Referaty Naukowe

WYKORZYSTANIE STABILIZATORA EN-1 DLA WZMACNIANIA SŁABONOŚNYCH PODŁOŻY ORAZ REMONTU DRÓG

Streszczenie:

W referacie przedstawiono właściwości stabilizatora EN-1 i ich wykorzystanie dla tworzenia z gruntów wysadzinowych i wątpliwych materiałów odpowiadających ulepszeniu podłoża do G1, a także spełniających warunki podbudowy drogowej. Dotychczasowe zastosowania potwierdzają walory EN-1 (10 lat):

• trwałe, niepylne i odporne na koleinowanie drogi gruntowe;
• eliminowanie wymiany gruntów gliniastych, ilastych i pylastych w podłożu drogowym i obiektów kubaturowych;
• wykonywanie podbudów gruntowych;
• grunt stabilizowany cementem i EN-1 wykazuje cechy warstw elastycznych - brak spękań skurczowych i trwałych odkształceń;
• znakomite efekty wykorzystania w recyklingu nawierzchni mineralno-bitumicznych na podbudowach stabilizowanych mechanicznie w technologii głębokiej stabilizacji (40 cm).

Przedstawione w referacie zagadnienia i wnioski mają walory praktycznej użyteczności dla inwestorów, projektantów i wykonawców.

1. WPROWADZENIE

Raport o stanie technicznym dróg krajowych w 2000 r. informuje, że około 35% długości dróg znajduje się w stanie złym, a ponad drugie tyle w stanie niezadowalającym. Na poziomie krytycznym wzmocnienia i wyrównania wymaga 25,7% dróg, a na poziomie ostrzegawczym, który niedługo może przejść w krytyczny, wzmocnienia wymaga 37,3% i wyrównania 29,3%. Stan ten dotyczy 11 tys. km dróg krajowych, a także kilkudziesięciu tysięcy kilometrów dróg gminnych i lokalnych.

Wzrastające natężenie ruchu samochodowego i nieprzystosowanie istniejących konstrukcji nawierzchni do zwiększonych obciążeń mają największy wpływ na coraz szybciej postępującą degradację dróg.

Stosowanie tylko powierzchniowych napraw pochłania mniej środków, ale nieraz wymaga ponownych zabiegów już po roku. Kapitalne remonty prowadzone w sposób tradycyjny są pracochłonne i pociągają za sobą ogromne koszty.

W tej sytuacji należy wszelkie wysiłki skierować na poszukiwanie takich rozwiązań technicznych i technologicznych, które w jak najkrótszym czasie pozwolą istniejące drogi mniejszymi nakładami finansowymi wzmocnić i podnieść ich trwałość. Natomiast nowe przedsięwzięcia drogowe realizować zgodnie z wymaganiami Unii Europejskiej i NATO wg najnowszych osiągnięć wiedzy i z ekonomicznie uzasadnionym rozsądkiem.

Trwałość i jakość dobrej nawierzchni zależy przede wszystkim od dobrej nośności podłoża i właściwie zaprojektowanej i wykonanej podbudowy.

Szybki rozwój nowoczesnych technologii oraz stosowanie nowych materiałów umożliwia rozwiązanie nawet złożonych problemów konstrukcyjnych dróg. Jednym z przykładów jest wykorzystanie stabilizatora EN-1 dla wzmacniania słabonośnych podłoży, utrwalania gruntowych podbudów i efektywnej renowacji nawierzchni mineralno-bitumicznych poprzez trwałą fizyczno-chemiczną stabilizację.

2. STABILIZATOR DROGOWY EN-1

Stabilizator drogowy EN-1 (sulfonowy D-limonen rozpuszczony w kwasie siarkowym) produkowany jest w postaci płynnego koncentratu,charakteryzującego się wskaźnikiem pH=l,0 i gęstością 1,7 g/cm3. Do stabilizacji stosowany jest wyłącznie w postaci rozcieńczonej w wodzie w stosunku od 1:200 do 1:600 jako produkt bezpieczny ekologicznie.

EN-1 zawiera mocny utleniacz, silny rozpuszczalnik oraz naturalny dyspergator. Wzajemne oddziaływanie tych składników wzbudza w gruntach naturalnie występujące cementy mineralne i wiąże cząsteczki gruntu tworząc materiał analogiczny do większości skał osadowych. W trakcie wprowadzania EN-1 do gruntu rozpuszczalnik umożliwia utleniaczowi dostęp do szeregu soli mineralnych. To działanie rozdziela równo jony minerałów w mieszance zwiększając przyciąganie cząsteczek i znacznie zmniejszając występujące próżnie.

W efekcie poddany oddziaływaniu EN-1 materiał znacząco zwiększa swoją gęstość i twardość, równocześnie utrzymywana elastyczność jest większa niż w formacjach skał twardych. Zmniejszanie próżni wewnętrznych i powstająca hermetyczność struktury tworzy materiał wysoce odporny na przenikanie wody lub innych cieczy bez względu na stopień lepkości.

Spoiwo EN-1 jest najbardziej skuteczne w odniesieniu do gruntów, w których występują cechy naturalnej kohezji (spójności). EN-1 reaguje z elementami takimi jak kamień wapienny i grunty spoiste, zwiększając i poprawiając ich własności spoistości. Spoiwo to wnika w siatkę krystaliczną cząsteczek gruntu zmieniając ładunek jonów w glinie, tworząc w ten sposób chemiczne wiązania pomiędzy cząstkami gliny.

Grunty piaszczyste o niskim wskaźniku plastyczności nie mają cech niezbędnych do reagowania z EN-1. Aby w tym przypadku wykorzystać można było EN-1, w mieszance gruntowej winno znajdować się przynajmniej 10% gliny.

Wzrost wytrzymałości na ściskanie, gęstość i nośność bazowej mieszaniny gruntu osiąga się przez dogłębne wprowadzenie oprócz EN-1 także cementu portlandzkiego (ok. 3% wagowo), skruszonego wapnia, popiołu lotnego lub destruktu asfaltowego.

W glebach zanieczyszczonych lotnymi i bardzo niebezpiecznymi petrochemikaliami, takimi jak benzyna, ropa, oleje, toluen itd., EN-1 redukuje wysokie stężenia utajonych zanieczyszczeń do bezpiecznego poziomu. Dzięki wzajemnej reakcji rozpuszczalnika i utleniacza następuje częściowe, uwolnienie (wydmuchanie) substancji lotnych, a ich pozostałości są obudowane wiązaniami jonowym i cementowym. Tak przetworzony materiał staje się nieprzenikalną warstwą odporną na oddziaływanie wody i skutecznie powstrzymuje ewentualne wymywanie w/w trujących substancji. Równocześnie otrzymuje się utwardzoną zastabilizowaną mieszaninę gruntu, która może stanowić dobrej jakości, tanią nawierzchnię gruntową.

EN-1 oddziałuje także na produkty petrochemiczne, powodując ich zmiękczenie i częściowe rozpuszczenie, a następnie związanie z istniejącym podłożem gruntowym w znacznie twardszy, bardziej elastyczny materiał niż pierwotne podłoże.

Dzięki przedstawionym właściwościom EN-1 jest wyjątkowo skuteczny w naprawie, podnoszeniu jakości i nośności istniejących dróg o nawierzchniach mineralno-bitumicznych.

3. ZASTOSOWANIA STABILIZATORA EN-1

EN-1 jest stosowany od 1991 r. na szeroką skalę na terenie USA, Kanady i Meksyku, głównie dla stabilizacji gruntów wysadzinowych i przy głębokim recyklingu dróg o nawierzchniach mineralno-bitumicznych. Także Ministerstwo Transportu Płd. Australii, niezależne laboratoria i eksperci technologii drogowych w Indiach, Chinach, Ameryce Łacińskiej, a ostatnio w Egipcie docenili efekty techniczne i ekonomiczne stosowanie EN-1, gdyż wykonawstwo i eksploatacja dróg napotyka tam na ekstremalne warunki tak budowy jak i użytkowania.

Ogólnie znane sposoby wzmacniania podłoża drogowego polegają na wymianie gruntu, stosowaniu geowłóknin lub geosiatek i układaniu często grubych warstw kruszywa stabilizowanego mechanicznie, a jeśli jest odpowiedni grunt to na wykonywaniu stabilizacji cementem. Rozwiązania te wzmacniają podłoże, ale kwestią czasu i wpływu czynników zewnętrznych jest destabilizacja takich wzmocnień, szczególnie przy oddziaływaniu wody, przemieszczaniu i rozdrabnianiu się kruszyw pod wpływem obciążeń dynamicznych czy pełzaniu materiału geosiatek, a także skurcz, pęknięcia i destrukcja zastabilizowanych warstw tylko cementem.

Dla różnych uwarunkowań lokalnych poszukuje się takich rozwiązań technicznych, aby konstrukcji podłoża i podbudowy zapewnić jak najdłuższą niezmienną trwałość.

EN-1 zastosowany jako dodatek przy stabilizacji cementem gruntów wysadzinowych i wątpliwych, tam gdzie części pylastych jest więcej niż 20% umożliwia stworzenie trwałej warstwy, która jest odporna na destrukcyjne oddziaływanie wody i mrozu, pęknięcia skurczowe, a przy tym jest twarda i stosunkowo elastyczna. Taka warstwa stanowi kapitalną przeponę pomiędzy dolnymi słabymi warstwami podłoża a ostateczną nawierzchnią i tworzy warunki dla lepszego rozkładu obciążenia nie tylko ruchu drogowego.

W technologii głębokiego recyklingu nawierzchni mineralno-bitumicznych roztwór EN-1 (w przeciwieństwie do emulsji) pozwala podłoże gruntowe (szczególnie gliniasto-pylaste), kruszywo podbudowy i masy mineralno-asfaltowe połączyć z cementem w jedną warstwę monolityczną o właściwościach bardzo trwałej i odpornej na destrukcję i koleinowanie podbudowy.

Ponadto spoiwo EN-1 dodane do mieszaniny łupka przywęglowego lub żużla i popiołów aktywnych w połączeniu z gruntem spoistym pozwala stworzyć masę, która spełnia wymagania podbudów pomocniczych nawet dla dróg o ruchu ciężkim, co nie jest obojętne dla wykorzystania tych odpadów w zgodzie z ekologią (ochroną środowiska).

4. EFEKTY W TERENIE

Po raz pierwszy w Europie, właśnie w Polsce, stabilizator EN-1 zaczęto stosować od 1996 r. obserwując efekty i zbierając doświadczenia często nie mieszczące się w dotychczasowych kanonach.

Wykonano wiele stabilizacji różnych gruntów wysadzinowych, mieszanek żużla i łupka przywęglowego. Wszystkie odcinki próbne, także odkryte, narażone bezpośrednio na wpływy atmosferyczne jak i różne obciążenia transportem przetrwały do dziś w dobrym lub bardzo dobrym stanie pomimo pięciu okresów zimowych. Za przykłady mogą posłużyć parkingi w Nakle Śląskim, Lublińcu i Gliwicach, drogi osiedlowe w Kornowacu, Olzie, Pszczynie i Czeladzi.

W latach 1998-1999 wykonano podbudowy z glin stabilizowanych cementem (3%) + EN-1 bezpośrednio pod nawierzchnie z kostki drogowej lub 4 cm warstwę betonu asfaltowego na terenie magazynów "Buderusa" w Czeladzi, Geant Casino k/Łodzi, "Gulfibera" w Gliwicach, gdzie są w stanie niezmiennym do dziś pomimo obciążeń bardzo ciężkim transportem.

W 1999 r. dokonano stabilizacji cementem + EN-1 35 cm warstwy gruntu gliniastego jako podbudowy pomocniczej w trakcie remontu drogi A-4 Legnica-Wrocław (km 104) osiągając wtórny moduł E2 w granicach 280-360 MPa, a próbki materiału wyciętego z konstrukcji wytrzymały ponad 14 cykli zamrażania w badaniu mrozoodpomości.

Także w tym roku zastosowano stabilizację pod posadzkę obiektów Centrum Handlowego w Tarnowie, gdzie zalęgający mokry grunt gliniasty przeznaczony był do bezwzględnej wymiany. W wyniku stabilizacji cementem 4% + EN-1 osiągnięto po 7 dniach średnio E2=220 MPa, a tym samym umożliwiono późną jesienią kontynuację robót montażowych i zaoszczędzono znaczne środki finansowe.

W 2000 r. zastosowano m.in. EN-1 przy stabilizacji gruntów wysadzinowych pod nową płytą postojową samolotów na lotnisku w Katowicach-Pyrzowicach (40.000 m2), gdzie osiągnięto średnio E2=400 MPa. Ponadto wykonano stabilizacje z użyciem EN-1 pod parkingi i posadzki hal w centrach handlowych w Świętochłowicach, Sosnowcu, a także pod nowe drogi osiedlowe, unikając wymiany wielu tysięcy m3 gruntu gliniastego.

Dotychczasowe zastosowania do wzmocnienia podłoża na terenie naszego kraju potwierdziły walory EN-1.

W 1998 r. rozpoczęto w Polsce stosowanie EN-1 zamiast emulsji do głębokiego recyklingu nawierzchni mineralno-bitumicznych wraz z istniejącą podbudową tłuczniową i gruntem. Wykonano odcinki dróg w Olzie, Pszczynie, Nowym Sączu i okolicach. Uniknięto wymiany zużytych mas drogowych i długotrwałego zamknięcia dróg, a efekty czasowe i finansowe były znaczące.

Korzyści techniczne potwierdzają uzyskane wyniki - średnie wartości modułów odkształcenia z badania nośności podbudów wykonanych w w/w technologii:

Olza, ul. Poprzeczna        - stan wyjściowy E₁ = 30 MPa E₂ = 74 MPa
                                        - po stabilizacji E₁ = 214 MPa E₂ == 250 MPa

Nowy Sącz, droga krajowa nr 75    po l dobie E₂ = 140 MPa

                                                       po 6 dobach E₂ = 300 MPa

Z uzyskanych informacji z Ministerstwa Transportu Drogowego Płd. Australii o zachowaniach się odcinków dróg głównych w Południowej Australii, gdzie wykonano stabilizację cementem (2%) z dodatkiem EN-1 potencjalne powstawanie kolein zredukowano w 74%. Natomiast na podstawie obserwacji doświadczalnego odcinka w terenie stwierdzono wraz z upływem czasu zwiększenie się modułu sprężystości materiału nawierzchni, co prognozuje wydłużenie jej trwałości z założonych 20 lat do przeszło 40 lat.

Także inne kilkuletnie badania i obserwacje w terenie przeprowadzone w USA, Egipcie, Indiach i Australii potwierdziły zalety stosowania EN-1 i jego wpływu na trwałość nawierzchni: zagęszczanie i hermetyczność, eliminowanie pęknięć skurczowych po stabilizacji cementem, koleinowanie, likwidowanie efektu wysadzania gruntów gliniastych, zwiększenie nośności.

5. BADANIA LABORATORYJNE

Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie poddaje badaniom i obserwacjom nietypowe właściwości spoiwa EN-1 od 1997 r. i opracował w 1999 r. wytyczne jego stosowania dla potrzeb drogownictwa.

W ślad za Polską także na Ukrainie w 1997 r. i we Francji w 2000 r. rozpoczęto badania skuteczności działania EN-1 na stabilizację gruntów wysadzinowych z prognozą szerokiego stosowania.

W Katedrze Komunikacji Lądowej Politechniki Śląskiej od 1997 r. przeprowadza się badania laboratoryjne i terenowe efektów stosowania EN-1 w stabilizacji różnych mieszanek gruntów wysadzinowych, łupków, żużli i popiołów aktywnych oraz cementu dla celów drogowych, a także skutecz­ności scalania materiałów w trakcie głębokiego recyklingu nawierzchni mineralno-bitumicznych podczas remontu dróg.

Wykonane ostatnio doświadczenia przyniosły następujące rezultaty:

1. wykorzystanie żużla i popiołu (aktywny) z elektrowni RYBNIK do stabilizacji gruntu gliniastego (60%) (rys. l a, b, c). Potrzeba zutylizowania odpadów elektrownianych jest nadrzędnym zadaniem, a dodatkowym uzasadnieniem tego kierunku poszukiwań mogą być niższe koszty realizacji inwestycji.

Rys. 1a. Wyniki prób stabilizacji gruntu aktywnym popiołem lotnym z węgla kamiennego z wykorzystaniem stabilizatora EN-1 - wpływ stężenia EN-1 na wytrzymałość mieszanki popiołowo-gruntowej z zawartością 15% i 20% popiołu.

Rys. 1b. Wyniki prób stabilizacji gruntu aktywnym popiołem lotnym z węgla kamiennego z wykorzystaniem stabilizatora EN-1 - wpływ zmiennej zawartości popiołu przy stałym stężeniu EN-1 na wytrzymałość mieszanki popiołowo-gruntowej.

Rys.1c. Wyniki prób stabilizacji gruntu aktywnym popiołem lotnym z węgla kamiennego z wykorzystaniem stabilizatora EN-1 - wpływ stężenia EN-1 na nasiąkliwość mieszanki popiołowo-gruntowej z zawartością 20% popiołu.

2. wykorzystanie popiołu (aktywny) z elektrowni RYBNIK do stabilizacji łupka przywęglowego nieprzepalonego - wstępnie wykonano badania dla wyżej określonego optymalnego stężenia (1:400) w przypadku stosowania popiołu elektrownianego (rys.2). Możliwość jednoczesnej utylizacji dwóch masowych odpadów poprzemysłowych znajdujących się w swoim sąsiedztwie (niskie koszty transportu) w aspekcie potrzeb budowy autostrad jest również bodźcem do dalszych poszukiwań.

Rys.2. Wyniki prób stabilizacji łupka przywęglowego nieprzepalohego aktywnym popiołem lotnym z węgla kamiennego z wykorzystaniem stabilizatora EN-1.

Dalsze badania w/w materiału stabilizowanego (a i b), w tym badanie mrozoodpomości, są kontynuowane. Równolegle prowadzone są badania w kierunku wykorzystania stabilizatora EN-1 w recyklingu materiału nawierzchni w technologii głębokiej stabilizacji. Przedstawione zagadnienia nie wyczerpują możliwości wykorzystania stabilizatora EN-1 dając duże pole dla dalszych poszukiwań.

6. WNIOSKI

6.1. Stabilizacja gruntów z użyciem EN-1

• EN-1 w gruntach spoistych poprzez tworzenie wiązań chemicznych i fizycznych, łączy cząstki gruntu ułatwiając ich zagęszczanie i likwidując pustki wewnętrzne przez co powoduje hermetyczność powstałej masy i wysoką odporność na przenikanie wody lub innych cieczy bez względu na stopień ich lepkości.
• EN-1 przyczynia się do powierzchniowego oraz częściowo wgłębnego zaimpregnowania grudek gruntów spoistych eliminując ich pęcznienie, a także pozwala na uzyskanie dużego stopnia mrozoodporności, co wykazały poza normowe badania laboratoryjne.
• EN-1 umożliwia z mniejszą ilością cementu trwałą stabilizację gruntów zawierających ponad 20% frakcji ilastej, eliminując powstawanie spękań skurczowych.
• Dotychczasowe badania i obserwacje efektów zastosowania EN-1 potwierdzają, że ten niestandardowy stabilizator umożliwia radykalną poprawa jakości stabilizowanych warstw gruntu.
• Wobec specyficznego zachowania się materiałów powstałych z wykorzystaniem EN-1 zachodzi potrzeba opracowania nowych wymagań normowych jego stosowania i badania w budownictwie drogowym.
• Uzyskane wyniki badań mieszanin gruntu, żużla, popiołów aktywnych z dodatkiem EN-1 wykazały jego skuteczność i przydatność dla wykonywania podbudów w konstrukcjach drogowych.
• Najlepszym wskaźnikiem oceny własności użytkowych EN-1 są właściwie przeprowadzane badania w warunkach terenowych lub zmodyfikowanie badań laboratoryjnych do sytuacji występujących w naturze.
• Na podstawie dotychczas zrealizowanych zadań i uzyskanych pozytywnych efektów w terenie uzasadnione staje się zalecanie stosowania dodatku EN-1 przy stabilizacji cementem gruntów wysadzinowych i wątpliwych, w aspekcie gwarantowania właściwej trwałości.

6.2. Zastosowanie stabilizatora EN-1 (praktycznie)

• w drogach o nawierzchni gruntowej (stabilizacja 30-35 cm warstwy gliny) nawet po 3 okresach zimowych stwierdzono niepylność, brak destrukcji, pęknięć czy kolein;
• pozwoliło zwiększyć nośność podłoża z G4 do G1 (warstwa 30-35 cm zastabilizowanego gruntu), co stanowiło solidną podstawę dla dalszych warstw drogowych i umożliwiło znaczące zmniejszenie ich grubości;
• wykazało trwałość i niezmienność nawierzchni z kostki betonowej i betonu asfaltowego ułożonych bezpośrednio na zastabilizowanej podbudowie pomimo ciężkiego ruchu transportowego;
• wykazało pomimo silnego nawodnienia pełną mrozoodpomość i brak destrukcji zastabilizowanej warstwy gruntu gliniastego w podbudowie pomocniczej drogi A-4 km 104.

6.3. Recykling nawierzchni o warstwach mineralno-bitumicznych z wykorzystaniem EN-1

• EN-1 zmiękcza powierzchniowo błonkę bitumiczną rozdrobnionego destruktu ułatwiając chemiczne połączenie z cząstkami gruntu i kruszywem oraz przyczynia się do zlikwidowania pustek wewnętrznych, a tym samym powoduje lepsze zagęszczenie i hermetyczność powstałej w procesie recyklingu mieszanki materiałów.
• Uzyskane średnie wyniki wytrzymałości na ściskanie i mrozoodpomości materiału podbudowy oraz nośności podbudowy powstałej w wyniku technologii recyklingu ze stabilizacją cementem i EN-1 potwierdzają zasadność jego stosowania w remontach dróg.
• Destrukt nawierzchni mineralno-bitumicznej zmieszany z gruntem spoistym, cementem lub popiołami aktywnymi i dodatkiem EN-1 może być stosowany jako podbudowa zasadnicza dla każdej kategorii obciążenia ruchem oraz stanowi odpowiednią przeponę pomiędzy słabonośnym podłożem, a górnymi warstwami nawierzchni.

LITERATURA

Zbadanie przydatności środka ROADBOND EN-1 do stabilizacji gruntów. IBDM Warszawa 1998/1999 r.,

Instrukcja laboratoryjna i technologiczna stosowania stabilizatora gruntów EN-1 do celów drogowych. IBDM Warszawa 1999 r.,

Chlipalski K. Projektowanie receptur i badanie konstrukcji w technologii głębokiej stabilizacji. Prace NB (170/97 i 256/98), Politechnika Śląska, Gliwice,

Bińczyk A., Gonsior W., Jabłoński T., Kóska P. Wzmacnianie podłoża i podbudów nawierzchni drogowych metodą stabilizacji z wykorzystaniem nowoczesnych technologii. Politechnika Śląska Gliwice 1998 r.

Chlipalski K. Przydatność lupków przywęglowych do konstrukcji autostrad. V Międzynarodowa Konferencja "Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe" Kielce 1999 r., -

Adamczyk R., Chlipalski K., .Kanafek J. Technologia wykonania konstrukcji drogowej z wykorzystaniem ubocznych produktów spalania węgla dla warunków budowy dróg osiedlowych na nowo budowanym osiedlu "Na stoku" w Zwonowicach - gmina Łyski Praca NB (62/01) Politechnika Śląska Gliwice,

Bukowski Zb., Chlipalski K. Recykling nawierzchni mineralno-bitumicznych w technologii głębokiej stabilizacji. VII Międzynarodowa Konferencja "Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe" Kielce 2001 r.