Technologie využití vykopaných zemin ve ztekucené formě s přídavkem popílků

1. Úvod

Při realizaci inženýrských sítí se vyprodukuje velké množství zemin různého složení či frakce. Tyto zeminy ve většině případů nesplňují požadavky pro jejich zpětné použití. Především se jedná o zeminy citlivé na ztekucení, měkké, plastické, degradované zeminy a zeminy obsahující vyšší množství organických látek a vlhkosti. Tyto zeminy pak často končí na skládkách. Podle nynější vyhlášky č. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu [1] a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady [2], lze na povrchu terénu ze stavebních odpadů využívat pouze vytěžené zeminy a hlušiny, ze kterých byly odstraněny nebezpečné složky.

V běžné praxi se úprava nevhodných zeminy provádí stabilizací za použití hydraulických pojiv, jejichž druh se volí v souvislosti s typem zeminy. Stabilizované zeminy vykazují obecně lepší vlastnosti, jako je pevnost a snížení vlhkosti [3]. Jako účinné stabilizační činidlo se jeví použití popílku. Příměs popílku k zemině může ovlivňovat jak reologické vlastnosti, tak pevnost. Částečná náhrada zeminy popílkem zároveň vede ke snížení ekonomického hlediska.

Z hlediska postupu prací je v první fázi potřeba na vykopané zemině provést zkoušky pro zjištění jejích vlastností. Důležité je především znát křivku zrnitosti, chemické a mineralogické složení zeminy. Na základě těchto parametrů se navrhuje použití vhodného druhu a množství pojiv, které by měly zajistit nárůst pevnosti. Z vlastností zeminy zároveň můžeme předběžně určit druh použití vhodné ztekucující či plastifikační přísady. Druh a množství přísad, které se k zemině přidávají, je vždy nutné laboratorně ověřit. Ztekucující a plastifikační přísady budou předmětem dalšího výzkumu úpravy zemin, ze které by vznikl tekutý kompozit, který by svými vlastnostmi nahrazoval pískový obsyp. Takto upravená zemina by se dala zužitkovat efektivněji a použít zpět v procesu výstavby inženýrských sítí.

Předpokládané výhody stabilizovaných a ztekucených zemin na bázi samozhutnitelných zálivek je např. nižší ekonomická náročnost, využití alternativních surovin a spotřeba druhotné suroviny ve formě vykopané zeminy, se kterou by se za jiných okolností zacházelo jako s odpadem.

2. Úprava zemin

Úpravu zemin lze obecně rozdělit do dvou kategorií, kterými je mechanická stabilizace (dosažena změnou fyzikálních vlastností půdních částic, např. vibrací, hutněním, přibíjením atd., viz Obrázek 1.) a chemická stabilizace (dosažena chemickou reakcí mezi stabilizátorem/pojivem a minerálními látkami v zemině, viz Obrázek 2.). Následující část příspěvku se zabývá chemickou úpravou zemin, z nichž nejznámější je stabilizace.

Stabilizace zemin slouží např. pro zlepšování zpracovatelnosti, zhutnitelnosti a pevnosti zeminy. Dalším efektem stabilizace může být snížení vlhkosti zeminy, zvýšení modulu únosnosti (CBR_sat), zvýšení modulu přetvárnosti (E_def,2), snížení indexu plasticity (I_p) a snížení namrzavosti (β).

Obrázek 1.: Mechanické zhutnění zeminy [4]

Obrázek 2.: Stabilizace zemin [5]

2.1 Stabilizace zemin

Přidáním příměsí k zeminám bývá často dosaženo zlepšení mnoha technických vlastností. Přesto ovšem vlastnosti ošetřených zemin závisí na charakteru zeminy, druhu použitého pojiva, délce vytvrzování a na způsobu a kvalitě stavby. Pro stabilizaci jílovitých zemin se nejčastěji používá vápno. Při této úpravě dochází k dlouhodobým změnám vlastností zeminy. Tato změna spočívá v kationtové výměně, kdy volné ionty vápníků (Ca²⁺) nahrazují v krystalové struktuře jílu ionty sodíku (Na⁺) a draslíku (K⁺). Při tomto procesu dochází k přeměně z vrstevnaté struktury na strukturu zrnitou. [6] Přidáním vápna k zemině dochází ke zlepšení zpracovatelnosti, ale většinou ne ke zvýšení pevnosti. Vápno má zásadní vliv na množství vody v zemině, viskozitu a stabilizaci zemin. [7]

Protože vápno reaguje pouze s jílovými minerály na chemické úrovni, není vhodné pro použití s písčitými zeminami. [8] U písčitých zemin se jako vhodnější stabilizační činidlo jeví použití cementu. Hlavním cílem stabilizace zemin pomocí cementu je zpevnění strukturních vazeb, které vzniknou mezi zeminou a cementem. [6] Zeminy stabilizované cementem tak mají vyšší pevnost. [7] V závislosti na druhu zeminy se volí obsah cementu, který se pohybuje v rozmezí 2 % až 15 % (z hmot. zeminy).

Jako další druh stabilizačního činidla lze uvést fluidní popílek. Jedná se o jemný prášek, který se skládá z jemných částic a má pucolánové vlastnosti. Na základě vlastností popílku jej můžeme při stabilizaci použít pro zlepšení fyzikálně-mechanických vlastností.

Zároveň stabilizace zemin popílkem musí splňovat povinné, předepsané technologické postupy přípravy a použití. Za zásadní výhodu technologie stabilizace popílkem lze považovat jeho využití, jakožto druhotného odpadního materiálu. Stabilizace zemin popílkem funguje především díky vyššímu obsahu CaO ve fluidním popílku, který se zeminou reaguje podobně jako při použití vápna. [9]

2.2 Ztekucení zemin

Obrázek 3.: Ztekucená zemina [11]

Další možnost úpravy zemin je jejich ztekucení (Obrázek 3.). Jedná se o nový druh technologie úpravy zemin, který v nynější praxi není zcela znám. V ČR se jedná o dosud zcela nepoužívanou metodu a v zahraničí je tato technologie popsána a realizována pouze výjimečně. Především v Německu, Švýcarsku, Francii, Itálii, Velké Británii, USA a Japonsku můžeme najít zmínky o technologii ztekucení zemin, ovšem konkrétní údaje popisu a realizace této technologie jsou zcela výjimečné. Obecně lze říci, že principy technologie ztekucení zemin jsou velmi podobné a vždy obsahují složky, jako jsou stabilizátory, ztekucovadla, případně další přísady. [10] Konkrétní typy přísad však nejsou specifikovány a technologie jsou pro využití v ČR nebo v Evropě prakticky nedostupné. V rámci příspěvku je dále uvedeno ztekucení zemin pomocí vody a popílku.

3. Materiál a prováděné zkoušky

Před procesem úpravy zemin je důležité si nejprve zjistit proveditelnost úpravy v daném místě z geotechnického hlediska. Z tohoto důvodu se před zahájením procesu návrhu provádí průzkum lokality. Cílem průzkumu je seznámit se s vlastnostmi podloží, kde budou práce realizovány. Nynější praxe se zabývá úpravami technických vlastností zemin tak, aby splňovaly specifikace návrhu. To, jakým způsobem se zemina ošetří, částečně specifikuje, o jaký druh úpravy se jedná.

3.1 Zeminy

Pro experimentální část byl použit písčitý jíl (SaCl) z oblasti Brno, Medlánky. Jedná se o jíl se střední plasticitou F6 = Cl. Zatřídění zeminy bylo provedeno na základě laboratorních zkoušek (mez tekutosti, mez plasticity, index plasticity, konzistence) dle ČSN EN ISO 14688-1 [12] a ČSN EN ISO 14688-2 [13]. Výsledky laboratorních testů jsou uvedeny v Tabulce 1.

Vzhledem k výsledkům zkoušek bylo zjištěno, že bude třeba zeminu upravit. Úprava zemin byla provedena pomocí cementu a popílku.

3.2. Stabilizační činidla

Pro určení druhu stabilizačního činidla a zlepšení kvality zemin je důležité brát v úvahu především vlhkost zeminy a index plasticity. Z těchto parametrů je možné určit optimální množství pojiv. Podle [8] je vhodné použít:

• vápno (3–9 %), pokud I_P > 10 a obsah jílovitých částic f > 10 %,
• cement (3–10 %), pokud I_P ≤ 10 a f < 20 %,
• kombinace vápno, cement (3–10 %), pokud 10 < I_P < 20 a f < 10 %.

Na základě těchto parametrů byl použit portlandský cement CEM I 42,5 R od společnosti Českomoravský cement, a.s. z Mokré v množství 4 %. Vápno pro návrh směsi nebylo použito, protože se předpokládal určitý obsah vápna v použitém popílku. Cement i popílek ochotně reagovaly s použitým druhem zeminy.

V rámci experimentu byla, jako částečná náhrada zeminy, použit popílek (dále jen FBC – Fluidized bed combustion) z vybrané elektrárny s fluidním způsobem spalování. Popílek byl použit v množství 30 % a 60 % (z hmot. zeminy). Na základě dřívějších zkušeností s chováním vápna (zlepšení reologických vlastností, snížení potřebného množství vody pro stanovení konzistence), byly provedeny i zkoušky, kdy byl popílek přidáván k zemině 24 hodin předem. V případě přídavku popílku 24 hodin předem nedošlo ke zlepšení vlastností směsí, proto nejsou výsledky těchto zkoušek dále uváděny. Chemické složení popílku je uvedeno v Tabulce 2. Množství volného CaO v popílku bylo obsaženo v hodnotě 1,64 %.

3.3 Prováděné zkoušky

Na směsích se prováděla řada zkoušek, jak v čerstvém, tak v zatvrdlém stavu.

V rámci příspěvku je dále pojednáno o sledování vlivu popílku a cementu na stabilizaci zemin, stanovení množství záměsové vody pro určení konzistence a stanovení pevnosti v tlaku. Konzistence směsi byla zkoušena pomocí Abrams kužele (viz Obrázek 4.) dle ČSN EN 12350-8 [14]. Podle zkoušky se připraví kužel, podkladní deska a objímka. Kužel se postaví na podkladní desku, přesně na kruh o průměru 200 mm, naplní se směsí a přebytek se odstraní pomocí stěrky. Následně se kužel plynulým pohybem zvedne a změří se průměr rozlitého koláče ve dvou na sebe kolmých směrech. Po stanovení průměru rozlití se směs zařadí do třídy SF1 = 550–650 mm, SF2 = 660–750 mm a SF3 = 760–850 mm. Míchání směsí bylo provedeno stavebním míchadlem.

Další zkouška, která se na vzorcích prováděla, bylo stanovení pevnosti v tlaku (Obrázek 5.). Zkouška se prováděla podle normy ČSN EN 12390-3 [15] na zkušebních tělesech o rozměru 100 × 100 × 100 mm. Zkoušky pevnosti v tlaku byly prováděny po 7 dnech zrání vzorků.

Obrázek 4.: ČSN EN 12350-8 Zkouška sednutí-rozlitím

Obrázek 5.: ČSN EN 12390-3 Pevnost v tlaku zkušebních těles

Výsledky zkoušek jsou uvedeny na Obrázku 6. a Obrázku 7.

Obrázek 6.: Výsledky zkoušky rozlití směsí

Z výsledků hodnot zkoušky rozlití lze vidět (Obrázek 6.), že příměs fluidního popílku k zemině ovlivňovala reologické vlastnosti směsi. Příměs fluidního popílku v množství 30 % (z hmot. zeminy) výrazně zvyšovala hodnotu rozlití směsi na 790 mm (SF3), ve srovnání s referenční zeminou (675 mm, SF2). Přídavek fluidního popílku v množství 60 % naopak hodnotu rozlití snižoval (650 mm, SF1). Tento jev byl ovlivněn přítomností CaO v popílku, který okamžitě reagoval s přidanou vodu. Obecně lze konstatovat, že přídavkem popílku ke směsi došlo ke zlepšení reologických vlastností a k stabilizaci směsi. U směsí, ve kterých byl přítomný popílek, byla zároveň snížena dekantace (odstoj vody). Z těchto výsledků lze usuzovat, že popílek ve směsi působil jako účinný stabilizátor.

Jistou funkci, při hodnocení reologických vlastností směsi, zároveň sehrál cement. Cement ochotně reagoval s písčitým jílem. V čerstvém stavu se cement projevoval jako účinný stabilizátor zeminy, zejména tím, že snižoval sedimentaci částic při míchání směsi. Z Obrázku 6. můžeme vidět, že přítomnost cementu mohla snižovat hodnotu rozlití (zemina + 30 % FBC + 4 % CEM = 685 mm, SF2, zemina + 60 % FBC + 4 % CEM = 690 mm, SF2), protože při smíchání vody s cementem, popílkem a písčitým jílem okamžitě došlo k hydrataci. Ovšem v případě navržených směsí měl na hodnotu rozlití spíše vliv popílek než cement. Cement spolu se zeminou reagoval za vzniku hydratačních produktů (rozpustných gelů), které postupem času krystalovaly a vytvářely propletenou mřížku, což se projevilo i na výsledných pevnostech vzorků.

Obrázek 7.: Výsledky zkoušky pevnosti v tlaku směsí

Při hodnocení pevnosti v tlaku můžeme z Obrázku 7. vidět, že s přibývajícím množstvím popílku, docházelo ke snižování pevnosti v tlaku. Příměs 30 % fluidního popílku k zemině vedla ke snížení hodnoty pevnosti v tlaku na 0,1 MPa, ve srovnání s referenčním vzorkem, který měl hodnotu pevnosti v tlaku 0,4 MPa. Při přídavku 60 % fluidního popílku k zemině byla pevnost v tlaku 0,2 MPa. Snížení pevnosti v tlaku s přibývajícím množstvím popílku bylo ovlivněno množstvím volného vápna v popílku, náhradou zeminy popílkem, která má větší pevnost a vznikem slabších hydratačních produktů. S přibývajícím množstvím popílku k zemině (Zem. + 60 % FBC), jak lze vidět na Obrázku 7., se pevnosti v tlaku mírně zvýšily. Zvýšení množství CaO obsaženého v popílku tak hodnoty pevnosti v tlaku mírně zvyšovalo, ovšem tento jev nebyl příliš výrazný. Ve srovnání referenčního vzorku se směsí složenou ze zeminy, 30 % FBC a 4 % CEM bylo znatelné značné zvýšení hodnoty pevnosti v tlaku (1,1 MPa). Zvýšení hodnot pevnosti v tlaku bylo ovlivněno především přítomností cementu. Tento jev se projevil i u směsi složené ze zeminy, 60 % FBC a 4 % CEM. U této směsi byla hodnota pevnosti v tlaku 1,0 MPa. Pro dosažení vyšších hodnot pevnosti v tlaku je možné použití vyššího množství vápna nebo cementu.

4. Závěr

Předmětem výzkumu bylo navrhnout a ověřit ztekucení zemin umožňující jejich zpětné použití ve stabilní a tekuté formě s použitím popílku. Na základě laboratorního měření bylo zjištěno, že vhodnou úpravou je možné zeminy ošetřit tak, aby bylo možné jejich zpětné použití. Zeminy vykopané v čerstvém stavu obsahují určitou vlhkost, mohou obsahovat určité nežádoucí složky či mají rozdílnou granulometrii. Všechny tyto a spousta dalších důvodů zapříčiňují nemožnost zpětného použití zeminy v konstrukci ve stavu, v jakém byla vykopána. Proto, aby tyto zeminy nekončily na skládkách a bylo možné jejich další použití, je nutné je ošetřit. Zeminy lze ošetřovat různými způsoby, z nichž nejúčinnější je jejich stabilizace. V rámci příspěvku jsme se kromě stabilizace zabývali i ztekucením zemin, které může být dosaženo pomocí popílku.

U směsi se nejprve hodnotily reologické vlastnosti směsi, na základě kterých byly zjištěny následující poznatky. Příměs fluidního popílku v množství 30 % (z hmot. zeminy) výrazně zvyšovala hodnotu rozlití směsi na 790 mm (SF3). Vyšší množství popílku naopak hodnotu rozlití snižovalo. Tento jev byl ovlivněn přítomností CaO v popílku, který okamžitě reagoval s přidanou vodou. Obecně lze konstatovat, že přídavkem popílku ke směsi došlo ke zlepšení reologických vlastností a k stabilizaci směsi. U směsí, ve kterých byl přítomný popílek, byla zároveň snížena dekantace (odstoj vody). Z těchto výsledků lze usuzovat, že popílek ve směsi působil jako účinný stabilizátor. Při srovnání hodnoty rozlití směsí, kde nebyl a kde byl přítomný cement, můžeme konstatovat, že na hodnotu rozlití měl spíše vliv popílek než cement. Pro stabilizaci zeminy SaCl se jako účinné stabilizační činidlo tedy jevilo použití fluidního popílku v množství do 30 % a použití cementu v množství 4 %. Z ekonomického hlediska, lze také konstatovat, že částečná náhrada zeminy popílkem vede ke snížení celkových nákladů při návrhu směsi.

Při hodnocení pevnosti v tlaku můžeme říci, že s přibývajícím množstvím fluidního popílku ve směsi, docházelo ke snižování pevnosti v tlaku. Příměs 30 % fluidního popílku k zemině vedl ke snížení hodnoty pevnosti v tlaku na 0,1 MPa, ve srovnání s referenčním vzorkem, který měl hodnotu pevnosti v tlaku 0,4 MPa. S dalším přídavkem popílku, na hodnotu 60 % (z hmot. zeminy), byla pevnost v tlaku 0,2 MPa. Přítomnost CaO ve fluidním popílku mohla hodnoty pevnosti v tlaku směsí mírně zvyšovat, ovšem tento jev nebyl až tak znatelný. Výrazný vliv na zvýšení hodnoty pevnosti v tlaku měl cement. Cement spolu se zeminou reagoval velice ochotně za vzniku hydratačních produktů (rozpustných gelů), které postupem času krystalovaly a vytvářely propletenou mřížku, což se projevilo i na výsledných pevnostech vzorků. Jejich hodnotu je však vhodné udržovat blíže pevnostem uložené zeminy (přibližně 0,2–0,5 MPa) a tak je zde prostor pro snížení podílu cementu ve směsi.

Vzhledem k dosavadnímu šetření úpravy zemin ve ztekucené formě je snahou pokračovat v dalším výzkumu, který by se zaměřil nejen na optimalizace pojivových složek, ale také na možnost použití ztekucujících, plastifikačních, či jiných dalších přísad, které by zlepšovaly požadované vlastnosti směsi.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“ a v rámci specifického výzkumu r. č. FAST-J-17-4744, i. č. 4744 "Vývoj nové technologie zpětného využití zemin ve formě samozhutnitelných zálivek ".

Literatura

1. Vyhláška č. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu.
2. Vyhláška č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady.
3. HEBIB, S.; FARRELL, E. R.: Some Experiences of Stabilizing Irish Organic Soils. Proceeding of Dry Mix Methods for Deep Soil Stabilization, 1999, str. 81–84. Stockholm: Balkema.
4. ŠIMŮNEK, M.: Mechanizované zemní práce: Akce Kanalizace – Staré Hrady 2014. Staré Hrady: © L. Sluka, 2014 [cit. 2017-04-11]. Dostupné z: http://www.trosky.cz/simunek-zemni-prace/.
5. Soil Stabilization: West-Can Seal Coating Inc. WCS: WEST-CAN Seal Coating Inc. [online]. Didsbury, Alberta: © 2017 West-Can Seal Coating Inc. All Rights Reserved, 2017 [cit. 2017-04-11]. Dostupné z:
   http://www.west-cansealcoating.com/services/soil-stabilization/.
6. KRESTA, F.: Technické podmínky staveb pozemních komunikací TP 94, Úprava zemin. Ministerstvo dopravy, Odbor silniční infrastruktury, ARCADIS Geotechnika a.s. 2009.
7. SHERWOOD, P.: Soil stabilization with cement and lime. State of the Art Review. London: Transport Research Laboratory, 1993, HMSO.
8. BELL, F. G.: Ground Engineer´s Reference Book. Butterworths, London, 1987, ss. 38/1–17.
9. TP 93 – Návrh a provádění staveb pozemních komunikací s využitím popílků a popelů. Ministerstvo dopravy, Odbor silniční infrastruktury. Praha: ARCADIS Geotechnika, a.s., 2011.
10. Liquid soil – A Technical challenge – UNITRACC – Underground Infrastructure Training and Competence Center. Liquid Soil – A Technical Challenge [online]. Wiehl, Germany: © 2016 Knowledge Factory GmbH, a subsidiary of Prof. Dr. Ing. Stein & Partner GmbH, 2016 [cit. 2017-04-11]. Dostupné z:
    http://www.unitracc.com/aktuelles/artikel/liquid-soil--a-technical-challenge-en.
11. RSS: Flüssigboden für mehr Wirtschaftlichkeit im Kanalbau. Lhoist [online]. Wülfrath: Copyright Lhoist, 2017 [cit. 2017-04-11]. Dostupné z:
    http://www.newsletter-lhoist.de/index.php?id=3&no_cache=1&tx_ttnews%5Btt_news%5D=76&cHash=191be28ceea919f595052fc0cc23d29e.
12. ČSN EN ISO 14688-1 Geotechnický průzkum a zkoušení – Pojmenování a zatřiďování zemin – Část 1: Pojmenování a popis.
13. ČSN EN ISO 14688-2 Geotechnický průzkum a zkoušení – Pojmenování a zatřiďování zemin – Část 2: Zásady pro zatřiďování.
14. ČSN EN 12350-8 (731301) Zkoušení čerstvého betonu – Část 8: Samozhutnitelný beton – Zkouška sednutí-rozlitím.
15. ČSN EN 12390-3 (731302) Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles.