Wały przeciwpowodziowe z odpadów

Do budowy wałów przeciwpowodziowych można wykorzystać uboczne produkty spalania.

W ostatnich latach udowodniono przydatność kompozytów gruntowych na bazie tzw. mieszanek hybrydowych w geoinżynierii. Popioły z energetyki samodzielnie i w połączeniu z piaskami z rzecznego urobku czerpalnego stanowią materiał budowlany (grunt) skutecznie wykorzystywany w budowie nasypów dróg, np. doprowadzających do mostów. Przykładem tego może być budowa mostu Północnego w Warszawie¹. Podobnie budowano nabrzeża portowe, np. nabrzeże kontenerowe w Gdańsku (fot.).

Na świecie powstają sztuczne wyspy, na których wznoszone są konstrukcje wysokich budynków mieszkalnych. Grunty spoiste skutecznie uzdatnia się spoiwami hydraulicznymi, w tym produktami pochodzącymi ze spalania węgla, takimi jak popioły i żużle wykorzystywane przy wznoszeniu nasypów autostradowych. Bez wątpienia ten niezwykły postęp w optymalizacji składu kompozytów i poprawianiu właściwości gruntów antropogenicznych daje asumpt do działań, które spowodują włączenie takich mieszanek w planowanie i wykonywanie wielu projektów geotechnicznych zarówno w kraju, jak i na świecie.

Badania naukowe w Katedrze Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego Politechniki Gdańskiej, prowadzone w ramach projektu DredgDike², pozwalają z optymizmem patrzeć na problem wykorzystania materiałów hybrydowych w budownictwie hydrotechnicznym. Zaobserwowano pozytywne skutki budowy wałów przeciwpowodziowych z mieszanek popiołowo-piaskowych w aspektach gospodarczym, ekologicznym i ekonomicznym. Oceny użyteczności konstrukcji geotechnicznej lub hydrotechnicznej dokonuje się poprzez ustalenie takich wskaźników, jak: emisyjność, antropogeniczność i energochłonność dla wszystkich składników materiałowych oraz wykorzystanych technologii.

Wskaźniki

Wskaźnik emisyjności określa łączną emisję gazów cieplarnianych oddanych do atmosfery podczas wznoszenia konstrukcji. Materiały i procesy technologiczne składające się na konstrukcję geotechniczną są policzone w aspekcie składających się na nie emisji gazów cieplarnianych. Jako podstawowe traktowane jest CO₂, ale pod uwagę mogą być wzięte także i inne gazy. Jeżeli konstrukcja ma wiele części o różnym składzie, to wskaźnik emisyjności będzie liczony jako suma wskaźników oddzielnie liczonych dla każdej z nich, z podziałem na materiały i procesy technologiczne³.

Wskaźnik antropogeniczności to zawartość surowców antropogenicznych w konstrukcji geotechnicznej. Można go zdefiniować jako procentową zawartość objętości materiału antropogenicznego w objętości konstrukcji. Jeżeli konstrukcja ma wiele części o różnym składzie, to wskaźnik ten będzie liczony jako suma wskaźników oddzielnie liczonych dla każdej z nich³.

Wskaźnik energochłonności określa łączną energię zużytą do wzniesienia konstrukcji. Składowymi są energia zużyta do wytworzenia materiałów i procesów technologicznych składających się na konstrukcję geotechniczną. Jeżeli konstrukcja ma wiele części o różnym składzie, to wskaźnik ten będzie liczony jako suma wskaźników oddzielnie liczonych dla każdej z nich z podziałem na materiały i procesy technologiczne³.

Cenne odpady

Jednym ze źródeł pozyskiwania energii jest spalanie węgla lub innych materiałów energetycznych. Szacuje się, że elektrownie węglowe generują 41% światowej produkcji energii elektrycznej. To więcej niż jakiekolwiek inne paliwa⁴. Ta energia może być pozyskana przy zerowym udziale odpadów. Z punktu widzenia globalnej gospodarki kraju jest to kluczowe zagadnienie. Węgiel stanowi też podstawowy zasób energii dla innych procesów technologicznych, takich jak wytwarzanie ciepła i produkcja stali. W efekcie uzyskuje się ogromne masy ubocznych produktów spalania (UPS), np. popioły, popioły lotne, popioło-żużle, żużle i inne minerały antropogeniczne. Należy również zastrzec, że uboczne produkty spalania nie są już ogólnie rozumianym bezużytecznym odpadem, nie są też odpadami niebezpiecznymi, jeśli nie zostały zanieczyszczone w innych procesach przemysłowych. Są one pełnoprawnym i pełnowartościowym materiałem budowlanym, odpowiednio przygotowanym i zastosowanym. Prawidłowa procedura obchodzenia się z takimi materiałami daje gwarancję, że nie dojdzie do zanieczyszczenia środowiska. Minerały powstałe w trakcie procesu spalania węgla lub innych stałych nośników energii nie są niebezpieczne, podobnie jak materiał wyjściowy.

Odpad, jako materiał, jest pojęciem zdefiniowanym w ustawie o odpadach⁵ i rozporządzeniach do tej ustawy^{6, 7}. Definicja odpadu to nie wskazanie, czym taka substancja jest pod względem fizykochemicznym. O odpadzie mówimy wówczas, gdy nie jest on użyteczny ekonomicznie lub środowiskowo i musi być deponowany na składowiskach. W wyniku procesów spalania węgla otrzymujemy minerały użyteczne, które mogą być wykorzystane w różnych procesach technologicznych lub dziedzinach inżynierii, czego przykładami są geotechnika, geoinżynieria lub tzw. zielona geotechnika⁸.

W przypadku budowy korpusu wałów przeciwpowodziowych samo UPS nie jest odpowiednim materiałem budowlanym z punktu widzenia właściwości fizykomechanicznych, dlatego komponuje się geokompozyty na bazie mieszanki, np. z piaskiem czerpalnym ze zbiorników wodnych lub rzek. Piasek ten jest materiałem naturalnym i w swojej postaci depozytu geologicznego ? budowlanym, dlatego nie jest niebezpieczny dla środowiska. Wyjątek mogą stanowić niektóre obszary przyportowe lub rzeczne, gdzie może występować wysoki poziom kontaminacji, np. duża koncentracja zanieczyszczeń chemicznych, będących pochodnymi eksploatacji przemysłowej.

Ustalanie czystości osadów dennych, zalegających na dnie akwenów portowych, do końca 2012 r. przebiegało zgodnie z procedurami zawartymi w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z 16 kwietnia 2002 r. w sprawie rodzajów oraz stężeń substancji, które powodują, że urobek jest zanieczyszczony⁹. Obecnie, po zmianie ustawy o odpadach⁵ w 2013 r., analiza osadów dennych zalegających na dnie akwenów portowych jest wykonywana w oparciu o wytyczne do konwencji helsińskiej HELCOM¹⁰. Osady rzeczne są oceniane na podstawie ustawy⁵ oraz rozporządzeń do tej ustawy^{6, 7}.

Zgodnie z obowiązującymi zaleceniami⁵, zarówno uboczne produkty spalania, jak i urobek czerpalny należy poddać procedurom administracyjnym, w których materiały zostaną poddane odpowiedniej weryfikacji jakości i przydatności do celów budowlanych⁷.

Modelowe stanowisko badawcze

W ramach projektu DredgDike wykonano stanowisko badawcze. Jest to fragment nasypu imitujący wał przeciwpowodziowy w skali naturalnej, wraz z zabudowaną ściankami szczelnymi wanną, która umożliwia badanie wpływu różnych poziomów wody i zmiennych długości czasu symulacji wysokiej wody powodziowej, włącznie z sytuacją stanów przelewowych. Korpus wału wykonano z mieszanki popiołowo-piaskowej w stosunku objętościowym 30/70. Zewnętrzną pokrywę wału stanowiła warstwa gruntu spoistego grubości 50 cm z warstwą wegetacyjną w postaci darni trawiastej.

Przeprowadzono szereg badań w skali naturalnej na modelowym wale przeciwpowodziowym i wykazano przydatność materiału hybrydowego jako geokompozytu popiołowo-piaskowego do budowy i/lub renowacji tego rodzaju konstrukcji hydrotechnicznych.

W przypadku zaprojektowania korpusu nasypu z mieszanki popiołu i piasku nie zakłada się pełnej szczelności przegrody. Po odpowiednio długim czasie występowania wysokiej wody w nasypie ustala się poziom przepływu. Celem projektowania jest również takie ustalenie wymiarów konstrukcyjnych wału, aby woda filtrująca przez wał nie wypływała w postaci otwartego cieku wodnego po stronie odpowietrznej. W projekcie bierze się pod uwagę: czas trwania powodzi, wysokość fali powodziowej, współczynnik filtracji materiału wału, długość drogi filtracji przez wał itp.

Czujniki zmiany wilgotności, zainstalowane w korpusie modelowego wału, pozwoliły na precyzyjne ustalenie kształtowania się linii przepływu w czasie przez materiał popiołowo-piaskowy.

Badania dowiodły, że linia przepływu ustala się po ok. 72 godzinach od czasu osiągnięcia maksymalnego poziomu wody powodziowej, a potem pozostaje stabilna. Wysoki poziom wody utrzymywano przez tydzień i nie zaobserwowano zmian ustabilizowanej linii przepływu.

Niezwykle istotnym i często poruszanym problemem jest obawa o możliwość zanieczyszczania środowiska niebezpiecznymi związkami chemicznymi, a przede wszystkim metalami ciężkimi. Przeprowadzone analizy porównawcze piasku pochodzenia rzecznego z rzeki Martwa Wisła, popiołu z elektrociepłowni Gdańsk oraz odcieków wody po przefiltrowaniu przez modelowy wał wykazały, że poziom zanieczyszczeń metalami ciężkimi w przefiltrowanej przez wał wodzie maleje nawet o dwa rzędy wielkości (tab.).

 

Zawartość metali ciężkich po przefiltrowaniu przez geokompozyt¹¹

Zawartość metali [mg/kg]		Piasek	Popiół	Odciek wody przez wał	Wartości referencyjne
Pb		16,0	23,0	< 0,2	50,0
Cd		< 0,5	< 0,5	< 0,01	1,0
Cu		< 2,0	30,0	< 0,05	30,0
Hg		0,0018	0,0140	0,0009	0,5
pH	[-]	7,98	8,90	7,52	–

 

Budowle hydrotechniczne

Materiał hybrydowy popiołowo-piaskowy może być wykorzystany nie tylko do budowy nowych wałów przeciwpowodziowych, ale również do ich rozbudowy i renowacji. Przy użyciu takiego materiału wał przeciwpowodziowy może być poszerzany lub/i podwyższany, jeżeli wymagają tego warunki lokalne.

W przypadku renowacji, materiałem przydatnym może być popiół, ze względu na swoje cechy fizyczne i mechaniczne. Jako materiał o bardzo niskiej granulacji może być wykorzystany do budowy barier w korpusie wału lub poza wałem przeciwpowodziowym. W takim przypadku UPS może stanowić element konstrukcyjny uszczelniający lub wydłużający drogę filtracji.

Cenny ekwiwalent

Liczne badania¹¹ wykazały aktywność pucolanowo-hydrauliczną popiołów, którą przez wykorzystanie odpowiednich metod można kontrolować. Dodatek popiołu do kompozytu mineralno-gruntowo-antropogenicznego modyfikuje jego strukturę poprzez efekt wypełniający oraz właściwości pucolanowe. Zastosowanie popiołu jako dodatkowego, wartościowego składnika kompozytu mineralno-gruntowo-antropogenicznego prowadzi do uzyskania kompozytu (w tym wykazującego właściwości uszczelniające) o wyższych parametrach wytrzymałościowych w stosunku do kompozytów niemodyfikowanych popiołami. Materiały pochodzące z ubocznych produktów spalania okazują się skutecznym i ekonomicznym ekwiwalentem cennych mineralnych kruszyw budowlanych. Wykorzystanie takich materiałów w samodzielnej lub hybrydowej postaci jest istotnym wkładem w utylizację produktów uznawanych dotychczas za odpady.

 

prof. dr hab. inż. Zbigniew Sikora, dr inż. Mariusz Wyroślak, Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego, Politechnika Gdańska

Tytuł i śródtytuły od redakcji

Źródła

1. http://mostpolnocny.warszawa.pl.
2. www.dredgdikes.eu/pl.
3. Szczygielski T.: Zielona geotechnika w aspekcie Narodowego Programu Rozwoju Gospodarki Niskoemisyjnej. ?Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne?. 11-12/2012.
4. Szczygielski T.: Towards Zero Waste Coal Power. EUROCOALASH. Monachium 2014.
5. Ustawa z 14 grudnia 2014 r. o odpadach (DzU z 2013 r., nr 0, poz. 21).
6. Rozporządzenie Ministra Środowiska z 13 maja 2004 r. w sprawie warunków, w których uznaje się, że odpady nie są niebezpieczne (DzU z 2004 r. nr 128, poz. 1347).
7. Rozporządzenie (WE) nr 1907/2006 Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie rejestracji, oceny, udzielania zezwoleń i stosowanych ograniczeń w zakresie chemikaliów (REACH), ze zm.
8. Sikora Z.: Zielona Geotechnika: odbiorca produktów z energetyki. XXI Konferencja Popioły z Energetyki. Zakopane 22-24.10.2014.
9. Rozporządzenie Ministra Środowiska z 16 kwietnia 2002 r. w sprawie rodzajów oraz stężeń substancji, które powodują, że urobek jest zanieczyszczony (DzU z 2002 r. nr 55, poz. 498).
10. Konwencja Helsińska HELCOM Guidelines for the disposal of dredged material at sea adopted in June 2007.
11. South Baltic Cross-Border Co-operation Programme 2007-2013. Project DredgDikes.