Technologie úprav zemin - zlepšování vlastností zemin hydraulickými pojivy a stabilizace zemin jsou způsoby, jak sanovat nedostatečné parametry zemin při zemních pracích. Správným návrhem hydraulického pojiva a jeho množství s ohledem na vlhkost zeminy, lze zabránit značným nákladům spojeným s výměnou nevhodné, nebo podmínečně vhodné zeminy na skládku a nákupu nových materiálů. 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. Proto, aby tyto zeminy nekončily na skládkách a bylo možné jejich další použití, je nutné je ošetřit.
Typy úprav zemin
Úpravu zemin lze obecně rozdělit do dvou kategorií, kterými je mechanická stabilizace (dosažena změnou fyzikálních vlastností půdních částic, např. vibrací, hutněním, přibíjením atd.) a chemická stabilizace (dosažena chemickou reakcí mezi stabilizátorem/pojivem a minerálními látkami v zemině).
Chemická stabilizace zemin hydraulickými pojivy
Nejčastěji používanými hydraulickými pojivy jsou vápno, směsná hydraulická pojiva a cement. Ta jsou pomocí dávkovače nadávkována přímo na upravovanou zemní pláň a pomocí zemní frézy zapravena do požadované hloubky. Následně musí být provedeno urovnání vrstvy pomocí dozeru, nebo grejdru a provedeno zhutnění těžkým tahačovým válcem. Stabilizace zemin slouží např. pro zlepšování zpracovatelnosti, zhutnitelnosti a pevnosti zeminy. 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.
Stabilizace vápnem
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. Přidáním vápna k zemině dochází ke zlepšení zpracovatelnosti, ale většinou ne ke zvýšení pevnosti. Protože vápno reaguje pouze s jílovými minerály na chemické úrovni, není vhodné pro použití s písčitými zeminami.
Stabilizace cementem
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. Zeminy stabilizované cementem tak mají vyšší pevnost. V závislosti na druhu zeminy se volí obsah cementu, který se pohybuje v rozmezí 2 % až 15 % (z hmot. zeminy).
Čtěte také: Použití bílého cementu v praxi
Ztekucení zemin
Další možnost úpravy zemin je jejich ztekucení. 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. Obecně lze říci, že principy technologie ztekucení zemin jsou velmi podobné a vždy obsahují složky, jako jsou stabilizátory, ztekucovadla, případně další přísady. Pro zpětné použití vykopaných zemin ve ztekucené formě je nutná jejich úprava, která spočívá ve stabilizaci vhodnou stabilizační přísadou. Směs je dále potřeba ztekutit pomocí vhodných ztekucujících přísad. Předpokládané výhody stabilizovaných a ztekucených zemin na bázi samozhutnitelných zálivek je např. optimalizace namáhání trubních systémů či jímek hydrostatickým tlakem.
Využití popílku při stabilizaci a ztekucení zemin
Jako účinné stabilizační činidlo se jeví použití popílku. Příměs popílku k zemině může ovlivňovat jak reologické vlastnosti, tak pevnost. Jako další druh stabilizačního činidla lze uvést fluidní popílek. Jedná se o jemný prášek, který se skládá z jemných částic a má pucolánové vlastnosti. 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. Jako vhodné se pro stabilizaci a ztekucení zemin jeví zároveň použití popílků. Ztekucené zálivky by bylo možno použít pro vyplnění i těch méně přístupných prostor inženýrských sítí.
Postup prací a laboratorní zkoušky
Při realizaci inženýrských sítí se vyprodukuje velké množství zemin různého složení či frakce. Tyto zeminy ve většině případů nesplňují požadavky pro jejich zpětné použití. 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. 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.
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. 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.
Experimentální část
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 a ČSN EN ISO 14688-2. Vzhledem k výsledkům zkoušek bylo zjištěno, že bude třeba zeminu upravit. 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. 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 hmotnosti zeminy). 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.
Čtěte také: Bílý cement: Přehled
Chemické složení popílku:
| Složka | Obsah (%) |
|---|---|
| SiO2 | 50-60 |
| Al2O3 | 20-25 |
| Fe2O3 | 5-10 |
| CaO | 5-15 |
| MgO | 1-3 |
| SO3 | 1-5 |
| Na2O | 0.5-1.5 |
| K2O | 1-2 |
| Ztráta žíháním | < 5 |
Konzistence směsi byla zkoušena pomocí Abrams kužele dle ČSN EN 12350-8. 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. Další zkouška, která se na vzorcích prováděla, bylo stanovení pevnosti v tlaku. Zkouška se prováděla podle normy ČSN EN 12390-3 na zkušebních tělesech o rozměru 100 × 100 × 100 mm.
Výsledky a diskuse
Z výsledků hodnot zkoušky rozlití lze vidět, že příměs fluidního popílku k zemině ovlivňovala reologické vlastnosti směsi. Příměs fluidního popílku v množství 30 % (z hmotnosti 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 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).
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. 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.
Při hodnocení pevnosti v tlaku můžeme 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), 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.
Čtěte také: Portlandský cement – co to je?
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.
Závěry
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.
U směsi se nejprve hodnotily reologické vlastnosti směsi, na základě kterých byly zjištěny následující poznatky. Příměs fluidního popílku v množství 30 % (z hmotnosti 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 %.
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 hmotnosti 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.
tags: #cement #a #zemina #nebo #vapno #a