Autorzy: prof. dr hab. inż. Małgorzata Jastrzębska, dr inż. Karolina Kanpik-Jajkiewicz,
dr inż. Magdalena Kowalska – Politechnika Śląska

Recenzent: prof. dr hab. inż. Marek Lefik

Projekt okładki: Piotr Paczuski

Wydawcy: Renata Włostowska i Karol Zawadzki
Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski
Redaktor: Maria Kasperska
Produkcja: Mariola Grzywacka

Zdjęcie na okładce: Magdalena Kowalska

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w Internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.
Więcej na www.legalnakultura.pl
Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-23408-9

DOI: https://doi.org/10.53271/2023.182

Wydawnictwo Naukowe PWN SA
02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2
tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88
e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl
www.pwn.pl

Fragment

Symbole, oznaczenia i skrótowce

1. WPROWADZENIE

Bibliografia do rozdziału 1

2. UWARUNKOWANIA PRAWNE STOSOWANIA MATERIAŁÓW ALTERNATYWNYCH W GEOTECHNICE

Bibliografia do rozdziału 2

3. ODPADY Z PROCESÓW TERMICZNYCH

3.1. Odpady z elektrowni

3.1.1. Pochodzenie i wielkość produkcji

3.1.2. Charakterystyka materiałowa popiołów lotnych

3.1.2.1. Popioły lotne z kotłów konwencjonalnych

3.1.2.2. Popioły lotne z kotłów fluidalnych

3.1.3. Charakterystyka materiałowa żużli z elektrowni

3.1.4. Wytyczne dotyczące stosowania odpadów z elektrowni

3.1.5. Przykłady zastosowań odpadów z elektrowni

3.2. Odpady z hutnictwa

3.2.1. Pochodzenie i wielkość produkcji

3.2.2. Charakterystyka materiałowa żużli hutniczych

3.2.3. Wytyczne stosowania żużli hutniczych

3.2.4. Przykłady zastosowań żużli hutniczych

3.3. Odpady z produkcji spoiw mineralnych

3.3.1. Pochodzenie i wielkość produkcji drobnego pyłu klinkierowego

3.3.2. Charakterystyka materiałowa drobnego pyłu klinkierowego

3.3.3. Wytyczne stosowania drobnego pyłu klinkierowego

3.3.4. Przykłady zastosowań

Bibliografia do rozdziału 3

4. ODPADY GUMOWE – ZUŻYTE OPONY SAMOCHODOWE

4.1. Pochodzenie

4.2. Wielkość produkcji

4.3. Charakterystyka materiałowa

4.4. Właściwości fizyczne TDA

4.5. Właściwości mechaniczne TDA

4.6. Wybrane właściwości fizyczne i mechaniczne mieszanek TDA i gruntów

4.7. Wytyczne stosowania

4.8. Przykłady realizacji

Bibliografia do rozdziału 4

5. ODPADY NATURALNE ROŚLINNE I ZWIERZĘCE

5.1. Włókna – ogólna charakterystyka

5.2. Włókna roślinne – budowa i parametry opisujące ich właściwości

5.3. Włókna roślinne – przygotowanie próbek/kompozytu

5.4. Włókna roślinne – rozkład i praca włókien w kompozycie

5.5. Włókna roślinne – przegląd wybranych włókien

5.5.1. Włókna lniane (ang. the flax fibers)

5.5.2. Włókna kukurydziane (ang. the cornsilk fibers)

5.5.3. Włókna ze słomy (ang. the barley straw fibers/ the cotton straw fibers)

5.5.4. Włókna z trzciny cukrowej (bagassa) (ang. the cane/bagasse fibers)

5.5.5. Włókna kokosowe (ang. the coconut/coir fibers)

5.5.6. Włókna palmowe (ang. the palm fibers)

5.5.7. Włókna jutowe (ang. the jute fibers)

5.5.8. Włókna sizalowe (ang. the sisal fibers)

5.5.9. Włókna bambusowe (ang. the bamboo fibers)

5.5.10. Włókna papirusowe (ang. the papyrus fibers)

5.5.11. Włókna trocinowe (ang. the sawdust fibers)

5.5.12. Włókna roślinne jako dodatki do gruntu stabilizowanego wapnem lub cementem

5.5.13. Włókna roślinne – podsumowanie

5.6. Odpad roślinny – fusy po parzeniu kawy (ang. the spent coffee grounds)

5.7. Odpady zwierzęce – skorupki jaj i muszli (ang. the eggshells/ the seashells)

5.8. Włókna zwierzęce – włókna piór kurzych/ptasich (ang. the chicken (poultry)/bird feather fibers)

5.8.1. Przygotowanie włókien piór do zastosowań

5.8.2. Przegląd badań i zastosowań włókien piór kurzych/ptasich

5.9. Włókna włosów ludzkich (ang. the human hair fibers)

5.10. Podsumowanie

Bibliografia do rozdziału 5

6. PODSUMOWANIE

Przypisy

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

Symbole, oznaczenia i skrótowce

Litery łacińskie

A – wskaźnik aktywności koloidalnej, –

c – spójność, kPa

CC – wskaźnik ściśliwości, – / wskaźnik krzywizny uziarnienia, –

CU – wskaźnik jednorodności uziarnienia, –

d_50 (D_50) – mediana średnicy ziaren odpowiadająca 50% suchej masy gruntu, mm

d_10, d_30, d_60 – średnice zastępcze, mm

D – współczynnik tłumienia drgań, %

E – moduł odkształcenia sprężystego (Younga), MPa / moduł sprężystości przy rozciąganiu (Younga), GPa

E_50 – sieczny moduł Younga, MPa

e – wskaźnik porowatości, –

fGr – zawartość frakcji żwirowej, %

fSa, fFSa, fCSa – zawartość frakcji, odpowiednio piaskowej, w zakresie piasku drobnego, w zakresie piasku grubego, %

fSi – zawartość frakcji pyłowej, %

fCl – zawartość frakcji iłowej, %

fSi+Cl – suma zawartości frakcji pyłowej i iłowej, %

G – moduł ścinania (odkształcenia postaciowego, Kirchhoffa), MPa

Gmax – początkowy (maksymalny) moduł ścinania, MPa

Gs – względny ciężar właściwy szkieletu gruntowego, –

IB – wskaźnik kruchości, –

ID – stopień zagęszczenia, %

IP – wskaźnik plastyczności, %

IS – wskaźnik zagęszczenia, –

k – współczynnik wodoprzepuszczalności, m/s

K – moduł ściśliwości (odkształcenia objętościowego), MPa

K_0 – współczynnik parcia bocznego w spoczynku, –

m – masa, Mg, kg, g

M – edometryczny moduł ściśliwości wtórnej, MPa

M_0 – edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej, MPa

pcmax – ciśnienie pęcznienia, kPa

q – intensywność naprężenia (dewiator naprężenia), kPa

qmax, qres – dewiator naprężenia, odpowiednio wartość maksymalna (szczytowa) i rezydualna, kPa

Rc – wytrzymałość na ściskanie, MPa

T – wytrzymałość na rozciąganie, kPa

u – ciśnienie wody w porach, kPa

V – objętość, cm^3, m^3

w – wilgotność, % / zdolność absorpcji wody, %, –

wn – wilgotność naturalna, %

wL – granica płynności, %

wopt – wilgotność optymalna w badaniu zagęszczenia, %

wP – granica plastyczności, %

wS – granica skurczalności, %

wL, wP, wS – granice Atterberga, %

Litery greckie

γ – ciężar objętościowy, kN/m^3 / odkształcenie postaciowe, %

εa – odkształcenie osiowe (składowa tensora odkształcenia w kierunku osi próbki), %, –

εh – odkształcenie poziome (składowa pozioma tensora odkształcenia), %, –

εvol – odkształcenie objętościowe, %, –

χ – zawartość domieszki w stosunku do masy całej próbki, %, –

ξ – zawartość domieszki w stosunku do objętości całej próbki, %, –

η – współczynnik kształtu, –

λ – współczynnik przewodności cieplnej (przewodność cieplna), W/(m∙K)

φ – kąt tarcia wewnętrznego, 0

ν – współczynnik Poissona, –

ρ – gęstość objętościowa, Mg/m^3

ρd – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, Mg/m^3

ρds – maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, Mg/m^3

ρs – gęstość właściwa (szkieletu gruntowego), Mg/m^3

σ – naprężenie całkowite (normalne), kPa

σ_3 – minimalne naprężenie główne równe ciśnieniu wody w komorze aparatu trójosiowego ściskania, kPa

σv – składowa pionowa tensora naprężenia, kPa

σy – naprężenie uplastycznienia, kPa

τ – naprężenie ścinające (styczne), kPa

Skrótowce

CBR – kalifornijski wskaźnik nośności (ang. California bearing ratio), %, -

CH – (nieorganiczny) ił o wysokiej plastyczności wg klasyfikacji USCS

CL – (nieorganiczny) ił o małej plastyczności wg klasyfikacji USCS

EDS – spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (ang. the energy dispersive X-ray spectroscopy)

FSI – wskaźnik pęcznienia swobodnego (ang. free swell index)

MH – (nieorganiczny) pył o wysokiej plastyczności wg klasyfikacji USCS

ML – (nieorganiczny) pył o niskiej plastyczności wg klasyfikacji USCS

ODFS – grunt wzmocniony włóknami zorientowanymi (ukierunkowanymi) (ang. oriented distributed fiber-reinforced soil)

OH – organiczny ił o od średniej do wysokiej plastyczności wg klasyfikacji USCS

RDFS – grunt wzmocniony włóknami rozproszonymi (losowo ułożonymi) (ang. randomly distributed fiber-reinforced soil)

SEM – skaningowy mikroskop elektronowy

SP – słabo uziarniony piasek wg klasyfikacji USCS

SR – współczynnik pęcznienia (ang. swell ratio)

UCS – wytrzymałość na ściskanie jednoosiowe (ang. unconfined compressive strength), kPa

USCS – Ujednolicony System Klasyfikacji Gruntów (ang. Unified Soil Classification System)

XRD – dyfrakcja rentgenowska (ang. X-Ray diffraction)

W kilku przypadkach występuje podwójne oznaczenie symboli: CC, w, γ. Wynika to z faktu powszechnego stosowania tych oznaczeń w literaturze.

1. WPROWADZENIE

Droga Czytelniczko, Drogi Czytelniku,

tematyka książki, którą oddajemy w Wasze ręce, dotyczy zagadnień inżyniersko-środowiskowych z zakresu geotechniki i geoinżynierii[1], przy czym autorki niniejszej monografii będą używać tych określeń wymiennie, jak czyni to wielu badaczy. Warto zwrócić uwagę na fakt, że tytuł publikacji odwołuje się jeszcze do dwóch innych istotnych pojęć: „zrównoważenie” i „materiały alternatywne”, które wpisują się w unijną strategię Gospodarki Niskoemisyjnej[2] (ang. low carbon economy) oraz Gospodarki o Obiegu Zamkniętym[3] (lub inaczej gospodarki cyrkularnej; ang. circular economy) w ramach Europejskiego Zielonego Ładu. W odpowiedzi na europejskie dyrektywy polski rząd opracował w 2015 r. projekt Narodowego Programu Rozwoju Gospodarki Niskoemisyjnej (NPRGN 2023), który sukcesywnie jest rozwijany i wdrażany. Wśród jego zapisów można odnaleźć odniesienia m.in. do rozwoju zrównoważonej produkcji obejmującej przemysł, budownictwo i rolnictwo oraz do wzorców zrównoważonej konsumpcji. Wyraźnie widać, że aktualne w dzisiejszych czasach określenie „zrównoważony”, jest powszechnie odnoszone do różnych form działalności czy zapisów prawnych, krajowych i międzynarodowych i oznacza takie kształtowanie rozwoju (SDG, ang. sustainable development goals), które zaspokajając potrzeby współczesnych społeczeństw nie będzie jednocześnie ograniczało możliwości rozwojowych przyszłych pokoleń. Idea ta, znana pod nazwą zrównoważonego rozwoju[4], zakłada równoległy rozwój gospodarki, społeczeństwa i środowiska, przy czym środowisko naturalne jest jego podstawą, gospodarka narzędziem, a dobrobyt społeczeństwa celem (Leksykon ekologii i ochrony środowiska 2023).

W ramach przedstawionego wyżej podejścia pojawiła się również „zrównoważona geotechnika (geoinżynieria)” – stosunkowo nowa, ale bardzo dynamicznie rozwijająca się dziedzina inżynierii lądowej (Mickovski 2021, Jastrzębska i in. 2023). Jest odpowiedzią na pojawiające się obecnie problemy i wyzwania związane z rosnącą liczbą ludności na świecie, zmianami klimatycznymi, kurczącymi się rezerwami paliw kopalnych i koniecznością innego zarządzania środowiskiem. W geotechnice stosuje się już szeroką gamę zrównoważonych podejść, począwszy od wykorzystywania materiałów odpadowych w mieszaninach gruntowych (co jest tematem prezentowanej książki), a skończywszy na opracowywaniu technologii robót z możliwym minimalnym śladem węglowym. Duże zaangażowanie firm geotechnicznych we współpracy z sektorem naukowym powoduje, że proponowane rozwiązania stają się coraz bardziej zaawansowane i skuteczne. To nieodłącznie prowadzi do „zrównoważonego systemu (geo)inżynieryjnego”, który powinien być wydajny, niezawodny, odporny i adaptacyjny. Połączenie tych wszystkich elementów nie jest łatwe i wymaga wiedzy z różnych dziedzin (takich jak budownictwo, gruntoznawstwo, ekonomia, ekologia, inżynieria środowiska, biologia, chemia i inne) oraz stanowi wyzwanie dla wielu naukowców i inżynierów.

Gospodarka niskoemisyjna i gospodarka obiegu zamkniętego są nieodzownie związane z pojęciami: odpad, odzysk, spalanie, recykling itp., co naturalnie prowadzi do kolejnego pojęcia: „materiały alternatywne”. W kontekście zrównoważonej geotechniki/geoinżynierii za materiały alternatywne autorki niniejszej monografii uważają:

• uboczne produkty powstałe w trakcie wydobywania szeroko pojmowanych kopalin, w szczególności węgla kamiennego, węgla brunatnego, rud metali, surowców skalnych i kruszyw naturalnych,

• odpady z produkcji przemysłowej, zwłaszcza z procesów termicznych zachodzących w elektrowniach, hutach i zakładach wytwarzających spoiwa mineralne,

• produkty poużytkowe lub poremontowe, których źródłem są prywatne gospodarstwa lub branża budowlana,

• zużyte materiały gumowe, w tym przede wszystkim opony samochodowe,

• produkty naturalne z produkcji rolno-hodowlano-spożywczej,

• popioły ze spalania substancji biologicznych,

• inne materiały, które straciły status odpadu.

Wspólną cechą wymienionej wyżej grupy produktów jest możliwość ich ponownego wykorzystania jako zamienników materiałów stosowanych tradycyjnie w pracach geotechnicznych lub inżynierskich (np. zamienniki kruszywa pochodzenia naturalnego lub cementu i wapna jako spoiw hydraulicznych) lub jako elementów podnoszących jakość stosowanych rozwiązań (np. włókna naturalne zmniejszające kruchość i podatność na spękanie gruntu stabilizowanego cementem lub wapnem). Tym właśnie zagadnieniom, czyli wybranym materiałom alternatywnym oraz ich wykorzystaniu w geotechnice poświęcono prezentowaną książkę. Jednocześnie autorki zaznaczają, że nie wszystkie z wymienionych wyżej materiałów alternatywnych uwzględniono w tomie 1. Część zagadnień zostanie zaprezentowana w planowanym tomie 2, który będzie poświęcony: popiołom ze spalania substancji biologicznych, sztucznym i syntetycznym włóknom oraz polimerom, a także ich mieszaninom, odpadom z wydobywania kopalin oraz odpadom pochodzącym z budowy, remontów i demontażu obiektów budowlanych.

Warto zaznaczyć, że każde rozwiązanie alternatywne musi być podparte i udokumentowane odpowiednimi badaniami laboratoryjnymi i/lub terenowymi oraz musi być zastosowane zgodnie z prawem. Aspekt uwarunkowań prawnych (obowiązujących na dzień 30 lipca 2023 r.) został zaprezentowany w rozdziale 2 i objął swym zakresem: zdefiniowanie niezbędnych pojęć (m.in. odpadu, odzysku materiałowego, odzysku energii, recyklingu, unieszkodliwiania odpadów) oraz przytoczenie zapisów konkretnych Ustaw i Rozporządzeń, a także odwołanie się do zapisów Prawa Budowlanego i decyzyjności/kompetencji/odpowiedzialności osób mu podlegających. Rozdział ten stanowi punkt wyjścia do wszystkich zagadnień poruszanych w pozostałych rozdziałach.

W rozdziale 3 omówiono materiały, których powstawanie towarzyszy procesom termicznym zachodzącym podczas produkcji energii elektrycznej, w hutnictwie żelaza i stali oraz podczas produkcji spoiw mineralnych. Ten bardzo szeroki wachlarz materiałów zawężono do wybranych produktów. Zaliczono do nich: popioły lotne i żużle z elektrowni, żużle hutnicze: wielkopiecowe i stalownicze, oraz drobne pyły klinkierowe. W rozdziale tym omówiono proces powstawania poszczególnych materiałów, ich typowy skład chemiczny, właściwości oraz potencjał wykorzystania, głównie w celu wzmocnienia gruntu w oparciu o wyniki badań opublikowane w literaturze (Knapik-Jajkiewicz 2023, Noaman i in. 2022, Munda i in. 2022, Ebailila i in. 2022, Al.-Bakri i in. 2022). Wykorzystanie tych materiałów w budownictwie/geoinżynierii musi być poprzedzone wydaniem przez akredytowane laboratoria odpowiedniego certyfikatu jakości i zgodności z normami technicznymi, ukierunkowanymi na konkretne zastosowanie. W innym przypadku muszą one spełniać wymogi Krajowych Ocen Technicznych. Przy zachowaniu wszystkich standardów materiały te mogą być wykorzystane na przykład do stabilizacji gruntów lub ich rekultywacji, do budowy konstrukcji nawierzchni drogowych jako kruszywo, do budowy skarp i nasypów, do wytwarzania spoiw drogowych lub jako składnik zawiesin twardniejących podczas wykonywania przesłon przeciwfiltracyjnych. Biorąc pod uwagę olbrzymi problem związany ze składowaniem dużych ilości wymienionych wyżej odpadów, każde działanie podjęte w celu ich ponownego użycia jest warte wysiłku.

Rozdział 4 poświęcono zużytym oponom samochodowym reprezentującym odpady gumowe. W Europie wykorzystuje się tylko 3% odzysku w postaci opon całych lub rozdrobnionych, mimo że ten rodzaj odpadu ma bardzo duży potencjał do zastosowań geoinżynieryjnych (Kowalska 2021). Charakteryzuje się małym ciężarem objętościowym, dobrą izolacyjnością cieplną, tłumieniem drgań. Rozdrobnione opony mają dobre parametry wytrzymałościowe i wysoką wodoprzepuszczalność. W monografii przedstawiono charakterystykę materiałową, właściwości fizyczne i mechaniczne tych odpadów, przy czym skupiono się w szczególności na oponach rozdrobnionych. Opisano też wybrane właściwości mieszanek z gruntami naturalnymi (wytrzymałość na ścinanie i odkształcalność). Podano również wytyczne stosowania odpadów gumowych w geotechnice i przykłady realizacji mogące stanowić inspirację dla polskich projektantów i wykonawców.

Książkę kończy rozdział 5 w całości poświęcony odpadom naturalnym w postaci włókien roślinnych (lnianych, kukurydzianych, słomianych, trocinowych i in.; Hejazi i in. 2012) i zwierzęcych (piór kurzych i ptasich, włosów ludzkich (Krishnan i Anto 2019, Sutradhar i Suda 2022)) oraz innym odpadom poużytkowym (fusy po parzeniu kawy, skorupki jaj i muszli (Suksiripattanapong 2017, Zada i in. 2023)). Cechą charakterystyczną włókien naturalnych jest ich skład chemiczny oraz wzajemne proporcje poszczególnych związków, co determinuje ich właściwości i tym samym przydatność do zastosowań geoinżynierskich. W przypadku włókien roślinnych są to: celuloza, hemiceluloza oraz lignina (Gowthaman i in. 2018, Syduzzaman i in. 2020). Z kolei w odniesieniu do włókien i innych odpadów zwierzęcych chodzi o białko zwane keratyną. Badania uwzględniające zawartość odpadów naturalnych w mieszaninach/kompozytach prowadzone są pod kątem: wzmocnienia słabego podłoża, redukcji pęcznienia i skurczu gruntów ekspansywnych, zmniejszenia ciężaru nasypu, zastosowania w drogownictwie, kontroli erozji powierzchniowej itd. Poza wieloma zaletami rozwiązań opartych na odpadach naturalnych, największym wyzwaniem jest zapewnienie ich trwałości w kontekście ograniczenia biodegradowalności włókien oraz ewentualne przygotowanie kompozytu na dużą skalę. Kolejnym utrudnieniem jest w zasadzie całkowity brak uregulowań prawnych w tym zakresie (Nguyen i Indraratna 2023). Te i inne zagadnienia związane z odpadami naturalnymi zostały obszernie zaprezentowane w rozdziale 5.

W rozdziale 6, w Posumowaniu, autorki wyrażają nadzieję, że prezentowana książka okaże się szczególnie interesująca i przede wszystkim inspirująca dla zawodowych inżynierów i badaczy geotechników, którzy zechcą podjąć trud i wyzwanie stosowania materiałów alternatywnych (często kontrowersyjnych) w ramach szeroko pojętej działalności geoinżynierskiej.

Bibliografia do rozdziału 1

1. Al-Bakri A.Y., Ahmed H.M., Hefni M.A. (2022) Cement kiln dust (CKD) Potential beneficial applications and eco-sustainable solutions, „Sustainability”, 17, 7022.

2. Ebailila M., Kinuthia J., Oti J., Al-Waked Q. (2022) Sulfate soil stabilisation with binary blends of lime-silica fume and lime-ground granulated blast furnace slag, „Transportation Geotechnics”, 37, s. 1–9.

3. Encyklopedia PWN (2023): https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/rozwoj-zrownowazony;3969442.html [dostęp 1.08.2023].

4. Gowthaman S., Nakashima K., Kawasaki S. (2018) A state-of-the-art review on soil reinforcement technology using natural plant fiber materials: past findings, present trends and future directions, „Materials”, 11(4):553, https://doi.org/10.3390/ma11040553.

5. Gryczmański M. (1994) Współczesne kierunki rozwoju geotechniki w Polsce, „Inżynieria i Budownictwo”, 8, s. 339–347.

6. Hejazi S.M., Sheikhzadeh M., Abtahi S.M., Zadhoush A. (2012) A simple review of soil reinforcement by using natural and synthetic fibers, „Construction and Building Materials”, 30, s. 100–116, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.11.045.

7. Jastrzębska M., Kazimierowicz-Frankowska K., Chiaro G., Rybak J. (2023) New Frontiers in Sustainable Geotechnics, „Applied Sciences”, 13(1):562, https://doi.org/10.3390/app13010562.

8. Knapik-Jajkiewicz K. (2023) Wpływ dodatku wapna na skład fazowy i ściśliwość mieszaniny kaolinu i popiołu lotnego, „Inżynieria i Budownictwo”, 5/6, s. 261–266.

9. Kowalska M. (2021) O wykorzystaniu zużytych opon samochodowych w geoinżynierii, „Inżynieria i Budownictwo”, 9–10, s. 51–54.

10. Krishnan A., Anto A.C. (2019) Subgrade soil stabilization using chicken feather fiber, „International Journal of New Technology and Research” (IJNTR), 5(6), s. 39–44.

11. Leksykon ekologii i ochrony środowiska (2023): https://www.ekologia.pl/wiedza/slowniki/leksykon-ekologii-i-ochrony-srodowiska/zrownowazony-rozwoj [dostęp: 1.08.2023].

12. Mickovski S.B. (2021) Sustainable geotechnics—theory, practice, and applications, „Sustainability”, 13(9):5286, https://doi.org/10.3390/su13095286.

13. Munda J., Padhi J., Mohanty S. (2022) Investigation on performance of expansive soil stabilized with fly ash and nano-SiO_2, „Materials Today: Proceedings 67”, s. 1268–1275.

14. Nguyen T.T., Indraratna B. (2023) Natural fibre for geotechnical applications: concepts, achievements and challenges, „Sustainability”, 15(11):8603, https://doi.org/10.3390/su15118603.

15. Noaman M. F., Khan M.A., Kausar A., Hassan A. (2022) A review on the effect of fly ash on the geotechnical properties and stability of soil, „Cleaner Materials”, 6:100151.

16. NPRGN (2023), https://www.cire.pl/pliki/1/2018/nprgn_konsultacje_2.pdf [dostęp: 1.08.2023].

17. Pisarczyk S. (2014) Geoinżynieria. Metody modyfikacji podłoża gruntowego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Wydanie II popr.

18. Suchnicka H. (2004) Kilka uwag w związku ze zmianą norm gruntowych, Materiały Sesji Naukowej „Zastosowanie odpadów przemysłowych i geosyntetyków w budownictwie ziemnym” z okazji Jubileuszu 70-lecia prof. Krystyny M. Skarżyńskiej, Wyd. AR w Krakowie.

19. Suksiripattanapong C., Kua T.A., Arulrajah A., Maghool F., Horpibulsuk S. (2017) Strength and microstructure properties of spent coffee grounds stabilized with rice husk ash and slag geopolymers, „Construction and Building Materials”, 46, s. 312–320, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.04.103.

20. Sutradhar R., Suda V.B. (2022) Utilization of human hair fibre to stabilize black cotton soil and contaminated soil, ISTCE 2021, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 982:012048, https://doi.org/10.1088/1755-1315/982/1/012048.

21. Syduzzaman M., Al Faruque M.A., Bilisik K., Naebe M. (2020) Plant-based natural fibre reinforced composites: a review on fabrication, properties and applications, „Coatings”, 10(10):973, https://doi.org/10.3390/coatings10100973.

22. Tajduś A. (2004) Geoinżynieria – nowe wyzwania, „Geoinżynieria i Tunelowanie”, 1, s. 14–18.

23. Zada U., Haleem K., Saqlain M., Abbas A., Khan A.U. (2023) Reutilization of eggshell powder for improvement of expansive clayey soil, „Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering”, 47, s. 1059–1066, https://doi.org/10.1007/s40996-022-00938-2.

2. UWARUNKOWANIA PRAWNE STOSOWANIA MATERIAŁÓW ALTERNATYWNYCH W GEOTECHNICE

W niniejszej publikacji materiałami alternatywnymi są nazywane uboczne produkty przemysłowe oraz materiały, które straciły status odpadu i mogą być wykorzystane jako zamienniki materiałów stosowanych tradycyjnie w pracach geotechnicznych, takich jak kruszywo pochodzenia naturalnego czy na przykład cement i wapno jako spoiwa hydrauliczne.

Zgodnie z ustawą o odpadach (Dz. U. 2013, poz. 21 ze zm.) przez odpad rozumie się każdą substancję lub przedmiot, których posiadacz pozbywa się, zamierza się pozbyć lub do których pozbycia się jest obowiązany. Wydzielono odrębną grupę odpadów budowlanych i rozbiórkowych, czyli takich które powstały podczas robót budowlanych.

W ramach gospodarki obiegu zamkniętego dąży się przede wszystkim do tego, żeby zapobiegać powstawaniu odpadów lub ograniczać ich ilość oraz negatywne oddziaływanie na życie i zdrowie ludzi oraz na środowisko. Zgodną z tym podejściem hierarchię sposobów postępowania z odpadami przedstawiono na rys. 2.1.

Wytworzone już odpady należy poddać procesom odzysku, czyli takiemu działaniu, w wyniku którego uzyskany materiał będzie mógł zastąpić inny przeznaczony do spełnienia określonej funkcji. Przed odzyskiem lub podczas tego procesu posiadacz odpadów musi usunąć niebezpieczne substancje, mieszaniny i składniki w celu umożliwienia, ułatwienia lub udoskonalenia ich przetworzenia.

W ramach odzysku najpierw należy rozważyć odzysk materiałowy. W pierwszej kolejności podejmuje się próbę ponownego użycia danego przedmiotu lub substancji po ich sprawdzeniu, oczyszczeniu lub naprawie. Jeśli jest to niemożliwe ze względów technologicznych, nieuzasadnione ekologicznie lub ekonomicznie, rozważa się możliwość przeprowadzenia recyklingu, czyli ponownego przetworzenia na produkty, materiały lub substancje wykorzystywane w pierwotnym celu lub w innych celach. W dalszej kolejności należy wziąć pod uwagę wykorzystanie odpadu do prac ziemnych (wypełnianie wyrobisk, kształtowanie krajobrazu). W przypadku gdy odzysk materiałowy jest niemożliwy, można rozważyć odzysk energii, czyli termiczne przekształcenie odpadu (spalanie) i wykorzystanie go jako paliwa lub innego środka wytwarzania energii. Instalacje przeznaczone do tego celu muszą być wyposażone w systemy oczyszczania gazów odlotowych przed wprowadzaniem ich do atmosfery. Należy pamiętać, że w efekcie spalania powstają kolejne produkty odpadowe.

Ostatnią, najmniej pożądaną metodą gospodarowaniu odpadami jest ich unieszkodliwianie (po wysegregowaniu tych składników, które jeszcze mogłyby podlegać odzyskowi), na przykład przez ich spalenie bez odzysku energii lub składowanie w odpowiednio do tego celu przeznaczonym miejscu na lub pod powierzchnią ziemi – dotyczy to przede wszystkim odpadów niepalnych.

Rys. 2.1. Hierarchia sposobów postępowania z odpadami

Określone rodzaje odpadów przestają być odpadami wtedy, gdy na skutek poddania ich recyklingowi lub innemu odzyskowi spełniają łącznie następujące warunki:

• mają zostać wykorzystane do konkretnych celów,

• istnieje rynek takich przedmiotów lub substancji lub popyt na nie,

• spełniają wymagania techniczne pod względem zastosowania do konkretnych celów oraz wymagania określone w przepisach, w szczególności dotyczących chemikaliów i produktów mających zastosowanie do danego przedmiotu lub danej substancji, i w normach mających zastosowanie do danego produktu,

• ich zastosowanie nie prowadzi do negatywnych skutków dla życia, zdrowia ludzi lub środowiska.

W stosunku do określonych odpadów w przepisach prawa Unii Europejskiej lub krajowych mogą być narzucone jeszcze inne szczegółowe warunki wymagane do utraty statusu odpadów.

Zgodnie z ustawą o odpadach (Dz. U. 2013, poz. 21 ze zm.) istnieje zakaz przetwarzania odpadów poza instalacjami lub urządzeniami. Oprócz odzysku przynoszącego korzyść dla rolnictwa lub poprawę stanu środowiska oraz odzysku polegającego na kompostowaniu odpadów na potrzeby własne dopuszcza się odzysk poza instalacjami lub urządzeniami tylko w przypadku odpadów wymienionych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie odzysku odpadów poza instalacjami i urządzeniami (Dz. U. 2015, poz. 796). Taki odzysk nie może stwarzać zagrożenia dla środowiska, życia lub zdrowia ludzi oraz musi być prowadzony zgodnie z określonymi wymaganiami. Muszą to być odpady poddawane odzyskowi w procesach opisanych symbolami R3, R5, R11 lub R12, których znaczenie podano w Załączniku 1 do ustawy o odpadach (Dz. U. 2013, poz. 21 ze zm.) jako niewyczerpujący wykaz procesów odzysku:

• R1 – wykorzystanie głównie jako paliwa lub innego środka wytwarzania energii,

• R2 – odzysk/regeneracja rozpuszczalników,

• R3 – recykling lub odzysk substancji organicznych, które nie są stosowane jako rozpuszczalniki (w tym kompostowanie i inne biologiczne procesy przekształcania),

• R4 – recykling lub odzysk metali i związków metali,

• R5 – recykling lub odzysk innych materiałów nieorganicznych (w tym przygotowanie do ponownego użycia, recykling nieorganicznych materiałów budowlanych, odzysk materiałów nieorganicznych polegający na pracach ziemnych i usuwanie substancji powodujących ryzyko z wydobytych mas gleby i ziemi prowadzące do ich odzysku),

• R6 – regeneracja kwasów lub zasad,

• R7 – odzysk składników stosowanych do redukcji zanieczyszczeń,

• R8 – odzysk składników z katalizatorów,

• R9 – powtórna rafinacja lub inne sposoby ponownego użycia olejów,

• R10 – obróbka na powierzchni ziemi przynosząca korzyści dla rolnictwa lub poprawę stanu środowiska,

• R11 – wykorzystywanie odpadów uzyskanych w wyniku któregokolwiek z procesów wymienionych w pozycji R1–R10,

• R12 – wymiana odpadów w celu poddania ich któremukolwiek z procesów wymienionych w pozycji R1–R11.

Wśród rodzajów odpadów wymienionych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie odzysku odpadów poza instalacjami i urządzeniami (Dz. U. 2015, poz. 796) znajdują się takie, które można traktować jako materiały alternatywne w budownictwie i geotechnice – w tabeli 2.1 wyszczególniono odpady mogące, pod określonymi warunkami, podlegać trzem różnym sposobom odzysku:

• wypełnianie terenów niekorzystnie przekształconych (takich jak zapadliska, nieeksploatowane odkrywkowe wyrobiska lub wyeksploatowane części tych wyrobisk),

• utwardzanie powierzchni terenu,

• budowa, przebudowa lub remont budowli kolejowych i podtorzy, wałów, nasypów kolejowych i drogowych, podbudów dróg i autostrad, nieprzepuszczalnych wykładzin, czasz osadników ziemnych, rdzeni budowli hydrotechnicznych oraz innych budowli i obiektów budowlanych, w tym fundamentów, pod warunkiem, że zostało to uwzględnione w decyzji wydanej na podstawie przepisów o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym lub prawa budowlanego, jeżeli taka decyzja jest wymagana, a planowane działania nie spowodują bezpośredniego zagrożenia szkodą w środowisku lub szkody w środowisku w rozumieniu przepisów ustawy o zapobieganiu szkodom w środowisku i ich naprawie (Dz. U. 2007, nr 75, poz. 493 ze zm.).

Przypisy

[1] Geoinżynieria – autorki niniejszej monografii podzielają opinie Gryczmańskiego (1994), Pisarczyka (2014) i Suchnickiej (2004), że geoinżynieria to dziedzina nauki i techniki zajmująca się zarówno modyfikacją (ulepszaniem/wzmacnianiem) podłoża gruntowego oraz materiałów gruntowych w konstrukcjach ziemnych, jak i wykorzystaniem gruntów w szeroko pojmowanej działalności inżynierskiej. Podobnie jak Tajduś (2004) uważają również, że geoinżynieria jest pojęciem szerszym od geotechniki, gdyż wykorzystuje ona wiedzę z zakresu wielu innych obszarów naukowych.

[2] Gospodarka niskoemisyjna – koncepcja gospodarki minimalizująca uzależnienie od paliw kopalnych, a tym samym ograniczająca emisję gazów cieplarnianych. Podstawowe założenia mówią o wzroście efektywności energetycznej m.in. poprzez zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii oraz zastosowanie technologii ograniczających emisję wszelkich zanieczyszczeń do powietrza (NPRGN 2023).

[3] Gospodarka o obiegu zamkniętym – koncepcja gospodarki minimalizująca zużycie surowców oraz powstawanie odpadów, kierująca się zasadą 3R: reduce (redukuj), reuse (używaj ponownie), recycle (poddawaj recyklingowi). Ostatecznym celem jest zmniejszenie emisji i poziomów wykorzystania energii. W realizacji założonych celów ma pomóc tzw. unijny Pakiet odpadowy z 2018 r., czyli nowelizacja sześciu dyrektyw kluczowych z punktu widzenia rynku gospodarowania odpadami (NPRGN 2023).

[4] Zrównoważony rozwój (ang. sustainable development) – termin wprowadzony i zdefiniowany w 1987 r. przez G. Brudtlanda w raporcie „Nasza wspólna przyszłość” Światowej Komisji do spraw Środowiska i Rozwoju. Koncepcję zrównoważonego rozwoju precyzują dwa dokumenty przyjęte w 1992 r. na Konferencji Narodów Zjednoczonych „Środowisko i Rozwój” w Rio de Janeiro. Są to: Deklaracja w sprawie Środowiska i Rozwoju oraz Agenda 21 (Konferencja Szczyt Ziemi). Według norm i dokumentów Organizacji Narodów Zjednoczonych: „Zrównoważony rozwój Ziemi to rozwój, który zaspokaja podstawowe potrzeby wszystkich ludzi oraz zachowuje, chroni i przywraca zdrowie i integralność ekosystemu Ziemi, bez zagrożenia możliwości zaspokojenia potrzeb przyszłych pokoleń i bez przekraczania długookresowych granic pojemności ekosystemu Ziemi.” (Encyklopedia PWN 2023, Leksykon ekologii i ochrony środowiska 2023). Od 1992 r. powstało wiele dokumentów na szczeblu światowym, które są podstawą do tworzenia krajowych regulacji kształtujących reguły/zasady zrównoważonego rozwoju i sposoby ich realizacji.