Wykorzystanie gruntów rodzimych do budowy dróg lokalnych na terenach wiejskich

Budownictwo i Architektura 1(3) (13) 19-13 Wykorzystanie gruntów rodzimych do budowy dróg lokalnych na terenach wiejskich Michał wi kała 1, Andrzej Greinert, Joanna Korzeniowska 3, Paweł Tarasewicz 1 Instytut Innowacyjnych Technologii Sp. z o.o., Warszawa, e mail: m.cwiakala@iit.edu.pl Zakład Ochrony i Rekultywacji Gruntów, Wydział In ynierii L dowej i rodowiska, Uniwersytet Zielonogórski, e mail: A.Greinert@iis.uz.zgora.pl 3 Instytut Innowacyjnych Technologii Sp. z o.o., Warszawa, e mail: j.korzeniowska@iit.edu.pl Wapeco Sp. z o.o., Warszawa, e mail: p.tarasewicz@wapeco.eu Streszczenie: Grunty rodzime, powstałe w wyniku procesów geologicznych w miejscu zalegania, stanowi fundamentalny element konstrukcji drogowej. Fundament ten powinien charakteryzowa si odpowiedni no no ci i trwało ci, osi gan dzi ki prawidłowo ulepszonemu naturalnemu podło u gruntowemu. Ulepszone podło e gruntowe to mocny fundament dla podbudowy nawierzchni drogowej. Polepszenie wła ciwo ci gruntów rodzimych mo na uzyska poprzez zastosowanie w nich hydraulicznych spoiw drogowych, spełniaj cych rol wypełniacza drobnych cz stek (b d dora nego wzmocnienia) szkieletu mineralnego. W niniejszej pracy skupiono si na okre leniu podstawowego parametru mechanicznego mieszanek gruntowo-spoiwowych, a mianowicie wska nika no no ci CBR. Mieszanki gruntowo-spoiwowe składały si z gruntów rodzimych, pobranych na terenach wiejskich (pi rodzajów o zró nicowanym uziarnieniu) oraz z dwóch rodzajów spoiwa hydraulicznego (o klasie wytrzymało ci 3 MPa i 9 MPa). Głównym składnikiem spoiw hydraulicznych był aktywowany popiół lotny, pochodz cy ze spalania w gla brunatnego w Elektrowni P tnów, oraz cement portlandzki (CEM I,5 MPa). Wyniki bada wykazały, e przy zastosowaniu innowacyjnych spoiw drogowych o wła ciwo ciach wi cych, mo liwe jest wykorzystanie gruntów rodzimych do budowy dróg lokalnych na terenach wiejskich. Słowa kluczowe: ulepszanie gruntów rodzimych, drogi lokalne, popioły lotne, mieszanki gruntowo-spoiwowe, no no gruntów 1. Wst p Zrównowa ony rozwój gospodarczy kraju oraz polityka proekologiczna wpłyn ły na wszechstronne wykorzystywanie odpadów poprodukcyjnych. Przykładem takiego odpadu energetycznego jest popiół lotny, wytwarzany w wyniku spalania w gla kamiennego b d brunatnego. Popioły lotne z w gla brunatnego charakteryzuj si wła ciwo ciami hydrauliczno-pucolanowymi i z tego te wzgl du najwi ksze zastosowanie znalazły w przemy le materiałów budowlanych, drogownictwie, rolnictwie i rekultywacji [1, 3,, 5, 1, 13]. Jednak w poszczególnych bran ach przemysłowych tylko okre lone rodzaje popiołów znalazły zastosowanie. Wynika to z ich odmiennych wła ciwo ci fizycznochemicznych. W zale no ci od składu chemicznego, w tym zawarto ci tlenków krzemu, glinu, wapnia i siarki, popioły lotne mo na podzieli na trzy główne grupy [1]: I grupa: popioły lotne glinowo-krzemianowe ze spalania w gla kamiennego, dla których stosunek procentowej zawarto ci SiO do Al O 3 jest wi kszy lub równy, i zawarto CaO jest mniejsza ni 15 %, II grupa: popioły lotne krzemianowo-glinowe ze spalania w gla brunatnego Okr g Turoszowski, dla których stosunek procentowej zawarto ci SiO do Al O 3 jest mniejszy ni, i zawarto CaO jest mniejsza ni 15 % oraz SO 3 poni ej 3, %,

13 Michał Ćwiąkała, Andrzej Greinert, Joanna Korzeniowska, Paweł Tarasewicz III grupa: popioły lotne siarczanowo-wapniowe ze spalania lignitu, tj. w gla brunatnego Okr g Koni ski, z ogóln zawarto ci CaO wi ksz od 15 % i SO 3 powy ej 3, %. Ka da z ww. grup odznacza si innym miejscem pochodzenia oraz odmiennymi parametrami u ytkowymi. W niniejszej pracy skupiono si na popiołach nale cych do grupy III, czyli siarczanowo-wapniowych ze spalania w gla brunatnego w Elektrowni P tnów. W swoim składzie chemicznym, posiadaj one du ilo tlenków wapnia i siarki. Zwi zki te powodowały niekorzystne zmiany strukturalne podczas twardnienia spoiwa hydraulicznego, w zwi zku z czym poszukiwano ró nych procesów technologicznych, za pomoc których mo na było zminimalizowa szkodliwe działanie tych substancji. Zastosowanie innowacyjnej technologii modyfikowania wła ciwo ci tych bezu ytecznych popiołów, przyczyniło si do wykorzystania ich jako pełnowarto ciowych produktów w budownictwie drogowym [, 7]. W drogownictwie, popioły lotne ze spalania w gla brunatnego stosowane s jako składniki: betonu cementowego i asfaltowego stosowanego w warstwach nawierzchni [1, 1], zast puj ce kruszywa naturalne w podbudowach drogowych [, 9, 1], spoiw hydraulicznych, słu cych do stabilizacji i ulepszania gruntów pod konstrukcj nawierzchni drogowej [, 1, 15]. Zastosowanie spoiw hydraulicznych, na bazie popiołów lotnych z w gla brunatnego, do ulepszania gruntów słabych daje mo liwo wykorzystania gruntów rodzimych do budowy dróg. Zastosowanie to, z uwagi na koszty wydobycia i transportu surowców naturalnych oraz zanieczyszczenie rodowiska przyrodniczego, jest niezwykle cenne, w szczególno ci na terenach wiejskich przy budowie dróg lokalnych. Przeprowadzone badania miały na celu rozpoznanie czy grunty rodzime na terenach wiejskich mog stanowi wytrzymałe mechanicznie ze wzgl du na no no dobre podło e gruntowe pod budow dróg lokalnych.. Materiały i metodyka bada Do bada wytypowano pi rodzajów gruntów rodzimych, znajduj cych si na terenach wiejskich, w rodkowo-zachodniej Polsce. Były to grunty naturalne niespoiste (pospółka, piasek redni), rednio spoiste (glina) i mało spoiste (pospółka gliniasta, piasek gliniasty) o zró nicowanej zawarto ci frakcji wirowej, piaskowej, pyłowej oraz iłowej. Uziarnienie poszczególnych rodzajów gruntów przedstawiono na rys. 1. 1, 1, frakcja wirowa frakcja piaskowa frakcja pyłowa frakcja iłowa 9,1 Udział frakcji [%],,,,,, 7,9 3,5 1,5 1,3,5,, 3,99 9, 1, 13,5 59,35 7,7 1,7 19,9 5,7,,3 Pospółka Piasek redni Glina Pospółka gliniasta Piasek gliniasty Rodzaj Rys. 1. Uziarnienie gruntów u ytych do bada Popioły lotne, zastosowane do sporz dzenia spoiwa hydraulicznego, zostały poddane procesowi modyfikacji z zastosowaniem nowoczesnej technologii aktywatora magnetycznego Wapeco [,, 7]. Aktywator magnetyczny Wapeco (rys. ) powoduje modyfikowanie popiołów lotnych, co skutkuje m.in. zwi kszeniem ich powierzchni aktywnej, a tym samym polepszeniem ich wła ciwo ci hydrauliczno-pucolanowych.

Inżynieria Materiałów Budowlanych Wykorzystanie gruntów rodzimych... 131 Rys.. Aktywator magnetyczny Wapeco (fot. Michał wi kała) Podstawowym elementem aktywatora magnetycznego jest wzbudnik wiruj cego pola elektromagnetycznego oraz umieszczona w jego osi rura, stanowi ca komor robocz. Komora ta wypełniona jest popiołem lotnym oraz mielnikami ferromagnetycznymi. W wyniku licznych zderze (w tym mi dzy mielnikami a kawałkami materiału mielonego), którym towarzyszy du a pr dko przebiega proces modyfikacji. Efektem procesu modyfikacji jest otrzymanie popiołu o du o lepszych wła ciwo ciach reaktywnych w porównaniu z produktem wyj ciowym (popiołem niezmodyfikowanym). Do wykonania mieszanek gruntowo-spoiwowych u yto dwóch rodzajów hydraulicznego spoiwa drogowego (o klasie wytrzymało ci na ciskanie 3 MPa i 9 MPa) w proporcjach %, %, %, % i 1% w stosunku do masy szkieletu gruntowego. Hydrauliczne spoiwa drogowe składały si z modyfikowanego popiołu lotnego z w gla brunatnego oraz cementu w nast puj cych proporcjach: 3 MPa: 9% aktywowanego popiołu lotnego i 1% cementu (CEM I,5 MPa), 9 MPa: % aktywowanego popiołu lotnego i % cementu (CEM I,5 MPa). Badania gruntów oraz mieszanek gruntowo-spoiwowych polegały na wyznaczeniu wska nika no no ci CBR gruntów po dniach moczenia oraz na okre leniu przyrostu wska nika no no ci po 7 dniach piel gnacji próbek (w tym doby próbki nasycano wod ). Próbki do bada wska nika no no ci wykonano i przebadano zgodnie z zał cznikiem A normy PN-S-5:199 [11]. 3. Wyniki bada Wyniki bada no no ci gruntów bez dodatku spoiwa po dniach moczenia w wodzie porównano do wyników bada no no ci mieszanek gruntowo-spoiwowych (z dodatkiem dwóch rodzajów spoiwa hydraulicznego) po 7 dniach piel gnacji (w tym dni nasycano wod ) rys. 3-7.

13 Michał Ćwiąkała, Andrzej Greinert, Joanna Korzeniowska, Paweł Tarasewicz 35 3 5 15 1 5 37 9 315 35 35 35 35 35 % dodatku spoiwa hydraulicznego (prostok t zielony) oznacza brak dodatku spoiwa hydraulicznego do Rys. 3. No no CBR mieszanek gruntowo-spoiwowych na bazie pospółki, w zale no ci od rodzaju i ilo ci dodanego spoiwa hydraulicznego 35 1 35 5 15 1 5 1 7 5 % dodatku spoiwa hydraulicznego (prostok t zielony) oznacza brak dodatku spoiwa hydraulicznego do Rys.. No no CBR mieszanek gruntowo-spoiwowych na bazie piasku redniego, w zale no ci od rodzaju i ilo ci dodanego spoiwa hydraulicznego 9 9 13 1 1 5

Inżynieria Materiałów Budowlanych Wykorzystanie gruntów rodzimych... 133 7 5 3 1 1 1 3 39 % dodatku spoiwa hydraulicznego (prostok t zielony) oznacza brak dodatku spoiwa hydraulicznego do Rys. 5. No no CBR mieszanek gruntowo-spoiwowych na bazie gliny, w zale no ci od rodzaju i ilo ci dodanego spoiwa hydraulicznego 53 1 5 71 1 7 7 3 5 15 1 5 9 77 137 15 1 157 15 % dodatku spoiwa hydraulicznego (prostok t zielony) oznacza brak dodatku spoiwa hydraulicznego do Rys.. No no CBR mieszanek gruntowo-spoiwowych na bazie pospółki gliniastej, w zale no ci od rodzaju i ilo ci dodanego spoiwa hydraulicznego 1 51

13 Michał Ćwiąkała, Andrzej Greinert, Joanna Korzeniowska, Paweł Tarasewicz 5 15 1 5 13 15 9 113 7 1 1 13 % dodatku spoiwa hydraulicznego (prostok t zielony) oznacza brak dodatku spoiwa hydraulicznego do Rys. 7. No no CBR mieszanek gruntowo-spoiwowych na bazie piasku gliniastego, w zale no ci od rodzaju i ilo ci dodanego spoiwa hydraulicznego No no zbadanych próbek mieszanin gruntowo-spoiwowych kształtuje si na wysokim poziomie (rys. 3-7). Z analizy wykresów, obrazuj cych przyrost wska nika no no ci w zale no ci od rodzaju i ilo ci dodanego spoiwa hydraulicznego (rys. 3-7) wynika, e najwy sze warto ci wska nika CBR wykazuj mieszanki gruntowo-spoiwowe, w których zastosowano wy sz klas wytrzymało ci spoiwa (9 MPa) oraz wi kszy procentowy dodatek spoiwa (1%). W przypadku gruntów stosowanych do wykonywania budowli ziemnych, zgodnie z norm PN-S-5:199 [11] dopuszcza si u ycie piasków drobnoziarnistych o wska niku no no ci powy ej 1%. Porównuj c wyniki wska nika no no ci dla wszystkich rodzajów gruntów, z u yciem spoiw o klasach wytrzymało ci 3 MPa oraz 9 MPa, z ró nym dodatkiem spoiwa (,,, i 1%) i zbadanych po 7 dniach piel gnacji wida, e wszystkie rodzaje mieszanek gruntowospoiwowych mog by przydatne w wykonawstwie robót ziemnych, ale przy spełnieniu odpowiednich warunków. Przebadane grunty w stanie naturalnym charakteryzuj si nisk no no ci, zwłaszcza po nasyceniu wod (rys. 3-7). Po dodaniu do nich ju niewielkiej ilo ci hydraulicznego spoiwa drogowego stały si materiałami przydatnymi do budowy mocnych fundamentów konstrukcji drogi.. Wnioski Przeprowadzone badania wykazały, e warto ci wska ników no no ci gruntów i mieszanek gruntowo-spoiwowych zale ały przed wszystkim od rodzaju badanego oraz klasy wytrzymało ci i ilo ci dodanego spoiwa hydraulicznego. Stwierdzono kilkudziesi ciokrotny wzrost wska nika no no ci gruntów ulepszonych spoiwami hydraulicznymi w porównaniu do gruntów nieulepszonych. Tak wysoki przyrost parametru mechanicznego gruntów (CBR) wiadczy o pozytywnym wpływie procesu ulepszania gruntów rodzimych spoiwami hydraulicznymi. Ponadto, uzyskanie wysokich warto ci no no ci mieszanek gruntowo-spoiwowych przekształca grunty rodzime z bezu ytecznych w przydatne dla zastosowa w budownictwie drogowym. Zastosowanie gruntów rodzimych w drogownictwie ma szczególne znaczenie w przypadku dróg lokalnych, na terenach wiejskich. Wynika ono zarówno ze wzgl dów ekonomicznych (wyeliminowanie kosztów transportu i wydobycia surowców naturalnych) jak i przyrodniczych (ochrona zasobów naturalnych oraz eliminacja szkodliwego wpływu wydobycia, transportu i rozładunku surowców).

Inżynieria Materiałów Budowlanych Wykorzystanie gruntów rodzimych... 135 Wykorzystanie gruntów rodzimych pod budow dróg lokalnych, na terenach wiejskich, ma jeszcze jedn olbrzymi zalet. Chodzi o zastosowanie popiołów lotnych ze spalania w gla brunatnego, które jako główny składnik spoiw hydraulicznych polepszaj parametry mechaniczne gruntów. Literatura 1 Ahmaruzzaman M. A review on the utilization of fly ash. Progress in Energy and Combustion Science 3 (1) 37 33. Aprobata techniczna: Hydrauliczne spoiwo drogowe Wapeco I, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Nr AT/9-3-51, Warszawa, 9. 3 Arora S., Aydilek A. Class F fly ash amended soils as highway base materials. Journal of Materials in Civil Engineering 17(), (5) 9. Buhler S., Cerato A. Stabilization of Oklahoma expansive soils using lime and class C fly ash. ASCE Geotechnical Special Publication 1 (7) 1 1. 5 Cetin B., Aydilek A., Guney Y. Stabilization of recycled base materials with high carbon fly ash. Resources, Conservation and Recycling 5 (1) 7 9. wi kała M., Kmiotek B. Sposób wytwarzania spoiwa hydraulicznego w postaci aktywowanego popiołu lotnego, aktywowany popiół lotny, spoiwo hydrauliczne, beton siarkowy lub cementowy, mieszanka mineralno-asfaltowa oraz zastosowanie aktywowanego popiołu lotnego. Zgłoszenie patentowe nr P.3199 z dnia 31.1.7r., Urz d Patentowy RP, Warszawa, 7. 7 wi kała M., Kmiotek B. Method for producing hydraulic binding agent in a form of activated fly ash, activated fly ash, hydraulic binding agent, sulphur or cement concrete, mineral-asphalt mixture and application of the activated fly ash. Zgłoszenie patentowe Nr EP-17315.9 z dnia 3.1.r. Europejski Urz d Patentowy, Warszawa,. Gajewska B. Nieznormalizowane metody wzmacniania podło a, Seminarium IBDiM i PZWFS Wzmacnianie podło a gruntowego i fundamentów budowli (7) 73-. 9 Ondova M., Stevulova N., Estokova A. The study of the properties of fly ash based concrete composites with various chemical admixtures. Procedia Engineering (1) 13-17. 1 Pachowski J.: Popioły lotne i ich zastosowanie w budownictwie drogowym, WKiŁ, Warszawa, 197. 11 PN-S-5:199 Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania. 1 Rafalski L., Kraszewski C., Wilczek J., Dreger M. Analiza uwarunkowa oraz badanie mo liwo ci wykorzystania wybranych UPS w in ynierii l dowej Studium literaturowe. IBDiM, Warszawa, 1. 13 Strzyszcz Z., Łukasik A. Zasady stosowania ró norodnych odpadów do rekultywacji biologicznej terenów poprzemysłowych na l sku. Gospodarka surowcami mineralnymi, Tom, Zeszyt /3 () 1 9. 1 Sybilski D., Kraszewski C. Ocena i badania wybranych odpadów przemysłowych do wykorzystania w konstrukcjach drogowych, IBDiM, Warszawa () pp. 7. 15 Widuch A., wi kała M., Korzeniowska J., Kraszewski C. Stabilizacja gruntów hydraulicznymi spoiwami drogowymi na bazie popiołów lotnych z w gla brunatnego. Kwartalnik Drogi i Mosty 3 (1) 195-1.

13 Michał Ćwiąkała, Andrzej Greinert, Joanna Korzeniowska, Paweł Tarasewicz The advantage of virgin soil in rural service road constructions Michał wi kała 1, Andrzej Greinert, Joanna Korzeniowska 3, Paweł Tarasewicz 1 Instytut Innowacyjnych Technologii Sp. z o.o., Warszawa, e mail: m.cwiakala@iit.edu.pl Zakład Ochrony i Rekultywacji Gruntów, Wydział In ynierii L dowej i rodowiska, Uniwersytet Zielonogórski, e mail: A.Greinert@iis.uz.zgora.pl 3 Instytut Innowacyjnych Technologii Sp. z o.o., Warszawa, e mail: j.korzeniowska@iit.edu.pl Wapeco Sp. z o.o., Warszawa, e mail: p.tarasewicz@wapeco.eu Abstract: Virgin soils as a result of geotechnical processes are element of road s solid bottom. The bottom ought to have enough capacity and durability which is provided by proper virgin sub-grade s enhancement. The sub-grade is road s base course right bottom. It is possible to improve virgin soil s parameters by road s hydraulic binding agent. The agent is a mineral frame s micro-particle extender or enhancement. The researches were focused to define main soil-cement compound s mechanical parameter called CBR. Compounds consisted of rural virgin soils (five grain-size types) and two hydraulic agent types (endurance rates 3 MPa and 9 MPa). Hydraulic agent s main component was activated fly ash and white cement (CEM I,5 MPa). The ash is from P tnów Power Plant and is a result of brown coal burning. The researches answered that it is possible to exploit virgin soils in rural service road s construction thanks to innovative road cements with binding qualities. Keywords: virgin soil enhancement, service roads, fly ashes, soil-cement compounds, soil s capacity