Ulepszanie i stabilizacja gruntów spoiwem wapiennym

Wstęp

W ostatnich latach dużo mówi się o potrzebie modernizacji i rozwoju polskich szlaków transportowych, koniecznych w nowoczesnym i sprawnie działającym państwie. Korzyści z posiadania sprawnej i wydajnej komunikacji są dla wszystkich oczywiste. Projektowanie, budowa lub modernizacja linii kolejowych, autostrad, dróg szybkiego ruchu jest dużym przedsięwzięciem technologicznym, dla którego należy znaleźć punkt równowagi pomiędzy szybkością wykonywania prac budowlanych, a ich jakością i opłacalnością. Ma to zostać osiągnięte przy jak najmniejszej ingerencji w środowisko naturalne, co oznacza poszukiwanie „złotego środka” pomiędzy szybkością i jakością wykonywania prac a ingerencją w naturalne środowisko człowieka. Stosowanie spoiw wapiennych wszędzie tam, gdzie do czynienia mamy z koniecznością posadowienia dróg lub podtorzy na gruntach spoistych, jest optymalnym rozwiązaniem. Stosowanie ich eliminuje konieczność wymiany gruntu spoistego na nowy, łatwo dający się zagęszczać, co inwestorom i wykonawcom przynosi wymierne korzyści ekonomiczne.

Pytania jak poniżej:

• Jak ponownie użyć grunt pochodzący z wykopów, aby uzyskać poprawny bilans materiałów potrzebnych do budowy szlaku transportowego?
• Co zrobić z gruntami wysadzinowymi?
• Jak poprawić ich parametry?
• W jaki sposób prowadzić prace w terenach gęsto zaludnionych, aby nie obciążać znacząco lokalnego środowiska i mieszkańców?
• Jak prowadzić prace budowlane, aby zminimalizować utrudnienia w komunikacji?

stawiają sobie zarówno projektanci, jak i wykonawcy robót. Znalezienie właściwej odpowiedzi na nie przekłada się na wymiar finansowy inwestycji.

Zdjęcie 1. W wielu przypadkach szlaki komunikacyjne będą przebiegać przez tereny, gdzie zlokalizowane są grunty spoiste.

W dawnych czasach, gdy przy budowie lub modernizacji szlaku komunikacyjnego natrafiano na grunty spoiste lub wysadzinowe, jedynym rozwiązaniem była wymiana gruntu plastycznego na grunt niespoisty dający się łatwo zagęszczać. Metoda tyleż skuteczna, co bardzo kosztowna i czasochłonna. Przemieszczanie olbrzymich mas ziemnych wiąże się zawsze z daleko idącą negatywną ingerencją w środowisko naturalne. Z jednej strony, przy niewystarczającej wydajności i ilości lokalnych źródeł kruszywa istniała konieczność otwierania nowych kopalń piasku lub kamienia. Z drugiej strony, transportowanie olbrzymich ilości materiałów budowlanych samochodami ciężarowymi zawsze przyczynia się do szybkiej degradacji lokalnych dróg i dużej uciążliwości dla mieszkańców. No i dodatkowo, nie należy zapominać, że w tych warunkach grunt spoisty traktowany jest jako zbyteczny i uciążliwy odpad, dla którego należy znaleźć miejsce na składowanie.

Czy w przypadku gruntów spoistych jesteśmy skazani wyłącznie na ich wymianę? Oczywiście, że nie. Od wielu lat przy budowie dróg i autostrad stosowana jest technologia stabilizowania gruntów spoistych i/lub wysadzinowych za pomocą wapna palonego. Technologia ta jest tak skuteczna, że wymiana gruntów odeszła szybko w zapomnienie.

Ktoś może zapytać: „Cóż takiego innowacyjnego jest w tej technologii? Przecież stabilizacja gruntów wapnem znana jest od dawna. Wykonywano ją chociażby w latach 70-tych ubiegłego wieku”. Zgoda, stabilizowanie gruntów wapnem nie jest nowością samą w sobie, ale postęp techniczny, jaki się w ciągu ostatnich dziesięcioleci dokonał (nowe maszyny i urządzenia, nowe produkty) powoduje, że mamy do czynienia z zupełnie nową jakością prowadzenia robót. Wykonuje się je szybko i sprawnie, co powoduje znaczące przyśpieszenie prac budowlanych, czemu równocześnie towarzyszy zmniejszenie nakładów finansowych na uzyskanie podłoży o odpowiedniej nośności.

Zdjęcie 2. Już średniej wielkości recykler zapewnia wydajność mieszania gruntu z wapnem na poziomie 2000 m³/dzień.

Zdjęcie 3. Współczesny recykler umożliwia wymieszanie spoiwa wapiennego z gruntem na głębokość do 50 cm.

Grunty

Zgodnie z Polską Normą PN-EN ISO 14688-1, gruntem określa się zespół cząstek mineralnych, niekiedy z substancją organiczną w postaci osadu, który może być rozdrobniony przez delikatne rozcieranie w ręce, zawierający wodę i powietrze (a niekiedy także inne gazy).

Generalnie, grunty można podzielić na dwa rodzaje: spoiste i niespoiste. Gruntami wykazującymi właściwości spoiste nazywamy takie, dla których daje się wyznaczyć granicę plastyczności Wp. Grunty spoiste charakteryzują się m.in. tym, że mają dużą zdolność do chłonięcia wody. Ilość wody pochłonięta przez grunt silnie wpływa na jego właściwości mechaniczne. Zagęszczanie gruntów spoistych w ich stanie plastycznym lub płynnym jest praktycznie niemożliwe. Sytuacja zmienia się zdecydowanie na korzyść, jeśli do obniżenia wilgotności naturalnej gruntu zastosowane zostanie spoiwo wapienne. Z jednej strony dzięki jego stosowaniu udaje się doprowadzić grunt do wilgotności optymalnej, a z drugiej strony procesy jakie zachodzą w strukturze gruntu powodują, że staje się on gruntem pozwalającym łatwo się zagęszczać.

Trochę chemii

Aby zrozumieć fenomen ulepszania gruntów spoiwami wapiennymi, jak również, aby te spoiwa poprawnie stosować, wymagana jest znajomość i rozróżnienie podstawowych produktów przemysłu wapienniczego. Zastosowanie niewłaściwego produktu może skutecznie zniweczyć zamierzony efekt, co prozaicznie można określić jako „nieudana, lub nie w pełni udana stabilizacja”.

Należy zatem wiedzieć, że wapno palone powstaje po wypale kamienia wapiennego, czyli jego dysocjacji. Reakcja przebiega wg wzoru

CaCO₃ (kamień wapienny) → CaO (wapno palone) + CO₂↑ (dwutlenek węgla)

W zależności od tego w jakiej temperaturze prowadzi się wypał wapna, jak również w zależności od zastosowanego paliwa, otrzymuje się wapna palone o odmiennych właściwościach. Oprócz składu chemicznego, parametrem charakteryzującym wapno palone jest tzw. t₆₀, czyli czas w jakim, po dodaniu wapna palonego do wody, ich mieszanina osiąga temperaturę 60ºC. Parametr t₆₀ określany jest również mianem „czas gaszenia wapna”.

Posługując się parametrem t₆₀ wapno palone zostało sklasyfikowane w następujący sposób:

To, jak szybko wapno reaguje z wodą, zależy od jego struktury krystalograficznej. Wapna, których wypał prowadzono w niższych temperaturach charakteryzują się wysoką reaktywnością. Im wyższa temperatura wypału – tym intensywniej przebiegają procesy spiekania ziaren CaO, co prowadzi do obniżenia jego reaktywności.

Do ulepszania i stabilizowania przewilgoconych gruntów powinno stosować się wyłącznie wapno wysoko reaktywne, a więc takie o czasie gaszenia poniżej 3 min. Tylko wówczas jesteśmy w stanie uzyskać maksymalny efekt osuszania przewilgoconego gruntu oraz doprowadzenia wilgotności do wartości optymalnej.

Zgodnie z polską normą PN-EN 459-1, wapno palone przeznaczone do stosowania w inżynierii lądowej, oznacza się jako wapno budowlane EN 459-1 CL 90-Q, gdzie: CL, to skrót od angielskiego określenia Calcium Lime (wapno wapniowe), Q, to skrót od Quicklime (wapno palone), liczba 90 wyraża minimalną zawartość CaO + MgO, przy czym zawartość MgO ma być mniejsza niż 5%.

Oczywiście do stabilizacji gruntów można również stosować produkty o mniejszej zawartości aktywnego CaO (np. wapno budowlane EN 459-1 CL 80-Q), lecz należy mieć na uwadze, że będą one mniej skuteczne, gdyż zawierają mniejszą ilość aktywnego tlenku wapnia i/lub tlenku magnezu.

Zdjęcie 4. Wapno palone przekształca grunt spoisty w grunt quasi-piaskowy dający się łatwo zagęszczać.

Wapno palone reagując z wodą przechodzi w wodorotlenek wapnia Ca(OH)₂. Towarzyszy temu wydzielanie dużej ilości ciepła, jako że reakcja jest silnie egzotermiczna. Handlowa nazwa wodorotlenku wapnia to wapno hydratyzowane lub suchogaszone. Reakcja tworzenia wodorotlenku wapnia opisana jest wzorem:

CaO (wapno palone) + H₂0 (woda) → Ca(OH)₂ (wodorotlenek wapnia) + Q (ciepło)

Takie wapno ma oznaczenie wapno budowlane EN 459-1 CL 90-S, co należy odczytać jako wapno wapniowe w postaci wodorotlenku wapnia o minimalnej zawartości czynnego CaO+MgO powyżej 90%. W tym przypadku symbol „S” pochodzi od angielskiego słowa „slaked”, czyli gaszony lub zgaszony w odniesieniu do wapna.

Do uzdatniania i stabilizacji przewilgoconych gruntów spoistych wapno hydratyzowane nie powinno być stosowane, gdyż wykazuje znikomą efektywność osuszania gruntów. Wynika to z faktu, że wapno to nie będzie reagowało z wodą zawartą w gruncie, a zatem reakcja egzotermiczna nie wystąpi. Grunty staną się co prawda nieznacznie mniej wilgotne, ale tylko dlatego, że przybędzie w nich suchej masy. Natomiast wapno hydratyzowane powinno być stosowane w przypadku występowania gruntów spoistych przesuszonych. W przypadku takich gruntów wapno hydratyzowane stosowane jest w postaci mleka wapiennego.

Działanie wapna palonego – efekt w krótkim czasie

Oddziaływanie wapna palonego można podzielić na dwa etapy biorąc pod uwagę procesy, jakie zachodzą w strukturze gruntu. Pierwszy etap polega na obniżeniu naturalnej wilgotności gruntu do wartości optymalnej określonej w badaniu Proctora.

Tlenek wapnia (CaO) jest związkiem chemicznym reagującym z wodą. Reakcja ta jest silnie egzotermiczna i powoduje wydzielenie dużej ilości ciepła (około 15,5 cal/mol). Dzięki temu przewilgocony grunt ulega osuszeniu. Przyjmuje się, że każdy procent wapna dodany do gruntu powoduje spadek jego wilgotności o min. 1 ÷ 5 %. Wapno palone zmniejszając ilość wody zaabsorbowaną przez cząstki gruntu powoduje, iż staje się on mniej plastyczny.

Rysunek 1. Grunt rodzimy oraz grunt wymieszany ze spoiwem wapiennym mają różną charakterystykę, gdzie: WP – granica plastyczności, WL – granica płynności IP – wskaźnik plastyczności

Oprócz spadku wilgotności gruntu, dodatkowo dochodzi w nim do wymiany jonowej, w której jony Ca²⁺ zastępują jony Na⁺. Towarzyszy temu zjawisko flokulacji oraz aglomeracji cząstek gruntu, w wyniku czego grunt plastyczny ulega przekształceniu w grunt quasi-piaskowy dający się zagęszczać. Wskaźnik plastyczności I_p ulega zmniejszeniu poprzez podwyższenie granicy plastyczności, a to oznacza, że właściwości mechaniczne gruntu stają się mniej zależne od ilości wody zawartej w gruncie. Zmiany tekstury gruntu wpływają również na zmianę wskaźnika CBR (Californian Bearing Ratio). Należy również zwrócić uwagę, że w gruncie następuje zmiana orientacji cząstek gruntu, co powoduje wzrost jego wewnętrznego tarcia, wynikiem czego jest wzrost nośności gruntu.

Rysunek 2. Wymiana jonowa, procesy flokulacji oraz aglomeracji powodują przekształcenie gruntu spoistego w grunt zagęszczalny.

Działanie wapna palonego – efekt długoterminowy

Poza opisanymi powyżej zjawiskami powodującymi szybką zmianę struktury gruntu spoistego, przy stosowaniu wapna zachodzą również inne zjawiska, które w dłuższym okresie czasu skutkują wzrostem wytrzymałości gruntu, a odpowiedzialna jest za to rekcja pucolanowa.

Spośród 88 pierwiastków występujących na Ziemi, tylko 8 jest zaliczanych do pospolitych, a więc tych które są podstawowym składnikiem skorupy ziemskiej. Są to tlen (46%), krzem (28%), glin (8%), żelazo (6%), wapń (4%), sód (3%), potas (2%), magnez (2%).

Z drugiej strony, dotychczas zidentyfikowano ok. 3 000 minerałów tworzących skorupę ziemską, przy czym 10 minerałów buduje 90% skorupy ziemskiej. Są to w kolejności: 60% - skalenie; 15% - oliwiny, pirokseny i amfibole; 12% - kwarc; 3% - miki i inne krzemiany, które zawierają w swoim składzie m.in. tetraedry krzemowe oraz oktaedry glinowe.

Dodanie wapna palonego powoduje wzrost pH do wartości powyżej 12. W środowisku zasadowym znacząco wzrasta rozpuszczalność krzemionki oraz trójtlenku glinu zawartych w gruncie, stąd też mogą one wchodzić w reakcję z jonami wapnia. Wynikiem tego jest tworzenie faz CSH oraz CAH powodujących sklejenie cząstek gruntu i stały wzrost jego wytrzymałości na ściskanie. Badania polowe wskazują, że niektóre kombinacje spoiwo wapienne – grunt mają zdolność do systematycznego przyrostu wytrzymałości nawet przez 10 lat od momentu wykonania stabilizacji.

Podsumowanie

Współczesny świat wymaga od nas, aby prowadzić inwestycje w sposób efektywny zarówno pod względem finansowym, jak i z uwzględnieniem ochrony zasobów naturalnych. Projektanci i wykonawcy nie mają wpływu na rodzaj gruntu, jaki występuje w miejscu budowy lub modernizacji szlaku kolejowego. W miejscu, gdzie występuje grunt spoisty bardzo dobrze sprawdzają się technologie pozwalające na jego ustabilizowanie. Obecnie stosowane produkty i urządzenia zapewniają dużą efektywność i szybkość prac związanych ze stabilizacją. Spoiwa wapienne dzięki swoim właściwościom doskonale sprawdzają się zarówno przy budowie nowych szlaków transportowych, jak i modernizacji już istniejących. Właściwości osuszające oraz reakcja pucolanowa, jakie są udziałem spoiwa wapiennego powodują, że produkt ten jest niezastąpiony we wszelkiego rodzaju pracach ziemnych prowadzonych na gruntach spoistych.