Stabilizacja wapnem

Wzrost oraz aktualna duża ilość inwestycji drogowych w Polsce niesie za sobą potrzebę ciągłego rozwoju budownictwa drogowego. Rozwój ten skupia się na nieustannym poszukiwaniu nowoczesnych materiałów budowlanych oraz technik ich adaptacji, ale jednocześnie ulepszaniu szeroko stosowanych i znanych sposobów wykonywania budowli drogowych. Wzrost cen materiałów tradycyjnych np. kruszywo, cement sprawia, że już na etapie projektowania inwestycji szuka się oszczędności lub sposobów na podniesienie tempa prac przy jednoczesnym zachowaniu jakości robót. Istotną rolę odgrywa stabilizacja wapnem.

Stabilizacja wapnem

Doskonałym, szeroko stosowanym sposobem na podniesienie tempa prac jest stabilizacja, która skraca proces wykonania konstrukcji poprzez wyeliminowanie potrzeby wymiany gruntu nawet, gdy mamy do czynienia z materiałem spoistym, wysadzinowym. W momencie, gdy na budowie napotkamy na takie właśnie warunki gruntowe, gdzie dodatkowo grunt wysadzinowy jest często przewilgocony stabilizacja wapnem będzie optymalnym rozwiązaniem.

Wapno

Wapno to substancja wiążąca otrzymywana w wyniku wypalania wapieni. Reakcja przebiega wg wzoru:

                 CaCO3 (kamień wapienny) → CaO (wapno palone) + CO2↑ (dwutlenek węgla)

Wapno jest spoiwem powietrznym to znaczy, że wiąże i zachowuje swoje właściwości tylko w środowisku powietrznym. Uzyskujemy je, gdy wapienie użyte do produkcji wapna zawierają do 8% frakcji iłowej. W przypadku, gdy zawartość frakcji iłowej przekracza 8% zaliczamy takie wapno, jako spoiwo hydrauliczne.

Rodzaje wapna

Wapno palone - CaO, czyli tlenek wapnia. Otrzymywane przez wypalanie (prażenie) kamienia wapiennego w temperaturze 900 – 1300 °C, w wapienniku. Wapno pod postacią brył może być używane w przemyśle hutniczym. W drogownictwie stosuje się wapno palone mielone, jest ono silnie higroskopijne, przez co łatwo wchodzi w reakcję chemiczną z wodą. W zależności od rodzaju użytego surowca, wyróżniamy:

• wapno palone wapniowe – do wypalania używa się wapieni,
• wapno palone dolomitowe – do wypalania używa się mieszanki wapieni z dolomitami,

Kolejną, po składzie chemicznym, cechą wapna jest jego reaktywność. Reaktywność wyraża się pod postacią parametru t₆₀ jest to czas gaszenia dla temperatury 60^oc, a w uproszczeniu to czas, jaki mieszanina wapna i wody potrzebuje by osiągnąć temperaturę 60^oc. W tym przypadku wapno możemy podzielić następująco:

• wapno wysoko reaktywne – czas gaszenia t₆₀= 1÷ 3 min.
• wapno średnio reaktywne – czas gaszenia t₆₀= 6÷ 9 min.
• wapno nisko reaktywne – czas gaszenia t₆₀= 9÷ 12 min.

Wapno hydrauliczne – do wypalania używa się wapieni ilastych (powyżej 8% frakcji iłowej) często z domieszką margli. Zaprawy z wapna hydraulicznego mają niską wytrzymałość mechaniczną, przez to nie należą do często używanych spoiw. Natomiast jest spoiwem hydraulicznym, dlatego posiada możliwość wiązania również w środowisku wodnym.

Wapno gaszone - Ca(OH)2 – wodorotlenek wapnia. Łączenie tlenku wapnia (CaO) z wodą powoduje reakcję chemiczną w wyniku, której powstaje wodorotlenek wapnia. Reakcję tę nazywamy gaszeniem lub lasowaniem wapna. Gaszenie może być wykonywane:

• na mokro – w wyniku tej metody powstaje plastyczne ciasto wapienne lub mleko wapienne
  w postaci zawiesiny,
• na sucho – gaszenie zachodzi przy użyciu minimalnej ilości wody, niezbędnej do przeprowadzenia prawidłowej reakcji chemicznej. W wyniku tej reakcji otrzymujemy wapno hydratyzowane (sucho gaszone)

Stabilizacja wapnem - grunty które się nadają

Stabilizacja wapnem znajdzie swoje zastosowanie w miejscach występowania gruntów spoistych i bardzo spoistych. Będą to grunty, które zawierają zwiększoną ilość frakcji pylasto-ilastej m.in. pospółki gliniaste, piaski gliniaste, pyły oraz w szczególności te bardzo spoiste o zwiększonej ilości frakcji ilastej takie jak iły, gliny.

Wymagania wobec gruntów przeznaczonych do stabilizacji wapnem wg PN-S-96011:

• wskaźnik plastyczności – powyżej 7%,
• zawartość frakcji kamienistej (sito #40 mm) – nie więcej niż 15%,
• zawartość części organicznych – poniżej 10%,
• wskaźnik piaskowy WP – nie więcej niż 30%

Zastosowanie wapna

Brak uzdatniania i stabilizacji gruntów spoistych może prowadzić do utraty nośności oraz rozmywania podłoża, na co wpływ w głównej mierze mają wody gruntowe, opady atmosferyczne czy roztopy po zimie.
Wapno możemy użyć do wstępnego ulepszenia gruntów bardzo spoistych, kwaśnych, humusowych, bardzo przewilgoconych, które następnie mogą być przeznaczone do dalszej stabilizacji np. cementem. Można go użyć również bezpośrednio do stabilizacji, gdy warstwa gruntu stabilizowanego stanowi element konstrukcyjny budowli.

Rodzaj wapna, jaki chcemy wybrać będzie zależał od warunków gruntowo-wodnych panujących na budowie oraz stanu gruntu. W przypadku, gdy grunt będzie posiadał wilgotność powyżej wilgotności optymalnej i będzie w stanie miękkoplastycznym, niezbędne będzie użycie wapna palonego wysoko reaktywnego, które gwałtownie reaguje z wodą wydzielając przy tym duże ilości ciepła. Będzie to najefektywniejszy rodzaj wapna, który pozwoli nam na doprowadzenie gruntu do wymaganych parametrów lub do stanu pozwalającego na prowadzenie kolejnych robót. W przypadku gruntów średnio spoistych możemy stosować wapno hydratyzowane, lecz nie będzie się one nadawało do gruntów przewilgoconych gdyż nie reaguje z wodą stąd właściwości osuszające będą znikome. W przypadku gruntów o wilgotności znacznie mniejszej od wilgotności optymalnej zastosować można wapno gaszone pod postacią mleka wapiennego.

Stabilizacja wapnem - proces

Przed przystąpieniem do prac należy, tak jak w przypadku każdego rodzaju stabilizacji, zbadać najpierw sam grunt przeznaczony do robót w celu ustalenia zasadności stosowania danego spoiwa. Kolejnym krokiem ustalenie wyznaczonych parametrów warstwy, a następnie na ich podstawie laboratoryjne zaprojektowanie odpowiedniej mieszanki wapienno-gruntowej. Na podstawie ustalonej procentowej zawartości wapna w stosunku do gęstości objętościowej suchego gruntu oraz grubości stabilizacji możemy określić dokładne dozowanie spoiwa w kg/m².

W zależności od przeznaczenia projektowanej mieszanki wapienno-gruntowej ilość wapna wyrażona w procentach wynosi wg PN-S-96011:1998:

• dla górnej warstwy ulepszonego podłoża drogi od 3% do 7%,
• na dolną warstwę podbudowy dla dróg o ruchu lekkim od 5% do 8%,
• do wstępnego osuszania gruntów przeznaczonych do dalszej stabilizacji lub do wbudowania w nasyp poniżej 1,0 m (dolne warstwy ulepszonego podłoża), od 2% do 4%,
• w przypadku ulepszania gruntów wysadzinowych w strefie przemarzania, zaleca się nie przekraczanie dozowania 4% wapna palonego CaO.

Sam proces stabilizacji wapnem nie różni się niczym od stabilizacji innymi spoiwami np. cementem czy spoiwami drogowymi. Najczęstszym sposobem jest wykonanie stabilizacji na miejscu. Proces rozpoczyna się od dozowania określonej ilości i rodzaju wapna za pomocą rozsypywarki spoiw, następnie gruntomieszarka łączy zadozowane wapno z gruntem, potem następuje wstępne zagęszczenie warstwy stabilizowanej wapnem przy wilgotności optymalnej. Końcowe zagęszczanie rozpoczyna się po wyrównaniu warstwy do odpowiednich wysokości, a po nim odbywa się proces pielęgnacji (więcej o procesie stabilizacji -> stabilizacja spoiwem hydraulicznym).

Dodać jednak należy, że w przypadku stosowania wapna palonego, należy zwrócić szczególną uwagę na bezpieczeństwo pracowników, gdyż działa ono drażniąco na skórę, powoduje poważne uszkodzenie oczu oraz może powodować podrażnienie dróg oddechowych.

Efekty stosowania wapna w procesie stabilizacji

• poprawa urabialności gruntów spoistych,
• uzdatnianie gruntów kwaśnych, humusowych,
• osuszenie gruntów przewilgoconych,
• wzrost wilgotności optymalnej stabilizowanego gruntu,
• wzrost wytrzymałości na ściskanie gruntu stabilizowanego,
• zwiększenie nośności warstwy,
• poprawa zagęszczalności gruntu stabilizowanego,
• brak wymiany gruntu – skrócenie czasu robót ziemnych,
• mniejsza ingerencja w środowisko.