Dr inż. Waldemar Cyske Dr inż. Tomasz Szczygielski Utex-Centrum, Warszawa PRODUKTY NA BAZIE POPIOŁÓW WYSOKOWAPNIENNYCH W BUDOWNICTWIE KOMUNIKACYJNYM 1. CO TO SĄ POPIOŁY WYSOKOWAPNIOWE Norma PN-EN 14227-4 [1] wyróżnia 2 grupy popiołów lotnych. Są to popioły: Krzemianowe o właściwościach pucolanowych. Wapienne (wapniowe) o właściwościach hydraulicznych. Norma ta nie uwzględnia popiołów odprowadzanych hydraulicznie, które na skutek kontaktu z wodą utraciły zwoje właściwości wiążące. Popioły odprowadzane spod elektrofiltrów w postaci suchego pyłu posiadają właściwości wiążące i mogą być stosowane jako samodzielne spoiwo lub jako dodatek do innych spoiw. Jest to związane z obecnością w popiołach aktywnych związków chemicznych, podobnych jakie występują w cemencie. Co ciekawe popioły lotne mają podobny skład chemiczny jak popioły wulkaniczne, stosowane przez Rzymian do budowy dróg już w starożytności. Należy pamiętać, że popioły lotne mają inną charakterystykę wiązania i nie dają takich dużych wytrzymałości jak cementy, jednak mają wiele innych zalet: Małe wytrzymałości skutkują małym skurczem hydratacyjnym i termicznym. Możliwość stosowania do stabilizacji gruntów spoistych. Możliwość stabilizacji gruntów przewilgoconych. Możliwość stabilizacji gruntów o podwyższonej zawartości związków organicznych. Podwyższenie wilgotności optymalnej gruntu. Dodatek popiołu lotnego powoduje zmianę struktury gruntu, wzrost jego sztywności i w konsekwencji nośności. Nie ma konieczności składowania UPS. Oszczędność nowych materiałów budowlanych. Możliwość stabilizacji gruntów spoistych jest szczególnie korzystna w przypadku stosowania popiołów w budownictwie komunikacyjnym. W podłożach dróg i kolei zalegają zazwyczaj różnorodne grunty, w tym grunty spoiste, które często są zbyt wilgotne aby bezpośrednio mogły być użyte do budowy nasypów bądź stanowiły podłoże nasypu czy nawierzchni. Prace nad zastosowaniem popiołów lotnych jako samodzielnego spoiwa drogowego prowadził Profesor Jan Pachowski już w latach 1960-tych [2]. Jego doświadczenia opublikowane w książce Popioły lotne i ich zastosowanie w budownictwie drogowym, która do dzisiaj stanowi biblię w tej dziedzinie wiedzy inżynierskiej. Norma PN-EN 14227-4 podaje właściwości jakie powinny spełniać popioły lotne. Podano je w tablicy 1. 1
Tablica 1. Właściwości popiołów lotnych Lp. Właściwości Wymagania Metody badania 1 Uziarnienie (przechodzi przez sito #): 0,315 mm 0,090 mm 2 Stałość objętości, dla mieszanki 30% 95% 70% PN-EN 196-6 paragraf 3 10 mm PN-EN 196-3:2006 popiołów i 70% cementu wzorcowego 3 Reaktywność tlenku wapnia 5% PN-EN 197-1 4 Zawartość wody 1% 2. CO TO JEST STABILIZACJA SPOIWEM HYDRAULICZNYM Stabilizacja spoiwem hydraulicznym jest to proces technologiczny polegający na wymieszaniu gruntu ze spoiwem w obecności wody i niekiedy innych dodatków, mający na celu: osuszenie gruntu podłoża, podniesienie jego wilgotności optymalnej, doziarnienie gruntu, ułatwienie zagęszczenia gruntu, zmianę struktury gruntu, zwiększenie odporności na wpływy wody i mrozu, niekiedy uzyskanie wytrzymałości na ściskanie. Złożenie tych czynników powoduje niekiedy kilkakrotny wzrost nośności w stosunku do właściwości pierwotnych. W stabilizacji gruntów istnieje zasada: im gorzej tym lepiej, którą należy rozumieć tak, że jeżeli mamy do czynienia z bardzo słabym gruntem, który jest jeszcze dodatkowo nawodniony to dodatek popiołów lotnych spowoduje kilkukrotny wzrost nośności. Jeżeli natomiast mamy do czynienia z gruntem o średniej nośności np. piaski gliniaste to popioły lotne spowodują osuszenie podłoża, umożliwią jego zagęszczenie a wzrost nośności może być niewielki. Samo umożliwienie właściwego zagęszczenia gruntu poprzez zmianę wilgotności naturalnej oraz wzrost wilgotności optymalnej daje niekiedy kilkakrotny wzrost nośności podłoża. Chyba najważniejszą zaletą stabilizacji jest chemiczna zmiana struktury gruntu i związanie jego cząstek. Powoduje to uzyskanie sztywnej platformy roboczej, stanowiącej fundament dla konstrukcji nawierzchni lub nasypu. Grunty spoiste po stabilizacji spoiwem hydraulicznym nie uzyskują dużych wytrzymałości, co jest w wielu przypadkach zaletą, ponieważ nie powstaje efekt szyby ułożonej na plastycznym podłożu. Uzyskiwane wytrzymałości są zazwyczaj mniejsze od 1 MPa, co pozwala płynnie przejść z plastycznego podłoża do sztywnych warstw konstrukcji nawierzchni. 3. GRUNTY DO STABILIZACJI Zazwyczaj przyjmuje się, że do stabilizacji spoiwem hydraulicznym nadają się grunty spoiste o właściwościach podanych w tablicy 2. 2
Tablica 2. Zalecane właściwości gruntów spoistych do stabilizacji popiołami lotnymi [3] Lp. Właściwości Wymagania Metody badania 1 Uziarnienie, przechodzi przez sito # 20% 0,002 mm PN-B-04481:1988 2 Granica płynności 40% PN-B-04481:1988 3 Wskaźnik plastyczności 3 20% PN-B-04481:1988 4 Zawartość części organicznych 5% PN-B-04481:1988 5 Zawartość siarki, w przeliczeniu na 1% SO 3 PN-EN 1744-1:2000 Analizując właściwości gruntów przydatnych do stabilizacji spoiwami popiołowymi można zauważyć, że stabilizowane mogą być wszystkie grunty spoiste poza glinami zwięzłymi i iłami. Jednak należy pamiętać, że decydującym kryterium przydatności gruntu do stabilizacji są badania nośności przeprowadzone w terenie. Z doświadczeń dostatnich lat wynika, że stabilizacji popiołami wapniowymi mogą podlegać wszystkie grunty spoiste z wyjątkiem lessów. Zmiana taka może być spowodowana nie poprzez zmianę właściwości wiążących samych popiołów ale możliwościami technicznymi obecnie dysponujemy sprzętem, który jest w stanie skutecznie wymieszać bardzo spoisty grunt ze spoiwem. Stabilizacja spoiwem hydraulicznym stosowana jest niekiedy w przypadku występowania w podłożu piasków jednofrakcyjnych. Piaski takie mają prawie wszystkie ziarenka o podobnej wielkości. W związku z tym nie zachodzi w nich zjawisko klinowania i wypełniania wolnych przestrzeni pomiędzy większymi ziarnami poprzez ziarna mniejsze. Dodatkowo, jeżeli piaski takie są pochodzenia rzecznego ich ziarenka mają kształt zbliżony do kul i w czasie zagęszczania zachowują się jak łożysko. W takiej sytuacji ich zagęszczenie klasycznymi metodami staje się praktycznie niemożliwe. Dodatek spoiwa hydraulicznego, o drobnym uziarnieniu, pełni w takiej sytuacji rolę głównie wypełniacza, doziarnienia drobną frakcją, co pozwala zagęścić grunty w normalnych warunkach niezagęszczane, a dodatkowo w niewielkim stopniu spoiwo to wiąże ziarna piasku, tworząc w miarę sztywną platformę roboczą. 4. PROJEKTOWANIE STABILIZACJI Każdorazowo przed przystąpieniem do stabilizacji gruntu spoiwem hydraulicznym należy sporządzić receptę laboratoryjną. Ponieważ praktycznie zawsze w przypadku stabilizacji wykonywanej metoda in situ warunki występujące w podłożu podlegają zmianom zarówno w miejscu jak i w czasie, recepta taka musi być na bieżąco korygowana. Nie ma potrzeby wykonywania kilku recept w tak zmiennych warunkach gruntowych, wodnych i pogodowych. Korekty jest w stanie wprowadzać doświadczona kadra prowadząca roboty. Projektowanie mieszanki gruntu stabilizowanego spoiwem podłoża polega na: określeniu wilgotności naturalnej gruntu, wstępnym doborze ilości spoiwa, określeniu wilgotności optymalnej mieszanki gruntu i spoiwa, określeniu właściwości gruntu stabilizowanego spoiwem, porównaniu wyników badań z założeniami projektowymi. Recepta laboratoryjna powinna zawierać: rodzaj gruntu do stabilizacji, 3
wilgotność naturalną gruntu, rodzaj i zawartość spoiwa, zawartość ewentualnych dodatków, wilgotność optymalną mieszanki i ewentualny potrzebny dodatek wody, projektowane właściwości mieszanki. Ponieważ podstawowym celem stabilizacji UPS jest osuszenie gruntu i zwiększenie nośności podłoża, rzadko określa się wytrzymałość na ściskanie powstałej mieszanki. Zresztą to nie wytrzymałość na ściskanie jest podstawą wzrostu nośności podłoża. Ze względów konstrukcyjnych dużo większe znaczenie ma grubość wykonywanej stabilizacji niż jej wytrzymałość. Dlatego w terenie oraz w czasie projektowania należy wziąć pod uwagę oryginalną nośność podłoża i cel jaki mamy osiągnąć nośność ulepszonego podłoża. Aby to sprawdzić lub zweryfikować założenia projektowe wykonuje się odcinki doświadczalne z różną zawartością spoiwa (zależna od wilgotności gruntu podłoża) a także z różną głębokością mieszania gruntu ze spoiwem. W przypadku słabych podłoży zaleca się aby: Minimalna głębokość mieszania wynosiła 30 cm wynika to z faktu konieczności wprowadzenia maszyn budowlanych do wykonywania następnych warstw konstrukcji nawierzchni. Maksymalna głębokość mieszania wynosiła 50 cm wynika to z przyczyn technicznych i konstrukcyjnych. Maszyny do mieszania in situ są w stanie w jednym przejściu wymieszać grunt ze spoiwem właśnie na taką głębokość. Głębsze mieszanie może narazić otaczający teren na niestabilność. Głębsze mieszanie jest jednak możliwe, ale wymaga przeprowadzenia tego procesu w kilku stopniach lub wykonanie stabilizacji metodą in plant. W przypadku wykonywania stabilizacji gruntu z wykorzystaniem aktywnych popiołów lotnych warto zwrócić uwagę na jeszcze kilka faktów: Wytrzymałość na ściskanie jest niewielka i jest osiągana po dłuższym czasie niż dla cementu. Inna jest charakterystyka wiązania tych spoiw. Takie parametry jak mrozoodporność i wytrzymałość powinny być badane indywidualnie w odniesieniu do właściwości spoiwa. 5. WYMAGANIA DLA WYKONANEJ STABILIZACJI Grunt stabilizowany spoiwami na bazie UPS jest najczęściej stosowany w następujących przypadkach: Ulepszone podłoże drogowe. Podtorze kolejowe. Podłoże pod nasyp. Warstwy nasypu komunikacyjnego. W zależności od miejsca wykorzystania technologii stabilizacji powinna ona spełniać stosowne wymagania podane poniżej. Zgodnie z Id-3 podtorze powinno spełniać następujące wymagania: dla podtorza linii nowobudowanych i modernizowanych 80 120 MPa 4
dla podtorza linii eksploatowanych (przy ocenie potrzeby wzmacniania) 40 80 MPa Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych podaje jako wymóg uzyskanie na podłożu bezpośrednio pod konstrukcją nawierzchni nośności: Dla ruchu KR1 i KR2 100 MPa Dla ruchu większego od KR2 120 MPa Takie same wymagania dla podłoża nawierzchni drogowej są przedstawione w normie PN-S-02205:1998 [4]. W tej samej normie [4] podano także wymagania dotyczące nośności podłoża pod nasypy, które powinna wynosić w zależności od rodzaju gruntu zalegającego w podłożu od 30 do 40 MPa, a także wymagania dotyczące nośności samych nasypów od 40 do 120 MPa. Te ostatnie wartości dotyczą oczywiście ostatnich warstw nasypów, które jednocześnie stanowią podłoże nawierzchni drogowej lub kolejowej. W normie PN-S-02205:1998 [4] przedstawiono także wymagania dotyczące zagęszczenia gruntów w podłożu nasypów jak i w samym nasypie. Jest to o tyle istotne, że zapobiega to, na etapie użytkowania, powstawaniu osiadań. Jednak z punktu widzenia zastosowań popiołów wapniowych należy podkreślić, że ich dodatek, w przypadku gruntów spoistych o dużej wilgotności, umożliwia właściwe wykonanie robót i osiągnięcie właściwego zagęszczenia a w konsekwencji właściwej nośności. 6. OPIS TECHNOLOGII STABILIZACJI 6.1. Warunki atmosferyczne prowadzenia robót Minimalna temperatura powietrza w czasie prowadzenia robót powinna być wyższa od 0 C. Zaleca się sprawdzenie prognozy pogody na najbliższe kilka dni. Zabrania się układania mieszanki w czasie intensywnych opadów atmosferycznych. Nie dopuszcza się prowadzenia robót na zamarzniętym podłożu. 6.2. Wytwarzanie gruntu stabilizowanego spoiwem hydraulicznym Technologia wytwarzania mieszanki powinna być następująca: spulchnienie gruntu naturalnego wymagane w przypadku gruntów bardzo spoistych, ewentualne rozłożenie materiału doziarniającego, ewentualne dodanie wody do wilgotności optymalnej, rozłożenie spoiwa w ilości zgodnej z receptą roboczą, wymieszanie wszystkich składników na projektowaną głębokość. Mieszarki powinny zapewniać prawidłowe wymieszanie składników, do jednolitego wyglądu, ze względu na barwę oraz uziarnienie. W przypadku niewystarczającej jednorodności mieszanki należy zastosować większą ilość przejść maszyn mieszających. W przypadku konieczności uzyskania większej nośności i wytrzymałości wykonywanej podbudowy oraz w przypadku szczególnie złych warunków gruntowo-wodnych może być zastosowana technologia wieloetapowa: spulchnianie gruntu, rozłożenie spoiwa, mieszanie gruntu ze spoiwem na dużą głębokość, wstępne zagęszczenie warstwy, 5
rozłożenie nowego spoiwa, ewentualne rozłożenie materiału doziarniającego, mieszanie gruntu ze spoiwem na mniejszą głębokość. W takim przypadku pierwszy dodatek spoiwa ma na celu doprowadzenie gruntu do wilgotności optymalnej i umożliwia jego właściwe zagęszczenie a drugi dodatek spoiwa powoduje właściwe związanie gruntu i uzyskanie wytrzymałości an ściskanie. W poszczególnych etapach mogą być zastosowane różne rodzaje spoiw oraz różne głębokości mieszania. W przypadku wykorzystywania do stabilizacji mieszarek stacjonarnych wszystkie składniki muszą być dostarczone do wytwórni a następnie dozowane zgodnie z receptą laboratoryjną. 6.3. Zagęszczanie warstwy gruntu stabilizowanego spoiwem hydraulicznym Po wymieszaniu wszystkich składników mieszanki powierzchnię warstwy należy zagęścić jednym lub dwoma przejściami walca. Po tym należy ostatecznie wyrównać powierzchnię warstwy i przystąpić do końcowego zagęszczania. W przypadku wykonywania dużej grubości warstwy, do początkowego zagęszczania należy stosować ciężkie walce wibracyjne lub okołkowane. Dalej zagęszczenie należy kontynuować przy użyciu walców stalowych gładkich lub walców ogumionych. Potrzebną ilość przejść walców należy dobrać doświadczalnie, ale nie mniej niż 4. Zagęszczanie należy rozpocząć od krawędzi podbudowy i posuwać się pasami równoległymi w stronę środka drogi. Kolejne pasy powinny zachodzić na siebie co najmniej 10 cm. Szczególną uwagę należy zwrócić do zagęszczania miejsc w sąsiedztwie szczelin roboczych oraz urządzeń obcych. Dla ulepszonego podłoża zagęszczanie należy kontynuować do osiągnięcia wskaźnika 1,00 według normalnej próby Proctora (BN-77/8931-12). W przypadku zagęszczania nasypów zagęszczenie należy kontynuować do wskaźnika zagęszczenia zgodnego z normą PN-S-02205:1998. 6.4. Spoiny robocze W celu poprawnego wykonania szczelin roboczych należy kolejne działki dzienne i pasy technologiczne wykonywać z zakładem. Zakład podłużny powinien wynosić co najmniej 10 cm a zakład poprzeczny co najmniej 50 cm. 6.5. Pielęgnacja Jest kilka metod pielęgnacji wykonanej stabilizacji spoiwem popiołowym. Są one powszechnie znane i stosowane także przy stabilizacji innymi spoiwami. Jednak w przypadku stabilizacji gruntów spoistych pielęgnacja jest wymagana tylko w warunkach upalnego lata. W innych warunkach pogodowych nie następuje szybkie parowanie wody z powierzchni, a woda zawarta wewnątrz warstwy jest praktycznie szczelnie zamknięta w strukturze gruntu spoistego i nie ma możliwości odparowania. 6
9. PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ 9.1. Wzmocnienie podtorza LCS Tczew W październiku i listopadzie 2009 na terenie LCS Tczew, szlak E-65, tor nr 1, km 287+720 292+700 wykonano wzmocnienia podłoża pod tory kolejowe z zastosowaniem spoiwa Tefra 15. W podłożu toru występują grunty spoiste: gliny, gliny piaszczyste oraz iły. Miały one znaczną wilgotność uniemożliwiającą ich właściwe zagęszczenie a więc i uzyskanie odpowiedniej nośności. Nośność badana na naturalnym podłożu wynosiła: Pierwotny moduł odkształcenia podtorza wynosił od 5 do 45 MPa, jednak najczęściej był w granicach od 10 do 25 MPa. Wtórny moduł odkształcenia wynosił od 6 do 48 MPa. Ze względu na bardzo trudne warunki gruntowe występujące na Żuławach dodatek spoiwa do gruntu wynosił 90 kg/m 2 a wymieszanie następowano na głębokość około 45 cm. Po wykonaniu zabiegu stabilizacji spoiwem Tefra 15 nośność podłoża wynosiła odpowiednio: Pierwotny moduł odkształcenia podtorza wynosił od 39,5 do 140 MPa, jednak najczęściej był w granicach od 60 do 90 MPa. Wtórny moduł odkształcenia wynosił od 56 do 173 MPa. We wszystkich badanych punktach spełnione zostało założenie projektowe. Poniżej przedstawiono kilka zdjęć z realizacji prac. Zdjęcie 1. Widok naturalnego gruntu podłoża 7
Zdjęcie 2. Widok gruntu po wymieszaniu ze spoiwem. Zdjęcie 3. Wykonana warstwa podtorza. 8
9.2. Budowa DK7 odcinek Kalsk - Miłomłyn Na budowie DK7 odcinek Kalsk Miłomłyn, realizowanej przez formy Strabag i Kirchner, na znacznych odcinkach występują grunty spoiste o dużej wilgotności. Po wykonaniu odcinków próbnych stabilizacja podłoża spoiwem Tefra 15 jest wykonywana pod nasypy, a także w samych nasypach a poza tym pod drogi technologiczna. Poniżej pokazano kilka zdjęć z budowy. Na odcinku doświadczalnym naturalne podłoże miało nośność od 10 do 20 MPa. Po przeprowadzeniu stabilizacji nośności wynosiła od 55 do 80 MPa. W przypadku wykonywania kilku warstw stabilizacji uzyskiwana na górze nośność czasami osiąga 200 MPa. Zdjęcie 4. Trudności w poruszaniu się sprzętu na słabym podłożu 9
Zdjęcie 5. Rozkładanie spoiwa Tefra 15 Zdjęcie 6. Podłoże po wykonaniu stabilizacji spoiwem popiołowym 10
BIBLIOGRAFIA [1] PN-EN 14227-4:2003 Mieszanki związane spoiwem hydraulicznym. Popiół lotny do mieszanek stabilizowanych hydraulicznie. [2] Pachowski J.: Popioły lotne i ich zastosowanie w budownictwie drogowym. WKŁ 1976 [3] BN-71/8933-10 Drogi samochodowe. Podbudowa z gruntów stabilizowanych aktywnymi popiołami lotnymi [4] PN-S-02205:1998 Drogi samochodowe. Roboty ziemne [5] PN-S-06103:1997 Drogi samochodowe. Podbudowa z betonu popiołowego 11