Stanovení pevnosti v prostém tlaku směsí stmelených hydraulickými pojivy
Článek se zabývá problematikou stanovení pevnosti v prostém tlaku směsí stmelených hydraulickými pojivy, respektive fluidními popílky, které jsou takzvanými vedlejšími energetickými produkty; jedná se o tuhé zbytky po spalování uhlí. Článek též obsahuje enviromentální zhodnocení této hmoty.
Směs stmelená hydraulickými pojivy je směsí, která tvrdne v důsledku hydraulických, pucolánových či uhličitanových reakcí. Taková směs s dobře zvolenou recepturou dosahuje po smíchání s vodou vlivem hydratačních procesů po určité době zajímavých vlastností, zejména pak pevnosti v tlaku.
V současnosti jsou k výrobě takovýchto stmelených směsí (tzv. stabilizátů) využívány nejčastěji fluidní popely a popílky (rozdíl mezi nimi je na první pohled patrný v granulometrii). Tyto fluidní popely a popílky jsou tzv. vedlejšími energetickými produkty – jedná se o tuhé zbytky po spalování uhlí. Obsahují mj. vyšší podíl vápna, díky němuž vykazuje takový stabilizát právě po smíchání s vodou značné hydratační účinky a po zatvrdnutí má vlastnosti, které se dají přirovnat k tzv. chudému betonu.
Co se týče vlivu na životní prostředí, odvíjí se rozsah zkoušených ukazatelů vždy od zamýšleného užití stabilizátů, resp. od předpisů či vyhlášek platných pro dané místo uložení.
Stabilizáty se mohou používat jednak jako vrstva, která uzavírá skládky odpadů (taková vrstva je navíc těsnicí), jednak pro stavbu vozovek (podkladní a ochranné vrstvy, aktivní zóny) ve smyslu Technických podmínek MDS ČR 93 (dále jen TP 93), dále ke stabilizaci zemin apod. [3]. Udává se, že pokud je stabilizát připravován ze směsi obsahující větší množství vápna (zhruba více než 3 %), je výsledný materiál nepropustný a odolává mrazu a vodě, což je jeho velkou výhodou [7].
Výčet variant, kde je možné stabilizovaný popílek využít, je opravdu značný a není cílem tohoto článku popsat veškeré možnosti využití a tudíž testy související s vlivem na životní prostředí. V největším ročním objemu se stabilizáty, vzniklé jako směs s popílkem, užívají ke stavbám pozemních komunikací a mimo stavby pozemních komunikací pro zásypy a násypy území postižených antropogenní činností, kde je na každý z těchto dvou typů staveb nahlíženo z environmentálního hlediska jinak, čemuž bude věnována samostatná kapitola.
Pevnost stabilizátů v prostém tlaku
Zkušební zařízení
Prezentované zkušební zařízení bylo vyrobeno na zakázku a slouží k výrobě válcových zkušebních těles stabilizátu. Průměr i výšku má takové těleso 50 mm, což jsou rozměry, které vyhovují normovým požadavkům ČSN EN 13286-53 [2].
Obr. 1 – Zkušební zařízení
Zkušební zařízení (viz obrázek 1) je složeno z:
- formy s danými rozměry, vč. přírub zátek a pístu,
- distančních dělených objímek (3 páry), které jsou použity během plnění formy směsí a hutnění, aby byly minimalizovány rozdíly objemové hmotnosti zkušebního tělesa.
Dále je třeba hutnicí lis a zkušební síto 11,2 mm podle ČSN EN 933-2 [11].
K výše uvedenému zařízení byla navíc vyrobena komora pro snadnější zachycení zhutněného tělesa, které je v konečné fázi vytlačováno lisem z formy.
Výroba zkušebních těles stabilizátu
Směs je nutné prosít sítem 11,2 mm, neboť ke zkouškám je použit pouze materiál, který propadl daným sítem.
Spočítá se hmotnost směsi, která je požadována pro vložení do formy:
kde je
- m
- hmotnost směsi, která je vložena do formy [g];
- V
- objem zkušebního tělesa [cm3];
- ρd
- suchá objemová hmotnost zkušebního tělesa [g/cm3];
- w
- vlhkost suché hmotnosti směsi [%].
Směs je navážena, dokonale zhomogenizována, přidá se příslušné množství vody a opět se dokonale zhomogenizuje (viz obrázek 2).
Pár širších distančních objímek se vloží mezi přírubu spodní zátky a válec formy a veškeré množství zhomogenizované směsi se pomalu vsype do formy, přičemž se během tohoto úkonu směs lehce a stejnorodě udusá (viz obrázek 3 a 4).
Obr. 2 – Homogenizace směsi
Obr. 3 – Sypání zhomogenizované směsi do formy
Obr. 4 – Dusání směsi
Obr. 5 – Výměna objímek
Forma je zaklapnuta svrchní zátkou a pár širších distančních objímek je vyměněno za objímky užší. Forma je umístěna mezi tlačné plochy lisu a lis je spuštěn. Poté na formu působí co možná nejmenší plynulý tlak až do okamžiku, kdy je píst svrchní zátky zcela zasunut do formy. V okamžiku, kdy se příruba horního pístu svrchní zátky dotkne válce formy, tlak se uvolní a pár užších distančních objímek je vyměněn za objímky nejužší (viz obrázek 5).
Obr. 6 – Vytlačování zkušebního tělesa z válcové formyNa horní zátku je obnoven tlak, jenž musí trvat alespoň 10 s, do doby, než je spodní píst zcela zasunut. Poté je vyjmut pár nejužších objímek a tlak se nechá působit dalších alespoň 10 s poté, co se příruby zcela dotknou válce formy.
Po dokončení hutnění jsou zátky sejmuty a nastává fáze, kdy je těleso z válcové formy vytlačeno pomocí plunžrového pístu a eventuálně komory (viz obrázek 6).
Obr. 7 – Uložení tělesa v polyetylenovém sáčku v laboratorním prostředí
Tělesa jsou zvážena a po stanovenou dobu vertikálně skladována v laboratorním prostředí s minimální ztrátou vlhkosti (viz obrázek 7).
Stanovení pevnosti v tlaku
Pevnost stabilizátů v tlaku je zkoušena dle ČSN EN 13286-41 [1]. Po stanovené době uložení těles (většinou po 28 dnech) jsou tělesa zvážena, změřeny jejich rozměry, z povrchu těles je otřena přebytečná voda a event. odstraněn cizorodý materiál, který by mohl ovlivnit výslednou pevnostní zkoušku.
Očištěné těleso je vloženo mezi tlačné desky lisu, je zahájeno plynulé zatěžování takovou rychlostí, aby k porušení tělesa došlo mezi 30 až 60 s po započetí zatěžování. Aby bylo možné zkoušku vyhodnotit, musí být porušení dle normy uspokojivé (viz obrázek 8).
Pevnost v tlaku je pak dána známým vzorcem:
kde je
- Rc
- pevnost v tlaku zkušebního tělesa směsi stmelené hydraulickým pojivem [MPa];
- F
- maximální síla při porušení zkušebního tělesa [N];
- Ac
- plocha průřezu zkušebního tělesa směsi stmelené hydraulickým pojivem [mm2].
Obr. 8 – Příklady uspokojivého porušení zkušebního tělesaEnvironmentální hodnocení stabilizátů
Vzhledem k legislativním změnám, které se odehrály v průběhu uplynulého období, producenti vedlejší energetických produktů, kteří chtěli tyto produkty zaregistrovat jako chemickou látku se známými vlastnostmi z důvodu možnosti jejich dalšího využití a tudíž vyjmutí těchto látek z režimu odpadu, nechali provést otestování a následnou registraci vedlejších energetických produktů podle Nařízení (ES) č. 1907/2006 (dále jen REACH) [5].
| Ukazatel | Nejvyšší přípustné množství [mg/l] |
|---|---|
| Ag | 0,1 |
| As | 0,1 |
| Ba | 1,0 |
| Be | 0,005 |
| Pb | 0,1 |
| Cd | 0,005 |
| Cr celkový | 0,1 |
| Co | 0,1 |
| Cu | 1,0 |
| Ni | 0,1 |
| Hg | 0,005 |
| Se | 0,05 |
| V | 0,2 |
| Zn | 3,0 |
| Sn | 1,0 |
Z testování, které bylo provedeno podle daných metodik OECD na živých drobných organismech a obratlovcích, bylo prokázáno, že vedlejší energetické produkty, registrované jako chemické látky, nemají žádné nebezpečné vlastnosti.
Pro zajímavost uvádíme, že úletový a ložový popílek z fluidního spalování uhlí je zaregistrován jako chemická látka FBC Ash.
V případě užití stabilizátů do staveb pozemních komunikací, které jsou složeny z popelů a popílků, se na tyto materiály nahlíží ve smyslu TP 93, kde je jasně uvedeno, že ekologická vhodnost tohoto materiálu se posuzuje podle chemických vlastností výluhu, podle REACH a podle mezní hodnoty hmotnostní aktivity Ra226, přičemž se obsah škodlivin v sušině a ekotoxicita u popílkových stabilizátů neposuzuje.
Co se týče chemických vlastností výluhu, který je připraven dle ČSN EN 12457/1-4, jsou v tabulce 1 uvedeny mezní hodnoty vyluhovatelných látek [3], [8]:
Mezní hodnota hmotnostní aktivity Ra226 nesmí podle vyhlášky 499/2005 Sb. překročit hodnotu 1 000 Bq/kg a směrná hodnota obsahu přírodních radionuklidů vyjádřená jako index hmotnostní aktivity I musí být ≤ 2,0 [6].
| Ukazatel | Jednotka |
|---|---|
| Hodnota pH | – |
| Vodivost | mS/m |
| Al | μg/l |
| As | |
| B | |
| Ba | |
| Cd | |
| Co | |
| Cr | |
| Cu | |
| Hg | |
| Mo | |
| Ni | |
| Pb | |
| Sb | |
| Se | |
| Sn | |
| V | |
| Zn | |
| DOC (rozpuštěný organický uhlík) | mg/l |
Pokud jsou stabilizáty využívány mimo stavby pozemních komunikací pro zásypy a násypy do území postižených antropogenní činností (území, na kterém jsou obsahy sledovaných kontaminantů v důsledku dřívější nebo aktuální lidské činnosti oproti přírodnímu prostředí zvýšené), pak se v tomto případě na vedlejší energetické produkty, tudíž i na popely a popílky, ze kterých se stabilizáty skládají, nahlíží z ekologického hlediska jako na materiály, u kterých je také třeba registrace REACH [4], [5]. Na výsledném stabilizátu je pak ještě proveden výluh (viz tabulka 2), který je uveden v technických podmínkách Optimalizovaný postup při posuzování shody výrobků (dále jen TP – optimalizovaný postup), zkouška inhibičního účinku na světelnou emisi Vibrio fischeri a zkouška hmotnostní aktivity Ra226 [4], [6].
Přesné limitní hodnoty výluhu jsou stanoveny osobou způsobilou v oboru geologie a hydrogeologie, která po prozkoumání a monitoringu zamýšleného místa uložení vydá na základě shromážděných potřebných podkladů hydrogeologický posudek právě na onu konkrétní lokalitu. Tímto je ke každému místu, do kterého bude trvale zabudován výrobek složený z popelovin, přistupováno individuálně, a na základě zhodnocení lokality je tím posouzeno, zda konkrétní výrobek nemůže v daném místě svými vlastnostmi ublížit pozadí životního prostředí.
Pro ověření ekotoxicity výrobku, který byl vyroben z chemické látky dle nařízení REACH, je doporučeno provádět stanovení inhibičního účinku na světelnou emisi Vibrio fischeri (zkouška s luminiscenčními bakteriemi) podle normy ČSN EN ISO 11348-2 [5], [9].
Mezní hodnoty hmotnostní aktivity Ra226 a indexu hmotnostní aktivity jsou totožné s užitím stabilizátu do staveb pozemních komunikací.
Konkrétní případ z praxe
Pro uvedené zkoušky byl namíchán stabilizát, který byl složen z fluidního úletového popílku, ložového popela a říční vody upravené neutralizací čiřením a koncovou pískovou filtrací, která tímto vyhovovala požadavkům normy ČSN EN 1008, Záměsová voda do betonu [10].
| Vstupní složka | hm. [%] |
|---|---|
| Fluidní úletový popílek | 54 |
| Fluidní ložový popel | 22 |
| Záměsová voda | 24 |
Hmotnostní zastoupení jednotlivých složek zkoušeného stabilizátu bylo zvoleno náhodně s ohledem k zažité praxi.
Po namíchání směsi a výrobě zkušebních těles dle ČSN EN 13286-53 byl stabilizát ponechán v požadovaných normových podmínkách ke zrání [2].
Po této době byly na 3 vyzrálých tělesech provedeny pevnostní zkoušky dle ČSN EN 13286-41. Výsledky zkoušení jsou uvedeny níže v tabulce 4 [1].
| Vzorek č. | Hmotnost válce – tělesa [g] | Výška válce – tělesa [mm] | Průměr válce – tělesa [mm] | Max. zatížení [kN] | Způsob porušení | Výsledná pevnost v tlaku [MPa] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 975 | 110,2 | 101,4 | 7,4 | uspokojivý | 0,9 |
| 2 | 1 190 | 110,9 | 100,8 | 9,2 | uspokojivý | 1,2 |
| 3 | 1 025 | 111,0 | 100,9 | 9,3 | uspokojivý | 1,2 |
Válečky stabilizátu byly před pevnostními zkouškami celistvé, hladké, bez viditelných trhlinek. Dle výsledků je patrné, že zkoušený materiál vykazuje vskutku zajímavou pevnost v tlaku, což je dáno právě vhodně zvolenou recepturou vstupních materiálů.
| Ukazatel | Zjištěná hodnota [mg/l] | Nejvyšší přípustné množství [mg/l] | Vyhodnocení |
|---|---|---|---|
| As | < 0,0058 | 0,1 | Vyhovuje |
| Ba | < 0,0006 | 1,0 | Vyhovuje |
| Be | 0,004 | 0,005 | Vyhovuje |
| Pb | 0,0010 | 0,1 | Vyhovuje |
| Cd | < 0,0009 | 0,005 | Vyhovuje |
| Cr celkový | 0,0786 | 0,1 | Vyhovuje |
| Co | < 0,0009 | 0,1 | Vyhovuje |
| Cu | < 0,0012 | 1,0 | Vyhovuje |
| Ni | 0,000 5 | 0,1 | Vyhovuje |
| Hg | < 0,0049 | 0,005 | Vyhovuje |
| Se | < 0,0060 | 0,05 | Vyhovuje |
| Ag | < 0,0017 | 0,1 | Vyhovuje |
| V | 0,0862 | 0,2 | Vyhovuje |
| Zn | < 0,0020 | 3,0 | Vyhovuje |
| Sn | < 0,010 | 1,0 | Vyhovuje |
Výluh pro zkoušky dle TP 93 je připraven loužením vzorku s vodou v poměru 1 : 10 podle normy ČSN EN 12457/1-4 [3], [8].
Jak ukazuje tabulka 5, jsou vlivem stabilizace popelů zjištěné hodnoty vyloužených prvků relativně dosti nízké a pro stavbu pozemních komunikací vyhovující.
V případě užití prezentovaného stabilizátu do staveb mimo pozemní komunikace pro zásypy a násypy do území postižených antropogenní činností byl na tomto materiálu proveden výluh v rozsahu prvků uvedených v TP – optimalizovaný postup, resp. byly provedeny navíc zkoušky prvků Al, B, Mo, Sb, hodnoty pH, vodivosti a DOC [4].
| Ukazatel | Jednotka | Zjištěná hodnota | Limitní hodnoty | Vyhodnocení |
|---|---|---|---|---|
| Hodnota pH | − | 8,8 | 6–9 | Vyhovuje |
| Vodivost | mS/m | 101 | 125 | Vyhovuje |
| Al | μg/l | 187 | 200 | Vyhovuje |
| B | 790 | 300 | * Vyhovuje s podmínkou | |
| Mo | 105 | 5 | * Vyhovuje s podmínkou | |
| Sb | 2,53 | 5 | Vyhovuje | |
| DOC (rozpuštěný organický uhlík) | mg/l | < 3,0 | 10 | Vyhovuje |
| * U antropogenně ovlivněných lokalit mohou být limitní hodnoty sledovaných parametrů překročeny v případě, že jejich zvýšení odpovídá podmínkám geologické a hydrogeologické charakteristiky místa a jeho okolí. | ||||
Pro zkoušky inhibičního účinku na světelnou emisi Vibrio fischeri dle zkušební normy ČSN EN ISO 11348-2 bylo pH upraveno v rozmezí 6–8. Výsledkem této ekotoxicity bylo stanovení: negativní, jelikož byla zjištěna inhibice bioluminiscence menší než 10 % [9].
Aby mohl být na vzorku změřen obsah přírodního radionuklidu Ra226, bylo nutné vzorek nadrtit, vzorek se vsypal do standardní Marinelliho nádoby a měření probíhalo po ustálení radioaktivní rovnováhy.
Výsledky obsahu hmotnostní aktivity Ra226 a indexu hmotnostní aktivity jsou znázorněny v tabulce 7 [6].
| Přírodní radionuklid | Naměřená hmotnostní aktivita [Bq/kg] | Index hmotnostní aktivity |
|---|---|---|
| Ra226 | 30 ± 4 | 0,40 ± 0,07 |
Výsledkem je, že hodnota hmotnostní aktivity vzorku nepřekračuje mezní hodnotu 1 000 Bq/kg a ani index hmotnostní aktivity nepřekračuje směrnou hodnotu 2 stanovenou vyhláškou 499/2005 Sb [6].
Závěr
Použití stabilizátů ve stavebnictví je velmi přínosné právě díky tomu, že je možné při jeho výrobě využití druhotných surovin. Díky vhodně zvolené receptuře dosahují stabilizáty složené z fluidních popílků a popelů, event. dalších komponent, velmi příznivých vlastností a jejich využití ve stavebnictví je skutečně široké. Jaké bude mít konečný stabilizát vlastnosti, závisí též na chemickém složení vstupních surovin.
Dle výsledků, které mají sloužit k demonstraci vlastností stabilizátů složených z fluidních popelů a popílků, bylo dokázáno, že lze tyto materiály užít konkrétně pro zásypy a násypy do staveb pozemních komunikací a pro zásypy a násypy mimo stavby pozemních komunikací do území postižených antropogenní činností. Je jenom třeba na základě podkladů (projektu, znalosti lokality) zvážit vhodnost zabudování toho daného materiálu se specifickými vlastnostmi do konkrétního místa/stavby.
Literatura
- ČSN EN 13286-41. Nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy – Část 41: Zkušební metoda pro stanovení pevnosti v tlaku směsí stmelených hydraulickými pojivy.
- ČSN EN 13286-53. Nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy – Část 53: Metody pro výrobu zkušebních těles pomocí osového tlaku.
- TP 93 (Technické podmínky) Návrh a provádění staveb pozemních komunikací s využitím popílků a popelů, ARCADIS – Geotechnika, a. s., 2011 (Schváleno MD).
- Optimalizovaný postup při posuzování shody výrobků, které jsou cíleně používány pro sanaci a tvarování terénu pro budoucí rekultivaci území postižených antropogenní činností ve formě podkladu pro zpracování Technického návodu pro činnost autorizovaných osob při posuzování shody stavebních výrobků podle NV č. 163/2002 Sb., ve znění NV č. 312/2005 Sb. č. TN 09.12, Asociace pro využití energetických produktů, červen 2012.
- Nařízení Evropského Parlamentu a Rady (ES) č. 1907/2006, o registraci, hodnocení, povolování a omezování chemických látek a o zřízení Evropské agentury pro chemické látky.
- Vyhláška 499/2005 Sb., kterou se mění vyhláška Státního úřadu pro jadernou bezpečnost č. 307/2002 Sb., o radiační ochraně.
- silotransport.cz
- ČSN EN 12457/1-4. Charakterizace odpadů – Vyluhování – Ověřovací zkouška vyluhovatelnosti zrnitých odpadů a kalů.
- ČSN EN ISO 11348-2. Jakost vod – Stanovení inhibičního účinku vzorků vod na světelnou emisi Vibrio fischeri (Zkouška na luminiscenčních bakteriích) – Část 2: Metoda se sušenými bakteriemi.
- ČSN EN 1008. Záměsová voda do betonu – Specifikace pro odběr vzorků, zkoušení a posouzení vhodnosti vody, včetně vody získané při recyklaci v betonárně, jako záměsové vody do betonu.
- ČSN EN 933-2. Zkoušení geometrických vlastností kameniva – Část 2: Stanovení zrnitosti – Zkušební síta, jmenovité velikosti otvorů.
A hydraulically bound cement mixture is a mixture that hardens as a result of hydraulic pozzolanic or carbonate reactions. Such a mixture with a well selected formula can as a result of hydration processes after being mixed with water achieve interesting properties, particularly solidness in pressure. Currently, fluid ashes and ashes are most often used for the production of such cement mixtures (stabilisers). The difference between them is in granulometry, which is obvious at first glance. These fluid ashes and ashes are so-called energy by-products – solid remains left over from burning coal. They contain among other things a high concentration of lime, which enables this stabiliser after being mixed with water to have major hydration effects, and after hardening it has properties that could be compared to those of simple concrete.