Zpět na materiály, výrobky, technologie

Alternativní materiály v zemních pracích

26. září 2022
doc. RNDr. František Kresta, Ph.D.

Používání alternativních materiálů v zemních pracích není ničím novým a v mnoha zemích má dlouholetou tradici sahající minimálně do poloviny 20. století. Je nezbytnou součástí aktivního přístupu k ochraně životního prostředí, snižování emisí a redukci uhlíkové stopy (v souladu s akčním programem pro životní prostředí EU).

Autor:


Vystudoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy v Praze, obor ložisková geologie. Od roku 1996 je zaměstnancem firmy SG Geotechnika a.s. V roce 2013 se habilitoval na Fakultě stavební VŠB – Technické univerzity v Ostravě, kde byl jmenován docentem. Profesně se věnuje především využívání druhotných, recyklovaných a alter­nativních materiálů v inženýrské praxi a úpravám zemin pojivy. Autor monografií Druhotné suroviny v dopravním stavitelství a Úprava zemin.

Vzhledem k tomu, že právní předpisy v oblasti odpadů jsou velmi přísné, je snahou, aby alternativní materiály nebyly klasifikovány jako odpad, ale jako vedlejší produkt, druhotná surovina, chemická látka (např. VEP) nebo výrobek, a tím se předešlo jejich hodnocení z hlediska „odpadářské“ legislativy. Abychom se vyvarovali problémů, které může použití alternativních materiálů přinést, je nutno důsledně dodržovat doporučené postupy při jejich uvádění na trh, resp. před jejich použitím.

Úvod

Použijeme-li vhodný alternativní materiál svými vlastnostmi srovnatelný s vlastnostmi materiálu přírodního, rozhodně zachováme více přírodních zdrojů pro budoucnost. Využívání vedlejších produktů z průmyslových procesů snižuje náklady na jejich ukládání na skládky a lze je vhodným způsobem využít s vyšší přidanou hodnotou. Používání alternativních materiálů zapadá do koncepce cirkulární ekonomiky, kde jednou ze zásad je přeměna odpadů na suroviny. Na stavbách s velkým podílem zemních prací je snad již samozřejmostí využívání veškerých vytěžených zemin a hornin, často po úpravě pojivy, v rámci stavby tak, aby se snížilo množství nevhodných zemin ukládané na skládky a snížila se potřeba dovozu přírodních materiálů pro násypy. Deficit v násypových materiálech lze vhodným způsobem doplnit právě alternativními materiály. Smělé plány vyspělého světa (Green Deal, Fit for 55) mohou ve svém důsledku změnit i množství alternativních materiálů, které bude možno uplatnit v zemních pracích. Příkladem může být snižování produkce elektrické energie z uhelných tepelných elektráren, což povede ke snižování množství vedlejších energetických produktů (VEP). Tento fakt se již projevil v produkci a spotřebě VEP, kdy v Evropě se spotřebovalo více VEP, než bylo vyprodukováno (především ve výrobě cementu a betonu) [2]. Rozdíl byl kompenzován dovozem především z Indie (tab. 1 viz tištěná nebo PDF verze časopisu).

V některých oblastech budeme tedy do budoucna nuceni vrátit se ke starým odvalům, úložištím nebo odkalištím a těžit tyto materiály pro potřeby staveb i za cenu úpravy některých jejich vlastností, jak tomu je například u popílků do cementu, které po uložení na odkališti aglomerují a které je nutné před následným použitím znovu pomlít [8]. I za cenu vyšších nákladů bude použití alternativních surovin přínosnější než výstavba jen z nedostatkových přírodních materiálů. Mnohé země mají používání alternativních surovin a jejich přeměnu na zdroje zakotveno ve svých strategických dlouhodobých programech udržitelného rozvoje. Bohužel v mnoha z nich jde pouze o proklamativní texty (např. Politika druhotných surovin České republiky [9]), jež nezahrnují podporu těch, kteří alternativní materiály používají. Na rozdíl od Velké Británie, kde se zvyšují poplatky za ukládání inertního odpadu a daně z těžby přírodních surovin, v České republice žádná podpora používání alternativních materiálů není. Alternativní materiály se používají v ČR především z důvodu snížení nákladů na zemní práce.

Jako alternativní materiály pro zemní práce byly pro potřeby přípravy Technické zprávy (CEN/TR Alternative Materials in Earthworks) definovány všechny antropogenní materiály podle ČSN EN 16907-2, tab. 5 [12]. Do této skupiny patří všechny recykláty, vedlejší produkty z výrobních procesů a rovněž přírodní materiály, které byly v minulosti zabudovány do konstrukcí nebo byly předmětem jen mechanického zpracování (např. lomové skrývky). Inspirací pro další členění jednotlivých materiálů byl předpis CEN/TS 17438 určený pro kamenivo [13]. Příprava nové technické zprávy intenzivně pokračuje a lze předpokládat, že finální text bude dokončen do konce roku 2022.

Environmentální přístup

Velká část alternativních materiálů prochází procesem průmyslové úpravy (např. neprohořelá uhelná hlušina nebo lomové skrývky), případně přímo tvoří vedlejší produkty z výroby (vedlejší energetické produkty, strusky). Je logické, že u těchto materiálů lze očekávat zvýšené obsahy kontaminantů. V jednotlivých zemích jsou proto definovány limitní obsahy těžkých kovů, případně dalších sloučenin, které jsou obvykle shodné s požadavky na přírodní materiály. Avšak u materiálů přírodního původu se tyto vlastnosti obvykle neprokazují. Například mnohé vyvřelé horniny v České republice nevyhovují předpisům z hlediska obsahu arsenu, třebaže tyto horniny zde existují mnoho milionů let.

Vzhledem k tomu, že právní předpisy v oblasti odpadů jsou velmi přísné, je snahou, aby alternativní materiály nebyly klasifikovány jako odpad, ale jako vedlejší produkt, druhotná surovina, chemická látka (např. VEP) či výrobek, a tím se předešlo jejich hodnocení z hlediska odpadářské legislativy. Environmentální aspekty hodnocení potenciálního používání alternativních materiálů v zemních pracích se liší v jednotlivých zemích a na evropské úrovni je nelze sjednotit. Obvykle jsou limitní hodnoty škodlivin definovány v předpise nebo vyhlášce. Pokud jsou hodnoty překročeny, nelze materiál použít. Zcela se však vymyká projektový přístup (design approach) používaný ve Velké Británii. Tam se pro každý velký projekt zemních prací provede samostatná analýza a stanoví se konkrétní parametry obsahu škodlivin v závislosti na podmínkách v místě realizace (vztah k podzemní a povrchové vodě, intravilán nebo extravilán apod.). Aplikace projektového přístupu v jiných zemích je však obtížně představitelná, protože by se musely změnit myšlenkové pochody jak úředníků, tak veřejnosti, zejména pak ekologických aktivistů.

S tím souvisí i používání kontaminovaných materiálů v zemních pracích bez toho, aniž by byly stabilizovány (solidifikovány) například vápnem, cementem, vysokopecní struskou apod. pro snížení možnosti vyluhování nebezpečných složek. Myšlenka o zabudování kontaminovaných materiálů nebo zemin do zemního tělesa je pro mnohé nepředstavitelná. Určitá rizika lze eliminovat a pro některé konstrukce (např. jádro protihlukového valu v extravilánu mimo zátopovou oblast) by šlo o této variantě uvažovat. V tomto případě je však na místě velmi bezpečný návrh zemní konstrukce. Zatím se používání kontaminovaných zemin omezuje pouze po jejich solidifikaci, jak ukazují příklady ze Švédska. Příkladem může být výstavba nové manipulační plochy v přístavu Nya Arendal v jižním Švédsku (obr. 2), kdy se pro úpravu kontaminovaných mořských sedimentů použily dvě směsi: směs cementu (54 %), granulované vysokopecní strusky (24 %) a popílku ze spalování hořlavých břidlic (22 %) z Estonska v množství 150 kg/m3 a směs cementu a granulované vysokopecní strusky (50 : 50) v dávkování 120 kg/m3 [1].

Hlavní problémy při používání alternativních materiálů

Pomineme-li problémy kontaminace (viz výše), pak na používání alternativních materiálů v zemních pracích mají vliv především potenciální objemové změny vyplývající z přítomnosti volného vápna, volného MgO nebo vysokého obsahu síranů. Obsah organických látek, který je sledován například při používání popílků v betonu, kde by zvýšené obsahy mohly ovlivnit rychlost tuhnutí a tvrdnutí betonu, není v případě alternativních materiálů podstatný. Při používání těchto materiálů v zemních pracích, kdy se zřizují inženýrské násypy a kde je zaručeno kvalitní zhutnění a snížení obsahu vzduchových pórů pod 12 %, není nutné obsah organických látek sledovat. Problémem je rovněž metodika stanovení obsahu spalitelných látek. Pokud se použije stanovení ztráty žíháním, pak teplota spalování při zkoušce podstatným způsobem ovlivňuje výsledek [6].

Pokud se používají produkty spalování uhlí, produkty spalování jiných materiálů (popílek z biomasy, popílek ze spalování komunálního odpadu, popílek ze spalování papírenských kalů, popílek ze spalování kalů z čistíren odpadních vod, případně popílek ze spalování hořlavých břidlic), neprohořelá uhelná hlušina nebo jiné materiály, které mohou obsahovat zvýšený obsah organických látek (např. jemnozrnné materiály těžené z vody), není jejich obsah v zemních pracích omezen. Jediným, velmi okrajovým příkladem, kde přítomnost organické (uhelné) hmoty může být riziková, je používání neprohořelé uhelné hlušiny při sanačních a rekultivačních pracích termicky aktivních odvalů uhelné hlušiny (obr. 3). Zvýšené obsahy síranů, které se mohou objevovat u některých produktů spalování uhlí (hlavně fluidní popílky a ložový popel), produktů z výroby železa oceli (vysokopecní a ocelářské strusky), produktů z výroby neželezných kovů a případně produktů spalování jiných materiálů (např. popílek z biomasy), neprohořelé uhelné hlušiny, případně recyklátů ze zdiva, které mohou obsahovat zbytky sádrových omítek, jsou v některých zemích omezeny tak, aby jejich výluhy nemohly korozivně působit na výztuž železobetonových prvků v jejich kontaktu (opěry mostů, propustky, chráničky apod.). Pokud alternativní materiál obsahuje vyšší obsah síranů, je nutné rovněž věnovat zvláštní pozornost při návrhu jeho úpravy vápnem nebo hydraulickými pojivy, neboť mohou vznikat minerály (ettringit, thaumasit) zvětšující svůj objem [7].

V poslední době se objevily diskuse nad možným ovlivněním objemové stálosti produktů ze spalování uhlí po denitrifikaci metodou SNCR (selektivní nekatalytická redukce). Technologie snižují emise oxidů dusíku, ale na druhou stranu se dusíkaté sloučeniny vážou na popílky a další vedlejší produkty spalování. Rizika zvýšené expozice úniku čpavku se řešila hlavně na betonárnách při používání popílků po denitrifikaci do betonu. Při zabudovaní popílků po denitrifikaci v zemních pracích toto riziko odpadá. Uvolňovaný čpavek nepřekračuje v případě zemních prací hygienické limity. Rovněž vliv denitrifikace na mechanické vlastnosti výsledných popílků je minimální [5]. Dosud není uzavřena diskuse nad možným uvolňováním čpavku a zvyšováním pórovitosti a objemu u některých popílkových směsí.

Nejzávažnějším rizikem při používání alternativních materiálů mohou být objemové změny způsobené hydratací volného vápna (CaO) nebo volného periklasu (MgO), které se mohou objevit v případě strusek (vysokopecních i ocelářských), hutní sutě i strusek neželezných kovů [3, 6]. Objemové změny způsobené přítomností volného vápna je nutné posoudit i v případě produktů spalování uhlí (hlavně fluidní popílky a ložový popel), ale i produktů spalování jiných materiálů (hlavně spalování komunálního odpadu a biomasy). Obecně pro používání alternativních materiálů v zemních pracích, případně v nestmelených konstrukčních vrstvách, lze u rizikových materiálů doporučit stanovení lineárního bobtnání v CBR moždíři podle ČSN EN 13247-47 [11]. U produktů spalování uhlí nebo jiných produktů se doporučuje stanovení zahájit po třech dnech zrání. Problémem mohou být některé ocelářské strusky nebo jiné vedlejší produkty z hutní výroby (např. tzv. studený odval), kdy objemové změny za standardní teploty a tlaku trvají několik měsíců až let a korelace mezi těmito zkouškami a zkouškami za zvýšeného tlaku a teploty zatím nebyly jednoznačně definovány [5].

Závěry

Alternativní materiály jsou dlouhodobě používány v zemních pracích. Na jedné straně máme historicky prověřené materiály s velkými zásobami (VEP, strusky, uhelná hlušina) a na druhé straně zatím exoticky vyhlížející materiály vázané pouze na několik lokalit v Evropě (odpad z hořlavých břidlic {spent oil shales} – Skotsko, Estonsko, popílek ze spalování hořlavých břidlic – Estonsko) a materiály, které nikdy nebudou představovat zásadní objemy v zemních pracích (recyklované sklo, odprašky, slévárenské písky, balíky pneumatik nebo drcené pneumatiky apod.).

Mezi těmito skupinami alternativních materiálů se vyskytují některé, jejichž význam do budoucna výrazně stoupne, zvláště bude-li pokračovat útlum spalování uhlí a postupně vyčerpáme i zdroje ze starých odkališť a k útlumu přejdou i Indie a Čína, které zatím mohou Evropu dostatečně saturovat vedlejšími energetickými produkty požadovaných vlastností. K těmto materiálům patří především popílky a škvára ze spalování komunálního odpadu. Jejich použití v zemních pracích je zatím jen omezené z důvodu vysokých obsahů těžkých kovů a dalších kontaminantů, především chloridů pocházejících ze spalování plastů. Pro použití v zemních pracích je nutné tyto popílky nejprve pročistit a potom je jejich použití bezproblémové. Budou se hledat technologie, které by snižovaly ekonomickou náročnost tohoto procesu. Recyklované materiály najdou své uplatnění v aplikacích s vyšší přidanou hodnotou, ke kterým patří výroba kameniva. Jejich použití v zemních pracích bude vždy vítáno, ale z hlediska celkového objemu zabudovaných alternativních materiálů budou ve spodní polovině. Nejvíce se budou používat při regeneraci brownfields a při rekonstrukcích pozemních komunikací. Za velmi přínosné doporučujeme hlubší vyhodnocení materiálů získaných při výstavbě tunelů (tunnel arisings), hlavně z ražeb TBM, protože i výstavba tunelů je významným zdrojem alternativních materiálů. Abychom se vyvarovali problémů, které může použití alternativních materiálů přinést, je nutné důsledně dodržovat doporučené postupy při jejich uvádění na trh, resp. před jejich použitím. Patří k nim:

  • podrobný popis a znalost daného materiálu;
  • výběr hlavních užitých vlastností, které musí alternativní materiál splňovat pro danou aplikaci;
  • posouzení environmetální vhodnosti;
  • provedení průkazních laboratorních zkoušek;
  • modelování chování daného materiálu v inženýrské konstrukci;
  • definice okrajových podmínek pro práci s daným materiálem při jeho zabudování do inženýrské konstrukce;
  • znalost vývoje vlastností daného mate­riálu z dlouhodobého hlediska;
  • standardizace podmínek využití a uvedení technických informací ve známost formou technické informace, předpisu nebo normy.

Pokud splníme tyto postupy, nebudou se opakovat problémy s poruchami konstrukcí při použití objemově nestálých materiálů. Bohužel v minulosti se často stávalo, že se ztratila obezřetnost při aplikaci některých materiálů. V České republice to bylo způsobeno především nekritickým přijímáním certifikátů velmi heterogenních materiálů (např. tzv. studeného odvalu), které mohly nahrazovat požadované průkazní zkoušky. Právě proto, že existoval certifikát tzv. studeného odvalu jako kameniva, byl tento materiál zabudován do zemního tělesa dálnice D47 a do podloží mnoha logistických center, obchodních center a průmyslových hal na Ostravsku. Ani investory, ani zhotovitele nenapadlo zpochybnit certifikáty vydané státní zkušebnou [3]. Důsledkem byly deformace vozovky a podlah a mnohamilionové škody. Ze staveb, kde byly tyto materiály zabudovány, nebylo na podnět investora a jeho stavebního dozoru odvezeno byť jediné auto těchto materiálů a ve stavebních denících se vždy uvádělo, že příslušná vrstva byla zřízena bez vad a nedodělků a lze pokračovat v práci.

Namísto toho, aby se hledaly cesty a postupy, jak vzniklé deformace odstranit, případně jak eliminovat vznik nových deformací, probíhají soudní pře, protože právní spor je zajímavější a mediálně přitažlivější než „nudný“ vědecký výzkum. Poté, co se objevily deformace, nastal druhý nelogický extrém, kdy byly například zakázány všechny vedlejší produkty z výroby železa a oceli na stavbách dálnic a silnic, a tento zákaz trval v ČR deset let. Důvody byly iracionální a logické argumenty nebyly přijímány. Dalším extrémem je snaha některých majitelů alternativních zdrojů na nich vydělat více, než je zdrávo, a přitom to nikdy nebude „zlatý důl“. I přes některé z výše popsaných problémů jsou alternativní materiály již pevně zakotveny pro používání v zemních pracích. Nemůžeme ­usnout na vavřínech, ale musíme neustále věnovat pozornost jejich vlastnostem, které mohou odrážet některé změny technologie při jejich produkci (např. denitrifikace a demerkurizace spalování uhlí apod.), a prohlubovat a vyměňovat si zkušenosti s jejich aplikacemi v různých oblastech zemních prací. Nebojme se po­užívání alternativních mate­riálů a věřme jim. Techn. pozn. k pojmu alternativní materiály: I na evropské úrovni se vedla diskuse, jak tuto skupinu materiálů pojmenovat. Vzhledem k tomu, že jsou v ní obsaženy jak produkty recyklace, tak vedlejší produkty z výrobních procesů i přírodní materiály, u kterých se upravovala jen křivka zrnitosti, byl nakonec zvolen název alternativní materiály. Pod tímto názvem se připravuje i TR (technical report) v rámci technického výboru TC 396 při CEN v Bruselu.

Zdroje:
[1] BERNSTEN, Kristina. Nya Arendal. Stabilisering och solidifiering av förorenade sediment. COWI AN, 2018.
[2] HEIDRICH, Craig, Hans-Joachim FEUERBORN. Global opportunities and challenges for coal combustion products with a circular economy. EurocoalAsh2021, Thessaloniki, pp. 25–32.
[3] KRESTA, František: Secondary materials in highway works. VŠB – Technická univerzita Ostrava, 2012, 144 p. ISBN 978-80-248-2890-9.
[4] KRESTA, František: Fly ash after SNCR denitrification and its utilisation in earthworks. EurocoalAsh2021, Thessaloniki, pp. 90–96.
[5] KRESTA, František: Long term volume stability of steel slag and steelworks waste – up to now results of correlations between short (accelerated) and long termed tests. International seminar on Earthworks in Europe, Prague, 2022.
[6] KRESTA, František, Petr MARTINEC. Loss on ignition tests and their limits in various applications in earthworks. International Seminar on Earthworks in Europe, Prague, 2022.
[7] MRÁZ, Václav, Lenka, HONETSCHLÄGEROVÁ, Jan SUDA, Jan VALENTIN, František KRESTA, František LUXEMBURK. Limiting factors for the applicability of specific types of energetic by-products in the roadbed structures. GeoChina 2018.
[8] PETEROVÁ, Adéla, František ŠKVÁRA, Martina ŠÍDLOVÁ, Rostislav ŠULC, Kristýna SOKOLOVÁ, Roman SNOP. Can Czech stockpile fly ash be used in production of concrete. Eurocoalash 2019, Dundee, pp. 123–130.
[9] Politika druhotných surovin České republiky. Ministerstvo průmyslu a obchodu, 2014.
[10] Aktualizace politiky druhotných surovin České republiky pro období 2019–2022. Ministerstvo průmyslu a obchodu, 2018.
[11] ČSN EN 13247-47 Nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy – Část 47: Zkušební metoda pro stanovení kalifornského poměru únosnosti, okamžitého indexu únosnosti a lineárního bobtnání
[12] ČSN EN 16907-2 Zemní práce – Část 2: Klasifikace materiálů.
[13] CEN/TS 17438 Source materials considered in the development of the Aggregate standards of TC 154.

Z lektorského posudku
Úvahu autora o možnosti „používání kontaminovaných materiálů v zemních pracích bez toho, aniž by byly stabilizovány“ považuji za velmi odvážnou a v současné době jednoznačně v přímém rozporu s platnou odpadovou legislativou (vyhláška č. 273/2021 Sb.). I přes výše uvedenou výhradu však doporučuji článek publikovat. Jeho text určitě přispěje k tolik potřebné odborné diskusi o recyklaci výkopových zemin a kamení a jejich využívání zejména v dopravních stavbách. Současně stanovené limitní hodnoty škodlivin podle vyhl. 273/2021 Sb. jsou totiž u většiny výkopových zemin a kamení nesplnitelné!