczynnik filtracji, zagęszczalność, podatność na kruszenie podczas zagęszczania, wskaźnik nośności. Geotechnical Conditions of Use the Antropogenic Material in Civil Engineering Application of recycled concrete aggregate (RCA) in road and other engineering construction. Geotechnical parameters of RCA: coefficient of permeability, compaction and optimum water content, crushing of aggregate structure during compaction, California bearing ratio. Od autorów: tekst zgodny z treścią zawartą w opublikowanym czasopiśmie. 8