Deficiente aparute in exploatarea drumurilor cu straturi din agregate naturale stabilizate cu cenusa de termocentrala

Amploarea fara precedent a unor programe de dezvoltare a retelei de drumuri in tara noastra necesita consumuri de materiale (agregate naturale, lianti) de multe ori neregenerabile si costisitoare, dificil de asigurat din sursele traditionale. Solutiile alternative de inlocuire a agregatelor naturale, a liantilor, ca variante viabile la tehnologiile clasice, adoptarea si dezvoltarea continua a tehnologiilor de reciclare constituie preocupari ale cercetatorilor, proiectantilor si constructorilor din domeniul rutier. Astfel, amestecurile stabilizate alcatuiesc, cu succes, straturile de fundatie din structurile rutiere rigide sau atat straturile de fundatie cat si straturile de baza din alcatuirea structurilor semirigide.

Comparativ cu fundatiile traditionale, netratate, cu grosimi mari, fundatiile stabilizate, constituite dintr-o suita de straturi mai subtiri (asize), cu rigiditate considerabil sporita, asigura o repartizare mai judicioasa a incarcarilor din trafic pentru grosimi globale mai reduse ale structurii rutiere, conform modelului exemplificat in figura 1, dupa S. Jercan [1]. 

Stabilizarea materialelor pentru fundatii rutiere este o practica de data relativ recenta, extinzandu-se in Europa dupa anii 1960 – 1965, urmand exemplul tehnicilor care se aplicau pe scara mare in SUA, in scopul optimizarii performantelor mecanice si, implicit, a capacitatilor portante si durabilitatii in timp a soselelor.

Sintagma stabilizare implica o conotatie de ameliorare a performantelor mecanice ale materialelor, respectiv ale straturilor „tratate“, fiind definita in STAS 4032/1-90 astfel: stabilizare – tratarea mecanica sau cu lianti a pamantului sau agregatelor naturale utilizate in straturile rutiere, in scopul maririi capacitatii portante si a rezistentei in timp a acestora.

In cadrul lucrarilor de drumuri, in tehnologia materialelor locale stabilizate, se folosesc atat lianti nehi­dra­ulici (tratarea pamanturilor coezive si foarte coezive cu var pentru executia stratului de forma din alcatuirea complexelor rutiere), cat si lianti hidraulici, apartinand la doua grupe distincte:

• cu priza rapida: ciment Portland;
• cu priza lenta: lianti puzzolanici, indeosebi sistemele binare (zgura granulata – activator, cenusi volante de termocentrala – activator, tufuri vulcanice – activator etc).

STAS 4032/1-90 [2] ofera urmatoarele definitii:

• liant hidraulic – pulbere mine­rala care, in amestec cu apa, reac­tioneaza dand produse care se intaresc in timp.
• liant puzzolanic – material care, in amestec cu un activator, in pre­zenta apei capata proprietati hidra­ulice (include cenusa de termocentrala, zgura granulata de furnal, tuf vulcanic).
• puzzolana – produs natural de origine vulcanica, bogat in silice amorfa si alumina, care in prezenta apei si a varului capata proprietati liante. Prin extindere: produsul natural sau artificial are proprietati puzzolanice. In consecinta, trebuie reiterat ca notiunea „liant puzzolanic“ desemneaza intotdeauna asociatia compozita puzzolana – activator. 

Cenusa de termocentrala, material rutier

Cenusile de termocentrala repre­zinta reziduurile rezultate din arde­rea carbunilor energetici in procesele de obtinere a produselor in cogenerare, provenite, in general, din impuritatile minerale – sterilul – acestora.

Cenu­sile de termocentrala sunt caracterizate ca fiind puzzolane artificiale – rezultate ca produse secundare – avand o compo­zitie chimica elementara complexa. Apartinand clasei puzzolanelor artificiale, ele sunt materiale silicioase, lipsite de o capacitate proprie de intarire, care contin insa compusi (SiO2 + Al2O3  + Fe2O3 >70% ) ce se combina cu varul (CaO) – ca activator – in prezenta apei, la tempera­tura ordinara si dau nastere unor noi formatiuni de hidrocompusi, greu solubili in apa, care manifesta proprietati liante latente.

In majoritatea termocentralelor, cenusile sunt captate, transportate si depozitate pe halde in stare umeda (fig. 2a). Insa, in cazul lucrarilor de stabilizare a pamanturilor, a agregatelor naturale in cadrul structurilor rutiere sau la obtinerea cimenturilor cu adaosuri, a mortarelor si betoa­nelor etc., pentru a-i pune in valoare caracterul puzzolanic, cenusile se capteaza in stare uscata, sub forma de pulbere (fig. 2b).

Utilizarea cenusilor de termocentrala in constructiile rutiere are o istorie de succes de peste 60 de ani. La inceput, a fost practicata pe scara  extinsa in SUA, in deceniul al patrulea al secolului XX, apoi, incepand din deceniul al cincilea si in Europa de Vest, in principal in Franta, Belgia, Germania, Marea Britanie.

Nivelul de experienta si varietatea aplicatiilor sunt foarte diferite de la o tara la alta, cu o plaja larga a utilizarii, de la lucrari de terasamente, ramblee, rampe la poduri, la tratarea pamanturilor coezive ca straturi de forma sau a agregatelor naturale ca straturi de fundatie si de baza din componenta structurilor rutiere rigide si semirigide.

Urmatoarele doua exemple recente pot fi edificatoare:

In Anglia – Drumul A 52 Froghall din Staffordshire a fost realizat prin inlocuirea vechii structuri rutiere, pe grosimea de 40 cm, cu un material nou constituit din agregatele granulare (5 – 20 mm) preexis­tente, reciclate cu adaugare de 12% cenusa volanta, 3% var indeplinind rolul de liant si 27% nisip.

In Franta – Drumul RN 47 Lens La – Basse din departamentul Pas-de Calais a fost supralargit, pe lungimea de 7,5 km, utilizandu-se circa 50.000 de tone de cenusa volanta pentru stabilizarea agregatelor naturale din straturile de fundatie (stratul superior de fundatie – 28 cm grosime cu 13% cenusa si un strat de baza – 22 cm cu 19% cenusa) [3].

In tara noastra exista, de asemenea, norme care reglementeaza utilizarea cenusii de termocentrala, atat in lucrarile de terasamente, la umpluturi cat si ca valorificare superioara, la executia straturilor din agregate naturale stabilizate, cenusa avand rol de substituent partial sau total al cimentului. Implementarea in practica a rezultatelor experimentale, a incercarilor si studiilor de laborator nu a atins, insa, un nivel operational, ramanand episodica si doar cu carac­ter experimental, din cauza inertiilor autoritatilor administrative.

De retinut ca Asociatia Profesio­nala a Producatorilor si Utilizatorilor de Cenusa din Romania – ROMCEN are ca principal obiectiv „promova­rea utilizarii cenusilor rezultate din procesele de ardere a carbunilor (combustibili solizi fosili) in centralele termoelectrice, ca resurse reciclabile valoroase pentru industria materialelor de constructii si in constructiile rutiere“. In acest sens, SC CET Govora SA, principalul membru fondator al ROMCEN, a certificat prin SC CEPROCIM SA – CIM-OCP, in conformitate cu EN 450-1 + A1:2007, produsul cenusa zburatoare pentru beton Categoria A,N, avand drept domeniu de utilizare: adaos tip II pentru beton, mortar si pasta de ciment.

De asemenea, trebuie mentionat faptul ca, pentru fabricarea acestui tip de produs (cenusa), fluxul tehnologic a fost modificat in scopul obtinerii si pastrarii unor caracteristici constante impuse de organismul de certificare. O prezentare schema­tica a procesului de producere a cenusii de termocentrala pe flux tehnologic in cadrul CET Govora este redata in figura 3.

Un alt sortiment de cenusa, produs si livrat catre potentialii utilizatori, este cenusa pentru ciment care, incepand cu anul 2008, a fost livrata de CET Govora in cantitate de peste 500.000 t. Aproape toate aceste cantitati au fost preluate de fabricile de ciment, destinatia lor fiind cea pentru obtinerea unor sortimente de cimenturi sau de lianti hidraulici rutieri.

Aplicatii ale cenuSii de termocentrala in lucrari rutiere. Deficiente aparute in exploatare, in cazul lipsei unei coordonari tehnice de specialitate

Constructiile rutiere sunt lucrari care inglobeaza importante cantitati de materii prime (agregate naturale, lianti). Acest fapt poate constitui un avantaj pentru consumul de cenusa de termocentrala, ceea ce ar conduce, indiscutabil, la obtinerea unor economii importante privind costul investitiilor de baza.

Pe de o parte, costul scazut al cenusii in raport cu cel al materialelor de umplutura (pentru lucrarile de terasamente) sau al cimentului, respectiv al altor tipuri de lianti folositi la realizarea straturilor de fundatie sau de baza ale structurilor rutiere, iar, pe de alta parte, performantele mecanice ridicate si buna comportare in exploatare, cat si aspec­tele de mediu, sunt factori de care proiectantii, constructorii si autoritatile  contractante ar trebui sa tina seama in luarea unor decizii atunci cand este vorba de moder­nizarea sau reabilitarea si chiar executia unor lucrari noi de infrastructura rutiera.

Pentru transpunerea lor in practica, un rol important il au studiile aferente etapei de proiectare, cat si rigurozitatea urmaririi calitatii prin personalul implicat in faza de executie.

Daca in ceea ce priveste studiile aferente etapei de proiectare, si anume studiul topo cat si studiul geotehnic, acestea furnizeaza datele de intrare necesare elaborarii corecte a unui proiect de drum, abordarea aspectelor care tin de dimensi­onarea structurii rutiere, in stransa corelare cu traficul (ca intensitate si componenta), cu natura si calitatea materialelor, de o maniera adecvata, conform normelor de proiectare, fara a face concesii de la calitate, constituie premisa unei structuri durabile cu mentinerea unei stari de viabilitate prevazuta in etapa de proiectare pentru perioada de serviciu.

Aplicarea unor tehnologii, dupa experienta lucrarilor realizate in alte tari cu traditie in executia drumurilor, fara o implicare in cunoas­terea tuturor aspectelor ce pot interveni in cazul unor lucrari complexe, asa cum sunt cele de moder­nizarea / reabilitarea structurilor rutiere, nu reprezinta si garantia succesului executiei. Spre exemplificare, urmatorul caz poate fi edificator:

Pe raza judetului Valcea, la aproximativ 50 km de CET Govora, s-a incercat realizarea unui tronson experimental privind modernizarea unui drum judetean, care avea drept parte carosabila o impietruire.

Elementele geometrice ale trase­ului au fost pastrate, astfel incat nu au fost necesare exproprieri, iar in profil transversal drumul prezenta urmatoarele caracteristici: latimea partii carosabile 5,60 m si doua acostamente de 0,30 m (fig. 4).

Tronsonul experimental, realizat in anul 2008, prevedea o ranforsare a structurii existente cu un strat de agregate naturale stabilizate cu cenusa de termocentrala si o imbracaminte asfaltica executata intr-un singur strat.

Traseul drumului nu impunea elemente de dificultate in etapa de proiectare a modernizarii, ampriza sa fiind generoasa, cu elementele geometrice ale partii carosabile si acostamentele bine definite pe aproape intreaga lungime. Declivi­tatile erau mici, drumul era in majoritatea sa in rambleu (fig. 5), insa existau si cateva portiuni cu profil transversal mixt (fig. 6), fiind prevazute, de asemenea, santuri pentru preluarea si evacuarea apelor prove­nite din precipitatii.

In ceea ce priveste dimensiona­rea unei structuri rutiere cu straturi din agregate naturale stabilizate cu lianti (puzzolanici) exista standarde si normative care reglementeaza: elementele geometrice, conditiile tehnice de calitate, procedeul de punere in opera, urmarirea si controlul calitatii, receptia lucrarii.

In cadrul executiei tronsonului experimental, dupa o pregatire in prealabil a stratului suport (fundatia), amestecul de agregate naturale stabilizate cu cenusa de termocentrala activata, realizat intr-o statie de betoane, si care urma sa aiba rolul de strat de baza in viitoarea structura rutiera modernizata, a fost transportat cu autobasculanta si raspandit pe latimea partii caro­sabile, in „cordoane“ (fig. 7).

A urmat o profilare a materialului cu ajutorul unui autogreder, reali­zandu-se astfel si o mai buna omo­genizare a amestecului (fig. 8).

O ultima operatie, inaintea aster­nerii stratului de imbracaminte asfal­tic de 4 cm, a fost compactarea pe intreaga platforma a drumului (fig. 9).

In scopul edificarii comportarii in timp a tronsonului experimental, in urma unei solicitari catre Consiliul Judetean Valcea, a fost realizata, in luna mai 2012, o investigatie vizuala, care a urmarit starea actuala a drumului, fiind prelevate, totodata, si cateva carote din stratul de imbra­caminte asfaltic si stratul de baza din agregate naturale stabilizate cu cenusa de termocentrala. Astfel, a fost pusa in evidenta aparitia, intr-un timp foarte scurt de la darea in exploatare a drumului nou modernizat, a unei serii de degradari specifice acestor tipuri de structuri (fig. 10).

Carotele extrase au putut pune in evidenta urmatoarele:

• o grosime a stratului de imbracaminte asfaltic de 4 cm.
• grosimea stratului de balast stabilizat (care a putut fi extras) de aprox. 5 cm (fig. 11).
• grosimea straturilor, imbraca­min­tea asfaltica si stratul de baza al noii structuri rutiere, 14 – 16 cm (fig. 12).

Din grosimea de 10 – 12 cm a stratului de baza din balast stabilizat cu cenusa de termocentrala activata, doar cca 5 cm au putut fi extrasi in urma carotarii, restul de material dezintegrandu-se, din cau­za unei matrici liante slabe. Mai mult, la marginea acostamentului, intr-o sectiune, a putut fi pusa in evidenta prezenta materialului neconsolidat (cenusa de termocentrala si balast neliat) (fig. 13).

Concluzii

Aparitia prematura a degrada­rilor, varietatea si frecventa lor pe intreg tonsonul experimental pot fi puse pe seama unor erori de pro­iectare si/sau executie.

Astfel:

• Grosimea insuficienta a stratului din agregate naturale stabilizate cu cenusa de termocentrala, precizand, aici, ca o grosime minima constructiva in cazul modernizarilor sau al reabilitarilor pentru astfel de lucrari este de 18 cm.
• O dimensionare a structurii rutiere pe baza normelor in vigoare.
• Calitatea cenusii de termocentrala (granulometrie, indicele fizic de activitate), tipul acesteia (de electrofiltru sau de halda).
• Compozitia amestecului stabilizat (procentul de cenusa si de activator si calitatea acestuia, procentul de agregat natural, curba granulometrica a amestecului uscat), umiditatea amestecului in timpul executiei.
• Grosimea stratului asternut dupa compactare.
• Realizarea gradului de compactare (identificarea de material neconsolidat pune sub semnul intrebarii: cantitatea de activator, apa pentru hidratare, realizarea unei compactari eficiente).
• Calitatea stratului de imbra­caminte asfaltica (prezenta agregatelor friabile, alterate si nu in totalitate ca piatra concasata), fara a considera epuizate totalitatea aspec­telor care ar fi putut conduce la aparitia acestor degradari (nu a existat o analiza pe baza proiectului tehnic si documentelor de executie), explica intr-o maniera logica degra­darea aparuta la suprafata stratului de imbracaminte.

In contextul celor prezentate pana acum, ROMCEN sustine promovarea utilizarii cenusii de termocentrala in lucrari de infrastructura (la umpluturi in ramblee, ca adaos in betoane, drept componenta a lian­tilor puzzolanici alaturi de un activator bazic). Totodata, atragem atentia ca folosirea nerationala, fara a avea la baza exigentele ce rezida din normele tehnice de proiectare, executie si control al calitatii poate conduce la nereusita in aplicarea teh­nologiilor specifice lucrarilor rutiere si la compromiterea ideii de utilizare a unui material folosit pe scara larga in alte tari si practic, abandonat in Romania.

Bibliografie

[1] JERCAN S.: „Suprstructura si intretinerea drumurilor“. Ed. Didactica si Pedagogica, 1980;

[2] STAS 4032/1-90: „Lucrari de drumuri. Terminologie“;

[3] ANDREI B., POPESCU N., ZELICI L.: „ROMCEN – o initiativa pentru dezvoltare durabila“. Revista Drumuri. Poduri. Ed. Media Drumuri Poduri Romania, 2012.

Autori:
ing. Bogdan ANDREI – director general PROEX CONSTRUCT SRL, vicepresedinte ROMCEN
ing. Nicolae POPESCU – sef Sectie Cazane CET Govora SA, presedinte ROMCEN
ing. Ludovic ZELICI – director tehnic calitate CET Govora SA, vicepresedinte ROMCEN 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 117 – august 2015, pag. 60