Vedlejší produkty hutní výroby v zemním t ělese … · ČSN EN 13383-1 Kámen pro vodní stavby Část 2 – Zkušební metody 1.6.2004 dosud kamenivo z vysokopecní strusky,

Vedlejší produkty hutní Vedlejší produkty hutní výroby v zemním t ělese výroby v zemním t ělese pozemních komunikacípozemních komunikací

© 2009 ARCADIS23. duben 20121 of 44

Seminář “Fámy a fakta o dálnici D47“, Praha, 24.4.2012

Imagine the result

Ing. Vítězslav HerleRNDr. František Kresta, Ph.D.

Obsah1) Úvod a terminologie

2) Předpisová základna

3) Požadavky na uložení vedlejších produkt ů hutní výroby v zemním t ělese pozemních komunikací (je certifikace nutná?)


4) Rizikové faktory p ři používání vedlejších produkt ů z hutní výroby

5) Vlastnosti studeného odvalu

6) Závěry

1. Úvod a terminologie


Druhotné materiály nejčastěji používané v zemním tělese PK

• Elektrárenské popílky, elektrárenská struska, stabilizáty

• Lomové výsivky a skrývka


• Lomové výsivky a skrývka

• Důlní hlušina, odvaly, výsypky

• Stavební demoliční odpad

• Produkty hutní výroby (strusky, studený odval) • Produkty chemické výroby (např. z titanové běloby)

• Další (např. slisované použité pneumatiky, popel ze spalování komunálního odpadu)

Terminologie

Vedlejší produkty hutní výroby používané p ři výstavb ě pozemních komunikací

-vysokopecní struska – vzniká při výrobě surového železa ve vysokých pecích

-ocelá řská struska – vzniká při výrobě oceli a podle způsobu výroby se dělí na


výroby se dělí na- ocelá řská struska BOF (zásaditá ocelářská struska) -většina starších ocelářských strusek ze Siemens –Martinských pecí)ocelá řská struska LD – ocelářská struska z konvertorových pecíocelá řská struska EAF – ocelářská struska z elektrických pecí

Druhotné suroviny z hutní výroby:

Vysokopecní struska - využívána od 50.let 20.století při výrobě struskoportlandského cementu a kameniva do asfaltu, kameniva do betonu, podkladní konstrukční vrstvy, zemní těleso). Vysoce ceněná.

V České republice použití především na Ostravsku (hutní závody).


závody).

Zásoby vysokopecní strusky klesají a producenti se snaží uplatnit nejen strusku vysokopecní, ale i další produkty z hutní výroby (ocelářská struska, studený odval apod.).

Vysokopecní struska • silnice I/11 Mosty u Jablunkova – obchvat – vrstevnaté násypy, • R48 Frýdek-Místek – Dobrá, R48 Dobrá- Tošanovice, • silnice I/56 Ostrava – Prodloužená Místecká

Zdrojem vysokopecní strusky byly odvaly ostravských a třineckých hutí.


odval Hrab ůvka odval TŽ T řinec

Terminologie

Studený odval – hutní su ť - heterogenní směs vedlejších produktů hutní výroby

Definice studeného odvalu:“Sm ěs hutnických strusek, slévárenských písk ů a žáromateriál ů –vyzdívky vysokých pecí, které vznikají p ři výrob ě surového železa a oceli. Ve studeném odvalu je zastoupen zcela podřadně i ostatní materiál – např. dřevo, PVC apod.“


PoznámkaTzv. studený odval se použil pouze v České republice. Analogické produkty se v zahrani čí nepoužívají. - Americké předpisy dokonce zakazují příměs vyzdívek v ocelářské strusce (FHWA RD-97-148: User Guidelines for Waste and Byproduct Materials in Pavement Construction.- U.S. Department of Transport. Federal Highway Administration).- Rovněž francouzské předpisy nezmiňují možnost použití studeného odvalu.- Anglické předpisy použití vyzdívek vysokých pecí s vysokým obsahem Ca a Mg nedovolují.

2.Předpisová základna v České republice


v České republice a v zahraničí

Předpisová základnaPřehled materiálových norem a předpisů pro kamenivo vyrobené z vedlejších produktů hutní výroby platných v České republice

Norma / p ředpis Platnostod

Platnostdo

Poznámka

ČSN 72 1510 Kamenivo pro stavební účely. Názvosloví a klasifikace 1.1.1988 1.6.2004 definice umělého kameniva

ČSN 72 1511 Kamenivo pro stavební účely. Základní ustanovení 1.1.1992 1.6.2004 obecné technické požadavky na zkoušení

ČSN 72 1512 Hutné kamenivo pro stavební účely. Technické požadavky

1.1.1992 1.6.2004 struskové kamenivo bez upřesnění jeho původu

ČSN EN 12620 Kamenivo do betonu 1.6.2004 dosud kamenivo z vysokopecní strusky

ČSN EN 13242 Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní

1.6.2004 1.12.2007 kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky

© 2009 ARCADIS23. duben 201210 of 44

hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní komunikace

ocelářské strusky

ČSN EN 13242+A1 Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní komunikace

1.12.2007 dosud kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky

ČSN EN 13043 Kamenivo pro asfaltové směsi a povrchové vrstvy pozemních komunikací, letištních a jiných dopravních ploch


ČSN EN 13055-1 Pórovité kamenivo – Část 1: Pórovité kamenivo do betonu, malty a injektáží malty

1.6.2004 dosud nespecifikované umělé kamenivo

ČSN EN 13383-1 Kámen pro vodní stavby Část 1 – SpecifikaceČSN EN 13383-1 Kámen pro vodní stavby Část 2 – Zkušební metody


ČSN 73 6133 Návrh a provádění zemního tělesa pozemníchkomunikací

1.6.1998 28.2.2010

vysokopecní struska

ČSN 73 6133 Návrh a provádění zemního tělesa pozemníchkomunikací

28.2.2010

dosud vysokopecní struska

Předpisová základnaPřehled norem a předpisů platných v České republice pro ukládání vedlejších produktů z hutní výroby do zemního tělesa PK

Norma / p ředpis Platnostod

Platnostdo

Poznámka

ČSN 73 6244 Přechody mostů pozemníchkomunikací

06.1999 08.2010 Zásyp za opěrou: popř. jiné materiály, jejichžvhodnost je pro tento účel ověřena

ČSN 73 6244 Přechody mostů pozemníchkomunikací

08.2010 dosud Zásyp za opěrou: popř. jiné materiály, jejichžvhodnost je pro tento účel ověřena (např.recyklované demoliční materiály podle zvláštníhopředpisu

TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací

1.12.2000 1.4.2011 kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky

© 2009 ARCADIS23. duben 201211 of 44

Normy a předpisy obsahují ustanovení týkající se vysokopecní a ocelářské strusky. Tzv. studený odval není v ČSN i EN definován. V novém vydání TP 138 (2011) je studený odval uveden s upozorněním na jeho heterogenitu.

TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komunikací

1.4.2011 dosud kamenivo z vysokopecní strusky, kamenivo z ocelářské strusky, tzv. studený odval

TKP 4 Zemní práce 14.3.2001 1.10.2005 bez konkrétního vyjmenování vedlejších produktůhutní výroby

TKP 4 Zemní práce 1.10.2005 1.1.2010 bez konkrétního vyjmenování vedlejších produktůhutní výroby

TKP 4 Zemní práce 1.1.2010 dosud odkaz na TP 138 Užití struskového kameniva dopozemních komunikací

Předpisová základna – zahrani ční předpisyPředpisová základna v Evrop ě - normy pro kamenivo.

Britské provád ěcí předpisy:

�Design Manual for Roads and Bridges, Vol. 7, Section 1, Chapter 2Provisions for Use of Secondary and Recycled Materi alsPouze popílek a vysokopecní struska�Manual of Contract Documents for Highway Works, Volume 1 Specifications for Highway Works, Series 600 Earthworks

© 2009 ARCADIS23. duben 201212 of 44

Americká norma ASTM D2940 určuje vhodné kamenivo následovně: „Kamenivo, které obsahuje složky náchylné k hydrataci, jako je ocelářská struska, musí být získáváno ze zdrojů odsouhlasených inženýrem na základě buď dostatečně zaznamenaného chování, nebo stáří, nebo úpravou vhodnou k redukci expanzivního potenciálu na dostatečnou úroveň, nebo pokud hodnoty objemových změn nejsou vyšší než 0.50% po sedmi dnech zkoušení podle normy ASTM D4792 (horkovodní lázeň)“.

3. Požadavky na uložení vedlejších produkt ů hutní výroby do zemního

© 2009 ARCADIS23. duben 201213 of 44

výroby do zemního tělesa pozemních komunikací

TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komu nikací

Původní předpis TP 138 (z r. 2000), platný v době realizace stavby D4708.2, zahrnoval pod struskové kamenivo jak vysokopecní, tak ocelá řskou strusku. Čl.5.1.3 předpisu TP 138 z r. 2000 - objemová stálost se po zavedení EN prokazuje�zkouškou obsahu volného vápna v ocelárenské strusce�zkouškou rozpadavosti strusky v autoklávu(Terminologický rozpor s požadavky EN, kdy pro ocelářskou strusku se požaduje zkouška rozpínavosti.)

© 2009 ARCADIS23. duben 201214 of 44

zkouška rozpínavosti.)

Čl. 5.1.6 TP 138 z roku 2000 “ Prokázání obsahu volného vápna a rozpadavosti strusky není požadováno, pokud struska byla uložena na skládce nejmén ě 1 rok a jsou doloženy p řípady ov ěřeného použitíkameniva ze stejného zdroje.“

Toto ustanovení považujeme při současné znalosti dané problematiky za nedostatečné.

TP 138 Užití struskového kameniva do pozemních komu nikací

TP 138 z r. 2011 je uvedeno, že: “Vedlejší produkty z hutní výroby lze použít v konstrukčních vrstvách nebo v zemním tělese PK pouze za předpokladu garance jejich dlouhodobé objemové stálosti“.

Požadavky na struskové kamenivo v tělese pozemních komunikací (TP 138)

1.Obsah síry – maximáln ě 1.5% při kontaktu s betonovými konstrukcemi. Jedná se o obecný požadavek vyplývající z norem pro betonové konstrukce.Ve většině případů tento ukazatel vedlejší produkty hutní výroby splňují.

© 2009 ARCADIS23. duben 201215 of 44

Ve většině případů tento ukazatel vedlejší produkty hutní výroby splňují.

2. Obsah volného vápna – dle TP 138 musí být nižší než 4.5%

3. Objemová stálost- vysokopecní struska – rozpadavost pařením v autoklávu musí být nižší než 5% (frakce 8-16 mm, teplota 105°C, tlak 0.20 MP a, 2 hodiny) - ocelá řská struska – rozpínavost (frakce 0-22 mm, teplota páry 100°C, 24 hodin pro LD strusky, 168 hodin pro BOF a EAF strusky)

TKP 4 Zemní práce čl. 4.2.3 Druhotné materiály

Do zemního tělesa pozemních komunikací se mohou použít pouze takové materiály, u nichž je ověřena vhodnost použití.

Vždy je nutné definovat zejména:�přesný popis,�technologii zpracování,�projektové fyzikálně-mechanické parametry,�nezávadnost pro životní prostředí,�vyluhovatelnost a její změny v čase (dle TP 93)

© 2009 ARCADIS23. duben 201216 of 44

�vyluhovatelnost a její změny v čase (dle TP 93) �časový vývoj mechanických vlastností (např. u materiál ů zpevněných pojivy) �způsob kontroly a četnost.Dosažení projektovaných parametrů musí být podloženo laboratorními zkouškami za okrajových podmínek odpovídajícím skutečným podmínkám v zemním tělese a ověřeno zhutňovací zkouškou.

Certifikovat nebo ne?

Použití vedlejších produktů z hutní výroby (studený odval, ocelářská struska, vysokopecní struska) do tělesa násypu a aktivní zóny není podmín ěno jejich certifikací.

Do zemního tělesa pozemních komunikací lze použít jakýkoliv materiál, který splní požadavky TKP 4 Zemní práce.

Certifikáty jsou vyžadovány v p řípadě použití výrobk ů – štěrkodrtí určité frakce – do konstruk čních vrstev.

Certifikáty uvedených výrobků (štěrkodrti vyrobené z ocelářské strusky a

© 2009 ARCADIS23. duben 201217 of 44

Certifikáty uvedených výrobků (štěrkodrti vyrobené z ocelářské strusky a studeného odvalu), které byly dodány před zahájením stavby a pozbyly platnost v roce 2004, nemusely být dle platných resortních předpisů (TKP4) předkládány.

4. Rizikové faktory při používání vedlejších produktů z hutní

© 2009 ARCADIS23. duben 201218 of 44

produktů z hutní výroby

1. Silikátový rozpad strusky (vysokopecní) 2. Železnatý a manganatý rozpad vysokopecní strusky3. Obsah volného CaO a MgO (ocelá řská struska) – max. 4.5%4. Objemová stálost ocelá řské strusky (rozpínavost) - max. 5%

Objemová stálost kameniva z vysokopecní strusky se posuzuje podle chemického složení, aby byl vyloučen stav samovolného rozpadu (ve

Rizikovými faktory všech vedlejších produkt ů z hutní výroby je jejich objemová stálost

© 2009 ARCADIS23. duben 201219 of 44

chemického složení, aby byl vyloučen stav samovolného rozpadu (ve fázovém diagramu soustavy oxid křemičitý-oxid hořečnatý-oxid vápenatý jde o oblast přechodu merwinitu na melilit). Nepřímou průkazní formou této vlastnosti struskového kameniva je snížená odolnost proti drcení hrubého kameniva nad hranici 50%.

Okrajové podmínky používání vedlejších produkt ů hutní výroby –silikátový rozpad vysokopecní strusky

© 2009 ARCADIS23. duben 201220 of 44

stabilní oblast vysokopecní strusky

Železnatý rozpad strusky způsobuje pyrit (FeS) obsažený ve strusce. Ve vlhkém prostředí dochází k oxidaci Fe2+ na Fe3+ za současného vzniku síranu železnatého i železitého. Objem produkt ů reakce se zvětšuje cca o 40%.

Manganatý rozpad strusky - mechanismus je obdobný jako u železnatého rozpadu, ale způsobuje ho MnS. I zde dochází ke zvětšení objemu vzniklého produktu – Mn(OH) , což může mít za

Okrajové podmínky používání vedlejších produkt ů hutní výroby –železnatý a manganatý rozpad vysokopecní strusky

© 2009 ARCADIS23. duben 201221 of 44

zvětšení objemu vzniklého produktu – Mn(OH)2, což může mít za následek rozpad strusky.

Objemové zm ěny vedlejších produkt ů hutní výroby

Dosavadní výsledky zkoušek ukazují, že příčinou objemových změn ve vedlejších produktech hutní výroby jsou fázové přeměny minerálů.

- hydratace volného vápna (CaO) CaO +H2O → Ca(OH)2- hydratace periklasu (MgO) MgO +H2O → Mg(OH)2- karbonatace hydroxid ů vápenatého a ho řečnatého Ca(OH) + CO → CaCO + H O

© 2009 ARCADIS23. duben 201222 of 44

Ca(OH)2+ CO2 → CaCO3 + H2OMg(OH)2 + CO2 → MgCO3 + H2O

- polymorfní p řeměny dikalcium silikát ů (C2S) β-C2S → α-C2S- hydratace C 3S na CSH fáze a reakce aluminát ů

Zahrani ční případy poruch komunikací

© 2009 ARCADIS23. duben 201223 of 44

Zvlněná vozovky vlivem zabudování objemově nestálé ocelářské strusky do živičné směsi (Newcastle, New South Wales, převzato z Cresdee 2007)

Poruchy komunikace v Belgii (převzato z Pierard 2010)

5. Vlastnosti studeného odvalu

© 2009 ARCADIS23. duben 201224 of 44

Studený odval – hutní su ť - heterogenní sm ěs vedlejších produkt ů hutní výrobyDefinice studeného odvalu:“Směs hutnických strusek, slévárenských písků a žáromateriálů – vyzdívky vysokých pecí, které vznikají při výrobě surového železa a oceli. Ve studeném odvalu je zastoupen zcela podřadně i ostatní materiál – např. dřevo, PVC apod.“

© 2009 ARCADIS23. duben 201225 of 44

Homogenizace vzorku studeného odvalu z hloubky 2.8-3.0 m ze sondy v km 150.340 (15.4.2012)

Vzorek studeného odvalu z hloubky 2.8-3.0 m ze sondy v km 150.340 (15.4.2012)

Studený odval se vyzna čuje velkou heterogenitou. Vzorky nevykazují typické znaky pro jednotlivé složky studeného odvalu (ocelářská struska, keramika apod.). Jemnozrnné vzorky, analyzované chemicky i RTG-difrakcí jsou vlastně průměrnými vzorky složených z různých a silně hydratovaných složek.

28,42

15,38

27,78

20

25

30

35

40

45

50

% h

mot

nost

i

© 2009 ARCADIS23. duben 201226 of 44

15,38

9,19

4,791,79

12,65

0

5

10

15

frakce > 5mm

frakce1.6-5.0

mm

frakce <1.6 mm

struska,vč. slitků

oceli

bílé cihly „šamot“ šedobílécihly

složka studeného odvalu ve vzorku

% h

mot

nost

iPřehled jednotlivých složek ve vzorku studeného odvalu z km 155.330 z hloubky 4.0 m na základě makroskopické separace

Makroskopická separace jednotlivých složek studeného odvalu (vzorek z hl. 4.0 m z km 150.330)

Doporu čené geotechnické vlastnosti kameniva z vedlejších p rodukt ů hutní výroby – výsledky poloprovozních zkoušek z r. 1996

parametr vysokopecní struska (odval Hrabová)

ocelá řská struska (odval Hrabová)

studený odval (odval Hrabová)

frakce 0-300 mm 0-200 mm 0-300 mm

ČSN 736133 G2 GP G1 GW G3 GF

přirozená vlhkost wn (%) 4,0 2,0 6,9-12,9

maximální objemová hmotnost 2330 2681 1930

© 2009 ARCADIS23. duben 201227 of 44

ρdmax (kg.m-3

)

úhel vnitřního tření φ (°) 37 35 30

soudržnost c (kPa) 3 5 5

koeficient filtrace kf (m.s-1

) 1,00E-02 4,20E-02 1,00E-08

modul přetvárnosti Edef (MPa) 100-131 90-130 80-100

Experimentální zkoušky bobtnání studeného odvalu

Zkouška probíhala v uzav řené sušárn ě při konstantní teplot ě 75°C a sycení vodou p řes bázi vzorku. Vypa řování bylo zabrán ěno fólií.

© 2009 ARCADIS23. duben 201228 of 44

Pohled na vzorek nahutněný energií 100% Proctor Standard po 85 dnech od zahájení zkoušky

Pohled na vzorky v sušárně (vlevo vzorek nahutněný energií 100% PS, vpravo vzorek nahutněný energií 100% PM)

Objemové změny vzorků sycených vodou při teplotě 75°C dosahovaly po 85 dnech - 24.4% pro vzorek nahutněný energií 100% PS- 35.6% pro vzorek nahutněný energií 100% PM K dnešnímu datu není bobtnání ukončeno.U kontrolních vzorků zkoušených při pokojové teplotě dosahovaly hodnoty bobtnání ve svislém směru za stejné časové období 100x nižších hodnot.

Vývoj p řírůstku svislé deformace (%) v čase

40,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

čas (den)

0,10

0,12

0 10 20 30 40 50 60čas (den)

© 2009 ARCADIS23. duben 201229 of 44

Vývoj přírůstku svislé deformace vzorků studeného odvalu při teplotě 20°C v čase

Vývoj přírůstku svislé deformace vzorků studeného odvalu sycených vodou při teplotě 75°C v čase

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

svis

lá d

efor

mac

e %

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

svis

lá d

efor

mac

e %

vzorek nahutněný energií 100% PS

vzorek nahutněný energií 100% PM

Graf p řírůstků

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

řůst

ky (

mm

/měsí

c)

Přírůstky bobtnání v 3 denním cyklu

© 2009 ARCADIS23. duben 201230 of 44

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

1 4 7 10 13 16 19 22

dny x 3

přírůst

ky (

mm

/mě

Svislá deformace PM Svislá deformace PS

Experimentálními zkouškami bobtnání při teplotě 75°C a sycení vzork ů vodou byla prokázána objemová nestálost vzorku studeného odvalu .

Experimentální zkoušky budou pokračovat s cílem zjistit hodnotybobtnacích tlak ů, které při objemových změnách vznikají.

Wang G. (2010) v laboratorních podmínkách hodnoty stanovil expanzivní síly (556 N až 1609 N) a bobtnacího tlaku, který dosahoval u BOF strusky 0.57 MPa - 1.28 MPa.

© 2009 ARCADIS23. duben 201231 of 44

Dosud nikdo nestanovil korelaci mezi zrychlenými zkouškami objemových zm ěn za vyšší teploty (p řípadně i tlaku) a zkouškami při běžné teplot ě. Nemůžeme tedy určit, jaký počet dnů při zrychlené zkoušce odpovídá počtu dnů při zkoušce za normálních podmínek.

6. Závěry

© 2009 ARCADIS23. duben 201232 of 44

Závěry a doporu čení

Na základě dosavadních poznatků je možné konstatovat:

� i v p řípadě vysokopecní strusky, je nutno s ohledem na změny zdrojů železných rud a technologie výroby sledovat obsah volného CaO a MgO, případně skla

�ocelá řská struska – bezproblémové využití ocelářské strusky lze doporu čit pouze pro frakci nad 32 mm (eliminuje se podíl jemnozrnné frakce náchylné k objemovým změnám). Pro pou žití ocelá řských

© 2009 ARCADIS23. duben 201233 of 44

frakce náchylné k objemovým změnám). Pro pou žití ocelá řských strusek je nutné prokázat jejich chemismus (silikátová analýza) a vyhovující parametry rozpínavosti

�ostatní vedlejší produkty např. studený odval – je možné použít pouze na základě dlouhodobých zkoušek jak objemových změn tak bobtnacích tlaků za různých okrajových podmínek odpovídající umíst ění v zemním t ělese

Děkuji Vám za pozornost

© 2009 ARCADIS23. duben 201234 of 44