RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 197878 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 359743 (51) Int.Cl. C09K 17/40 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 17.04.2003 (54) Sposób stabilizacji popiołów i mieszanin popiołowo-żużlowych oraz gruntów spoistych (43) Zgłoszenie ogłoszono: 18.10.2004 BUP 21/04 (73) Uprawniony z patentu: Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa,PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.05.2008 WUP 05/08 (72) Twórca(y) wynalazku: Cezary Kraszewski,Nasielsk,PL Jan Pachowski,Warszawa,PL Leszek Rafalski,Warszawa,PL Piotr Żuławnik,Warszawa,PL (57) 1. Sposób stabilizacji popiołów i mieszanin popiołowo-żużlowych oraz gruntów spoistych, polegający na wymieszaniu ich z dodatkiem stabilizującym i zagęszczeniu na miejscu wbudowania, znamienny tym, że jako dodatek stabilizujący stosuje się produkt w postaci proszku, powstający z zestalenia wapnem palonym płynnych, uwodnionych osadów porafineryjnych, który dodaje się w ilości od 2 do 10% w stosunku do masy szkieletu gruntowego. PL 197878 B1
2 PL 197 878 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób stabilizacji popiołów i mieszanin popiołowo-żużlowych oraz gruntów spoistych do celów budownictwa drogowego, zwłaszcza do wykonywania nasypów i ulepszonego podłoża drogowego. Popioły oraz mieszaniny popiołowo-żużlowe są cennym materiałem budowlanym, chętnie stosowanym w drogownictwie, jeżeli spełniają wymagania określone w normach PN-S-02205:1998 Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania i PN-S-96035:1997 Drogi samochodowe. Popioły lotne. Natomiast istotne problemy z utylizacją nastręcza ta część odpadów, która nie spełnia wymagań określonych w ww. normach i w związku z tym nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania w budownictwie drogowym. Niezgodność z wymaganiami dotyczy przede wszystkim dwu parametrów: pęcznienia liniowego oraz nośności po pełnym nasyceniu wodą. Warunkiem wykorzystania takich popiołów i mieszanin popiołowo-żużlowych, podobnie jak i mało i średnio-spoistych gruntów naturalnych było ich ulepszenie dodatkami lub zastosowanie specjalnych metod wbudowania. Znane i powszechnie stosowane sposoby stabilizacji popiołów i mieszanin popiołowo-żużlowych oraz gruntów spoistych na górne warstwy nasypów i ulepszone podłoże drogowe polegają na dodawaniu do nich spoiwa mineralnego, jak wapno palone mielone lub wapno hydratyzowane w ilości 2-6%, cement w ilości 6-10%, ewentualnie aktywne popioły lotne, zawierające wolny tlenek wapnia (CaO). Ilość spoiwa zależy od rodzaju stabilizowanego materiału i przeznaczenia. Zabiegi te są jednak kosztowne i ze względów ekonomicznych zmniejszyło się zainteresowanie wykorzystaniem odpadów przemysłowych, uznanych za nieprzydatne do bezpośredniego zastosowania w budownictwie, co powoduje zwiększenie składowisk, a tym samym zanieczyszczenie środowiska naturalnego. Poprawę cech technicznych można również uzyskać przez dodawanie piasku nawet w ilości dwukrotnie większej niż popiołu bądź mieszanin popiołowo-żużlowych, co jest nieopłacalne ze względu na wysokie koszty zakupu i transportu piasku. Innym uciążliwym odpadem, którego utylizacja nastręcza wiele trudności, są zaolejone odpady przemysłu rafineryjnego. Przykłady wykorzystania tego odpadu w budownictwie drogowym, przedstawione w polskich opisach patentowych 160 434, 163 677 i 186 230, polegają na wykonywaniu z nich nasypów i podbudów drogowych do dróg o bardzo małym ruchu, a także stosowaniu jako dodatku do stabilizacji gruntów spoistych. W przypadku wykonywania nasypów z odpadów przemysłowych, zawierających szkodliwe składniki rozpuszczalne w wodzie, konieczne było stosowanie warstwy neutralizacyjno-izolacyjnej do oddzielenia materiału nasypu od podłoża, którą stanowiła warstwa z gliny lub iłu grubości min. 20 cm, warstwa z piasku o grubości 50 cm lub z gruntów organicznych. W opisie patentowym 159 979 przedstawiono warstwę neutralizacyjno-izolacyjną, wykonaną z gruntów stabilizowanych wapnem palonym, wapnem hydratyzowanym lub aktywnymi popiołami z węgla brunatnego w ilości 1-20%. Na tak wykonanej warstwie można było ułożyć nasyp z piasków zmieszanych z płynnymi i zaolejonymi osadami porafineryjnymi. W opisie patentowym nr 163 677 przedstawiono sposób utylizacji odpadów zaolejonych przemysłu rafineryjnego o zawodnieniu powyżej 40%, polegający na wykorzystaniu tego odpadu do stabilizacji gruntów, zwłaszcza w budownictwie drogowym. Sposób polega na tym, że do płynnych osadów zaolejonych dodawano aktywne popioły z węgla brunatnego lub popioły uzyskane z odsiarczania spalin w instalacjach energetycznych. Uzyskaną mieszankę składowano w pryzmach, ułożonych na warstwie filtracyjnej i po odsączeniu wody wykorzystywano tę mieszankę do stabilizacji gruntów spoistych na podbudowy drogi o ruchu lekkim lub do budowy nasypów komunikacyjnych. Przedstawiony w opisie patentowym 186 230 sposób utylizacji zaolejonych odpadów z przemysłu rafineryjnego w postaci płynnej polega na tym, że odpady w ilości 5-50% same lub z dodatkiem wapna miesza się z gruntem piaszczystym i mieszankę tę używa się do budowy obwałowania zbiorników przemysłowych lub do dolnej warstwy nawierzchni drogowej, eksploatowanej przy obciążeniu ruchem lekkim. Żadna ze znanych technologii nie rozwiązała problemu utylizacji znacznej część mieszanin popioło-żużli i popiołów lotnych, charakteryzujących się dużym pęcznieniem i niską nośnością po nasyceniu wodą, a także nie został rozwiązany problem wykorzystania zaolejonych odpadów przemysłu rafineryjnego, ponieważ znane ww. sposoby utylizacji mają wiele mankamentów technicznych, ograniczających ich zakres stosowania.
PL 197 878 B1 3 Okazało się, że możliwe jest uzyskanie bardzo dobrych efektów technicznych w wyniku łącznego wykorzystania w budownictwie drogowym obu ww. odpadów, tj. tej części popiołów lotnych lub popioło-żużli z węgla kamiennego, które dotychczas uznawane były za nieprzydatne do budownictwa oraz zaolejonych odpadów przemysłu rafineryjnego. Sposób według wynalazku polega na tym, że nieaktywne popioły lotne i mieszanki popiołowo- -żużlowe oraz grunty spoiste stabilizuje się dodatkiem od 2 do 10% produktu w postaci proszku, powstającego z uwodnionych osadów porafineryjnych, zestalonych dodatkiem wapna palonego. Materiały te miesza się z dodatkiem produktu na miejscu wbudowania frezą, bądź w mieszarce stacjonarnej i po równomiernym rozłożeniu w miejscu wbudowania zagęszcza warstwami w znany sposób. Produkt, powstający z uwodnionych osadów porafineryjnych, zawiera co najmniej 30% tlenku wapnia CaO, a w korzystnym wykonaniu od 30 do 40% CaO, ma uziarnienie do 2 mm, wilgotność mniejszą od 10% i aktywność, określoną przyrostem temperatury w 20% roztworze kwasu solnego, większą od 25 C. Produkt stosuje się jako dodatek stabilizujący do nieaktywnych popiołów lotnych z węgla kamiennego lub mieszanek popiołowo-żużlowych z węgla kamiennego, ewentualnie do gruntów spoistych. Materiały te, po wymieszaniu z produktem, stosuje się do budowy nasypów lub do ulepszenia podłoża pod podbudowy drogowe. Budowa realizowana jest warstwami 15-30 cm w znany sposób, jak przy stabilizacji spoiwem mineralnym, np. cementem. Przeprowadzone badania potwierdziły, że dodatek produktu do popiołu lub mieszaniny popioło- -żużli lub gruntu o właściwościach zbliżonych do pyłów bądź pyłów piaszczystych, a więc materiałów wrażliwych na działanie wody i mrozu, nienadających się do budownictwa drogowego bez stosowania specjalnych technologii wbudowania, powoduje, że grunty te uzyskują trwałą nośność i dalszy jej wzrost, nawet podczas nasycenia wodą. Stwierdzono także, że dodatek produktu według wynalazku redukuje niekorzystne zjawisko pęcznienia popiołu, mieszaniny popioło-żużli a także gruntów, które wykazywały cechy materiału pęczniejącego i wysadzinowego. Korzyści wynikające z zastosowania wynalazku, to przede wszystkim wyeliminowanie w budowie dróg i nasypów dużych ilości piasku, który jest materiałem coraz bardziej deficytowym i kosztownym oraz zastąpienie tego piasku odpadem przemysłowym, wymagającym utylizacji w celu ochrony środowiska. Dodatek do mieszanki produktu według wynalazku znakomicie redukuje pęcznienie i działa znacznie skuteczniej niż dodatek piasku, ponieważ powoduje duży wzrost nośności mieszanki, co ma szczególne znaczenie przy stosowaniu w robotach drogowych tego nowego materiału. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w następujących przykładach wykonania: P r z y k ł a d I Mieszanina popiołowo-żużlowa, powstająca ze spalania węgla kamiennego, składowana w stawach osadowych, została poddana badaniom w wyniku, których stwierdzono, że jest to materiał o wskaźniku piaskowym WP=18% i pęcznieniu liniowym p=6,02%, a więc zalicza się do gruntów wysadzinowych, zgodnie z normą PN-S-02205:1998, i nie nadaje się do budowy nasypów drogowych. Zestawienie wyników badań mieszaniny popiołowo-żużlowej podano w tabeli 1. T a b e l a 1 - Wyniki badań uśrednionej próbki mieszaniny popiołowo-żużlowej. Lp. Wyszczególnienie cech Jednostka Wartość pomierzona Wartość wymagana (PN-S-02205) Badanie wg 1 Uziarnienie a) zawartość frakcji > 2 mm b) zawartość frakcji < 0,075 mm % % 11,8 48,8 35 75 PN-88/B-04481 PN-88/B-04481 2 Zawartość niespalonego węgla (met. prażenia) % 4,8 10 PN-88/B-04481 3 Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego g/cm 3 1,102 1,00 PN-88/B-04481 4 Wskaźnik nośności (CBR 7 ) po 4 dobach nasycenia wodą % 2 10 PN-S-02205 5 Pęcznienie liniowe a) bez obciążenia % b) z obciążeniem 3 kn/m 2 % 6,02 0,2 2,0 0,5 PN-S-02205 PN-S-02205
4 PL 197 878 B1 Jak wynika z danych, przedstawionych w tabeli 1, mieszanina popiołowo-żużlowa nie spełnia wymagań normy PN-S-02205:1998 pod względem przydatności do budowy nasypów ze względu na: niską wartość wskaźnika nośności - w noś - niska nośność (CBR<10%), uniemożliwiającą prowadzenie robót ziemnych oraz poruszanie się sprzętu budowlanego (koleiny), zbyt wysoką wartość pęcznienia p oznaczającą, że materiał jest wrażliwy na działanie wody i mrozu. Aby spełnić wymagania stawiane mieszaninom popiołowo-żużlowym wg PN-S-02205:1998, a więc zmniejszyć pęcznienie i zwiększyć nośność, do mieszanki tej dodano od 2%, 4% i 6% produktu w postaci proszku, powstającego z uwodnionych osadów porafineryjnych, zestalonych dodatkiem wapna palonego mielonego w ilości 30%, do postaci proszku o właściwościach podanych w tabeli 2. T a b e l a 2 - Zestawienie cech fizyko-mechanicznych produktu, dodawanego do mieszaniny popiołowo-żużlowej. Lp. Badana cecha Wartość 1. Wilgotność naturalna w nt [%] 14 2 Gęstość objętościowa w stanie luźnym [g/cm 3 ] 0,737 3 Maksymalny ciężar objętościowy szkieletu ρ ds. [g/cm 3 ] 1,012 4 Aktywność produktu Δt [ C] 28 5 Analiza sitowa (na mokro) pozostaje na sicie # w % masy 2,00 mm 1,00 mm 0,50 mm 0,25 mm 0,125 mm 0,075 mm Przechodzi przez sito # 0,075 mm 0,52 1,26 0,94 1,82 1,93 1,33 92,20 6 Zawartość wolnego CaO% 22 7 Barwa jasnoszara W celach porównawczych mieszaninę popiołowo-żużlową ulepszono znaną dotychczas metodą przez doziarnienia piaskiem, w proporcji 1:1 objętościowo. Wyniki badań mieszanin popiołowo-żużlowych: z dodatkiem 2%, 4% i 6% produktu i z dodatkiem piasku podano w tabeli 3. Lp. T a b e l a 3 - Wyniki badań mieszanin popiołowo-żużlowych: z dodatkiem produktu i z dodatkiem piasku. Rodzaj pielęgnacji cylindrów do pomiarów nośności Dodatek piasku Dodatek produktu w % 1:1 2 4 6 1 W noś (CBR 7 ) bezpośrednio po zagęszczeniu w % 25 29 30 27 2 W noś (CBR 7 ) po 4 dobach moczenia w wodzie z obciążeniem w % 15 39 56 56 3 Pęcznienie liniowe w % 0,2 0,08 0,04 0,02 4 W noś (CBR 7 ) po 4 dobach moczenia w wodzie bez obciążenia w % 7 31 52 50 5 Pęcznienie liniowe w % 3,5 0,11 0,05 0,04 Przedstawione w tabeli 1 i 3 wyniki badań, charakteryzujące mieszaniny popiołowo-żużlowe bez dodatków, i ulepszone produktem, zgodnie z wynalazkiem oraz ulepszony dodatkiem piasku, pozwalają na stwierdzenie, że dodatek produktu do mieszaniny popiołowo-żużlowej, już w ilości 2%, umożliwia uzyskanie pełnowartościowego materiału, przydatnego w budownictwie drogowym do budowy nasypów i podbudów. Materiał ten jest pod względem cech fizycznych porównywalny do uzyskanego z mieszaniny popiołowo-żużlowej uszlachetnionej piaskiem w stosunku 1:1 objętościowo. Zastosowanie do uszlachetnienia mieszaniny popiołowo-żużlowej dodatku produktu, uzyskanego z zestalenia uwodnionych osadów zaolejonych przemysłu rafineryjnego redukuje zjawisko pęcznienia praktycznie do 0% przy pęcznieniu materiału bez ulepszenia p= 6%, i powoduje znaczny wzrost nośności już przy dodaniu produktu w ilości nieprzekraczającej 4%. Stwierdzono ponadto, że okres pielęgnacji ponad 4 dni mieszaniny popiołowo-żużlowej z dodatkiem produktu według wynalazku nie
PL 197 878 B1 5 wpływa na wzrost nośności, co stanowi potwierdzenie, że materiał ten osiąga maksymalną nośność w krótkim czasie po wbudowaniu, co jest dodatkową zaletą tego rozwiązania. P r z y k ł a d II Popioły lotne, wychwytywane w elektrofiltrach elektrociepłowni i transportowane na składowisko w stanie tylko zwilżonym, stanowią materiał drobnoziarnisty (bez domieszki żużlowej) i jako takie mogą być tylko stosowane jako dodatek do betonów, zapraw i cementu, natomiast nie nadają się do budowy nasypów drogowych i ulepszonego podłoża drogowego, ponieważ nie spełniają wymagań ze względu na utratę nośności po nasyceniu wodą i pęcznienie, powodujące powstawanie wysadzin. W celu uzyskania materiału, nadającego się do wykorzystania w budownictwie drogowym popiół ten wymieszano z produktem z zaolejonych osadów rafineryjnych, o cechach podanych w tabeli 1. Produkt dodano do popiołu w ilości 2%, 4% i 6%. Dodatkowo, do porównania cech uzyskanej mieszanki popiołów z dodatkiem produktu, wykonano drugą mieszankę z tego samego popiołu z dodatkiem piasku w proporcji objętościowej 1:1. Wyniki badań właściwości popiołów, mieszanki popiołów z dodatkiem produktu według wynalazku i mieszanki popiołów uszlachetnionych piaskiem podano w tabeli 4. T a b e l a 4 - Badania laboratoryjne próbek popiołów z elektrociepłowni i próbek popiołów ulepszonych dodatkiem piasku i produktu. Rodzaj próbki Lp. Badana cecha popiół Popiół z piaskiem Popiół o zawartości produktu w % 2 4 6 1. Pęcznienie liniowe po 4 dobach - bez obciążenia - przy obciążeniu 3 kn 8,16 6,55 3,49 0,08 3,61 0,0 0,85 0,13 0,67 0,09 2. Wskaźnik nośności CBR bezpośrednio po wykonaniu próbek 26 34 30 30 29 3. Wskaźnik nośności CBR 7 po 4 dobach moczenia z obciążeniem 3 kn/m 2 9 15 50 52 59 4. Wskaźnik nośności CBR 7 po 4 dobach moczenia bez obciążenia 2 4 8 34 33 Dane, przedstawione w tabeli 4, pozwalają na stwierdzenie, że na wzrost nośności CBR wpływa już niewielki, 2 procentowy dodatek produktu (badanie z obciążeniem po 4 dobach) w porównaniu do popiołów niemodyfikowanych. Pomiar wskaźnika nośności bez obciążenia wykazuje, że produkt dodany w ilości 4% do popiołu umożliwia uzyskanie wartości CBR zbliżonej do maksymalnej, która wraz ze zwiększaniem dodatku produktu już tylko nieznacznie wzrasta. Badania nośności mieszanki z obciążeniem i bez obciążenia mają istotne znaczenie do oceny przydatności materiału w budownictwie drogowym, ponieważ wyniki badania z obciążeniem informują o nośności warstwy przykrytej warstwą następną, tzn. nadległą, natomiast badanie bez obciążenia symuluje zachowanie się warstwy wierzchniej. Przedstawione w tabeli 4 wyniki badań świadczą, że same popioły, poddane pielęgnacji 4-dobowej z nasyceniem wodą, wykazują spadek nośności w porównaniu do nośności wyjściowej bezpośrednio po ubiciu (bez nasycenia wodą), natomiast popioły modyfikowane produktem, zgodnie z wynalazkiem, są mniej wrażliwe na nasycenie wodą i nawet charakteryzują się wzrostem nośności, co potwierdza ich dodatkową zaletę jako materiału przydatnego w drogownictwie, że bezpośrednio na wykonanej warstwie nasypu lub podbudowy możliwy jest bezpieczny ruch budowlany. Wyniki badania pęcznienia mieszanki z dodatkiem produktu potwierdzają, że uzyskany materiał ma cechy gruntu niewysadzinowego, co również potwierdza przydatność do robót drogowych. Budowę nasypu lub ulepszonego podłoża podbudowy realizuje się warstwami 15-30 cm z nieaktywnych popiołów wymieszanych z produktem w postaci proszku, powstającym z zestalenia wapnem palonym płynnych, porafineryjnych osadów zaolejonych. Stabilizację popiołów wykonuje się metodą mieszania na miejscu wbudowania lub w wytwórni Ułożoną warstwę mieszanki zagęszcza się znanymi sposobami, przy wilgotności zbliżonej do optymalnej, dla uzyskania wskaźnika zagęszczenia i modułu odkształcenia zgodnego z wymaganiami dotyczącymi robót ziemnych. Efekt techniczny, wyrażony wartością wskaźnika nośności (CBR) wg PN-S-02205:1998, który można uzyskać w wyniku stabilizacji popiołu ze spalania węgla kamiennego dodatkiem produktu,
6 PL 197 878 B1 zgodnie z wynalazkiem i dla porównania spoiwami mineralnymi -wapno, cement- są przedstawione na rysunku. Jak wynika z wykresu, przedstawionego na rysunku, korzyści ze stosowania wynalazku, oprócz wykorzystania dotychczas nieużytecznych i uciążliwych odpadów, to możliwość uzyskiwania efektów ekonomicznych, ponieważ produkt z zestalenia wapnem odpadów porafineryjnych niewiele kosztuje, w porównaniu z ceną wapna lub cementu, dotychczas stosowanych do stabilizacji popiołów i pomimo dwukrotnie większego zużycia produktu (w celu osiągnięcia wymaganych cech technicznych) w porównaniu ze znanymi spoiwami oszczędności są bardzo duże. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób stabilizacji popiołów i mieszanin popiołowo-żużlowych oraz gruntów spoistych, polegający na wymieszaniu ich z dodatkiem stabilizującym i zagęszczeniu na miejscu wbudowania, znamienny tym, że jako dodatek stabilizujący stosuje się produkt w postaci proszku, powstający z zestalenia wapnem palonym płynnych, uwodnionych osadów porafineryjnych, który dodaje się w ilości od 2 do 10% w stosunku do masy szkieletu gruntowego. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że produkt zawiera nie mniej niż 30% tlenku wapnia CaO, korzystnie 30-40%, ma uziarnienie do 2 mm i wilgotność nie przekraczającą 10% oraz aktywność, określoną przyrostem temperatury w 20% roztworze kwasu solnego większą od 25 C. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że produkt miesza się z nieaktywnymi popiołami z węgla kamiennego, ewentualnie mieszaninami popiołowo-żużlowymi z węgla kamiennego. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że produkt miesza się z gruntami naturalnymi, spoistymi. Rysunek Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.