WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 26 ZESZYT 1 2 2009 Andrzej Gonet*, Stanis³aw Stryczek*, Krzysztof Szerszeñ** MO LIWOŒCI ZASTOSOWANIA DiWa-mix DO PRAC GEOIN YNIERYJNYCH*** 1. WPROWADZENIE W Polsce w ostatnich latach mo na zaobserwowaæ znaczny rozwój budownictwa specjalistycznego. Zwi¹zane jest to g³ównie ze wzrostem zakresu prac w budownictwie, zw³aszcza w du ych miastach, gdzie siêga siê po ma³e dzia³ki po³o one miêdzy istniej¹c¹ zabudow¹. Jednym z warunków rozpoczêcia prac budowlanych w takich przypadkach jest wczeœniejsze wykonanie œcianek szczelinowych [6]. Te rozwi¹zania techniczne tak e s¹ coraz to popularniejsze w ochronie œrodowiska. Przyk³adem tutaj mog¹ byæ ekrany przeciwfiltracyjne budowane wokó³ starych sk³adowisk odpadów [7] czy wbudowywane w wa³y przeciwpowodziowe. Istotnym czynnikiem wp³ywaj¹cym na skutecznoœæ ca³ego rozwi¹zania jest odpowiednie dobranie receptury zaczynu uszczelniaj¹cego [8] podawanego do ekranu przeciwfiltracyjnego, gdy od jego parametrów technologicznych i wytrzyma³oœciowych zale y w przysz³oœci efektywnoœæ zrealizowanych prac. Przyk³adowe parametry zawiesin twardniej¹cych do wykonywania przegród przeciwfiltracyjnych w wa³ach przeciwpowodziowych podano w tabeli 1. Tabela 1 Wymagane w³aœciwoœci zawiesin twardniej¹cych Lp. W³aœciwoœci Jednostki Wartoœci Oznaczenie wed³ug 1 Stê enie naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w zawiesinie (jeœli jest taka potrzeba ze wzglêdu na poszczególne sk³adniki) f 1 f 2 Bq/kg 2,0 400 Rozporz¹dzenie Rady Ministrów z dn. 2/01/2007 Dz. U. Nr 4, poz. 29 * Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków ** Góra d e Cement S.A. *** Praca wykonana w ramach badañ statutowych WWNiG 11.11.190.01 157
Tabela 1 cd. Lp. W³aœciwoœci Jednostki Wartoœci Oznaczenie wed³ug W³aœciwoœci œwie ej zawiesiny 2 Gêstoœæ objêtoœciowa metoda wg³êbnego mieszania metoda wibracyjna metoda szczeliny kopanej 3 Lepkoœæ umowna s/l 4 5 Odstój wody dobowy metoda wg³êbnego mieszania metoda wibracyjna metoda szczeliny kopanej Czas wi¹zania pocz¹tek koniec W³aœciwoœci stwardnia³ej zawiesiny 6 Wytrzyma³oœæ na œciskanie jednoosiowe po 28 dobach Mg/m 3 1,40 1,50 1,50 1,60 1,10 1,30 % 3 50 zalecana do 40 do 10 do 4 do 3 doby 1 10 poni ej 20 PN-EN 12350-6:2001 BN-90/1785-01 PN-EN 12350-6:2001 BN-90/1785-01 (czas wyp³ywu z lejka Marsh a) PN-85/G-02320 PN-EN 196-3:1996 (aparatu Vicata) MPa 0,3 PN-EN 12390-3:2002 7 Wspó³czynnik filtracji po 28 dobach m/s 10 8 jak dla gruntów s³abo Metody laboratoryjne przepuszczalnych 2. CHARAKTERYSTYKA MATERIA U DiWa-mix W wielu przypadkach od ekranów przeciwfiltracyjnych wymaga siê osi¹gania bardzo ma³ej przepuszczalnoœci, d³ugiej trwa³oœci i korzystnej wspó³pracy z otaczaj¹cym oœrodkiem gruntowym. Z tych wzglêdów najczêœciej do wype³niania szczelin s¹ stosowane receptury na bazie cementu i bentonitu. Ta konfiguracja sk³adników pozwala na osi¹gniêcie wzglêdnie niskich przepuszczalnoœci i zró nicowanych parametrów wytrzyma³oœciowych [2, 3, 4, 5]. Jednak e nie ustaj¹ poszukiwania jeszcze lepszych receptur zaczynów uszczelniaj¹cych, gdy spotykane wymagania w praktyce bywaj¹ bardzo zró nicowane. I w³aœnie DiWa-mix jest jednym z materia³ów, który pojawi³ siê ostatnio na rynku, jest produkowany przez HeidelbergCement Baustoffe für Geotechnik GmbH & Co. KG z Eunigerloh w Niemczech. Jest to gotowa mieszanka sk³adaj¹ca siê z cementu, dodatków o w³aœciwoœciach hydraulicznych i pucolanowych oraz wype³niacza, którym jest i³. Szczegó³owe receptury stanowi¹ tajemnicê handlow¹ producenta i s¹ jedynie podawane produkty pod symbolami: np. DiWa-mix 180, DiWa-mix 200, DiWa-mix 210, DiWa-mix 220, DiWamix 230, DiWa-mix 250, DiWa-mix 300 [1]. Zestawienie g³ównych sk³adników przedstawiono w tabeli 2. 158
Tabela 2 Zestawienie sk³adu chemicznego produktów DiWa-mix Rodzaj sk³adnika Sk³ad [%wag.] DiWa-mix SiO 2 35 42 CaO 32 40 Al 2 O 3 10 15 MgO 4 9 Fe 2 O 3 1 3 3. BADANIA LABORATORYJNE Sporz¹dzenie zawiesiny twardniej¹cej na bazie DiWa-mix polega to na zmieszaniu go z wod¹. Do badania brano 2 dm 3 wody, do której dodawano ró ne iloœci suchej mieszanki [9]. Zasadnicze receptury podano w tabeli 3. Tabela 3 Receptury badanych zawiesin twardniej¹cych Oznaczenia receptury Oznaczenia mieszanki Masa mieszanki g Wspó³czynnik wodno- -mieszaninowy A B C D E F G DiWa-mix 180 DiWa-mix 200 DiWa-mix 210 DiWa-mix 220 DiWa-mix 230 DiWa-mix 250 DiWa-mix 300 387 435 456 481 505 552 678 5,17 4,59 4,38 4,16 3,96 3,62 2,95 5,17 Dla okreœlenia wybranych w³aœciwoœci technologicznych zawiesin twardniej¹cych przeprowadzono badania: gêstoœci objêtoœciowej przy pomocy wagi typu Baroid, lepkoœci umownej lejkiem Marsha, odstoju dobowego z wykorzystaniem cylindra pomiarowego, filtracji pras¹ filtracyjn¹ typu Baroid, granicy p³yniêcia na harfie kulkowej. 159
Otrzymane wyniki z badañ laboratoryjnych przedstawiono w tabeli 4. Oznaczenie receptury Tabela 4 Parametry technologiczne zawiesin twardniej¹cych Gêstoœæ objêtoœciowa kg/m 3 Lepkoœæ umowna s Odstój dobowy % Filtracja ml Granica p³yniêcia Pa A 1,11 39 1,2 36 48,2 B 1,12 40 1,2 38 48,2 C 1,13 41 1,2 38 47,8 D 1,13 41 1,1 40 47,8 E 1,14 41 1,1 41 47,8 F 1,16 41 1,2 48 37,3 G 1,18 41 1,2 55 28,7 Spoœród parametrów wytrzyma³oœciowych badano wytrzyma³oœæ próbek na jednoosiowe œciskanie po ró nych okresach twardnienia tj. po 7 dniach, 14 dniach i 28 dniach. Badaniom poddano próbki w kszta³cie walca o œrednicy i wysokoœci równej 100 mm, które znajdowa³y siê w temperaturze 20 o C ±0,5 o C. Badania wytrzyma³oœciowe przeprowadzono na prasie hydraulicznej, a uzyskane wyniki pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Zale noœæ wytrzyma³oœci próbki na jednoosiowe œciskanie dla ró nych zawiesin twardniej¹cych. Parametrem jest czas utwardzania zawiesin 160
Za jeden z najwa niejszych parametrów dla ka dego ekranu przeciwfiltracyjnego uwa a siê uzyskiwany wspó³czynnik filtracji. Dlatego dla oceny przydatnoœci mieszanki DiWa-mix wykonano badania tej wielkoœci zgodnie z norm¹ DIN 18130-1 umieszczaj¹c walcowe próbki w komorze z trójosiowym systemem ciœnieniowym. Otrzymane wyniki z badañ laboratoryjnych zamieszczono w tabeli 5. Tabela 5 Wartoœci wspó³czynnika filtracji dla ró nych zawiesin twardniej¹cych Rodzaj receptury Wspó³czynnik filtracji k f [m/s] DiWa mix 180 200 210 220 230 250 300 8,3 10 10 1,4 10 11 1,7 10 11 1,8 10 11 2,3 10 11 6,4 10 11 9,7 10 11 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAÑ LABORATORYJNYCH Uzyskane wyniki z przeprowadzonych badañ laboratoryjnych wybranych receptur zawiesin twardniej¹cych wskazuj¹ na korzystne parametry i mo liwoœci ich wykorzystania w ekranach przeciwfiltracyjnych. Gêstoœci objêtoœciowe by³y w granicach od 1110 kg/m 3 do 1180 kg/m 3, co odpowiada wymaganiom zawiesin stosowanych w tego typu pracach. Lepkoœci umowne mieszcz¹ siê w granicach od 39 s do 43 s i w pe³ni mieszcz¹ siê w zalecanym przedziale od 30 s do 60 s. Ogólnie mo na stwierdziæ, e wzrost lepkoœci jest proporcjonalny do zmniejszania siê wspó³czynnika wodno-mieszaninowego oraz istotnie zale y od zawartoœci bentonitu w zawiesinie. Uzyskane wyniki z badañ odstoju dobowego ró ni¹ siê nieznacznie, bo s¹ w zakresie (1,1 1,2)% i w pe³ni spe³niaj¹ wymagania stawiane tego typu zawiesinom przewidzianym do wykonywania ekranów przeciwfiltracyjnych, gdy s¹ znacznie ni sze od 3%. Natomiast filtracja waha³a siê od 36 ml do 55 ml. Wartoœci granicy p³yniêcia zawiesin znajdowa³y siê w przedziale (28,7 48,2) Pa. Taki szeroki zakres zmian jest g³ównie zwi¹zany z zawartoœci¹ bentonitu wzglêdem pozosta³ych sk³adników. Zasadniczo im mniej jest bentonitu w recepturach tym p³ynniejsza jest zawiesina. Ka dy otrzymany wynik spe³nia stawiane zawiesinom wymagania techniczne w tym zakresie, który wynosi ponad 13 Pa. Uzyskane wytrzyma³oœci na jednoosiowe œciskanie po 28 dniach utwardzania mieszcz¹ siê w granicach od 0,68 MPa do 1,76 MPa i s¹ wiêksze od minimalnej wartoœci (0,3 MPa) stawianej zawiesinom do ekranów przeciwfiltracyjnych. Zazwyczaj wytrzyma- ³oœci ekranów powinny charakteryzowaæ siê zbli onymi wytrzyma³oœciami do gruntu lub nieco go przewy szaæ, co ma zasadniczy wp³yw na warunki wspó³pracy obu oœrodków. Wyniki wspó³czynnika filtracji próbek mo na oceniæ jako bardzo korzystne, gdy wynosz¹ od 8,3. 10 10 m/s do 9,7. 10 11 m/s Powy sze wyniki wskazuj¹, e zawiesiny sporz¹dzone na osnowie DiWa-mixu z powodzeniem mog¹ byæ zastosowane w ró nych pracach geoin ynieryjnych, a w szczególnoœci w ekranach przeciwfiltracyjnych maj¹cych na celu odizolowaæ lub ograniczyæ przep³yw 161
wody w oœrodku gruntowym. Przyk³adem mo e byæ uszczelnianie zapór, wa³ów przeciwpowodziowych, wykopów fundamentowych i sk³adowisk odpadów. Do tego rodzaju prac mog¹ byæ zastosowane nastêpuj¹ce metody: w¹skoprzestrzennej szczeliny kopanej, wg³êbnego mieszania gruntu, wibracyjnie iniekowanej przes³ony szczelinowej (WIPS), iniekcji otworowej, która mo e byæ realizowana w odmianie: klasycznej, strumieniowo-ciœnieniowej (jet-grouting), ciœnieniowej z mechanicznym urabianiem oœrodka gruntowego, wiertniczo-frezowej. Ta ró norodnoœæ technologii wykonywania przegród izolacyjnych umo liwia ich realizowanie jako pionowe lub poziome. 5. WNIOSKI 1) DiWa-mix jest now¹ mieszank¹ zawieraj¹c¹ cement, dodatki o w³aœciwoœciach pucolanowych i hydraulicznych oraz wype³niacz, którym jest i³. Zasadniczymi sk³adnikami s¹ SiO 2 (35 42%) i CaO (32 40%). 2) Przeprowadzone badania laboratoryjne potwierdzi³y korzystne technologiczne parametry zawiesin twardniej¹cych sporz¹dzonych z mieszanki DiWa-mix. 3) Zawiesiny twardniej¹ce sporz¹dzane na osnowie produktu DiWa-mix bardzo dobrze nadaj¹ siê do wykonywania ekranów przeciwfiltracyjnych w budownictwie hydrotechnicznym i ochronie œrodowiska. LITERATURA [1] Materia³y szkoleniowe firmy Heidelberg Cement [2] Brylicki W., Stryczek S., Gonet A.: Sk³ad fazowy i mikrostruktura stwardnia³ych zaczynów do prac uszczelniaj¹cych w górotworze solnym. Wiertnictwo, Nafta, Gaz (rocznik AGH), 21/1, Kraków 2004 [3] Brylicki W., Stryczek S.: Wp³ywu zeolitów klinoptilolitowych na mikrostrukturê i sk³ad fazowy stwardnia³ych zaczynów u lowo-alkalicznych. Wiertnictwo, Nafta, Gaz (rocznik AGH), 23/1. Kraków 2006 [4] Gonet A., Stryczek S., Wójcik K.: Ocena stabilizacji cementem gruntu ilastego zanieczyszczonego olejem napêdowym. Wiertnictwo, Nafta, Gaz (rocznik AGH), 22/1, Kraków 2005 [5] Gonet A., Rzyczniak M., Czekaj L. i inni: Modyfikacja w³aœciwoœci fizycznych gruntów ilastych domieszkami mineralnymi. Nowoczesne Techniki i Technologie Bezwykopowe, nr 2 3, Kraków 2001 162
[6] Kuleta K., Szkotak P.: Wykonywanie przes³on i œcian wodoszczelnych o szerokim zakresie stosowania metod¹ krokow¹ oraz ci¹g³¹. Geoin ynieria, Drogi, Mosty, Tunele, nr 1, 2009 [7] Stryczek S., Gonet A.: Geoin ynieria. IGSMiE PAN, Kraków 2000 [8] Stryczek S., Zachwieja R.: Zaczyny uszczelniaj¹ce do prac iniekcyjnych. Nowoczesne Techniki i Technologie Bezwykopowe, nr 2, Kraków 2002 [9] Szerszeñ K.: Ocena przydatnoœci DiWa-mixu i Seku-mixu do wykonywania ekranów przeciwfiltracyjncyh. Praca niepublikowana, WWNiG AGH, Kraków 2008 163