Projekty a granty

Úprava zemín popolčekmi

SP2017/155

Rozbor stavu problematiky Výskum potenciálneho využitia popolčekov a popolov z tepelných elektrární začal v Európe počas 2. svetovej vojny vo Veľkej Británii. Popolčeky boli najprv používané ako prímes do betónu pre zníženie spotreby portlandského cementu. Popolčeky sa začali využívať v stavebníctve aj ako materiál pre stavbu násypových telies pozemných komunikácií [1]. Do konca 20. storočia sa popolčeky využívali v cestnom staviteľstve iba pre výstavbu násypov a vyrovnávanie priľahlého terénu v blízkosti ich zdroja. Potom sa v Českej republike využitie popolčeku do inžinierskych stavieb podstatne zvýšilo a napríklad v roku 2009 bolo spracovaných 100 000 ton popolčeku za rok, pri výstavbe diaľnice D11 Osičky – Hradec Králové, ako násypového materiálu [2]. Úprava a stabilizácia zemín je zmena vlastností pôd s cieľom zlepšiť ich staviteľskú výkonnosť. Modifikácie pôdnych vlastností sa prevádzajú na základe zlepšenia ich stability a urýchlenia danej výstavby [6]. V súčasnosti sa hydraulické cestné spojivá, používané k úprave zemín, prevažne skladajú z cementu alebo vápna. Avšak keďže je ich výroba ekologicky aj ekonomicky náročná, hľadajú sa iné lacnejšie možnosti. Úspešnou alternatívou sa stal Vedľajší Energetický Produkt - popolček. Jeho spracovávaním a využívaním sa taktiež rieši nakladanie s odpadovým priemyselným materiálom, a spĺňanie dnešných prísnych ekologických požiadaviek na odpady. Úprava zemín iba popolčekovým spojivom nebola v ČR doteraz vykonaná, aj keď to jeho normatívna základňa umožňuje. Keďže jednotnosť kvality popolčekov je veľmi náročné dosiahnuť, nedajú sa určiť všeobecne platné zásady ich konkrétneho použitia. Ich základné vlastnosti sú závislé predovšetkým na zdroji primárnej uholnej suroviny, technologickom postupe ich výroby a následnej úprave. Z toho dôvodu sa ich vlastnosti a účinky v praxi musia pred využitím v danej oblasti stavebníctva vždy náležite overiť, aby sa predišlo možným haváriám alebo investičným odstávkam výstavby [3]. Popolčeky sa využívajú pri geotechnických aplikáciách spojených s cestnými stavbami pri úpravách zemín k zvýšeniu pevnostných vlastností zemín, pre kontrolu zmrštenia a bobtnania zemín, zníženie obsahu vody v pôdach a pre úpravu krivky zrnitosti [6]. Výsledky využitia popolčekov ako spojiva pre zeminy v cestnej infraštruktúre v zahraničí: V roku 1990 bola pri stavbe letiskovej plochy v Houstone použitá pre úpravu jemnozrnných zemín zmes popolčeku a vápna. Ani po viac ako 10 rokoch prevádzky neboli pozorované na týchto plochách žiadne poruchy ani deformácie [4]. Pre stabilizáciu nestmelených vrstiev na skúšobnom úseku pozemnej komunikácie v Hallstaviku vo Švédku boli využité zmesi vápenatého popolčeka s hydraulickými spojivami. Pre komunikácie s nízkym dopravným zaťažením vyhoveli zmesi s 20 % a 30% popolčeku bez ďalšieho aditíva a najlepšie výsledky boli dosiahnuté v zmesi 5% popolčeka s 5% cementu [5]. [1] SEAR L.K.A. Properties and use of coal fly ash, Thomas Telford Ltd, 2001 [2] KRESTA F. Druhotné suroviny v dopravním stavitelství. Ediční středisko VŠB-TU Ostrava, 2012 [3] BULÍKOVÁ L. Popolčeky a ich potenciál využitia v cestnej infraštruktúre pri úprave zemín. Silniční síť základ civilizace a prosperity - magazín SPRSD (Jaro 2017). (Bude publikované v roku 2017) [4] GODIWALLAP.E. Performance Evaluation of Lime Fly-ash Stabilization as a Pozzolanic Stabilizer for Airfield Pavement Used at Houston Airport Systems. Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2012 [5] MÁCSIK J.Stabilization of road structures with fly ash as binder component –through demo projects to full scale use. Ash Utilisation 2012. Stockholm Sweden. 2012 [6] AMERICAN COAL ASH ASSOCIATION, Fly ash facts for highway engineers, FHWA, 2003, 47-52 PREHĽAD POUŽITÝCH METÓD Fyzikálne a mechanické vlastnosti: Stanovenie základných fyzikálnych, deformačných a pevnostných charakteristík, ktoré sú kľúčové ku kategorizácií primárnych testovaných materiálov. Podľa daných výsledkov sa rozhodne o ich ďalšom použití i možnej úprave zloženia receptúr. Časť fyzikálnych vlastností je možné vykonať v laboratóriu FAST ale kvôli nízkej kapacite a hlavne necertifikovanému vybaveniu laboratória budú skúšky vykonané externým laboratóriom v podobe služieb. Chemické analýzy: Združená DSC/TG analýza bude vykonaná na rozomletých vzorkách a testy prebehnú na pracovisku ICT, ktoré je situované na VŠB TUO FAST, takže je k nim neobmedzený prístup, ale s plánovanou náhradou spotrebovaného laboratórneho materiálu. Skenovacia elektrónová mikroskopia pre štúdium štruktúr v materiály a RTG difrakcia pre stanovenie fázových štruktúr. Tieto analýzy budú vykonané na stredisku ICT situovanom na VŠB TUO HGF a taktiež sú podmienené nákupom spotrebného materiálu a prípadnou účasťou na publikačných výstupoch. Chemické zloženie popolčekov a reakcie počas spaľovania ovplyvňuje prítomnosť vody, dostatok kyslíka, obsah síry, konštrukcia ohniska, riadenie procesu horenia, obsah spáliteľných látok. Mineralogická štruktúra popolčeku je kľúčová pre stanovenie ich reaktivity, preto je potrebné zistiť presné zloženie a štruktúru testovaného materiálu. ROZSAH LABORATÓRNYCH SKÚŠOK - každá skúška bude vykonaná na 8 rozličných vzorkách/receptúrach: Fyzikálne a mechanické vlastnosti - klasifikačný rozbor zeminy (vlhkosť, zrnitosť, medza tekutosti a plasticity, index plasticity) - priepustnosť pri konštantnom spáde - stlačiteľnosť v edometru - krabicová šmyková skúška - objemové zmeny - lineárne bobtnanie - Proctor standard - maximálna objemová hmotnosť, optimálna vlhkosť - na každej jednej vzorke je potreba vykonať po 4 série merania - CBR so sýtením (Kalifornský pomer úmernosti), - IBI (okamžitý index únosnosti) Chemické a mineralogické analýzy - RTG difrakcie - Elektrónová mikrosonda - DSC - Diferenciálna skenovacia kalorimetria - TG - Tepelná gravimetrická analýza V geotechnickom laboratóriu FAST je možné podľa kapacitných možností vykonať základnú klasifikáciu zeminy a ostatných vzoriek, skúšku Proctor Standard, objemové zmeny materiálu, krabicovú skúšku a stlačiteľnosť. Zariadenia nie sú ale certifikované pre preukázanie relevantných výsledkov priamo pre prax, ktoré dizertačná práca vyžaduje. Zvyšné potrebné skúšky sa plánujú vykonať v laboratóriu SG Geotechnika a.s., na čo sú aj vyhradené financie z rozpočtu. Tieto finančné rezervy avšak nestačia na pokrytie celkových nákladov, takže sa dohadujú možné zľavy a úľavy. Laboratórium SG Geotechnika a.s. patrí do skupiny spoločnosti Arcadis CZ, ktorá sa zaoberá celou škálou geotechnických služieb a taktiež aj použitím odpadových materiálov v cestnom staviteľstve. Školiteľ riešiteľa projektu je zamestnancom ostravskej pobočky tejto spoločnosti, preto je možná aj ďalšia praktická spolupráca a využitie poznatkov priamo v konkrétnej praxi (dokončenie výstavby cesty Predĺžená Rudná a výstavba plánovanej cesty Predĺžená Místecká v Ostrave). Zdôvodnenie zapojenia členov týmu: Ing. Lucia Bulíková, hlavný riešiteľ, dizertačná práca zhodná s problematikou projektu doc. RNDr. František Kresta, Ph.D., interný školiteľ, významné publikácie a v oblasti problematiky projektu Ing. Kateřina Kočí, spoluriešiteľ, vyštudované VSCHT, výpomoc pri príprave vzoriek na chemické analýzy a konzultácia ich výsledkov Bc. Lukáš Procházka - náhrada za K. Kočí, ktorá ukončila šdúdium HARMONOGRAM PRÁC: Január - Február- príprava podkladov a účasť na medzinárodnej konferencii (ECA17), sumarizácia predošlých výsledkov, administratívna činnosť spojená s odberom testovaného materiálu Marec - odber vzoriek materiálu (Třinecký popolček, zemina z oblasti Ostravy) a uloženie v laboratórií, príprava laboratórneho zariadenia, tvorba konkrétneho harmonogramu prác ohľadom aktuálnych kapacitných možností laboratória Apríl - Stanovenie základných fyzikálnych a deformačných charakteristík, možná úprava receptúr na dosiahnutie požadovaných vlastností Máj - publikačná činnosť, príspevok v zborníku „Popílky 2017“ Jún - príprava vzoriek na mineralogicko chemické analýzy spolu so spoluriešiteľkou K. Kočí, spolupráca na stanovení výsledkov z DSC/TG analýzy v laboratóriu FAST, vyhodnotenie výsledkov z elektronickej mikrosondy a RTG difrakcie (stredisko ICT) spolu s K. Kočí a ich príprava k publikácií Júl - August - stanovenie a spracovanie pevnostných a deformačných charakteristík v odbornom laboratóriu SG Geotechnika a.s. v Prahe, kontrola priebehu prác priamo v laboratóriu; sumarizácia, spracovanie výsledkov a príprava na medzinárodnú konferenciu September - príspevok na medzinárodnej konferencii „Best Infra“ (D) Október - November - kompletné spracovanie výsledkov, publikačná činnosť (J) November - December - príspevok na medzinárodnej konferencii AEE (D), záverečná správa projektu Dosiahnuté výsledky týmu: KRESTA F. Druhotné suroviny v dopravním stavitelství. Ediční středisko VŠB-TU Ostrava, 2012 (B) KRESTA F. Úprava zemin pojivy s obsahem popílku a dosavadní výsledky aplikace pojiva RSS5. Silniční obzor, Česká silniční společnost, 2014 (Jrec) KRESTA F. Use of industrial by-products in earthworks in the Czech Republic. Geological Society Engineering Geology Special Publication, Geological Society of London, 2012, s. 109-113 (Jrec) KRESTA F. Popílky z úložišť Předmostí a Prosenice - potenciální zdroj materiálu pro stavbu dálnice D1 v úseku Přerov - Lipník. Popílky ve stavebnictví : sborník recenzovaných přednášek II. mezinárodní konference, VUT v Brně, 2015, s. 141-152 KRESTA F. Popílek jako pojivo nebo součást pojiv. Popílky ve stavebnictví 2013 : I. mezinárodní konference : [15.-17. května 2013, Brno] : sborník přednášek, Asociace pro využití energetických produktů, 2013, s. 32-37 KRESTA F.Fly ash utilisation in road construction in Czech republic. 41. Savetovanje - ZAŠTITA VAZDUHA 2013, Privredna Komora Srbije, Zbornik radova, Privredna komora Srbije, 2013, s. 118-125 (článok zahraničnej konferencie) KRESTA F. Use of industrial by-products in earthworks in the Czech Republic. Geological Society Engineering Geology Special Publication, Geological Society of London, 2012, s. 109-113(Jsc) BULÍKOVÁ L., KRESTA F. Mineralogical and mechanical properties of fly ash produced by AMO power station with respect to soil treatment. EuroCoalAsh 2017-Innovations in Power Plant Technology and CCP Utilization,[6 - 8th February 2017, Brno].(Bude publikované v roku 2017)

2017

2017

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Bulíková Lucia Ing.

Úprava zemín popolčekmi

SP2017/155

Rozbor stavu problematiky Výskum potenciálneho využitia popolčekov a popolov z tepelných elektrární začal v Európe počas 2. svetovej vojny vo Veľkej Británii. Popolčeky boli najprv používané ako prímes do betónu pre zníženie spotreby portlandského cementu. Popolčeky sa začali využívať v stavebníctve aj ako materiál pre stavbu násypových telies pozemných komunikácií [1]. Do konca 20. storočia sa popolčeky využívali v cestnom staviteľstve iba pre výstavbu násypov a vyrovnávanie priľahlého terénu v blízkosti ich zdroja. Potom sa v Českej republike využitie popolčeku do inžinierskych stavieb podstatne zvýšilo a napríklad v roku 2009 bolo spracovaných 100 000 ton popolčeku za rok, pri výstavbe diaľnice D11 Osičky – Hradec Králové, ako násypového materiálu [2]. Úprava a stabilizácia zemín je zmena vlastností pôd s cieľom zlepšiť ich staviteľskú výkonnosť. Modifikácie pôdnych vlastností sa prevádzajú na základe zlepšenia ich stability a urýchlenia danej výstavby [6]. V súčasnosti sa hydraulické cestné spojivá, používané k úprave zemín, prevažne skladajú z cementu alebo vápna. Avšak keďže je ich výroba ekologicky aj ekonomicky náročná, hľadajú sa iné lacnejšie možnosti. Úspešnou alternatívou sa stal Vedľajší Energetický Produkt - popolček. Jeho spracovávaním a využívaním sa taktiež rieši nakladanie s odpadovým priemyselným materiálom, a spĺňanie dnešných prísnych ekologických požiadaviek na odpady. Úprava zemín iba popolčekovým spojivom nebola v ČR doteraz vykonaná, aj keď to jeho normatívna základňa umožňuje. Keďže jednotnosť kvality popolčekov je veľmi náročné dosiahnuť, nedajú sa určiť všeobecne platné zásady ich konkrétneho použitia. Ich základné vlastnosti sú závislé predovšetkým na zdroji primárnej uholnej suroviny, technologickom postupe ich výroby a následnej úprave. Z toho dôvodu sa ich vlastnosti a účinky v praxi musia pred využitím v danej oblasti stavebníctva vždy náležite overiť, aby sa predišlo možným haváriám alebo investičným odstávkam výstavby [3]. Popolčeky sa využívajú pri geotechnických aplikáciách spojených s cestnými stavbami pri úpravách zemín k zvýšeniu pevnostných vlastností zemín, pre kontrolu zmrštenia a bobtnania zemín, zníženie obsahu vody v pôdach a pre úpravu krivky zrnitosti [6]. Výsledky využitia popolčekov ako spojiva pre zeminy v cestnej infraštruktúre v zahraničí: V roku 1990 bola pri stavbe letiskovej plochy v Houstone použitá pre úpravu jemnozrnných zemín zmes popolčeku a vápna. Ani po viac ako 10 rokoch prevádzky neboli pozorované na týchto plochách žiadne poruchy ani deformácie [4]. Pre stabilizáciu nestmelených vrstiev na skúšobnom úseku pozemnej komunikácie v Hallstaviku vo Švédku boli využité zmesi vápenatého popolčeka s hydraulickými spojivami. Pre komunikácie s nízkym dopravným zaťažením vyhoveli zmesi s 20 % a 30% popolčeku bez ďalšieho aditíva a najlepšie výsledky boli dosiahnuté v zmesi 5% popolčeka s 5% cementu [5]. [1] SEAR L.K.A. Properties and use of coal fly ash, Thomas Telford Ltd, 2001 [2] KRESTA F. Druhotné suroviny v dopravním stavitelství. Ediční středisko VŠB-TU Ostrava, 2012 [3] BULÍKOVÁ L. Popolčeky a ich potenciál využitia v cestnej infraštruktúre pri úprave zemín. Silniční síť základ civilizace a prosperity - magazín SPRSD (Jaro 2017). (Bude publikované v roku 2017) [4] GODIWALLAP.E. Performance Evaluation of Lime Fly-ash Stabilization as a Pozzolanic Stabilizer for Airfield Pavement Used at Houston Airport Systems. Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2012 [5] MÁCSIK J.Stabilization of road structures with fly ash as binder component –through demo projects to full scale use. Ash Utilisation 2012. Stockholm Sweden. 2012 [6] AMERICAN COAL ASH ASSOCIATION, Fly ash facts for highway engineers, FHWA, 2003, 47-52 PREHĽAD POUŽITÝCH METÓD Fyzikálne a mechanické vlastnosti: Stanovenie základných fyzikálnych, deformačných a pevnostných charakteristík, ktoré sú kľúčové ku kategorizácií primárnych testovaných materiálov. Podľa daných výsledkov sa rozhodne o ich ďalšom použití i možnej úprave zloženia receptúr. Časť fyzikálnych vlastností je možné vykonať v laboratóriu FAST ale kvôli nízkej kapacite a hlavne necertifikovanému vybaveniu laboratória budú skúšky vykonané externým laboratóriom v podobe služieb. Chemické analýzy: Združená DSC/TG analýza bude vykonaná na rozomletých vzorkách a testy prebehnú na pracovisku ICT, ktoré je situované na VŠB TUO FAST, takže je k nim neobmedzený prístup, ale s plánovanou náhradou spotrebovaného laboratórneho materiálu. Skenovacia elektrónová mikroskopia pre štúdium štruktúr v materiály a RTG difrakcia pre stanovenie fázových štruktúr. Tieto analýzy budú vykonané na stredisku ICT situovanom na VŠB TUO HGF a taktiež sú podmienené nákupom spotrebného materiálu a prípadnou účasťou na publikačných výstupoch. Chemické zloženie popolčekov a reakcie počas spaľovania ovplyvňuje prítomnosť vody, dostatok kyslíka, obsah síry, konštrukcia ohniska, riadenie procesu horenia, obsah spáliteľných látok. Mineralogická štruktúra popolčeku je kľúčová pre stanovenie ich reaktivity, preto je potrebné zistiť presné zloženie a štruktúru testovaného materiálu. ROZSAH LABORATÓRNYCH SKÚŠOK - každá skúška bude vykonaná na 8 rozličných vzorkách/receptúrach: Fyzikálne a mechanické vlastnosti - klasifikačný rozbor zeminy (vlhkosť, zrnitosť, medza tekutosti a plasticity, index plasticity) - priepustnosť pri konštantnom spáde - stlačiteľnosť v edometru - krabicová šmyková skúška - objemové zmeny - lineárne bobtnanie - Proctor standard - maximálna objemová hmotnosť, optimálna vlhkosť - na každej jednej vzorke je potreba vykonať po 4 série merania - CBR so sýtením (Kalifornský pomer úmernosti), - IBI (okamžitý index únosnosti) Chemické a mineralogické analýzy - RTG difrakcie - Elektrónová mikrosonda - DSC - Diferenciálna skenovacia kalorimetria - TG - Tepelná gravimetrická analýza V geotechnickom laboratóriu FAST je možné podľa kapacitných možností vykonať základnú klasifikáciu zeminy a ostatných vzoriek, skúšku Proctor Standard, objemové zmeny materiálu, krabicovú skúšku a stlačiteľnosť. Zariadenia nie sú ale certifikované pre preukázanie relevantných výsledkov priamo pre prax, ktoré dizertačná práca vyžaduje. Zvyšné potrebné skúšky sa plánujú vykonať v laboratóriu SG Geotechnika a.s., na čo sú aj vyhradené financie z rozpočtu. Tieto finančné rezervy avšak nestačia na pokrytie celkových nákladov, takže sa dohadujú možné zľavy a úľavy. Laboratórium SG Geotechnika a.s. patrí do skupiny spoločnosti Arcadis CZ, ktorá sa zaoberá celou škálou geotechnických služieb a taktiež aj použitím odpadových materiálov v cestnom staviteľstve. Školiteľ riešiteľa projektu je zamestnancom ostravskej pobočky tejto spoločnosti, preto je možná aj ďalšia praktická spolupráca a využitie poznatkov priamo v konkrétnej praxi (dokončenie výstavby cesty Predĺžená Rudná a výstavba plánovanej cesty Predĺžená Místecká v Ostrave). Zdôvodnenie zapojenia členov týmu: Ing. Lucia Bulíková, hlavný riešiteľ, dizertačná práca zhodná s problematikou projektu doc. RNDr. František Kresta, Ph.D., interný školiteľ, významné publikácie a v oblasti problematiky projektu Ing. Kateřina Kočí, spoluriešiteľ, vyštudované VSCHT, výpomoc pri príprave vzoriek na chemické analýzy a konzultácia ich výsledkov Bc. Lukáš Procházka - náhrada za K. Kočí, ktorá ukončila šdúdium HARMONOGRAM PRÁC: Január - Február- príprava podkladov a účasť na medzinárodnej konferencii (ECA17), sumarizácia predošlých výsledkov, administratívna činnosť spojená s odberom testovaného materiálu Marec - odber vzoriek materiálu (Třinecký popolček, zemina z oblasti Ostravy) a uloženie v laboratórií, príprava laboratórneho zariadenia, tvorba konkrétneho harmonogramu prác ohľadom aktuálnych kapacitných možností laboratória Apríl - Stanovenie základných fyzikálnych a deformačných charakteristík, možná úprava receptúr na dosiahnutie požadovaných vlastností Máj - publikačná činnosť, príspevok v zborníku „Popílky 2017“ Jún - príprava vzoriek na mineralogicko chemické analýzy spolu so spoluriešiteľkou K. Kočí, spolupráca na stanovení výsledkov z DSC/TG analýzy v laboratóriu FAST, vyhodnotenie výsledkov z elektronickej mikrosondy a RTG difrakcie (stredisko ICT) spolu s K. Kočí a ich príprava k publikácií Júl - August - stanovenie a spracovanie pevnostných a deformačných charakteristík v odbornom laboratóriu SG Geotechnika a.s. v Prahe, kontrola priebehu prác priamo v laboratóriu; sumarizácia, spracovanie výsledkov a príprava na medzinárodnú konferenciu September - príspevok na medzinárodnej konferencii „Best Infra“ (D) Október - November - kompletné spracovanie výsledkov, publikačná činnosť (J) November - December - príspevok na medzinárodnej konferencii AEE (D), záverečná správa projektu Dosiahnuté výsledky týmu: KRESTA F. Druhotné suroviny v dopravním stavitelství. Ediční středisko VŠB-TU Ostrava, 2012 (B) KRESTA F. Úprava zemin pojivy s obsahem popílku a dosavadní výsledky aplikace pojiva RSS5. Silniční obzor, Česká silniční společnost, 2014 (Jrec) KRESTA F. Use of industrial by-products in earthworks in the Czech Republic. Geological Society Engineering Geology Special Publication, Geological Society of London, 2012, s. 109-113 (Jrec) KRESTA F. Popílky z úložišť Předmostí a Prosenice - potenciální zdroj materiálu pro stavbu dálnice D1 v úseku Přerov - Lipník. Popílky ve stavebnictví : sborník recenzovaných přednášek II. mezinárodní konference, VUT v Brně, 2015, s. 141-152 KRESTA F. Popílek jako pojivo nebo součást pojiv. Popílky ve stavebnictví 2013 : I. mezinárodní konference : [15.-17. května 2013, Brno] : sborník přednášek, Asociace pro využití energetických produktů, 2013, s. 32-37 KRESTA F.Fly ash utilisation in road construction in Czech republic. 41. Savetovanje - ZAŠTITA VAZDUHA 2013, Privredna Komora Srbije, Zbornik radova, Privredna komora Srbije, 2013, s. 118-125 (článok zahraničnej konferencie) KRESTA F. Use of industrial by-products in earthworks in the Czech Republic. Geological Society Engineering Geology Special Publication, Geological Society of London, 2012, s. 109-113(Jsc) BULÍKOVÁ L., KRESTA F. Mineralogical and mechanical properties of fly ash produced by AMO power station with respect to soil treatment. EuroCoalAsh 2017-Innovations in Power Plant Technology and CCP Utilization,[6 - 8th February 2017, Brno].(Bude publikované v roku 2017)

2017

2017

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Bulíková Lucia Ing.