TEEDEINSTITUUT Teetehnika õppetool PÕLEVKIVITUHA KASUTAMINE PINNASTE MASS- STABILISEERIMISEL OIL SHALE ASH USAGE FOR SOIL MASS STABILISATION ETT70LT Lõputöö Üliõpilane: Mihkel Viita Juhendaja: Prof. Andrus Aavik Tallinn 2013 1
Olen koostanud lõputöö iseseisvalt. Kõik töö koostamisel kasutatud teiste autorite tööd, olulised seisukohad, kirjandusallikatest ja mujalt pärinevad andmed on viidatud... (töö autori allkiri ja kuupäev) Üliõpilase kood: 113810EATMM Töö vastab lõputööle esitatud nõuetele (juhendaja allkiri ja kuupäev) Kaitsmisele lubatud (kuupäev) Kaitsmiskomisjoni esimees.. (allkiri) 2
Lõputöö lähteülesanne Transpordiehituse õppesuuna üliõpilane Mihkel Viita, üliõpilaskood 113810EATMM Lõputöö kood: ETT70LT Lõputöö juhendaja: prof. Andrus Aavik Lõputöö teema: PÕLEVKIHITUHA KASUTAMINE PINNASTE MASS-STABILISEERIMISEL Lõputöö teema kehtivusaeg: 30. juuni 2013.a. Probleemipüstitus: Põlevkivituhk on põlevkivitööstuses tekkiv kõrvalprodukt. Valdav osa sellest ladustatakse elektrijaamade läheduses asuvatele tuhaväljadele. Ainult väga väikest osa tuhka kasutatakse ehituses. Pinnaste mass-stabiliseerimisel on enim levinud sideainena kasutusel tsement. Kuna aga tsement on suhteliselt kallis sideaine ning moodustab kogu mass-stabiliseerimise tööde maksumusest üle 2/3, siis on Põhjamaades uuritud erinevaid tööstuse kõrvalprodukte tsemendi asendamiseks odavama sideainega. Tsemendi koguseid saab olulisel määral vähendada lisades näiteks lupja, kipsi, räbu või lendtuhkasid. Toetudes nendele uuringutele oleks võimalik kasutada pinnaste mass-stabiliseerimisel ka Eesti põlevkivituhkasid ning sellega aidata kaasa ka keskkonna saastekoormuse vähendamisele. Lähteandmed: Kirjandus/info internetist pinnaste stabiliseerimistehnoloogiate, -nõuete ja kasutatavate sideainete kohta; AS Ramboll Eesti pinnaste mass-stabiliseerimisega seotud uuringute aruanded; Soome pinnaste stabiliseerimise nõuded ja uuringute aruanded. Lahendamisele kuuluvad küsimused: Anda ülevaade pinnaste mass-stabiliseerimiseks kasutatavatest seadmetest, sideainetest ja stabiliseeritavatest pinnastest. Anda ülevaade laborikatsetustest ja projekteerimise nõuetest. Anda ülevaade töö tehnoloogiast ja kvaliteedikontrollist. Anda ülevaade Soome mass-stabiliseerimise kogemustest ja nõuetest. Anda ülevaade Eesti mass-stabiliseerimise uuringutest. Võrrelda Eesti ja Soome uuringutulemusi ning anda tingimused põlevkivituha kasutamiseks pinnaste stabiliseerimisel. Lõputöö esitada hiljemalt 1.juuni 2013 eesti keeles paberkandjal 1 eksemplaris ja elektrooniliselt, kokkuvõtetega eesti ja ühes võõrkeeles. Lõputöö lähteülesande väljaandmise kuupäev: 18. detsember 2012.a. Juhendaja: Ülesande vastu võtnud: Prof. A. Aavik... Üliõpilane M. Viita... 3
Sisukord Lõputöö lähteülesanne... 3 Sissejuhatus... 6 1. Mass-stabiliseerimine... 7 1.2 Kasutatavad seadmed... 7 1.3 Stabiliseeritavad pinnased... 8 1.4 Sideained... 8 1.4.1 Lubi... 9 1.4.2 Tsement... 9 1.4.3 Kõrgahju räbu... 9 1.4.4 Tuhk... 9 1.4.5 Põlevkivituhk... 9 1.5 Laborikatsetused... 10 1.5.1 Pinnase omaduste määramine... 10 1.5.2 Stabiliseeritud pinnase katsetused... 11 1.5.3 Keskkonna alased katsetused... 11 1.5.4 Stabiliseeritud pinnase omadused ja katsetused... 11 1.6 Projekteerimise meetodid... 13 1.6.1 Projekteerimise nõuded... 13 1.6.2 Koormused... 14 1.6.3 Materjalide normväärtused... 14 1.6.4 Projekteerimine... 15 1.7 Tööde kirjeldus... 15 1.8 Kvaliteedi kontroll... 16 2 Soome kogemused... 17 2.1 Euroopa Liidu projekt ABSOILS... 19 2.2 Arcade 2... 19 2.2.1 Materjalid... 19 2.2.2 Sideained... 20 2.2.3 Stabiliseerimise katsete tulemused... 21 4
2.3 Reostunud setete stabiliseerimine... 23 2.3.1 Turu sadam... 23 2.3.2 Keskkonnasõbralik süvendamine... 24 2.3.3 Pidev-stabiliseerimine... 24 2.3.4 Stabiliseerimise katsed... 26 2.3.5 Leostumise katsed... 30 3. Eestis teostatud uurimused ja katsetused mass-stabiliseerimisel... 32 3.1 Tallinn-Tartu-Võru-Luhamaa... 32 3.1.1 Stabiliseeritavad pinnased... 33 3.1.2 Sideained... 36 3.1.3 Tuhkade laboratoorsed katsed... 38 3.1.4 Stabiliseerimise katsed... 40 3.1.5 Keskkonna katsed... 43 3.1.6 Katselõigu rajamine... 45 3.1.7 Savipinnaste stabiliseerimine... 50 3.2 OSAMAT... 51 3.2.1 Materjalid... 51 3.2.2 Stabiliseerimise katsed... 52 4 Soome ja Eesti uuringutulemuste võrdlus... 55 Kokkuvõte... 57 Abstract... 59 Kasutatud materjalid... 60 5
Sissejuhatus Põlevkivituhk on põlevkivitööstuses tekkiv kõrvalprodukt, millest valdav osa ladustatakse elektrijaamade läheduses asuvatele tuhaväljadele kogupindalaga 20 km 2 ning kõrgusega 40-45m (Laja 2005). Ainult väga väikest osa tuhka kasutatakse ehituses. Tuhka kasutatakse tuhaplokkide tootmiseks, tsemendi komponendina ja vähesel määral ka põllumajanduses mulla happelisuse vähendamiseks. Mass-stabiliseerimisel enim levinud sideainena kasutatakse tsementi. Viimasel ajal on Põhjamaades uuritud erinevaid tööstuse kõrvalprodukte, et asendada tsement odavama sideainega. Tsemendi asendamiseni pole jõutud, kuid olulisel määral saab selle koguseid vähendada lisades näiteks lupja, kipsi, räbu või lendtuhkasid. Toetudes nendele uurimustele oleks võimalik kasutada ka põlevkivituhkasid pinnaste massstabiliseerimisel, vähendades seeläbi materjali väljakaeve- ja transpordi kulusid ehitusobjektidel tulevikus. Sideaine kulud võivad moodustada kuni 70% mass-stabiliseerimise tööde maksumusest (Mass stabilisation manual 2007). Eestis oleks nii keskkonna kui ka rahaliselt seisukohalt hea kasutada pinnaste stabiliseerimisel põlevkivituhkasid. 6
1. Mass-stabiliseerimine Mass-stabiliseerimine on suhteliselt uus keskkonnasõbralik meetod pinnaste stabiliseerimiseks. Pehmetesse pinnastesse segatakse märga või kuiva sideainet, et vähendada pinnaste vajumisi, suurendada nende kandevõimet või siduda erinevaid keskkonnaohtlikke aineid pinnasega, takistamaks nende sattumist keskkonda. Mass-stabiliseerimine on parim meetod vähendamaks ebasobiva pinnasega seotud kaeveja transpordikulusid. Tuginedes põhjamaade kogemusele on võimalik erinevata sideaine kooslustega stabiliseerida praktiliselt kõiki pinnaseid. 1.2 Kasutatavad seadmed Mass-stabiliseerimiseks kasutatakse tavalist roomik-ekskavaatorit, millele paigaldatakse spetsiaalne tööorgan. Ekskavaatoris on lisaks arvuti, mille kaudu kontrollitakse tööorgani tööd ja lisatava sideaine koguseid. Tööorgan kujutab endast umbes 5 meetrist tala, mille otsa on paigaldatud segaja. Esimesed segamisorganid sarnanesid lihtsa propelleriga joonis 1.1, aga tänapäeva edasiarendatud tehnika kujutab endast rohkem kihvade ja labadega trumleid joonis 1.2. Segamisorgani juurde juhitakse toruga segatav sideaine, märg pumbatakse ja kuiv juhitakse suruõhuga. Sideaine hoidmiseks ja pumpamiseks on arendatud roomikutega spetsiaalsed mahutid joonis 1.3, et tagada materjali ligipääs ning täpne doseerimine. Neid mahuteid laetakse sideainega vastavatest poolhaagistest. Joonis 1.1: Vanem segamisorgan. Joonis 1.2: Uuem segamisorgan. (EuroSoilStab 2002) (Mass stabilisation manual 2007) 7
Joonis 1.3: Mass-stabiliseerimisel kasutatav tehnika (Mass stabilisation manual 2007) 1.3 Stabiliseeritavad pinnased Stabiliseerida saab kõiki pinnaseid, Põhjamaades on stabiliseeritud väga heade tulemustega savi, mölli, turvast ja reostunud setteid. Kuna pinnaste keemilised ja füüsikalised omadused on väga varieeruvad, siis on väga raske öelda, millised sideained ja mis kogustes töötavad teatud pinnasetüüpidega kõige paremini. Seega tuleb eelnevalt läbi viia väga põhjalikud laborikatsetused, et määrata kõige paremaid tulemusi andev seguretsept. Pärast segamist sideainega, muutuvad pinnaste keemilised ja füüsikalised omadused. Pinnase ph tõuseb 11-12 ja algab kivistumine. Olenevalt sideaine ja pinnase keemilisest reaktsioonist võib lõpliku kivistumiseni aega minna isegi aastaid, kuigi suuremad tugevuse muutused peaks leidma aset esimeste kuude jooksul (EuriSoilStab 2002). 1.4 Sideained Sideained jagatakse kaheks: hüdraulilised ja mittehüdraulilised. Hüdraulilisi sideaineid on vaja veega segada, et saaks hakata tekkima keemiline ahelreaktsioon mille järel toimub kivistumine. Mittehüdraulilised sideained reageerivad näiteks savi mineraalosakestega ja tekib kivistumise protsess, tulemuseks on stabiliseeritud pinnas, mis on paremate geotehniliste omadustega (Mass stabilisation manual 2007). 8
1.4.1 Lubi Lubi võib esineda kahel kujul: kustutatud lubi ja kustutamata lubi. Kustutatud lubi on mittehüdrauliline sideaine ja reageerib stabiliseeritava pinnase mineraalosakestega (Mass stabilisation manual 2007).. Kustutamata lubi reageerib pinnases kõigepealt veega, mille tulemusel tekib kustutatud lubi ja eraldub soojus. Tänu soojusele toimub lubja reageerimine kiiremini ja pinnases väheneb vee sisaldus 1.4.2 Tsement Tsement on hüdrauliline sideaine. Tsement stabiliseerib pinnaseid nagu liim ja ei tekita savipinnaste struktuuris nii suuri muutusi nagu lubi. Tsement vähendab veega reageerides pinnaste niiskust. Enim kasutatakse tavalist portlandtsementi, kuigi selle omadused erinevates riikides on varieeruvad. Koos tsemendiga saab kasutada ka teisi sideaineid nagu lubi, tuhk ja kõrgahju räbu. 1.4.3 Kõrgahju räbu Kõige parema toimega on kiiresti jahutatud räbu. Räbu jahvatatakse peeneks ja mida peenem see on, seda kiiremini ja paremini toimub stabiliseerimise reaktsioon. Räbu niiöelda aktiveeritakse lubja või tsemendiga, et saada kiiremaid stabiliseerimise tulemusi (Mass stabilisation manual 2007). Räbu on odav tsemendi aseaine, aga erinevatest ahjudest saab väga erinevate omadustega materjali. 1.4.4 Tuhk Tuhk on põlemise jääkprodukt. Tuha omadused sõltuvad toorainest ja põletamise tehnoloogiast. Putsolaansed omadused võivad tuhkadel olla väga varieeruvad ja seega tuleks neid enne kasutamist põhjalikult katsetada (EuriSoilStab 2002). Tuhad ei ole tavaliselt väga hästi pinnasega reageerivad materjalid, kuid segudes on nendega võimalik vähendada tsemendi koguseid. 1.4.5 Põlevkivituhk Põlevkivituhad tekivad põlevkivi põletamisel soojuselektrijaamades. Põhiliselt kasutatakse kahte põletamise tehnoloogiat: tolmpõletamine ja keevkihtpõletamine (Laja 2005). Peent tuhka, mis kandub koos põlemisgaasidega koldest välja, nimetatakse lendtuhaks ja suuremad osakesed langevad raskujõu mõjul kolde põhja. Keskkonna 9
seisukohalt on selle tehnoloogia puuduseks suur vääveldioksiidi ja tahkete osakeste kogus heitgaasis. Samas on saadud tuhk kõige paremate stabiliseerivate omadustega, kuna on suure klinkrimineraalide sisaldusega (Laja 2005). Tsirkuleeriva keevkihtpõletamise käigus suunatakse suuremad lendtuha osakesed pärast separaatori läbimist uuesti koldesse. Sellega moodustatakse tasakaalustatud tahkete osakeste ringlus koldes, mille tulemusel seotakse vääveldioksiid. Tänu sellele ei ole vaja lisada absorbente, et siduda väävlit heitgaasides (Laja 2005). Antud tehnoloogiaga tekkiv tuhk ei ole nii heade stabiliseerivate omadustega, kuna katla temperatuur ei ole nii kõrge, et saaks tekkida küllaldaselt klinkrimineraale. 1.5 Laborikatsetused Stabiliseeritud pinnase geotehnilised omadused sõltuvad loodusliku pinnase füüsikalistest ja keemilistest omadustest ning sideainest. Loodusliku pinnase kõige tähtsamad geotehnilised omadused, mis mõjutavad stabiliseerimist, on pinnaste granulomeetriline koostis, looduslik vee sisaldus, orgaanilise aine sisaldus ja lagunevuse aste ning ph (Mass stabilisation manual 2007). Laias laastus võib labori katsetused jagada kolme rühma: pinnase omaduste määramine, stabiliseeritud pinnase katsetused ja keskkonnaalased katsetused. 1.5.1 Pinnase omaduste määramine Katsed viiakse läbi, et saada esialgset hinnangut stabiliseeritava materjali kohta. Antud andmete alusel saab teha esmase sideainete valiku ja kogused. Määrata võiks järgnevad parameetrid (Mass stabilisation manual 2007): Looduslik veesisaldus ja tihedus Pinnase granulomeetriline koostis ja peenosiste sisaldus Orgaanilise aine sisaldus Turbapinnasel lagunevuse aste Materjali plastsuspiirid Sulfaatide, kloriidide ja karbonaatide sisaldus Pinnasevee ph 10
1.5.2 Stabiliseeritud pinnase katsetused Küllaldase ülevaate saamiseks tuleks antud katseid teha iga erineva pinnasekihi pinnastega. Määratakse järgnevad parameetrid (Mass stabilisatsion manual 2007): Survetugevus pärast 7, 28, 90 või rohkemat päeva pärast segamist Pinnase tugevnemine aja jooksul Külmakindlus Labori tulemuste puudumisel on võimalik objektil määrata survetugevust CPT (Columb penetration test) abil (EuroSoilStab 2002). CPT katse käigus surutakse vastava masinaga maasse raudtoru. Selle raudtoru otsa on paigaldatud andurid, mis mõõdavad pinnase nihketugevusi. See katsemeetod on eriti tõhus orgaaniliste pinnaste puhul nagu turvas. 1.5.3 Keskkonna alased katsetused Stabiliseerimise mõju määramiseks ümbritsevale keskkonnale võiks sooritada järgmised katsed (Mass stabilisation manual 2007): Leostuvus test, et määrata metallide ja ühendite veega kandumist keskkonda Keemiline koostis, et võrrelda leostuvus testis saadud tulemusi ph Sulfaatide ja karbonaatide sisaldus Katioonide neelamismahutavus (huumuse sisalduse määramiseks) 1.5.4 Stabiliseeritud pinnase omadused ja katsetused Stabiliseerimise tulemusel muutuvad märgatavalt savi, turba ja mölli füüsikalised ning keemilised omadused. Pinnase ph tõuseb kiiresti 11-12le ja kivistumine algab. Sõltuvalt sideaine kogusest ja tüübist võivad toimuda keemilised reaktsioonid kiiresti paari esimese päeva jooksul või aeglaselt, mis võivad aega võtta kuid või isegi aastaid lõpliku kivistumiseni (EuroSoilStab 2002). Stabiliseeritud pinnase tugevus sõltub suuresti pinnase enda omadustest, sideaine kogusest ja segamise ühtlusest. Tavaliselt on stabiliseeritud pinnaste survetugevus 50-150 kpa vahel. Survetugevust alla 50 kpa loetakse tulemuseta stabiliseerimiseks (Maanteeamet 2011). Põhjamaade kogemusel ei taga selline survetugevus rajatava konstruktsiooni stabiilsust. Laboris valmistatud katsekehade survetugevused võivad olla kuni 300 kpa aga selliseid kõrgeid väärtusi saavutatakse objektil harva, kuna looduslik 11
pinnas on vahelduv ja sideaine segamistäpsus ei vasta laboritingimustele. Stabiliseeritud pinnase geotehnilised omadused sõltuvad suuresti kasutatavast sideainest. Suurendades tsemendi koguseid, suureneb ka materjali survetugevus ja rabedus. Kui aga suurendada lubja sisaldust, siis suureneb materjali plastsus (EuriSoilStab 2002). Stabiliseeritud pinnase tugevus ja tahenemise kestus on otseselt seotud. Tugevus määrab ära, millal võib hakata suurendama koormuseid pinnasele (millal ja mis mahus võib jätkata konstruktsiooni rajamisega). Tugevuse ja tahenemise kestus sõltub pinnase tüübist ning sideaine kvaliteedist ja kogusest (EuriSoilStab 2002). Lisaks mõjutab tahenemist ka temperatuur, aga selle mõju on suhteliselt väike. Kasutades sideainena ainult tsementi, toimub suurem osa reaktsioone esimese kuu jooksul. Kui aga sideaines kasutatakse lisaks kipsi, lupja, kõrgahju räbu ja tuhka, toimub tahenemine ka pärast kuu möödumist. Kvaliteetse stabiliseerimise saavutamiseks tuleb laboris läbi viia suures mahus katseid, mille abil määratakse kõige sobivam sideaine, optimeeritakse kasutatavaid sideaine koguseid ja määratakse stabiliseeritava materjali omadused. Stabiliseerimise ja optimeerimise katsed võtavad aega kuni 6 kuud (Maanteeamet 2007). Teste on võimalik sooritada ka lühema ajaga, aga selle tulemusel katsekehade arv suureneb, kuna optimeerimisel ei ole võimalik kasutada võrdlevaid tulemusi. Kui katsed kestavad ainult ühe kuu, siis ei saa ka arvestada sideainest tingitud pikemaajalist tahenemist (Maanteeamet 2007). Mõningatel juhtudel on vaja määrata materjali külmakindlus ja vastupidavus külmumisning sulamistsüklitele. Kui stabiliseerimisega on seotud saastatud pinnas, siis tuleks ka laboris määrata pinnase pooride täituvusaste. Keskkonnaalastel testidel määratakse röntgen fluorestsentsspektromeetriga sideaines sisalduvad ained ja kui stabiliseeritakse reostatud pinnaseid või kui kasutatakse sideainena tööstuse kõrvalprodukte, siis tehakse ka leostuvus testid (EuriSoilStab 2002). Laborikatsetuste tulemusel saab märgatava kulude kokkuhoiu. Kuna sideaine kulu on mass-stabiliseerimisel 50-70%, siis täpsete katsetuste tulemusel saab määrata kõige optimaalsema sideaine koguse, mille tulemusel võib kulude kokkuhoid olla kuni 30% (Mass stabilisation manual 2007). Esmase sideaine sobivuse saab määrata järgmise tabeli 1.1 abil. See tabel on koostatud erinevatelt objektidelt saadud katsetulemuste põhjal. 12
Tabel 1.1 Hinnanguline sideaine või segude sobivus pinnaste stabiliseerimisel. Põhineb pinnase tugevnemisel 28 päeva jooksul. (EuroSoilStab 2002) Orgaanilised Sideaine Muda Savi pinnased, möll, organilised Turvas savid Orgaanilise Orgaanilise aine aine sisaldus Orgaanilise aine Orgaanilise aine sisaldus 50-0-2% sisaldus 0-2% sisaldus 2-30% 100% Tsement xx x x xx Tsement + kips xx x xx xx Tsement + kõrgahju räbu xx xx xx xxx Lubi + tsement xx xx xx - Lubi + kips xx xx xx - Lubi + kõrgahju räbu x x x - Lubi + kips + kõrgahju räbu xx xx xx - Lubi + kips + tsement xx xx xx - Lubi - xx - - xxx paljudel juhtudel väga hea sideaine xx paljudel juhtudel hea sideaine x osadel juhtudel hea sideaine - ei sobi 1.6 Projekteerimise meetodid 1.6.1 Projekteerimise nõuded Projekteerimise käigus vaadeldakse kõige ebasoodsamat koormuste kombinatsiooni, mis võib tekkida ehituse ja kasutuse käigus. Projekteerimise lihtsustamiseks oletatakse, et stabiliseeritud pinnas on kui homogeenne elastne-plastne pinnasekiht. Tuleb arvestada, et pinnase segamine ei ole täiesti ühtlane (EuroSoilStab 2002). Stabiliseerimine tuleb projekteerida ja teostada nii, et sellele rajatud struktuure oleks võimalik kasutada kogu ekspluatatsiooniaja vältel nii, et see ei nõuaks kulukaid ja ettemääramata hooldustöid. See tähendab, et täidetakse kasutus- ja kandepiirseisundi nõuded (Mass stabilisation manual 2007). 13
Kasutus- ja kandepiirseisundi nõuded määrab klient vastavalt projekti vajadustele. Projekt peab olema kooskõlas Eurokoodeks 7 ja rahvuslike nõuetega. Pinnase omadustes tehakse vahet mõõdetutel, tuletatutel, iseloomulikel ja projekteeritud väärtustel (EuroSoilStab 2002). Kandepiirseisundi rahuldamiseks peab stabiliseerimine olema projekteeritud nii, et sellel on väike tõenäosus variseda või ilmneda muul kahjustusel, mis oleks ohtlik inimestele või tekitab märkimisväärset majandusliku kahju (EuroSoilStab 2002). Mass-stabiliseerimine projekteeritakse nii, et muldel ning ümbritseval alal oleks küllaldane stabiilsus ja, et konstruktsiooni või selle osa kahjustuse korral ei tekiks ülemääraseid vajumisi (Mass stabilisation manual 2007). Kasutuspiirseisundi rahuldamiseks peab mass-stabiliseerimine olema projekteeritud nii, et vajumised piki ja risti muldkeha ei hakkaks häirima tee kasutamist. Arvestada tuleks ka pikemaajaliste väiksemate vajumistega. 1.6.2 Koormused Koormused määratakse kliendi poolt (EuroSoilStab 2002). Eestis tähendab see seda, et vastavalt liiklustihedusele arvutatakse igale teele koormus. Tavaliselt on massstabiliseeritud alad kõige ebastabiilsemad ehituse ajal ja seega kannatavad ka vähem koormust. 1.6.3 Materjalide normväärtused Materjalide normväärtused on esitatud ehituskirjeldustes ja valitakse võimalikult tagasihoidlikud, arvestades projekti tingimusi. Mass-stabiliseerimise normväärtused võivad tugineda välikatsetele, katselõigule või laborikatsetele. Laboris saadud tulemuste kasutamisel tuleks arvestada sellega, et välitingimustes ei saada samaväärseid tulemusi. Mass-stabiliseerimise mahukaal, Y k, (kn/m3), tugineb laboris segatud katsekeha mõõtmisele (Mass stabilisation manual 2007). Nihketugevus, c uk (kpa), põhineb katselõigul saadud tulemustel või siis laborikatsetel mõõdetud survetugevustel. Laborikatsete ja välitingimustes saadavate tugevuste erinevust tuleks põhjalikult kaalutleda (Mass stabilisation manual 2007). 14
Elastsusmoodul, E k, arvestatakse olevat 50-100 korda c uk. Orgaaniliste pinnaste elastsusmoodul on tavaliselt 50 korda c uk ja savipinnastel kuni 100 korda c uk (Mass stabilisation manual 2007). 1.6.4 Projekteerimine Vajumise arvutamiseks oletatakse, et stabiliseeritud materjal on homogeenne, lineaarselt elastne ja täielikult plastne pinnasekiht. Koormused tuleb valida sellised, et ei saavutataks stabiliseeritud pinnase voolavuspiiri. Vajumised arvutatakse valemi (1.1) järgi. Tuleb arvestada,et märkimisväärsed vajumised toimuvad tahenemise ajal kohe pärast stabiliseerimist. Need vajumised tuleks arvutada eraldi. Sm= Δh kus, Sm vajumised mass-stabiliseerimises, m h kihi paksus, m q koormus mass-stabiliseeritud kihi peal, kpa Mm mass-stabiliseeritud kihi survetugevus, kpa (EuroSoilStab 2002) Pärast segamistööde lõppu tuleks paigaldada eelkoormuskiht. See aitab stabiliseeritud materjali tihendada ja suurendab tugevust. Turvastel ja süvendatud setetel võivad tekkida eelkoormuskihi toimel suured vajumised. Need vajumised toimuvad kiiresti ning kasutusajal tavaliselt suuremaid vajumisi ei toimu. Kui pinnase efektiivpinge on väiksem kui eelkoormuskihi surve, siis tekivad vajumised kiiresti (EuroSoilStab 2002). Kui pinnase efektiivpinge kasvab sama suureks kui eelkoormuskihi surve, siis arvutatakse pinnase vajumisi sama moodi nagu vertikaalselt dreenitud pinnasel. Kogemused näitavad, et pärast stabiliseerimist muutub materjali külmakindlus. Külmakindlus muutub sõltuvalt stabiliseeritud pinnasest ja sideainest- kas paremaks või halvemaks. Eelkoormuskihi paigaldamise aeg ja maht on tähtsad, kuna 70 90% vajumisi toimub esimese 30 päeva jooksul (Mass stabilisation manual 2007). 1.7 Tööde kirjeldus Stabiliseeritavalt pinnaselt eemaldatakse kasvumuld. Ala jagatakse 5x5m ruutudeks, ekskavaatori tööorganiga mõõdetakse stabiliseeritava ala täpne sügavus ja arvutatakse iga ala jaoks kuluv sideaine kogus (Brakmann, Kendra, 2011). Kuiv sideaine juhitakse 15 (1.1)
suruõhujoaga tööorganisse. Sideaine segatakse pinnasega tööorgani vertikaalsel ja horisantaalsel liigutamisel. Pärast sideaine lisamise lõpetamist segatakse stabiliseeritav materjal tööorganiga põhjalikult läbi. Mida ühtlasemalt on materjal läbi segatud, seda parem on ka stabiliseerimise tulemus. Vähese segamise tulemusel võivad materjali sisse tekkida sideaine kogumid (Mass stabilisation manual 2007). Pärast segamise lõppu võetakse materjalist proov ja säilitatakse edasiseks katsetamiseks. Proove katsetatakse laboris juhuks kui antud kohas tekib vajaliku kandevõime saavutamisega probleeme (Brakmann, jt. 2011). Segatud ala kaetakse nõutud tugevusega geotekstiiliga ning sellele rajatakse 0,5-1,0m paksune muldkeha kiht. See on vajalik, et anda stabiliseeritud materjalile esmane koormus, mis eemaldab materjalist liigse niiskuse ja tihendab stabiliseeritud pinnast, mis aitab kaasa stabiliseerimis-protsesside paremale toimimisele. See esimene kiht on vajalik ka selle pärast, et tehnikal oleks stabiilne pinnas millel liikuda töid tehes ja et tehnika koormus jaguneks suuremale pinnale. Kihi tihendamine toimub kas roomikekskavaatori või staatilise pinnaserulliga, vibratsiooniga tihendamine on keelatud. 1.8 Kvaliteedi kontroll Kvaliteedi kontrolliks võetakse igast sideainest proov tööde alguses ja lõpus ning säilitatakse hilisemateks laborikatsetusteks. Hilisemad laborikatsetused toimuvad kui antud töölõigus ei ole saavutatud soovitud kandevõimet ja teiste kontrollmeetoditega ei ole leitud põhjuseid. Tuleb dokumenteerida tsoonide kaupa kasutatud sideaine hulk. Dokumenteerimine peaks sisaldama: tsooni numbrit, kuupäeva, tööde alguse ja lõpu aega, infot ilmastiku kohta, infot sideaine kvaliteedi kohta, sideaine doseerimise kiirust, võimalikke doseerimise kõrvalekaldeid, stabiliseeritava kihi sügavust ja tsooni kogumahtu (Brakmann, jt. 2011). Stabiliseerimistööde lõppemisel võetakse igast tsoonis materjali proov ca. 500g. Antud proovides määratakse kaltsiumi sisaldus, näiteks Niton analüsaatoriga ja 28 päeva järel pinnase tugevus (Brakmann, jt. 2011). Proovikatsetused tehakse tavalisel löökpenetratsiooni meetodil ning nihketeimid nihketugevuse määramiseks. 16
2 Soome kogemused Viimasel paaril aastakümnel on Soomes läbi viidud kümneid stabiliseerimisobjekte. Stabiliseerimist on kasutatud mullete vajumiste vähendamiseks, vibratsiooni vähendamiseks, stabiilsuse parandamiseks, kandevõime parandamiseks ning nõlvade ja kaevete toestamiseks. Viimasel ajal on rohkesti kasutama hakatud ka saastunud pinnaste stabiliseerimist. Helsinki urbaniseerumise tulemusel toimub pidevalt uute linnaosade arendamine ja olemasolevate uuendamine. Paljudel juhtudel rajatakse uued linnaosad just väga kehvade omadustega pinnastele, kuna paremate omadustega alad on juba täis ehitatud. Linnas on ka puudus kvaliteetsetest täitematerjalidest ja seega tuleb neid transportida kaugetest karjääridest. Samuti on linnal puudus kohtadest kuhu oleks võimalik ladustada väljakaevatavat ebasobivat pinnast (Forsman, Korhonen, Havukainen, Kreft-Burman 2012). Selle probleemi ideaalseks lahenduseks on pinnaste mass-stabiliseerimine. Parandades kehvade pinnaste omadusi saab neid muuta ehituskõlbulikuks materjaliks. Selle tulemusel ei ole vaja ebasobivaid pinnaseid välja kaevata ning asendada parema materjaliga. Järgneva tabeli 2.1 põhjal on näha, et Helsinkis on aastast 1993 teostatud mitmeid suuremahulisi stabiliseerimise objekte. Nende objektide juures on kasutatud ka erinevate tehnoloogiate kombineerimist. Tabel 2.1 Helsinki suuremad stabiliseerimise objektid ja nende juures kasutatud tehnoloogiad (Forsman, jt. 2012) Objekt Maht m 3 Pinnas Tehnoloogia Aasta 1.Pehme savi ja turba stabiliseerimine Pikkuhuopalahti elamupiirkond test stabi Savi msm 1993 Kivikko tööstuspiirkond 270.0000 Vuosaari sadam laevadokk 85.000 + Haaga, Laajasuo spordiväljak 78.000 turvas, möll, savi msm 100.000 möll, savi msm+csm turvas, möll, 2010 1997-2003- 2004 savi msm, csm 2006 Ormuspelto elamupiirkond 31.500 Savi msm 2008 Mellunkylä, Virtasalmenkatu, tänav 50.000 turvas ja savi msm 2011 17
Tabel 2.1 järg 1 Helsinki suuremad stabiliseerimise objektid ja nende juures kasutatud tehnoloogiad (Forsman, jt. 2012) 2. Saastunud pinnaste stabiliseerimine Sörnäinen - saastunud setted 20.000 süvendatud setted msm 1998-1999 Vuosaari sadam - TBT ühenditega saastunud setted 500.000 süvendatud setted msm 2006-2007 Jätkäsaari - saastunud setted 20.000 80.000 süvendatud setted msm msm S-2011 T-2011 Kalasatama- saastunud setted 12.000 süvendatud setted msm 2011 3. Mudale ja savile ehitatud mullete kergemaks muutmine Toukoranta - park, KTK-mulle 69.000 Turvas msm, wts 2005-2006 Toukoranta - tänavad ja 2007- elamupiirkond, Mertakatu 35.000 Savi msm 2008 Kyläsaari, Arcade 2 - tänavad ja elamupiirkond 35.000 Savi msm 2010-2011 4. Tee konstruktsioonis kivimaterjali asendamine stabiliseeritud saviga Tattarisuo mulle test stabi Savi fsa 1991 Viikki - savi tänav 500 Savi fsa, msm 1997 5. Saastunud pinnaste sulgemine mass-stabiliseeritud saviga Kivikko - tinaga reostunud pinnaste prügimägi 25.000 Savi msm 2001 Vuosaari, Melumäki - reostunud pinnaste prügimägi 25.000 Savi csm, msm 2004-2007 6. Ülejäänud savipinnase mass-stabiliseerimine ja kasutamine maastiku kujundamisel Vuosaari ja Herttoniemenranta maastikukujundus 10.000 Savi fsa 1998 csm - stabiliseeritud kasutades süvastabiliseerimise tehnoloogiat msm - stabiliseeritud kasutades mass-stabiliseerimise tehnoloogiat wts - stabiliseeritud vaalus segamise teel fsa - stabiliseeritud sõelpurustiga 18
2.1 Euroopa Liidu projekt ABSOILS Projekt algas 2010. aasta septembris ja lõppeb 2014. detsembris. See on LIFE+ projekt, mille tulemusel erinevatel objektidel üle jäänud kehvad savipinnased stabiliseeritakse ja kasutatakse järgmistel objektidel ehitusmaterjalina. Projekti eesmärk on määrata sobivaimad sideaine retseptid mittesobivate savipinnaste stabiliseerimiseks. Projektis pööratakse suurt tähelepanu sellele, kuidas segada tõhusalt omavahel pehmeid savipinnaseid ja pulbrilisi sideaineid. ABSOILS projekti käigus valmis kolm rajatist (Ramboll Finland Oy 2012): Arcade 2 Jätkäsaari Koerte park Arcade 2, kus rajati uus kerge mulle hüljatud pinnastes, mis stabiliseeriti. Ehitus algas 2011. aasta alguses ja lõpetati 2011. aastal. Materjali katsetati jooksvalt kogu ehitusprotsessi käigus, kuna hüljatud pinnased muutusid. Teine objekt asus Helsinkis Jätkäsaaris (2011-2012). Süvendatud setted stabiliseeriti ja viidi seejärel lähedalasuvale objektile, kus neid kasutati pargi rajamiseks. Osa materjale kasutati ka prügimägede kattekonstruktsioonides. Kolmas objekt on koerte park, mis rajati aastal 2012. See rajati üleujutuste alale, kus hüljatud pinnastega tõsteti olemasolevat maapinda ja seejärel mõlemad pinnased massstabiliseeriti. 2.2 Arcade 2 2.2.1 Materjalid Kõikide materjalide juures tehti katsed veesisalduse, põletuskao ja tiheduse määramiseks. Materjalide veesisaldus varieerus 15,5 % kuni 67,1 % ja põletuskadu 2,8 % kuni 4,8 %. Täpsemad andmed tabelis 2.2. Homogeniseeritud proovide nõutav tihedus pärast vee lisamist oli vähemalt 1500 kg/m 3. Kõik proovid ületasid pärast homogeniseerimist antud tihedust. Teostati testid optimaalse veesisalduse määramiseks. Testides selgus, et kõikide proovide optimaalne veesisaldus tiheduse 1500 kg/m 3 juures oli 80-90 % (Ramboll Finland Oy 2012). 19
Tabel 2.2 Arcade 2 juures kasutatavad materjalid (Ramboll Finland Oy 2012). Proov Vee sisaldus w (%) Põletuskadu (%) Konteineris toodud proovi tihedus / homogeniseeritud proovi tihedus (kg/m 3 ) Korpitie 1/1 31,4 2,8 1450 / 1880 Korpitie 1/2 32,6 2,8 1370 / - Korpitie 1/3 33,1 4,4 1380 / - Koivukylä 31,1 4,8 1500 / 1820 Korpitie 15,5-1200 / 1740 Piloot objekt/ ladestusala 3 67,1-1600 / - Korpitie ala 4/1 1,5m 62,9 - - / 1600 Korpitie ala 4/2 1,5m 32,9 - - / 1820 2.2.2 Sideained Järgnevas tabelis on toodud ABSOILS projekti raames katsetatud sideained ja nende tootjad. Tabelis kolme esimese sideainega sooritati katseid Arcade 2 juures. Tabel 2.3 ABSOILS projekti raames katsetatud sideained (Ramboll Finland Oy 2012). Lühend Sideaine tüüp Tootja Cem Portland tsement (CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N) Finnsement Oy FAHana Kuiv lendtuhk Hanasaari elektrijaamast Helsingin Energia SRPHana Väävli eemaldamise jääde Hanasaari elektijaamast Helsingin Energia CemPlus Portland tsement (CEM II/B-M(S-LL) 42,5 N) Finnsement Oy KC / KC 3:7 CaO ja portland tsemendi segu suhtes 3:7 Nordkalk Oyj GTC Kips, kustutatud lubi ja portland tsement Nordkalk Oyj Fortum Power and FA Kuiv lendtuhk Inkoo elektrijaamast Heat Inkoo wet ash Märg lendtuhk (niisutatud nädal enne kasutamist 25 Fortum Power and (25 %/1w) % veega) Inkoo elektrijaamast Heat gyp. Kips fosforhappe tootmisest Yara Suomi Oy 20
2.2.3 Stabiliseerimise katsete tulemused Alustuseks uuriti materjali stabiliseerimise tulemuslikkust ühe sideainega. Kasutati ainult tsementi, kuna tööde ajagraafik oli väga tihe ja tsemendiga saab kõige paremini võrreldavad tulemused. Materjali märja tiheduse mõju uurimiseks segati Korpitie proovid 1 ja 3 suhtes 1:1 ning sideaine Cem 100 kg/m 3 (Ramboll Finland Oy 2012). 800 Survetugevus pärast 28 päeva (kpa) 700 600 500 400 300 200 100 0 1350 1500 1650 Materjali märg tihedus (kg/m 3 ) Joonis 2.1 Materjali märja tiheduse mõju survetugevusele (Ramboll Finland Oy 2012). Joonisel 2.1 on näha, et materjali märja tiheduse suurenemisega suureneb ka stabiliseeritud materjali survetugevus. See on selle pärast nii, et tiheduse suurenemisega väheneb materjali veesisaldus. Võrreldavate tulemuste saavutamiseks valiti erinevate pinnaste stabiliseerimise testide märjaks tiheduseks 1500 kg/m 3. Ainukese erinevusega olid pilootobjekti materjalid, mis segati veega objektil ja toimetati seejärel laborisse (Ramboll Finland Oy 2012). Selle proovi tihedus oli 1600 kg/m 3. 21
Tabel 2.4 Kasutatavate materjalide stabiliseerimise testide tulemused (Ramboll Finland Oy 2012). Kasutatud Sideaine kogus Survetugevus (kpa) Proov sideaine (kg/m 3 ) 7 päeva 28 päeva Koivukylä Cem 100 <10 <10 Korpitie Cem 100 101 127 Piloot objekt / ladestusala 3 Cem 100 322 428 Korpitie ala 4/1 1,5m Cem 100 583 747 Korpitie ala 4/2 1,5m Cem 100 502 662 Koivukylä materjali stabiliseerimisel ei olnud mingit survetugevuse paranemist ja seega jäeti see edasisest kasutusest kõrvale. Antud katsed sooritati ühe sideaine sama kogusega ja materjalide veesisaldus oli samuti praktiliselt sama, aga survetugevused varieerusid ikkagi 0-747 kpa-ni nagu näha tabelis 2.4. Need tulemused näitasid, kui oluline on sooritada iga stabiliseeritava materjaliga põhjalikud laborikatsetused, et saavutada projektis nõutud survetugevusi. Joonis 2.2 Kõrvalproduktidega stabiliseerimise katsete survetugevused (Ramboll Finland Oy 2012). Joonis 2.2 näitab, et kõrvalproduktidega saavutati häid tulemusi. Kasulik on kasutada väävli eemaldamise jäätmeid, kuna see parandab pikas perspektiivis oluliselt 22
stabiliseerimise tulemusi. Samas on näha, et lendtuha ja väävli eemaldamise jääte suhte muutmine segus ei muuda stabiliseerimise tulemusi. Parim võimalik sideaine oleks olnud tsemendi, lendtuha ja väävli eemaldamise jääte segu. Kasutada tuli aga ainult tsementi, kuna tiheda ajakavaga tekkisid probleemid keskkonnalubade saamisega, kasutamaks kõrvalprodukte (Ramboll Finland Oy 2012). 2.3 Reostunud setete stabiliseerimine Reostunud setted on maailma sadamate üks suurimaid probleeme. Sadama aladelt süvendatavad setted on tihti reostunud erinevate raskemetallidega ning seega tuleks need vedada ja ladustada ohtlike jäätmete jaoks ettenähtud ladestusaladele (Layman s Report). Need ladestusalad asuvad sadamatest kaugel ja muudavad seetõttu süvendamise väga kalliks. Mass-stabiliseerimine on parim lahendus, et muuta ohtlikud setted ehitusmaterjalideks. Stabiliseerimise tulemusel saab ohtlikud ained siduda setetesse, et need ei lekiks tagasi merre. Esimene objekt setete ladustamiseks ja stabiliseerimiseks tehti Soomes Hamina sadamas 1996.a. Stabiliseeritud ala rajati konteinerite terminali jaoks. Omapärane on see selle pärast, et kogu materjali paksus oli kuni 10 m aga stabiliseeriti ainult pealmine osa 3 m sügavuselt. Esimene objekt reostunud setete ladustamiseks ja stabiliseerimiseks lendtuha ning tsemendi sideaineseguga, tehti Norras Trondheimi sadamas 2002.a. Reostunud setted stabiliseeriti betoonvannides ja pärast esmast tahenemist teisaldati need ladustusbasseini tammi. Pärast veekindla tammi valmimist sai setteid stabiliseerida otse ladustusbasseinis. Stabiliseerimise tulemusel seoti ohtlikud raskemetallid, et need ei saaks ladustusbasseinist tagasi merre lekkida. Pärast stabiliseerimisetööde lõppu sai antud alale rajada näiteks konteinerite hoiuplatsi. 2.3.1 Turu sadam Turu sadama territooriumil toimus 2006-2009 Euroopa Liidu projekt STABLE, mis on üks LIFE+ projektidest. Selle käigus töötati välja uus pidev-stabiliseerimise tehnoloogia ja näidati kuidas on võimalik kasutada TBT ühenditega reostunud setteid ehitusmaterjalidena. Projekti käigus katsetati mitmete erinevate kõrvalproduktide sobivust sideaineteks. Uuriti ka väga põhjalikult, milline sideaine või nende segu annab parima tulemuse reostuse sidumiseks. 23
2.3.2 Keskkonnasõbralik süvendamine Keskkonnasõbraliku süvendamist teostatakse keskkonnagreiferiga. See vähendab setetega kaasnevat vett ja vee sogastumist. Mida väiksem on veesisaldus setetes, seda vähem läheb vaja sideaineid, et saavutada soovitud tulemust. Sideained on stabiliseerimise juures üks peamisi kuluartikleid ja vee vähendamisega saab säästa oluliselt kulusid. Joonis 2.3 Keskkonnagreiferiga saab koorida ainult reostunud setted (Layman s Report). Kvaliteedikontrolli käigus võeti setete proovid pargaselt ja tuukrite poolt süvendatavatelt aladelt. Nende proovide veesisalduse võrdlemisel ei leitud olulisi erinevusi. See tähendab, et greifer haarab ainult setteid ja ei tekita vesikeskkonnas suuremaid muutusi. 2.3.3 Pidev-stabiliseerimine Esimesed katsetused pidev-stabiliseerimisega andsid väga häid ja ühtlasi segamise tulemusi näha joonis 2.4. Võrdlemiseks teostati setete ja sideaine segamine kahe erineva mass-stabiliseerimise tööorganiga. Joonisel on mass-stabiliseerimise katsetulemused nii laialivalguvad kuna ei olnud võimalik saavutad nii ühtlast segamist, kui pidevstabiliseerimisega. 24
Survetugevus (kpa) 350 300 250 200 150 100 50 Pidev-stabiliseerimine, 36 päeva Mass-stabiliseerimine, a, 28 päeva Mass-stabiliseerimine, b, 28 päeva 0 0 50 100 150 200 250 300 Sideaine kogus (kg/m 3 ) Joonis 2.4 Pidev-ja mass-stabiliseerimise segamise tulemuste võrdlus (Lahtinen, Virtanen 2007). Esmaste pidev-stabiliseerimise katsete jaoks kombineeriti seade mis koosnes kolust, teost ja sõelpurustist joonis 2.5. Sõelpurustit modifitseeriti, et see vastaks antud tööülesandele. Tigu kasutati setete transportimiseks kolust sõelpurustisse ja seal toimus ka sideainete lisamine. Joonis 2.5 Esimestel katsetustel kasutatud seadmed (Lahtinen, Virtanen 2007). 25
Võrdluseks toodud segamistehas mida kasutati setete stabiliseerimiseks joonis 2.6. Joonis 2.6 Lõplik pidev-stabiliseerimise tehas (Lahtinen, Virtanen 2007). 2.3.4 Stabiliseerimise katsed Testide eesmärk on uurida reostunud setete stabiliseerimise võimalikkust ja saavutatavaid survetugevusi. Lisaks uuritakse mitmete erinevate kõrvalproduktide kasutamist sideainesegudes, vähendamaks stabiliseerimise kulusid nagu näha tabelis 2.5 ja 2.6. Tabel 2.5 Testides kasutatud sideainete ja kõrvalproduktide lühendid (Jyrävä, Lahtinen, Virtanen, 2007). Lühend Sideaine tüüp Cem Portlandtsement (CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N) Basic Portlandtsement (CEM II/B-S 42,5 N) Rapid Kiirtsement (CEM I 52,5 R) KJ400 Peenestatud kõrgahjuräbu KJ400 CaO Lubi F Finnstabi kipsist sideaine THK2 Tööstuslik peenike lubi SLA Salvor Oy toodetud sideaine FA Lendtuhk Fortumi Heat and Power Ltd. 26
Tabel 2.6 Stabiliseeritava materjali ja erinevate lendtuhkade omadused (Jyrävä jt. 2007). Proov Vee sisaldus w (%) Põletuskadu (%) Tihedus (kg/m 3 ) ph Sette proov 150 1330 6,1 7,8 FA, hoidlast 0,2-2,4 11,4 FA, ladustatud 16,7/32,8-2,7 10,3 FA, kuumutatud 400 C - - 2,5 10,4 Testidest selgus, et tsemendi koguse suurendamisel on otsene mõju saavutatavale survetugevusele joonis 2.7. Pikemaajaline tahenemine ei andnud tsemendi puhul erilisi tulemusi joonis 2.8. Veesisalduse suurenemine süvendatud setetes avaldab otsest mõju vajamineva sideaine kogusele joonis 2.11. KJ400+Rapid annavad pikema tahenemise aja ja suurema veesisaldusega paremaid tulemusi kui ainult tsement joonis 2.9. Lendtuha lisamine mõjutab 28 päeva jooksul survetugevust väga vähesel määral aga pikemas perspektiivis annab juba 50 kg/m 3 lisamine märgatavaid tulemusi joonis 2.10 (Jyrävä jt. 2007). Survetugevus (kpa) 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 w=150% 28 päeva 90 päeva Joonis 2.7 150% veesisaldusega setete stabiliseerimise survetugevused pärast 28 ja 90 päeva (Jyrävä jt. 2007). 27
Survetugevus (kpa) 180 160 140 120 100 80 60 w=200% 28 päeva 90 päeva 40 20 0 75Ce 75Basic 100Ce 100Basic 125Ce Joonis 2.8 200% veesisaldusega setete stabiliseerimise survetugevused pärast 28 ja 90 päeva (Harri Jyrävä jt. 2007). Survetugevus (kpa) 400 350 300 250 200 150 100 w=250% 28 päeva 90 päeva 50 0 Joonis 2.9 250% veesisaldusega setete stabiliseerimise survetugevused pärast 28 ja 90 päeva (Jyrävä jt. 2007). 28
250 Survetugevus (kpa) 200 150 100 w=150% 28 päeva 90 päeva 50 0 Joonis 2.10 CaO+F+FA ja Ce+FA stabiliseerimise tulemuste võrdlus (Jyrävä jt. 2007). 350 300 150Basic 70KJ400+30Rapid 45Ce+100SLA 100Ce 100(CaO+F)+100FA 45Rapid+150SL 30Ce+150SLA 100Basic 75Ce+50FA 75(CaO+F)+50FA 250 Survetugevus (kpa) 200 150 100 50 0 150% 160% 170% veesisaldus (%) Joonis 2.11 Settematerjali veesisalduse mõju erinevatele sideainetele (Jyrävä jt. 2007). 29
2.3.5 Leostumise testid Leostumise testid viidi läbi stabiliseerimata setetega ja kindlate stabiliseeritud setetega. Uuriti orgaaniliste tinaühendite, osade raskemetallide ja sulfaatühendite leostumist. Leostumise testis kasutati niinimetatud mahuti testi, mis põhineb Hollandi standardil NVN 7347/1999. See test näitab, kui palju saasteaineid levib mingi aja jooksul vette avatud pinnaga proovist. Veeproovid võeti pärast 4 päeva, 17 18 päeva ja 63 64 päeva. Stabiliseerimiseks kasutati järgnevaid sideaineid (Niutanen, Lahtinen, Virtanen, 2007): 75 kg/m 3 Ce 75 kg/m 3 Ce + 50 kg/m 3 FA 75 kg/m 3 Ce + 100 kg/m 3 FA 60 kg/m 3 (CaO + F) + 100 kg/m 3 FA 30 kg/m 3 Ce + 100 kg/m 3 SLA 75 kg/m 3 Ce II B (Basic) Orgaaniliste tinaühendite leostumine pärast 64 päeva on väga väike. Kõikide sideainete mõju leostumisele on sarnane. Vuosaari sadama stabiliseerimise näitel vähendab FA lisamine tinaühendite leostumist. Kõige väiksem leostumine pärast 64 päeva oli stabiliseerimata settel joonis 2.12. Seda selle pärast, et tinaühendite sidumine mineraalmaterjaliga väheneb leeliselises keskkonnas. Stabiliseerimise tulemusel muutuvad pinnased mingiks ajaks leeliseliseks (Niutanen jt. 2007). Testides sai määrata ainult: baariumi (Ba), molübdeeni (Mo), tsingi (Zn), nikli (Ni) ja vanaadiumi (Va) leostumist. Teiste raskemetallide leostumine oli väiksem kui avastamise piirväärtus. Elavhõbeda (Hg) leostumine oli alla avastamise piirväärtuse ja väikseim leostumine oli stabiliseerimata pinnasega joonis 2.13. Sulfaatide leostumine suurenes ainult CaO + F stabiliseerimisel, teiste sideainetega leostumine ei suurenenud joonis 2.14. Kõik katsetatud sideained sobivad kasutamiseks leostumise seisukohast. Ühtlase ja kahjustamata ala korral ei kujuta tinaühendid ja raskemetallid keskkonnale mingit ohtu. TBT leostumise katseid kaitsti UV-valguse eest. Looduslikes oludes lagunevad TBT ühendid UV-valgusega kokkupuutel ohutumateks ühenditeks ja selle tulemusel väheneb nende ühendite sisaldus stabiliseeritud setetes (Niutanen jt. 2007). 30
Kumulatiivne TBT leostumine (mg/m 2 ) 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 Stabiliseerimata setted 75 kg/m3 Ce 75 kg/m3 Ce + 50 kg/m3 FA 75 kg/m3 Ce + 100 kg/m3 FA 60 kg/m3 (CaO+F) + 100 kg/m3 FA 75 kg/m3 Cem II B 30 kg/m3 Ce + 100 kg/m3 SLA 0,01 0 4 14 24 34 44 54 64 Aeg (päeva) Joonis 2.12 Kumulatiivne TBT leostumine, erinevate sideainetega stabiliseerimisel (Niutanen jt. 2007). Kumulatiivne Hg leostumine (mg/m 2 ) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Stabiliseerimata setted 75 kg/m3 Ce 75 kg/m3 Ce + 50 kg/m3 FA 75 kg/m3 Ce + 100 kg/m3 FA 60 kg/m3 (CaO+F) + 100 kg/m3 FA 75 kg/m3 Cem II B 30 kg/m3 Ce + 100 kg/m3 SLA 0,5 0 4 14 24 34 44 54 64 Aeg (päeva) Joonis 2.13 Kumulatiivne elavhõbeda Hg leostumine, erinevate sideainetega stabiliseerimisel (Niutanen jt. 2007). 31
Kumulatiivne SO4leostumine (mg/m 2 ) 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 Stabiliseerimata setted 75 kg/m3 Ce 75 kg/m3 Ce + 50 kg/m3 FA 75 kg/m3 Ce + 100 kg/m3 FA 60 kg/m3 (CaO+F) + 100 kg/m3 FA 75 kg/m3 Cem II B 30 kg/m3 Ce + 100 kg/m3 SLA 0 4 14 24 34 44 54 64 Aeg (päeva) Joonis 2.14 Kumulatiivne sulfaatide SO4 leostumine, erinevate sideainetega stabiliseerimisel (Niutanen jt. 2007). 3. Eestis teostatud uurimused ja katsetused mass-stabiliseerimisel Eestis on teostatud mass-stabiliseerimise katsetusi seoses kahe projektiga. Esimene neist on Tallinn-Tartu-Võru-Luhamaa maantee neljarealiseks ehitamine, kus katsetati turbapinnaste stabiliseerimise võimalikkust Võõbu-Mäo lõigul, et vähendada uue tee rajamise kulusid. Teine projekt on OSAMAT, mis on samuti üks Euroopa Liidu LIFE+ projektidest ja on hetkel veel käimas. Selle käigus uuritakse põlevkivituhkade kasutamisvõimalusi teedeehituses. 3.1 Tallinn-Tartu-Võru-Luhamaa Uurimus ja katselõik teostati aastatel 2007-2010. Peamisteks eesmärkideks oli uurida pinnaste stabiliseerimise tulemuslikkust ja tasuvust. Uuritav teelõik kulgeb 8 km pikkuselt kergelt kaarjalt praegusest Tartu maantee ca 70 km kuni ca 80 km-ni. Praktiliselt terve teelõik paikneb turbapinnastel, paksusega kuni 4 m (Maanteeamet 2007). 32
3.1.1 Stabiliseeritavad pinnased Pinnaseproovid võeti 6-st kohast, nende asukohad on toodud joonisel 3.1. Joonis 3.1 Pinnaseproovide võtmiste asukohad (Maanteeamet 2007). Punktis PA5 loobuti proovi võtmisest, kuna seda poleks saanud teha ilma olulist keskkonnakahju põhjustamata. Proove võeti ühe põhiproovina ja 2 5 väiksema proovina. Põhiproov võeti igast pinnasest, üks proov 0,5 1 m kohta. Väiksemad proovid võeti 1 2 m sügavuselt. Üksikute proovide kogused olid 10 50 liitrit (Maanteeamet 2007). Proovid suleti teibiga õhukindlalt ning tähistati. Pinnased saadeti Rambolli laborisse katsetamiseks. Joonisel 3.2 on punkti PA4 geotulp. PA4 on ainukesena välja toodud kuna selles kohas on kõige paksem turbakiht ja selle punkti turbasegudega sooritati suurem osa stabiliseerimise katseid. 33
Joonis 3.2 proovikoha PA4 geotulp (Maanteeamet 2007). Stabiliseerimise tulemuslikkusel mängib väga suurt rolli materjalide veesisaldus ja orgaanikasisaldus. Mida suurem on vee- ja orgaanikasisaldus seda rohkem läheb vaja sideaineid, et saada soovitud tulemust tabel 3.1. 34
Tabel 3.1 Pinnaseproovide omadused (Maanteeamet 2007). proov 1 Sügavus (m) 0,5-1 Veesisaldus (%) 870 Orgaanikasisaldus (%) 94,4 proov 2 PA1 proov 3 1-1,5 2,1 859 30,5 93 3,2 proov 4 3,1 25,1 5,3 proov 1 0,5-1 972 94,9 PA3 proov 2 1-2 944 92,8 proov 3 2-3 17,1 9,4 proov 1 0,5-1 915 94 proov 2 1-2 767 93,6 proov 3 2-3 954 94,1 proov 4 PA4 A 3-4 1-2 174 825 25,6 93,5 b 1-2 872 92,4 c 1-2 832 93,6 d 1-2 855 94,6 ph 5,8 5,9 7,2 7,1 6,1 6,5 7,4 5,7 5,8 6,1 7 Elektrijuhtivus (µs) 140 120 110 170 160 170 110 170 190 170 500 Redox 137 94-63 -123 110 83-138 136 75 83-19 SO4 2-13 4 16 60 9 8 17 20 14 7 670 Cl - 19 19 6 13 30 17 6 17 20 12 9 Pinnas Turvas Turvas Peenliiv Tolmliiv Turvas Turvas Peenliiv keskliivaga Turvas Turvas Turvas Tolmne saviliiv vähese kruusaga Turvas Turvas Turvas Turvas 35
3.1.2 Sideained Katsetustel kasutati 5 sideainet, 2 tsementi ja 3 põlevkivituhka. Tsemendina kasutati Kunda Nordic Cement toodangut (Maanteeamet 2007): Portlandtsement CEM I 42,5 N Teetsement HRB 32,5 E Tuhkadena kasutati AS Narva Elektrijaamad, Eesti Elektrijaama 3 tuhka (Maanteeamet 2007): Tuhk1 Elektrifiltrituhk (vana katel) Tuhk2 Tsüklontuhk (vana katel) Tuhk3 Keevihi tuhk (uus katel) Vanade katelde tuha tootmisvõimsus on (Maanteeamet 2007): Tsüklontuhka 24 tonni/tunnis Elektrifiltrituhka 12 tonni/tunnis Vanadele kateldele on välja ehitatud tuha tööstuslikud väljavõtukohad, kust on võimalik laadida nii auto- kui raudteetranspordile. Uutel kateldel väljavõtukohad puuduvad. Uute väljavõtukohtade projekteerimine ja ehitamine maksab ligikaudu 4,5 miljonit eurot. Kui ei teki juurde võimalusi uute katelde tuhkade kasutamiseks, siis ei tasu see investeering ära ja kasutada saab ainult vanade katelde tuhkasid. Pildil 9 on toodud vanade katelde tuhkade väljavõtu põhimõtteline toimeskeem ja pildil 10 on tuha laadimisjaam. 36
Joonis 3.3 Tsüklon- ja elektrifiltrituha põhimõtteline toimeskeem (Maanteeamet 2007). Joonis 3.4 Tuha väljavõtujaam (Maanteeamet 2007). 37
3.1.3 Tuhkade laboratoorsed katsed Tuhkade füüsikalis-keemilised näitajad määrati TTÜ Ehitustootluse Instituudis. Teistest eristus oluliselt keevkihi tuhk mis oli kõige suurema eripinnaga (406 m 2 /kg) ja kõige väiksema vaba lubja sisaldusega (6,7 %). Järgnevas tabelis 3.2 on toodud kõikide tuhkade omadused. Tabel 3.2 Põlevkivituhkade füüsikalis-keemilised omadused (Maanteeamet 2007). Sisaldus (%) Eripind Materjal (m 2 /kg) Lahustumatu jääk SO 3 CaO vaba CaO üld MgO üld CO 2 Elektrifiltrituhk 288 18,16 6,94 11,7 38,3 4,75 2,27 Keevkihi tuhk 406 21,9 5,92 6,7 38,96 6,46 14,19 Tsüklontuhk 86 8,72 3,23 18,6 53,12 5,56 1,04 Kõige suurem peenosiste sisaldus on elektrifiltrituhal (98%), tsüklontuhal (71%) ja keevkihi tuhal (46%). Keemilise analüüsi tulemusi on võrreldud keskkonnaministri 2. aprilli 2004. aasta määrusega nr. 12 Pinnases ja põhjavees ohtlike ainete sisalduse piirnormid. Määrusest on valitud võrdluseks sihtarv, millega võrdne või väiksem väärtus tähendab, et pinnase seisund on hea- inimesele ja keskkonnale ohutu. Tabelis 3.3 on keemilise analüüsi tulemused, elektrifiltrituhal ületab sihtarvu arseen, plii, molübdeen ja vanaadium. Keevkihi tuhal ületab sihtarvu ainult plii. Alla tööstustsooni piirarvu jääb ainult arseenisisaldus, teiste raskemetallide sisaldus jääb alla elutsooni piirarvu. Tähelepanu tuleks juhtida sellele, et need piirarvud on kehtestatud pinnastele aga katsetati tuhkasid. Pinnasega segamisel väheneb raskemetallide sisaldus veelgi. 38
Tabel 3.3 Põlevkivituhkade keemiline analüüs (Maanteeamet 2007). Uuritud aine Keevkihi tuhk (mg/kg) Tsüklontuhk (mg/kg) Elektrifiltertuhk (mg/kg) Sihtarv (mg/kg) Seleen 0,17 0,26 0,66 1 Arseen 12 14 40 20 Elavhõbe Antimon 1,1 0,36 0,97 10 Kaadmium 0,07 0,16 0,62 1 Baarium 200 190 260 500 Kroom 32 22 42 100 Vask 11 14 14 100 Plii 51 44 120 50 Molübdeen 4,3 5,5 13 10 Nikkel 25 26 33 50 Tsink 39 85 160 200 Vanaadium 46 41 57 50 Polütsüklilised aromaatsed <0,5 <0,5 <0,5 5 ühendid (PAH) Naftaleen <0,1 <0,1 <0,1 1 Atsenafülteen <0,1 <0,1 <0,1 - Atsenafteen <0,1 <0,1 <0,1 1 Fluoreen <0,1 <0,1 <0,1 - Fenantreen <0,1 <0,1 <0,1 1 Antrantseen <0,1 <0,1 <0,1 1 Fluoranteen <0,1 <0,1 <0,1 - Püreen <0,1 <0,1 <0,1 1 Benso(b)fluoranteen <0,1 <0,1 <0,1 - Krüseen <0,1 <0,1 <0,1 0,5 Benso(a)püreen <0,1 <0,1 <0,1 0,1 Benso(g,h,i)perüleen <0,1 <0,1 <0,1-39
3.1.4 Stabiliseerimise katsed Enne katsetustega alustamist homogeniseeriti pinnaseproovid. Mikseriga segati samast punktis võetud erineva sügavusega turbapinnase proove. See võimaldab katsetes luua reaalsele stabiliseerimisele lähedase olukorra (Maanteeamet 2007). Stabiliseeritud pinnastes moodustatakse proovikehad ja paigaldatakse eelkoormuspinki, mida on näha joonisel 3.5. Proovikehasid hoitakse +20 kraadi juures ja nende alumine osa on 3-4 cm sügavusel vees kogu protsessi käigus. Lisaks kastetakse proove pealt veega, et vältida nende kuivamist. Eelkoormuspingis rakendatakse proovikehadele rauast silindriga 18 kpa koormust, see vastab 1 meetrisele eelkoormuskihile stabiliseerimisprotsessis. Eelkoormuspingis mõõdetakse proovikehade vertikaaldeformatsioone 1, 3 ja 28 päeva möödudes. See annab lisateavet materjali käitumisest kivinemisprotsessi käigus. Deformatsioonikiirus kirjeldab stabiliseerimise käigus saavutatava tugevuse arengut. Proovikehadel mis hoitakse eelkoormus pingis 90 päeva jälgitakse deformatsioone lõpuni. Selle tulemusel saab modelleerida materjalide vajumist reaalsetes tingimustes (Maanteeamet 2007). Joonis 3.5 Proovikehad eelkoormuspingis (Maanteeamet 2007). 40