GEOTECHNIKI
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono analizę możliwości zastosowań materiałów antropogenicznych w szeroko pojętej działalności inżynierii geotechnicznej w Polsce i korzyści z obniżenia emisyjności CO2, dzięki stosowaniu tych materiałów. Zgodnie z ustaleniami protokołu z Kioto 2005 oraz postanowieniami tzw. „Energy Roadmap 2050”
materiały tego rodzaju będą miały w niedługiej perspektywie priorytet aplikacyjny względem kruszyw naturalnych [1]. Przedstawiono przykłady obliczania emisji CO2 dla konstrukcji geotechnicznych oraz sugestie odpowiednich działań zmierzających do wdrożenia proponowanych rozwiązań. Na koniec zaprezentowano przykłady wdrożeniowe technologii z zastosowaniem materiałów antropogenicznych oraz krótki opis eksperymentu prowadzonego w skali naturalnej.
SŁOWA KLUCZOWE: Kruszywa antropogeniczne, zielona geotechnika, emisje CO2, system ETS
1. WSTĘP
Od wielu lat obserwuje się w Europie, w tym także w Polsce, wzrost wykorzystania materiałów antropogenicznych, jak np. uboczne produkty spalania (UPS), jako cennego surowca na potrzeby drogownictwa czy w produkcji materiałów budowlanych. Z drugiej strony fakty świadczą o tym, że w naszym kraju ciągle istnieje szereg barier – zarówno mentalnych, społecznych, czy administracyjnych – utrudniających zagospodarowywanie tych produktów. Warto spojrzeć na korzyści płynące z ich zastosowania w szerszym kontekście – tzw. „Zielonej Geotechniki”, której celem jest promowanie działalności inżynierskiej przyjaznej środowisku. Aspekt proekologiczny jest tu rozumiany wielowarstwowo: jako zmniejszenie ilości odpadów stałych (powtórne wykorzystanie kruszyw antropogenicznych), redukcja emisji CO2 (wykorzystanie materiałów niskoemisyjnych) i ograniczenie zużycia energii (stosowanie materiałów dostępnych blisko miejsca budowy).
W dniu 17 grudnia 2008 r. zostało podpisane porozumienie w sprawie przyjęcia ______________________
1 rafal.ossowski@pg.gda.pl
2 zbigniew.sikora@pg.gda.pl
rozwiązań legislacyjnych zmierzających do kontrolowania i ograniczenia emisji gazów cieplarnianych na terenie Unii Europejskiej, określanych jako pakiet energetyczno-klimatyczny. Głównym celem regulacji zawartych w pakiecie jest osiągnięcie do 2020 roku 20% redukcji emisji gazów cieplarnianych, w stosunku do poziomu emisji z 1990 roku w UE.
Dwoma kluczowymi elementami przyjętego pakietu, określającymi ramy prawne zarządzania emisjami gazów cieplarnianych i w praktyce ustanawiającymi tzw. limity emisji dla poszczególnych państw członkowskich UE są:
1) dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/29/WE z dnia 23 kwietnia 2009r.
zmieniająca dyrektywę 2003/87/WE w celu usprawnienia i rozszerzenia wspólnotowego systemu handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych (tzw. dyrektywa EU ETS – Emission Trading System) – celem jest doprowadzenie do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych w sektorach objętych systemem EU ETS (tj. energetyce i większości działów przemysłu) w 2020 roku o 21%, w stosunku do poziomu emisji z 2005 roku;
2) decyzja Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2009/406/WE z dnia 23 kwietnia 2009r.
w sprawie wysiłków podjętych przez państwa członkowskie, zmierzających do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych w celu realizacji do roku 2020 zobowiązań Wspólnoty dotyczących redukcji emisji gazów cieplarnianych (tzw. decyzja non-ETS) – zakłada ona 10% redukcję emisji gazów cieplarnianych w okresie 2005-2020 w sektorach nie objętych systemem EU ETS, takich jak: transport i budownictwo, rolnictwo, instytucje, handel, usługi, odpady, emisja lotna z paliw, sektor komunalno-bytowy oraz również niektóre procesy przemysłowe i spalanie paliw.
Emisja CO2 w kraju sięga ok. 210 milionów ton w obszarze ETS oraz 200 milionów ton w obszarze non-ETS rocznie. Jeśli chodzi o odpady mineralne, to w naszym kraju wytwarza się ich ponad 100 milionów ton rocznie. Najwięcej – bo ponad 40 milionów ton odpadów wytwarza górnictwo (głównie tzw. łupki przywęglowe). Elektrownie i elektrociepłownie produkują ponad 15 milionów ton popiołów i żużli rocznie. W przypadku tych ostatnich, tj. UPS, ich wykorzystanie sięga 70%, czyli ponad 11 milionów ton rocznie. Stosuje się je w produkcji cementu oraz spoiw hydraulicznych i iniekcyjnych, a także lekkich kruszyw, wykorzystuje się je do stabilizacji podbudów drogowych. Bilans wypada jednak niekorzystnie dla środowiska: na składowiskach zgromadzono dotychczas miliardy ton tych materiałów.
Po stronie konsumpcji Polska gospodarka wykorzystuje rocznie ponad 200 milionów ton kruszyw naturalnych, około 15 milionów ton cementu i prawie 10 milionów ton wapnia. Prosty rachunek wskazuje na to, że zwiększenie wykorzystania mineralnych surowców antropogenicznych pozwoli na uzyskanie podwójnych korzyści: po pierwsze zmniejszy się ilość odpadów deponowanych w środowisku (ideałem byłby bilans ujemny – redukujący wolumen hałd i składowisk), a po drugie zmniejszy się emisja CO2. Co prawda w ramach obszaru non-ETS unijny cel redukcyjny został zróżnicowany i niektóre państwa członkowskie mogą nawet zwiększyć swoją emisję w okresie 2013-2020 (np. Polska ma możliwość zwiększenia emisji w sektorach non-ETS o 14%), jednak należy pamiętać, że prace legislacyjne w UE zmierzają do włączania kolejnych gałęzi gospodarki w obszar ETS, w związku z czym poszukiwanie niskoemisyjnych technologii zastępczych staje się istotnym priorytetem. Świadczy o tym chociażby przyjęcie przez Komisję Europejską w dniu 15 grudnia 2011 tzw. Energetycznej Mapy Drogowej 2050 (Energy Roadmap 2050 [1]).
2. POTENCJALNE KORZYŚCI W OBSZARZE GEOTECHNIKI
Stosowanie materiałów antropogenicznych może przynieść wymierne korzyści nie tylko w wymiarze środowiskowym ale i ekonomicznym. Potencjalne sektory budownictwa, w których mogą być (i są) stosowane ww. kruszywa to m.in.: inżynieria komunikacyjna (drogowa, kolejowa), budownictwo wodne i morskie [2] (wały przeciwpowodziowe,
refulacje), rekultywacja wyrobisk i innych terenów zdegradowanych, wzmacnianie gruntów organicznych do celów budownictwa.
Oprócz oczywistej korzyści, jaką daje stosowanie UPS, tj. zmniejszenie emisji CO2, do głównych zalet tych materiałów można zaliczyć ich dobre uziarnienie (dobrą zagęszczalność), właściwości puculanowe i/lub hydrauliczne, wysoką wytrzymałość i mrozoodporność.
Materiały te charakteryzują się niskim ciężarem objętościowym (po zagęszczeniu wynosi on ok. 1,1-1,3 kg/dm3), co generuje oszczędność kosztów transportu nawet do 40%. Poza tym należy podkreślić ich szeroką dostępność na terenie kraju i względnie niski koszt pozyskania.
Kolejnym z masowo występujących odpadów, zwłaszcza w Polsce południowej, są łupki przywęglowe nieprzepalone – materiał występujący powszechnie na przykopalnianych zwałowiskach. Kruszywo to jest materiałem stosunkowo miękkim, a jego ziarna ulegają dość znacznej degradacji pod wpływem zagęszczania. Cecha ta bardzo korzystnie wpływa na zagęszczalność łupków i w efekcie zwiększa stateczność budowanych z nich nasypów.
Niestety, w praktyce kruszenie ziaren jest postrzegane jako wada materiału, w efekcie łupki są bardzo niechętnie akceptowane są przez inwestora jako materiał do budowli ziemnych.
Zysk emisyjny ww. materiałów można stosunkowo łatwo policzyć. W przykładzie poniżej (tab. 1 i 2) zamieszczono porównanie tzw. wskaźników emisyjności dla dwóch wariantów budowy nasypu drogowego. Wskaźnik emisyjności WE jest tu zdefiniowany jako masa CO2 emitowanego do atmosfery na jednostkę objętości wznoszonej konstrukcji, przy uwzględnieniu emisyjności materiałów (WEmat) i procesów technologicznych (WEproc) użytych w trakcie budowy.
Tablica 1: Obliczenie emisyjności konstrukcji nasypu drogowego z zastosowaniem technologii klasycznych Warstwa technologiczna konstrukcji i jej
skład materiałowy
Podbudowa drogowa pomocnicza: 90%
piasku + 5% cementu (800kgCO2/m3) 10 5%*10%*
800=4,0 10%*3=0,3 4,30
Podbudowa drogowa zasadnicza: 90%
piasku + 10% cementu (800kgCO2/m3) 5 10%*5%*
800=4,0 5%*3=0,15 4,15
RAZEM: 15,45
Tablica 2: Obliczenie emisyjności konstrukcji nasypu drogowego z zastosowaniem technologii niskoemisyjnych Warstwa technologiczna konstrukcji i jej
skład materiałowy hydraulicznego na bazie UPS (100kgCO2/m3)
5 10%*5%*
100=0,5 5%*5=0,25 0,75
Nasyp właściwy: 60% popiołożużla + 40%
refulatu rzecznego 80 0 80%*3=2,4 2,50
Podbudowa drogowa pomocnicza: 90%
popiołożużla + 10% spoiwa hydr. 10 10%*10%*
100=1,0 10%*3=0,3 1,30
Podbudowa drogowa zasadnicza: 90%
popiołozużla + 10% cementu (800kgCO2/m3)
5 10%*5%*
800=4,0 5%*3=0,15 4,15
RAZEM: 8,70
W wariancie z zastosowaniem technologii klasycznych uzyskano wartość WE=15,45 kgCO2/m3, natomiast nasyp wykonany z zastosowaniem materiałów antropogenicznych pozwolił na redukcję tej wartości do 8,70 kgCO2/m3. Co więcej, w wariancie drugim 82% objętości materiałów stanowią materiały antropogeniczne.
3. ZADANIA ZIELONEJ GEOTECHNIKI
Wieloletnie badania prowadzone przez instytucje naukowe potwierdziły przydatność wielu odpadów przemysłowych w budownictwie i geotechnice. Mimo pozytywnych wyników badań laboratoryjnych oraz ich potwierdzenia w badaniach in-situ, zastosowanie materiałów antropogenicznych jest wciąż rzadko spotykane w praktyce geotechnicznej. Pomimo dowiedzionej naukowo i potwierdzonej nieszkodliwości kruszyw antropogenicznych, zwłaszcza pochodzących z UPS [3] wciąż istnieje duży opór przed ich stosowaniem, który po części wynika z niewiedzy inwestorów i projektantów, a po części z nacisków lobbystycznych, które starają się zachować istniejące „status quo”. Potrzebne jest systemowe wdrożenie rozwiązań pozwalających na pełną identyfikację zasobów tych surowców, określenie przedziałów ich przydatności do celów budowlanych oraz dokonanie zmian legislacyjnych promujących technologie niskoemisyjne. Pozwoli to na znaczące obniżenie zużycia naturalnych surowców mineralnych i wzrost zagospodarowania odpadów przemysłowych - produkowanych na bieżąco i zdeponowanych w środowisku oraz oszczędności w zakresie emisji CO2 w obszarze ETS (produkcja cementu i wapna) oraz non-ETS (transport i budownictwo).
Pierwsze – istotne zadanie dotyczy opracowania krajowych wytycznych odnośnie obniżania emisji CO2 w geoinżynierii. Należy podkreślić szczególnie istotny aspekt opracowania ww. wytycznych w inżynierii drogowej, z uwagi na duże zapotrzebowanie na kruszywa w tej dziedzinie budownictwa. Na dzień dzisiejszy trwają aktywne prace w GDDKiA, mające na celu sformułowanie ogólnych specyfikacji technicznych; tu w ramach tematu "prac ziemnych" udział materiałów antropogenicznych stanowi jedną z możliwości zastosowań, ważną z punktu widzenia niskiego oddziaływania na środowisko.
Wytyczne projektowe są pierwszym krokiem jeśli chodzi o formalne regulacje, wymagają one jednak w dalszej perspektywie bardziej precyzyjnej formuły. Zdaniem autorów konieczne jest wskazanie kierunku zmian w regulacjach prawnych oraz inicjatywa w projektowaniu konkretnych aktów prawnych i normalizacyjnych. Pierwsze kroki zostały wykonane przez Polską Unię UPS, która zleciała wszechstronne badania materiałów UPS zgodnie z dyrektywą REACH. Postulat dyskusji nad normalizacją materiałów antropogenicznych w geotechnice został też postawiony w czasie Konferencji Krynickiej w roku 2011 [4].
Nowe technologie oraz nowe paradygmaty projektowe wymagają pracy u podstaw.
W związku z tym celowe wydaje się stopniowe wprowadzanie zagadnień związanych z "Zieloną Geotechniką" do kursów akademickich na kierunkach budowlanych. Aspekty wykorzystania materiałów antropogenicznych można by zasygnalizować na przedmiotach związanych z fundamentowaniem oraz budownictwem ziemnym, natomiast szerszy wykład ww. zagadnień mógłby być wprowadzony na kursie magisterskim dla studentów budownictwa.
4. PRZYKŁADY WDROŻENIOWE
Aby przekonać projektantów i środowisko inżynierskie do stosowania materiałów antropogenicznych, nie wystarczy oczywiście przedstawienie teoretycznych korzyści, trzeba je wesprzeć przykładami stosowanymi, których na szczęście nie brakuje. Jeśli chodzi o materiały wtórne z energetyki, to do dużych osiągnięć należy zastosowanie do budowy autostrady A1 (węzeł Bełk – Sośnica) produktów na bazie popiołów, a mianowicie: kruszywa Geo-Utex w ilości 30 tys. ton, betonu popiołowo-żużlowego 2,5-5 MPa w ilości 6 tys. ton
i piasku żużlowego w ilości 8 tys. ton [5].
Kolejnym przykładem zastosowań UPS w drogownictwie jest obwodnica Słupska, gdzie użyto spoiwo drogowe do ulepszania i osuszania gruntów. Spoiwo hydrauliczne na bazie popiołów pozwoliło również na stabilizację podtorza kolejowego na linii E65 (odcinki Pszczółki-Pruszcz Gdański oraz Szymankowo-Lisewo) [5]. Spektakularnym przykładem zintegrowanego podejścia zgodnego z zasadami Zielonej Geotechniki jest budowa nasypów Mostu Północnego w Warszawie. Wykorzystano do ich budowy popioły z pobliskiego składowiska na Żeraniu, zmieszane z piaskiem wydobywanym z dna Wisły, przy okazji pogłębiania toru wodnego. Popioły i popiołożużle zastosowano również z sukcesem do rekultywacji nieczynnych wyrobisk kruszywa, jak np. w Skarbimierzycach, czy Szczecinie [6]. Makroniwelację z wykorzystaniem popiołów wykonano w Radziszewie, gdzie do celów budowlanych pozyskano znaczny obszar zbudowany z gruntów organicznych.
Jeśli chodzi o odpady z przemysłu górniczego, to pod koniec lat osiemdziesiątych wykorzystano łupki przywęglowe do budowy nasypów autostrady A-4 w rejonie Chrzanowa i Jaworzna (konstrukcje 8-metrowe), z nich wykonano też 11-metrowe nasypy Drogowej Trasy Średnicowej w Rudzie Śląskiej oraz 6-metrowe nasypy Północnej Obwodnicy Bytomia.
Perspektywa ponad 20 lat użytkowania tych obiektów pozytywnie weryfikuje przydatność łupków przywęglowych surowych do budowy nasypów, które mogą stanowić nośne i ostateczne podłoże pod konstrukcje dróg niezależnie od kategorii obciążenia ruchem.
5. BADANIA
Kolejnym obszarem zastosowań dla UPS jest budowa wałów przeciwpowodziowych z wykorzystaniem mieszanek popiołowo-gruntowych. Obecnie na Politechnice Gdańskiej prowadzony jest projekt badawczy DREDGDIKES w ramach Programu Południowy Bałtyk [7], w którym testuje się m.in. nowatorską technologię budowy wałów z wykorzystaniem kruszyw antropogenicznych. W przypadku takich budowli priorytetem jest uzyskanie odpowiednio niskich współczynników filtracji, aby zapewnić szczelność wału. Zaprojektowane stanowisko badawcze w skali naturalnej stanowi odcinek wału przeciwpowodziowego, zbudowanego z mieszanki 70% popiołożuzla oraz 30% piasku. W wale zostanie wydzielony (za pomocą ścianki szczelnej) odcinek o szerokości 5m (por. rys. 1), na którym będą prowadzone symulacje stanów powodziowych za pomocą zmiennego zwierciadła wody.
Jednocześnie cały korpus będzie monitorowany za pomocą piezometrów oraz czujników wilgotności (zaznaczone jako białe punkty na rys.1). Wyniki badań, które prowadzone będą przez co najmniej pięć lat, pozwolą na identyfikację właściwości filtracyjnych mieszanek popiołowych w skali naturalnej, a także na określenie stateczności budowli w funkcji czasu.
Rys. 1 Przekrój poprzeczny wału eksperymentalnego [8]
6. PODSUMOWANIE
Stosowanie materiałów antropogenicznych w budownictwie, zdaniem autorów, nie jest jakimś odległym „śpiewem przyszłości”, ale pilnym zadaniem na dziś. Nie chodzi tu nawet o forsowanie aspektu ekologicznego, bo na tym polu można toczyć zażarte dyskusje, ale o twardą rzeczywistość, którą narzucają nam ustalenia polityczne. Ostatnie ustalenia odnośnie redukcji emisji gazów cieplarnianych (Energy Roadmap 2050) stawiają bardzo wygórowane cele redukcyjne na rok 2050 dla krajów Unii Europejskiej: są to wielkości redukcji rzędu 80-95%
w stosunku do emisji z roku 1990. W niedługiej perspektywie handel emisjami stanie się rynkową codziennością i te technologie, które pozwolą zaoszczędzić realne pieniądze na ograniczeniu emisji CO2, będą technologiami priorytetowymi.
Przedstawiona problematyka dotyka wielu potencjalnie ciekawych problemów naukowo-badawczych, jak np. badanie zmian granulometrii popiołów z upływem czasu, analizy mineralogiczne i chemiczne gruntów kompozytowych oraz zagadnienia optymalizacji składu tych gruntów, tworzenie teorii konstytutywnych i praw fizycznych potrzebnych do modelowania oddziaływań mechanicznych. Istotny, praktyczny problem stanowią symulacje komputerowe deformacji podłoża oraz konstrukcji zbudowanych z zastosowaniem tych materiałów.
PODZIĘKOWANIA
Bieżące badania nad zastosowaniem mieszanek poiołowo-gruntowych do budowy wałów są możliwe dzięki wsparciu finansowemu projektu badawczego DREDGDIKES, w ramach programu South Baltic Programme, za co autorzy składają podziękowanie.
Piśmiennictwo
[1] ec.europa.eu/energy/energy2020/roadmap/index_en.htm
[2] Sikora Z., Renowacja wałów przeciwpowodziowych, Inżynier budownictwa nr 4/2011, s. 69-72.
[3] http://www.unia-ups.pl/news.php?readmore=36
[4] Sikora Z., Ossowski R., Naukowe podstawy projektowania geotechnicznego - między teorią a praktyką, Zeszyty Naukowe PRz. Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 2011, z. 58, nr 3/I, s. 249-268
[5] www.ekotech-centrum.eu/
[6] www. ekotech.pl/29,Rekultywacje.html [7] www.dredgdikes.eu
[8] Cudny M. i in., Projekt stanowiska badawczego w ramach projektu DREDGDIKES, SBP, 2011.
APPLICATION OF ANTHROPOGENIC MATERIALS - PERSPECTIVES IN CONTEXT OF GREEN GEOTECHNICS
Summary
Perspectives of anthropogenic materials application in geotechnical engineering and their advantages in the sense of carbon dioxide reduction are discussed. According to regulations of the Kyoto Protocol 2005 and EU agreement “Energy Roadmap 2050” recycled materials have higher usage priority than natural ones. Principles of CO2 emission calculation for geotechnical construction are given as well as some suggestions of future actions towards implementation of the proposed techniques. Examples of anthropogenic materials in full-scale application and a short description of a planned experiment are presented.
Adam PINKOWSKI1 Kazimierz GWIZDAŁA2 Politechnika Gdańska