Reutilizarea deseurilor din sticla ca solutie eco-sustenabila la stabilizarea pamanturilor argiloase

Analiza utilizarii potentiale a deseurilor din sticla pentru producerea materialelor si imbunatatirea pamanturilor destinate lucrarilor de fundatii durabile si stabile ar trebui sa constituie o tema de interes, solutia avand mare potential de dezvoltare in Romania. Aplicatiile experimentale bazate pe integrarea produselor reciclate cu rol de lianti au permis definirea de cerinte multicriteriale necesare pentru imbunatatirea caracteristicilor de performanta tehnica si de mediu a materialelor. Astfel s-a creat premisa pentru perfectionarea metodelor de realizare a lucrarilor de terasamente pentru drumuri si platforme industriale, a lucrarilor de imbunatatire a infrastructurii cailor ferate, a elementelor pentru paviment etc. In cadrul cercetarilor desfasurate la INCD URBAN-INCERC am structurat un program experimental (tipuri de pamanturi, deseuri, tipuri de incercari, dozaje materiale, caracteristici de performanta, retete optime) care reprezinta o etapa premergatoare pentru modelarile la scara redusa aplicate in proiectarea de structuri si elemente eco-sustenabile utile in lucrarile de constructii.

In ultimele decenii, o serie de studii realizate de American Association of Highway Transportation Officials au evidentiat posibilitatea utilizarii agregatelor de sticla in lucrarile de drumuri pentru realizarea structurilor rutiere. Compararea caracteristicilor de rezistenta si performantelor ingineresti cu cele ale agregatelor naturale [1] a aratat ca deseurile de sticla concasate prezinta un potential de utilizare ca material de umplutura sau cu rol drenant. Recent, o serie de tari au integrat deseurile de sticla in specificatiile infrastructurilor rutiere, cu scopul de a incuraja folosirea la scara larga a acestor tipuri de materiale alternative [2]. Studiile in domeniu au evidentiat ca deseurile de sticla contribuie in mod pozitiv la proprietatile micro-structurale ale amestecului printr-o imbunatatire evidenta a performantelor mecanice [3], [4]. Experimentele au demonstrat ca adaosul unui praf de sticla de 15% in beton poate conduce la o crestere a rezistentei la compresiune cu 13% [5].

Cercetarile din domeniu au evidentiat imbunatatirea pamanturilor prin adaugarea prafului de sticla. In Romania, un astfel de studiu s-a aplecat asupra pamanturilor argiloase, considerate ca pamanturi dificile de fundare din cauza caracterului de expansiune – contractie si procesului de consolidare ca urmare a aplicarii incarcarii pe termen lung [6]. Au fost efectuate aplicatii experimentale pentru determinarea caracteristicilor geotehnice ale pamanturilor argiloase (80%) cu adaos de 20% deseuri de sticla si a fost evaluata eficacitatea acestui amestec in straturile rutiere [7].

Rezultatele determinarilor au indicat o crestere de 5% a densitatii maxime in stare uscata si de 10% a indicelui californian de capacitate portanta. Rezultatele experimentelor au confirmat eficienta utilizarii sticlei reciclate ca material de constructie in aplicatiile ingineresti, in special in lucrarile de drumuri la straturile de baza sau ca material de umplutura [8].

Avantajele utilizarii deseurilor de sticla in fabricarea elementelor de constructii (pavaje sau blocuri de beton) constau in: durabilitatea materialului datorita absorbtiei de apa aproape nule, rezistenta la abraziune imbunatatita a betonului datorita duritatii excelente, imbunatatirea proprietatilor reologice ale betonului proaspat fara a utiliza superplastifianti in amestecuri.

Simulari experimentale pe structuri alcatuite din pamant (argila) si deseuri de sticla

Prima etapa in realizarea structurilor compozite s-a concentrat pe stabilirea unor variante experimentale constituite din pamanturi dificile de fundare de tipul argilelor expansive si deseuri din sticla. Dupa schematizarea etapelor de lucru si realizarea modelelor de structuri, experimentarea la nivel macro-structural a constat din efectuarea de seturi de incercari pentru determinarea caracteristicilor de rezistenta si deformabilitate, precum si simularea unor conditii de expunere variate, care sa permita estimarea performantelor tehnice si de mediu asociate mixurilor obtinute [9]. Epruvetele au fost expuse la conditii normale de temperatura si umiditate, cicluri de uscare-umectare prin inducerea accelerata a conditiilor de caldura excesiva si cicluri alternative de inghet-dezghet.

Retetele optime pe tipuri de componente s-au selectat in functie de valorile maxime medii ale caracteristicilor mecanice asociate cu tipurile de aplicatii si criteriile de performanta adecvate principiilor de dezvoltare durabila [10]. Determinarea initiala a caracteristicilor de identificare corespunzatoare materialului nativ selectat a permis incadrarea in categoria de pamanturi cu caracter expansiv, cu un continut ridicat de peste 40% de argila coloidala (2 μm) si plasticitate foarte mare. Din analiza rezultatelor obtinute (Tabelul 1) se evidentiaza faptul ca pamantul natural manifesta o sensibilitate la schimbarile volumetrice cauzate de variatiile de umiditate si temperatura, compresibilitate mare si este activ din punct de vedere al potentialului de umflare, fiind incadrat in categoria pamanturilor dificile de fundare.

Ulterior, cantitatea de pamant necesara pentru confectionarea epruvetelor a fost uscata si mojarata pana la obtinerea unor sorturi cu dimensiuni mai mici de 2 mm. Pentru simularea unor conditii de umiditate excesiva, materialul a fost adus la umiditati mari, cu valori cuprinse intre 31-38%, dupa care compozitia a fost omogenizata manual. Ca materiale aditionale au fost utilizate deseuri de sticla in diferite dozaje (5%, 10% si 20%), concasate si sortate, cu dimensiuni ale particulelor cuprinse intre 0,5 si 2 mm. Au fost confectionate cate 20 de probe pentru fiecare dozaj.

Pentru a cuantifica evolutia variatiilor caracteristicilor de rezistenta in functie de conditiile prestabilite de expunere si perioadele de tratare, au fost efectuate incercari pentru determinarea rezistentei specifice la compresiune monoaxiala, cu simularea unor conditii de lucru specifice: (a) imediat dupa preparare; (b) dupa tratarea termica prin uscare in etuva la 105°C timp de 24 ore; (c) expunere in conditii normale de temperatura (19-22°C) si umiditate (40-60%) pe o perioada de 7 zile; (d) expunere la 3 cicluri de uscare accelerata in etuva si umiditate excesiva prin distribuirea omogena a unei cantitati de 100 ml apa, urmata de perioade de uscare prin mentinerea in conditii normale de temperatura si umiditate; (e) expunere la 3 cicluri de inghet-dezghet prin congelarea probelor la o temperatura de -10°C pe o perioada de 72 ore, urmata de mentinerea in conditii normale de temperatura si umiditate pentru aceeasi perioada.

Din analiza valorilor medii ale rezistentei la compresiune a epruvetelor din pamant argilos si deseuri de sticla, expuse la diferite medii de temperatura si umiditate, se observa o tendinta de crestere accentuata de peste 3.000% a caracteristicilor de rezistenta pentru toate structurile compozite asociate conditiilor de uscare excesiva si conditiilor normale de temperatura pe o perioada de 7 zile (fig. 1), comparativ cu valorile corespunzatoare dupa preparare. In cazul epruvetelor supuse la 3 cicluri succesive de uscare-umectare se observa o crestere semnificativa de peste 700% a valorilor rezistentei comparativ cu probele dupa preparare, respectiv de 111-260% corespunzatoare epruvetelor expuse la 3 cicluri de inghet-dezghet. De asemenea, se pot remarca diferente procentuale de 170-280% intre valorile rezistentei specifice structurilor expuse la cicluri de uscare-umectare si cele la cicluri de inghet-dezghet, fapt care evidentiaza impactul negativ al temperaturilor scazute prin scaderea rezistentei.

Din amestecurile omogene cu deseuri de sticla au fost preparate o serie de epruvete cilindrice care au fost supuse incercarilor pentru determinarea caracteristicilor de compresibilitate si a presiunii de umflare, in edometru. Scopul stabilirii acestor seturi de incercari este de a realiza o analiza comparativa a parametrilor de deformabilitate in conditii normale, saturate si a determina influenta aportului de deseuri de sticla asupra acestora. Prelucrarea datelor inregistrate privind tasarea probelor sub diferite trepte de incarcare a permis calcularea indicilor de compresibilitate: modulul de deformatie edometric (E_oed200-300); tasarea specifica la presiunea unitara de 200 kPa (ε); coeficientul de compresibilitate volumica (m_v); coeficientul de compresibilitate (a_v).

Distributia curbelor de compresiune-tasare obtinute pe structurile alcatuite din pamant si deseuri din sticla este indicata in figura 2, iar in figura 3 este reprezentata variatia valorilor medii ale modului de deformatie edometric (E_oed200-300).

Din analiza indicilor de compresibilitate obtinuti din incercarile de compresibilitate s-a observat faptul ca, din punct de vedere al clasificarii pamantului in functie de caracteristicile determinate, pe masura adaosului de deseuri de sticla se obtine o scadere a deformabilitatii, reflectata prin valori crescute cu 23-45% ale modulului de deformatie edometric si valori reduse cu 14-28% ale coeficientului de compresibilitate, comparativ cu valorile corespunzatoare pamantului natural. Prin adaugarea de deseuri de sticla s-a obtinut imbunatatirea caracteristicilor de deformabilitate marcata de schimbarea categoriei de compresibilitate, considerata ca fiind mare pentru pamantul natural in clasa de compresibilitate medie. Determinarea presiunii de umflare consta in estimarea variatiilor de volum cauzate de variatiile de umiditate, in conditiile inundarii complete si masurarea evolutiei umflarii in timp. Curbele obtinute sunt prezentate in figura 4.

Analiza rezultatelor obtinute pentru variantele experimentale

Analiza si interpretarea rezultatelor obtinute pentru setul de amestecuri cu deseuri de sticla au evidentiat urmatoarele aspecte:

• crestere accentuata de peste 3.000% a caracteristicilor de rezistenta pentru toate structurile
  compozite asociate conditiilor de uscare excesiva si conditiilor normale de temperatura pe o perioada de 7 zile, comparativ cu valorile corespunzatoare dupa preparare;
• crestere semnificativa de peste 700% a valorilor rezistentei la 3 cicluri succesive de uscare-umectare comparativ cu probele dupa preparare, respectiv de 111-260% corespunzatoare celor expuse la 3 cicluri de inghet-dezghet;
• rezistenta la compresiune maxima s-a obtinut pentru structurile de pamant cu 20% deseuri de sticla (σ = 2,8 N/mm2 dupa mentinere timp de 7 zile in conditii normale de temperatura, σ = 2,9 N/mm2 dupa tratare termica accelerata);
• imbunatatirea caracteristicilor de deformabilitate pe masura adaosului de deseuri de sticla, cu valori crescute de 23-45% ale modulului de deformatie edometric si valori
  reduse de 14-28% ale coeficientului de compresibilitate, comparativ cu cele corespunzatoare pamantului nativ;
• scaderea cu 33-65% a presiunii de umflare, trecandu-se de la categoria de pamanturi active in clasa de activitate medie si putin active.

CONCLUZII

Referitor la structurile modelate, s-a constatat ca adaosurile de deseuri de sticla in compozitiile cu argila, prin uscare controlata accelerata la temperaturi ridicate, au condus la actiunea de sinterizare si obtinerea unor proprietati mecanice superioare, rezistenta maxima fiind obtinuta pentru compozitia cu 20% deseuri din sticla. Se remarca faptul ca rezistenta la compresiune a fost imbunatatita semnificativ, atingand valori cuprinse intre σ = 1,9 – 2,9 N/mm2, relativ apropiate de cele ale elementelor de pavimente existente pe piata materialelor de constructii. Efectul pozitiv al dozajelor de deseuri de sticla asupra imbunatatirii caracteristicilor de rezistenta permite considerarea acestora ca substitut eficient pentru agregatele fine, ce comporta proprietati puzzolanice, cu potential ridicat de obtinere a unor elemente de paviment de calitate buna. Prin reducerea semnificativa a potentialului de umflare si imbunatatirea caracteristicilor de deformabilitate, se considera oportuna aplicarea unor compozitii similare in lucrarile de stabilizare a straturilor rutiere.

Rezultatele experimentelor confirma eficienta utilizarii sticlei reciclate ca material de constructie in aplicatiile ingineresti, in special in lucrarile de drumuri la straturile de baza sau ca material de umplutura. Avantajele utilizarii deseurilor de sticla in fabricarea elementelor de constructii (pavaje sau blocuri de beton) constau in: durabilitatea materialului datorita absorbtiei de apa aproape nule, rezistenta la abraziune imbunatatita a betonului datorita duritatii excelente, imbunatatirea proprietatilor reologice ale betonului proaspat fara a utiliza superplatifianti in amestecuri. Cercetarile vor conduce la realizarea unui transfer de cunoastere intre cercetare si mediul economic prin crearea unor tehnologii curate, hipoenergetice integrate, destinate descentralizarii deseurilor din constructii si proiectarii de noi materiale si elemente prefabricate pe baza de materiale alternative. Incercarile experimentale vor fi extinse in cadrul Proiectului Nucleu PN 19 33 04 02.

BIBLIOGRAFIE

[1] Blewett J., Woodward P. K., Some geotechnical properties of waste glass, Ground Engineering, 33 (4): 36-40, 2000;

[2] Su N., Chen J. S., Engineering properties of asphalt concrete made with recycled glass, Resources, Conservation and Recycling, 35(4): 259-274, 2002;

[3] Corinaldesi V., Gnappi G., Moriconi G., Montenero A., Reuse of ground waste glass as aggregates for mortars, Waste Management, 25: 197-201, 2005;

[4] TopÇu I. B., Canbaz M., Properties of concrete containing waste glass, Cement and Concrete Research, 34: 267-274, 2004;

[5] Tuncan M., Karasu B., Yalcin M. (2001), The suitability for using glass and fly ash in Portland cement concrete, Proc. 17th International Offshore and Polar Engineering Conf., Norway, 146-152, 2001;

[6] Nuruzzaman D., Hossain M. A., Effect of soda lime glass dust on the properties of clayey soil, Global Journal of Researches in Engineering: Civil And Structural Engineering, 14 (5): 210-219, 2014;

[7] DAVIDOVIĆ N., BONIĆ Z., PROLOVIĆ V., Waste glass as additive to clayey material in subgrade and embankment of road pavement, Facta Universitatis, Series Architecture and Civil Engineering, 10 (2): 215-222, 2012;

[8] Disfani M. M., Arulrajah A., Bo M. W., Hankour R., Recycled crushed glass in road work applications, Waste Management, 31 (11): 2341-2351, 2011;

[9] BADANOIU ALINA, IORDACHE ELENA, IONESCU RUXANDRA, VOICU GEORGETA, MATEI ECATERINA, Effect of composition and curing regime on some properties of geopolymers based on cathode ray tubes glass waste and fly ash, Romanian Journal of Materials, 45 (1), 3 -13, 2015;

[10] Dobrescu C. F. (2017), Study concerning bearing assessment of natural and stabilized soils using binders with ecological benefits based on parametric correlations, Romanian Journal of Materials, 47 (1), 112-116, 2017;

[11] *** Project PN 16 10 04 02, „Innovative concepts for optimizing the process of reuse and recovery of construction wastes and sustainable management perspectives harmonized with European strategies”, 2016-2017.

Autor:
ing. Cornelia-Florentina Dobrescu – INCD URBAN-INCERC

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 189 – martie 2022, pag. 44