ST & SO BINDEMIDLER OG METODER FOR. BIA prosjekt /140, Sluttrapport, desember 2008

Transkript

1 BINDEMIDLER OG METODER FOR STABILISERING / SOLIDIFISERING (STSO) AV FORURENSEDE MASSER BIA prosjekt /140, Sluttrapport, desember 2008 ST & SO

2 2 Bakgrunn Bakgrunn for prosjektet Norges Forskningsråd har tildelt midler til prosjektet STSO - Stabilisering og solidifisering av forurenset masse. Finansieringen er gjort gjennom programmet brukerstyrt innovasjonsarena (BIA). Prosjektet har foregått fra 2006 til Hovedmålet med prosjektet har vært å utvikle metoder for å bruke forurensede sedimenter til ny byggegrunn gjennom stabilisering/solidifisering. På denne måte kan forurenset masse brukes til et nyttig formål. Prosjektet har hatt følgende delmål: Identifisere styrende prosesser for utlekking av forurensninger Utvikle bindemiddelresepter for stabilisering av ulike forurensede masser Utvikle nye og kostnadseffektive blande- og utleggingsmetoder I tillegg har det også vært to referanseprosjekter i Hammerfest og Bærum tilknyttet prosjektet. Disse er gjennomført som frittstående oppgaver, men har brukt kunnskaper generert i STSO prosjektet. Hensikten med referanseprosjektene har vært å demonstrere og videreutvikle metoden for bruk av stabilisering i bygg- og anleggskonstruksjoner. Denne rapporten presenterer de viktigste resultatene fra forskningsprosjektet. En bibliografi av prosjektets delrapporter og vitenskaplige publikasjoner er gitt lengst bak i rapporten. Delrapportene er tilgjenglige på prosjektets webside Organisasjon Prosjektet har vært organisert som et partnerskap mellom de seks firmaene Norcem, NGI, Skanska, Rambøll, NOAH og DNV. Dette partner skapet har erfaring og kunnskap fra industri, miljøhåndtering og entreprenørvirksomhet samt teoretisk kunnskap innen geokjemi, geoteknikk og miljøteknikk fra forskning. Prosjektet har hatt en styringsgruppe ledet av NOAH med representanter fra de deltakende firmaene. I tillegg har det vært en referansegruppe bestående av noen viktige premissleverandører fra myndigheter og miljøorganisasjoner. Disse har vært Bærum kommune, SFT og Bellona. Internasjonalt samarbeid I Eurekaprosjektet Stabcon (E! 4078 Eurobuild Stabcon) samarbeider norske og svenske miljøer om å utvikle stabilisering som en effektiv metode for håndtering av forurensede sedimenter. Målsetningen for Eureka-prosjektet er at ansvarlige for havneforurensning, og andre forurensede områder, skal kunne bruke STSO metoden som et alternativ til andre behandlingsmetoder. Arbeidet som foregår i STSO prosjektet i Norge er et bidrag til Eurekaprosjektet. På svensk side deltar SSAB Merox, Cementa, Oxelösund Hamn, Skanska Sverige, Statens Geotekniska Institut (SGI), Ecoloop og Ramböll Sverige. BINDEMIDLER OG METODER FOR STABILISERING / SOLIDIFISERING (STSO) AV FORURENSEDE MASSER BIA prosjekt /140, Sluttrapport, desember 2008

3 Innhold 3 Innhold 4 Introduksjon 6 Stabiliseringsprosessen 11 Gjennomføring av stabilisering 14 Oppfølging av metoden 15 Bibliografi

4 4 Introduksjon Introduksjon Forurensede sedimenter i Norge I Norge finner man forurensning i marine sedimenter i fjordsystemer og i bynære kystområder som havner og lignende. Som et resultat av denne situasjonen har man innført restriksjoner på inntak av fisk og skalldyr fra forurensede områder i de berørte fjordene. Kildene til forurensning kan være lokale, for eksempel utslipp fra nåværende industri, eller tidligere industrielle områder, eller de kan være diffuse, som avrenning fra tettsteder, eller langtransporterte forurensninger. Hva er stabilisering og solidifisering? Stabilisering og solidifisering innebærer at man gjennom å tilsette binde midler til sedimentene oppnår et materiale som binder forurensningen bedre enn sedimentene i seg selv (stabilisering) samtidig som massene får økt styrke ved at de kapsles inn i en fast struktur (solidifisering). Til daglig brukes stabilisering eller STSO som et samlebegrep for både stabilisering og solidifisering. I praksis gjennomføres medtoden ved å tilsette sement eller en blandning av sement og andre bindemidler til massene. Dette kan gjøres som dypstabilisering nede i bakken, under vann på sjøbunnen eller ved at massene flyttes opp på land eller legges i et utfyllingsområde ved sjøen før stabilisering. Langtransporterte forurensninger Fyllplass Industri Tettsted med havn Selve teknikken med stabilisering for ikke forurenset materiale har vært kjent lenge som en viktig metode for grunnforsterking i områder med vanskelig geotekniske grunnforhold. Det som er nytt er at man nå i tillegg til å få en stabil byggegrunn også kan forbedre miljøsituasjonen i et forurenset område. Terskel Båttrafikk Fordelen med metoden Fordelen med stabilisering av forurensede sedimenter er at det er mulig å gjenbruke et problemmateriale med dårlige fysiske og miljømessige egenskaper til for eksempel ny byggegrunn i strandkanten. Derved kan man også redusere behovet for tilstransport av andre masser. Fjordbunn Kilder som bidrar til sedimentforurensning i Norge (Kilde SFT) Reduksjon av effekter fra forurensede sedimenter i kystnære områder og havner er en prioritert oppgave for norske miljømyndigheter og det planlegges gjennomføring av flere oppryddingsprosjekter. En annen fordel er at massene raskt oppnår en fasthet slik at området kan brukes til videre anleggsarbeid. Gjennom at styrkeoppbyggingen skjer ved en herdingsprosess der vannet bindes i materialet betyr det at behovet for komprimering av massene reduseres og mindre forurenset vann presses ut i forhold til andre metoder, der styrken økes kun gjennom utpressing av vann. Generelt er fjordene dype og behovet for mudring er derfor normalt begrenset til indre havneområder. Behovet for å fjerne forurensede sedimenter er derfor ofte et resultat enten av miljøkrav eller utbyggingsprosjekter i havneområder. Det finnes ikke en tiltaksløsning som kan brukes i alle tilfeller. Teknologien må alltid tilpasses de lokale forholdene og stabilisering og solidifisering er en av flere aktuelle tiltaksmetoder. Gjenvinning av byggegrunn i strandområder genererer verdifulle byutviklingsområder BINDEMIDLER OG METODER FOR STABILISERING / SOLIDIFISERING (STSO) AV FORURENSEDE MASSER BIA prosjekt /140, Sluttrapport, desember 2008

5 Introduksjon 5 Forskningsutfordringer Selv om stabilisering er blitt brukt tidligere for forurensede materialer har dette ofte vært for avfall med vesentlig høyere konsentrasjoner av forurensning og større utlekkingspotensiale enn det som kan forventes for forurensede sedimenter. Metoden har derfor tidligere blitt anvendt ved å tilsette store mengder bindemidler. Det er imidlertid en større utfordring å redusere den allerede lave, men likevel problematiske utlekkingen fra forurensede sedimenter enn det er å redusere den høyere utlekkingen en får fra ulike typer farlig avfall. I tillegg har sedimenter ofte både høyt vanninnhold, høyt organisk innhold og en stor del finpartikulært materiale som er et vanskelig utgangsmateriale for å oppnå gode fysiske egenskaper etter stabilisering. Et annet viktig tema er hvordan en kan vurdere langtidsegenskapene for stabilisert materiale i forkant av en stabiliseringsoperasjon. Suksesskriterier for prosjektet Prosjektet har etablert suksesskriterier som kan brukes som et beslutningsgrunnlag ved stabilisering i prosjekter. Kulturhuset i Hammerfest Sedimentene i havneområdet i Hammerfest er forurenset med organiske forbindelser og tungmetaller. Dette er også et av de havneområder som er prioritert for videre opprydding i de fylkesvise nasjonale handlingsplanene. I forbindelse med bygging av Arktisk kultursenter i Hammerfest er ca ca m 3 forurenset sediment og jord stabilisert og gjenbrukt (STSO). Stabiliseringen har vist seg å være både et miljøvennlig og prisgunstig alternativ i forhold til deponering. Forurensningstransport Metoden bør ikke ta sikte på stabilisering av farlig avfall. Stabilisering skal føre til en redusert transport av forurensning og utlekkingen skal være akseptabel i forhold til stedspesifikke krav. Permeabiliteten på stabilisert materiale bør være lavere eller lik 10-8 m/s. Geoteknisk styrke Stabilisering skal bidra til økt stabilitet i massene. Styrken som er nødvendig er avhengig av bruksområde, men følgende verdier er veiledende: Bruksområde for stabilisering Trykkstyrke (kpa) Sjøbunn Gjenvinning av land Dypstabilisering Bærekraft Metoden skal ha et sammenlignbart eller lavere bruk av resurser enn andre metoder. Økonomi Stabilisering skal være kostnadseffektiv i forhold til andre metoder. Målverdier for selve prosessen er NOK pr m 3 for store prosjekter (> m 3 ) og NOK pr m 3 for mindre prosjekter. I vurderingen ble gjenbruk vurdert mot avhending på godkjent deponi, som i dette tilfelle ville vært i Mo i Rana. Kultursenteret er fundamentert på peler som hviler i stabil morene. De forurensede massene er sandige og er flyttet og stabilisert bak eksisterende konstruksjoner. For å oppnå prosjektets kvalitetskrav ble det anvendt 100 kg Norcem Standard FA-sement per m 3 masse. STSO Tildekket sjøbunn Stein Forurenset sjøbunn Sjøbunn Morene Illustrasjon av hvordan stabiliserte masser er brukt i konstruksjonen av arktisk kultursenter i Hammerfest

6 6 Stabiliseringsprosessen Stabiliseringsprosessen De viktigste egenskapene ved bruk av stabilisering på forurensede sedimenter er å gi materialet en økt styrke samtidig som utvaskingen av forurensning reduseres. En redusert transport av forurensninger oppnås gjennom en kombinasjon av at materialet blir tettere (redusert permeabilitet) samtidig som forurensningen bindes sterkere (redusert utlekking). Ved stabilisering søker man å optimere alle disse faktorene samtidig for å få best mulig resultat. Styrke Permeabilitet Utlekking Optimering av viktige faktorer i stabiliseringsprosessen Bindemiddel og tilsetningsmaterialer Den viktigste faktoren for å oppnå en god effekt av stabilisering, er riktig valg av bindemiddel, som gir god styrkeoppbygging. Derfor brukes sement alltid som basis ved all stabilisering. Sement består i hovedsak av brent finmalt kalk med innblandning av 3-5 % gips. I tillegg finnes det noe silisium, jern og aluminium. Ca 0,5 % jernsulfat tilsettes i fremstillingsprosessen. Avhengig av hvordan råmateri alene kombineres i produksjonsprosessen og hvilke andre tilsatmaterialer som brukes kan man få sement med forskjellige egenskaper. Når sement blandes med vann, skjer en hydrering og materialet herder. Dette innebær flere kjemiske reaksjoner som binder sammen partikler til en solid masse. En viktig del i hydreringsprosessen er at vann blir bundet inn i strukturen i en kalsium-silikat-hydrat fase (CSH gel). Produktet blir bedre når det er lite vann i forhold til sement, men for lite vann innebær at ikke all sement kan reagere. Sement som ikke har reagert fungerer imidlertid som et godt tilslag. For mye vann gir et porøst materiale som resulterer i at styrken blir dårligere. Fersk sement Solidifiseringsfasen Herdingsfasen Stabilisering gir som oftest et materiale med høy ph. Dette er viktig for binding av metaller som er ph avhengig. Samtidig er dette en utfordring ved at for høy ph kan føre til økt løselighet for enkelte metaller. Tilgangen til oksygen i det stabiliserte materialet er en annen viktig faktor som styrer utlekking. For eksempel kan stabilisering under oksiderende forhold gi økt andel metalloksider som er mer lettløselige enn metallsulfider som forekommer ved reduserende forhold. Andre viktige faktorer som påvirker utlekkingen er binding, enten gjennom at materialet blir fysisk innkapslet eller kjemisk bundet i strukturen. For organiske stoffer kan også kjemisk nedbrytning av stoffer være viktige mekanismer som påvirker grad av utlekking etter stabilisering. Tilsatmaterialer kan brukes for å forbedre egenskapene til bindemidlene overfor de utfordringer som foreligger med stabilisering av forurensede sedimenter. Her kan man skille på materialer som har såkalte pozzolane egenskaper, dvs. materialer som sammen med sement får sementlignende egenskaper. En slik kombinasjon kan gi materialene en bedre styrkeutvikling over tid og derved bedre langtidsegenskaper. Eksempel på slike materialer er flyveaske, ovnstøv fra sementproduksjon (CKD), silikastøv og granulert masovnslagg. En annen type tilsetninger er kjemiske tilsetninger som øker den kjemiske bindingen av forurensningene. Eksempel på dette er aktivt kull, som har en dokumentert god adsorpsjonsevne for organiske stoffer, eller sulfidholdige materialer som kan gi økt binding av tungmetaller. Skjematisk skisse over hydratiseringsprosessen for sement BINDEMIDLER OG METODER FOR STABILISERING / SOLIDIFISERING (STSO) AV FORURENSEDE MASSER BIA prosjekt /140, Sluttrapport, desember 2008

7 Stabiliseringsprosessen 7 Reseptutvikling i prosjektet I forskningsprosjektet er det blitt vurdert en rekke mulige produktblandinger for å kunne optimere bruk av stabilisering som en tiltaksmetode for forurensede sedimenter. Forsøkene er utført i laboratorieskala der sediment og bindemidler er blitt blandet i henhold til en utarbeidet prosedyre. Etter herding er hver prøve blitt undersøkt for både mekaniske og kjemiske egenskaper. Totalt er over 150 forskjellige blandninger undersøkt. Det er brukt sedimenter fra forurensede lokaliteter langs hele norske kysten. Disse representerer variasjoner i både forurensningssammensetning, fysiske egenskaper som kornstørrelse, vanninnhold og organisk innhold. Sedimentene er blandet med bare bindemiddel og med tilsetningsmaterialer i tillegg. Det er laget homogene prøver som har fått herde i 28 respektive 90 døgn. Etter herding har det ferdige materialet gjennomgått omfattende mekanisk og kjemisk testing som har målt følgende parametere: Prøvens trykkstyrke Permeabilitet Utlekkingspotensiale Utlekkingen er blitt målt gjennom standard ristetest på knust materiale (NS-12457). Dette tilsvarer maksimal utlekking tilsvarende en forvitret konstruksjon. Utlekkingsvannet er så analysert for innhold av organiske og uorganiske miljøgifter samt tungmetaller. Tilsvarende karakterisering er utført også på ubehandlet sediment, på bindemidlene og for tilsetningsstoffene. Hammerfest Materiale Funksjon Mulig effekt Std sement Bindemiddel Økt styrke og redusert FA sement Industrisement Sulfat res. sement Slagg (Merit 5000) Tilsetning permeabilitet. Redusert utlekking Flyveaske Sementstøv (CKD) Sand Silikastøv Miljøgips Solidifisering Tilsetning Redusert utlekking Jernsulfid Aktivt kull Stabilisering Følgende materialer er undersøkt i prosjektet Styrke De forsøk som er utført viser store forskjeller i styrkeutvikling mellom de ulike sedimentene etter stabilisering. Generelt oppnås god styrke ved stabilisering av sedimenter som består av sand med lavt organisk innhold og et vanninnhold mindre enn 100 %, mens fine sedimenter med høyt vanninnhold og høyt organisk innhold er vanskelige å stabilisere med sement alene. Her er det vist at tilsetning av Merit gir en god styrkeutvikling. Spesielt øker styrken over en lengere tids periode. Andre tilsetninger viser også effekt på styrke, men i mindre grad. Generelt anbefales ikke dosering av sement under 100 kg /m 3, men under gunstige forhold kan mengden reduseres ned mot 50 kg/m 3. Når sement og Merit skal brukes anbefales en dosering på i størrelsesorden 100 kg sement /m 3 og i tillegg kg/m 3 Merit. Type sement er ikke 28 dagers herding avgjørende for styrkeutviklingen og kan tilpasses lokale forhold. 500 Uten Merit Trondheim Sedimenter fra forurensede lokaliteter langs hele norskekysten er brukt i prosjektet Trykkstyrke (kpa) kg Merit 100 kg Merit Akseptabel styrke dagers herding 150 Mengde sement (kg) 28 dagers herding 500 Uten Merit Bergen Oslo Sandvika Gilhus Grenland Trykkstyrke (kpa) kg Merit 100 kg Merit Akseptabel styrke 90 dagers herding Bruk av Merit gir økt styrke også for finkornete sedimenter med høyt vanninhold og stort innhold av organisk materiale Mengde sement (kg)

8 8 Stabiliseringsprosessen Permeabilitet De undersøkelser av permeabilitet som er utført viser at det for grove materialer kan oppnås en betydelig reduksjon i permeabilitet ved stab ili sering i forhold til konvensjonelle deponeringsmetoder. For finkornige materialer er det mye vanskeligere å redusere permeabiliteten. Dette gjelder uansett blandningsresepter og viser at det i stor grad er kornfordelingen i materialet som avgjør permeabiliteten etter stabili ser ing. Det er også vist at ved lavere styrker kan det være stor forskjell i permeabilitet mellom blandingene, noe som gjør det svært viktig å også måle permeabilitet som en egen parameter ved vurdering av resepter. k stab. /k sediment ,1 0,01 0,001 0, Hammerfest Trondheim Gilhus Grenland Sandvika Bergen 0, Trykkstyrke (kpa) Forhold mellom permeabilitet og styrke. Verdier < 1 viser at permeabiliteten blir lavere for stabilisert materiale enn ikke stabilisert, mens verdier >1 viser det motsatte. Utlekking Det er gjort et omfattende arbeid for å kvantifisere hvordan stabilisering påvirker utlekking av miljøgifter etter stabilisering. Her er det viktig å påpeke at til forskjell fra farlig avfall fra industri eller andre restprodukter, har sedimentene vært i kontakt med sjøvann og har derfor vært utsatt for utvaskingsprosesser over lang tid. I tillegg er det ofte reduserende betingelser og derfor sulfider tilstede i sedimentene, noe som betyr god binding av tungmetaller. Sedimentene inneholder dessuten sot og andre typer organisk materiale som betyr en naturlig høy bindingsevne for organiske miljøgifter. Alle disse faktorene medfører at selv om utlekkingen fra forurensede sedimenter kan utgjøre en miljørisiko, er denne utlekking lav sammenlignet med utlekking fra mange andre type avfall. For utlekking av organiske stoffer er det fokusert på utlekking av PCB og PAH (tjærestoffer). Det er generelt påvist lav utlekking av disse stoffene, men at stabilisering kan redusere nivåene ytterligere. Utlekking av PAH (mg/kg) 100,0 10,0 1,0 0, ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Utlekking av TOC (g/kg) Bergen Grenland Trondheim Hammerfest Sandvika Gilhus Generelt gir stabilisering uforandret eller redusert utlekking av PAH. Sedimenter fra Gilhus med innhold av kreosot er et unntak. Store sirkler representerer ikke stabilisert materiale. BINDEMIDLER OG METODER FOR STABILISERING / SOLIDIFISERING (STSO) AV FORURENSEDE MASSER BIA prosjekt /140, Sluttrapport, desember 2008

9 Stabiliseringsprosessen 9 Et unntak er et av områdene som er forurenset med kreosot. Her øker utlekkingen betydelig etter stabilisering. Tilsetning av aktivt kull i stabiliseringsprosessen for disse massene har vist seg å være effektivt for å motvirke dette. Her må man opp i tilsetninger på 2 % aktivt kull av tørrstoff sediment for å redusere utlekkingen til et nivå som er lavere enn for ustabilisert materiale. Utlekking av PAH (mg/kg) Økt utlekking av PAH etter stabilisering av kreosotholdig materiale. Tilsetning av aktivt kull i stabiliseringsprosessen reduserer utlekkingen Forsøkene viser også at stabilisering kan påvirke utlekking av tinnorganiske forbindelser som TBT. For sedimenter som i utgangspunkt har høy utlekking av TBT indikerer forsøkene at stabilisering kan redusere utlekkingen. Utlekking av TBT (µg/kg) Sediment 0 % 0,1 % 0,5 % 2,0 % 5,0 % Mengde aktiv kull (% av mengde tørrstoff sediment) Uten Merit 50 kg Merit 100 kg Merit 0 Sediment Mengde sement (KG) Utlekking av TBT blir redusert ved stabilisering For tungmetaller viser utlekkingstestene at stabilisering gir mindre eller uforandret utlekking av tungmetaller i forhold til ustabilisert materiale, med noen unntak. For eksempel viser kobber økt utlekking etter stabilisering i grove masser med lavt innhold av tilgjenglig sulfid. Som nevnt tidligere er tilgjenglig sulfid (målt som AVS) en viktig faktor som begrenser utlekkingen. Forsøk som er utført i STSO bekrefter også dette, og at tilsetning av jernsulfid i stabiliseringsprosessen kan gi lavere utlekking av enkelte metaller. Tungmetallers binding til uløselige sulfider Måling av tilgjengelig mengde sulfider AVS og forholdet mellom AVS og samtidig ekstraherbare metaller (SEM/AVS). Prosjektet har vist at binding av tungmetaller til uløselige sulfider er en viktig prosess ved stabilisering av marine sedimenter. Tilgjenglige sulfider (AVS) måles gjennom at prøven tilføres saltsyre. Tilgjenglige sulfider danner da hydrogensulfid. Denne gassen fanges i en lutfelle og mengden AVS analyseres gjennom kolorimetri. Måling av tilgjenglig mengde sulfid i en prøve Syreekstraktet analyseres for et utvalg av tungmetaller (kadmium, kobber, nikkel, bly og sink). Konsentrasjonene av disse stoffene gir et mål på samtidig ekstraherbare metaller (SEM). Dersom forholdet SEM/AVS (molbasert mengd) er større enn 1 angir dette et overskudd av metaller i forhold til sulfid. Dette er en indikasjon på et større potensial for mobilitet enn om SEM/AVS er mindre en 1, dvs overskudd av sulfider i forhold til tungmetaller. Utlekking av kobber (mg/kg) N H 2 S 3 M HCl 0,5 M NaOH Sediment 0 0,1 % 0,5 % 2,0 % 5,0 % 100 % Mengde jernsulfid (% av mengde tørrstoff sediment) cement Utlekking av kobber før og etter stabilisering for grove masser med lavt innhold av tilgjenglig mengde sulfid (AVS). Effekt av tilsetning av jernsulfid til stabiliseringsprosessen AVS

10 10 Stabiliseringsprosessen Konklusjoner om bindemiddelresepter Det eksperimentelle arbeidet som er utført viser at det er store forskjeller på hvordan bindemidler og tilsetninger virker avhengig av type forurens ning og sediment. Matrisen under viser hovedeffektene ved stabilisering av ulike sedimenttyper basert på de erfaringer som er gjort i laboratorieforsøkene. Andre faktorer som langtidseffekter, miljøforhold og økonomi må vurderes i tillegg. Type Materiale Sediment type Grov (sand, lavt innhold av organisk materiale og vanninnhold <100 %) Fin (leire, høyt innhold av organisk materiale og vanninnhold >100 %) Effekt ved stabilisering Øke styrke Redusere permeabilitet (3) Redusere utlekking av tungmetaller Redusere utlekking av TBT (1) Redusere utlekking av PAH (2) Øke styrke Redusere permeabilitet (3) Redusere utlekking av tungmetaller Redusere utlekking av TBT Redusere utlekking av PAH (2) Binde St sement nd -/0/ /+ + -/0/+ middel FA sement nd -/0/ /+ + -/0/+ Industri sement nd -/0/ /+ + -/0/+ Sulfat re. sement nd -/0/ /+ + -/0/+ Tilsetning Flyveaske nd CKD nd Gips nd Merit nd /+ 0 0 Jernsulfid nd Aktivt karbon nd nd Mikrosilika nd Sand nd ) Materiale med lavt innhold av TBT fra start 2) Avhenger av PAH type 3) Porøsitet og permeabilitet vil avhenge av kornfordeling og følgelig blandingsforhold og herdeprosess - Negativ effekt, 0 Ingen eller lav effekt, + Positiv effekt, ++ Meget positiv effekt, nd Ikke dokumentert i eksperimenter Langtidseffekter og miljøforhold Det er vist gjennom eksperimentelt arbeid at styrken i de stabiliserte materialene øker etter hvert som stabiliseringsprosessen pågår. Spesielt er dette tydelig når Merit brukes som tilsetningsmateriale. Styrkeoppbygging etter 28 og 360 døgns herding viser økt styrkeoppbygging over tid, spesielt ved bruk av Merit. Forsøk som er utført med stabilisering ved lave temperaturer viser at herdingsprosessen går langsommere enn ved høye temperaturer. Effekten kan ses allerede ved 15 C, men er tydelig under 7 C. Dette er derfor også forhold som bør vektlegges når stabilisering skal utføres. Det er også gjennomført forsøk der det stabiliserte materialet gjennomgår en fryse og tine syklus. Resultatene viser at styrken reduseres etter en slik syklus og at effekten er størst for fine sedimenttyper med høyt vanninnhold. For konstruksjoner med risiko for å bli utsatt for frost bør derfor frostbeskyttelse vurderes. Som tidligere er vanninnhold i sedimentene en viktig parameter. En avvanning vil gi økt styrkeoppbygging og kan derfor være et alternativ til økt tilsetning av bindemidler for våte sedimenter. Trykkstyrke (kpa) Industrisement + Merit kg/m 3 Industrisement + Merit kg/m 3 Industrisement + Flygeaske kg/m 3 Industrisement + Merit + Miljøgips kg/m 3 Forskjellige bindemiddelskombinasjoner Styrkeoppbygging etter 28 og 360 døgns herding viser økt styrkeoppbygging over tid, spesielt ved bruk av Merit. 28 dager 360 dager Industrisement 180 kg/m 3 BINDEMIDLER OG METODER FOR STABILISERING / SOLIDIFISERING (STSO) AV FORURENSEDE MASSER BIA prosjekt /140, Sluttrapport, desember 2008

11 Gjennomføring 11 Gjennomføring av stabilisering Utstyr og teknologi For å oppnå et godt resultat ved stabilisering er det viktig å få en homogen innblanding av bindemidler med riktig dosering, samtidig som teknologien bør være enkel og robust. De teknologier som er aktuelle for stabilisering av sedimenter kan inndeles i følgende kategorier: Ex-situ blanding. Massene transporteres til et blandeverk der bindemiddel tilsettes In situ blanding. Bindemiddel tilsettes massene direkte i det område som skal stabiliseres Prosesstabilisering. Massene tilføres bindemiddel i en prosessenhet der mengden bindemiddel optimeres avhengig av massenes egenskaper. For nordiske forhold vurderes in situ blanding å være en godt egnet metode særlig for små og mellomstore prosjekter. Årsaken er at dette utstyret er mobilt og kan tilpasses forskjellige oppdrag. Gjennom at bindemiddel blandes inn direkte i massene vil denne metoden gi minst mulig transport av masser. Ved in situ blanding er det viktig at prosessen gjennomføres slik at bindemiddel blandes inn homogent i massene. Videreutvikling av programvare og bruk av GPS for massestabilisering vil bedre dokumentasjonen og kvaliteten av stabilisering. For store prosjekt kan prosesstabilisering være et alternativ som kan vurderes, eventuelt i kombinasjon med in situ stabilisering. Utstyr for in situ blandning Type prosjekt Små og middels (< m3) Middels ( m3) Store (> m3) Anbefaling In situ blanding In situ blandning In situ blanding. Prosesstabilisering Prosessstabilisering i Turku Finland Dynamisk posisjonering for bruk i stabilisering (GPS) En viktig faktor ved bruk av in situ stabilisering er kontroll og dokumentasjon av bindemiddelmengde, innblandnings arbeid og posisjon. Dette for å oppnå mest mulig optimale egenskaper for stabiliserte masser. Posisjonering har hittil til stor del blitt utført ved manuell oppmerking der stabiliseringen skulle utføres. Ved stabilisering under vann vil manuell posisjonering være tids og kostnadskrevende. Prosjektet har utviklet utstyr som posisjonerer stabiliseringsenheten ved hjelp av GPS. Bruk av GPS dynamisk posisjonering i forbindelse med in situ stabilisering av forurensede sedimenter i kv Kojan Stockholm Sverige

12 12 Gjennomføring Bruk av stabiliserte masser for konstruksjon I forbindelse med en oppgradering av kaianlegget ved Kadettangen i Bærum var det behov for mudring av moderat forurensede masser. Utfylling for en ny brygge og stabilisering ble vurdert som en gunstig måte å gjenbruke massene. I forhold til deponering på godkjent deponi ble stabilisering vurdert som økonomisk mer fordelaktig. Metoden vil også øke nytteverdien på massene gjennom at de bløte sediment ene kan gjenbrukes som fyllmasser med akseptabel konstruksjons messig kvalitet. Utforming av løsninger Stabilisering av forurensede sedimenter er en aktuell løsning for å håndtere forurensede sedimenter. Det er flere muligheter for utforming av løsninger. En mulighet er at de stabiliserte sedimentene brukes som fyllmateriale på annet område enn mudringsstedet. En annen mulighet er å stabilisere masser der de ligger eller så nært som mulig fra mudringsstedet. Et aktuelt scenario for norske forhold er at sedimentene mudres og flyttes innenfor en barriere. Barrieren kan være en spuntvegg, sjeté eller voll. Denne trenger ikke være vanntett, men må sikre at partikler ikke transporteres ut. Sedimentene stabiliseres in situ innenfor barrieren. Ved en slik løsning er det viktig at vannmengden i sedimentene innenfor barriereren blir så lav som mulig. Derfor anbefales grabbmudring eller en tilsvarende teknologi som ikke tilfører mye ekstra vann når sedimentene skal stabiliseres på denne måten. Derved er det mulig å unngå et ekstra (kostbart) avvanningstrinn. Oppfylling og landinnvinning Sedimenter flyttes til innside av barriere Illustrasjon av Kadettangen promenadebrygge bygget på stabiliserte masser Innfylte og evt. stedlige sedimenter stabiliseres Sedimenter grabbes ut De forurensede massene legges direkte inn bak en betongspunt og prosjektet benytter in situ stabilisering av massene bak betongspunten. De mudrede massene er finkornige. For å nå prosjektets kvaliteskrav brukes 160 kg bindemiddel bestående av 50 % Norcem Industri sement og 50 % Merit pr m 3 masse. Gjennomføring av stabilisering med In situ blanding Markedsvurdering Metoden har vist seg å kunne brukes i både små og store prosjekter. Det største fortrinnet fremfor andre disponeringsmetoder er at materialet som opprinnelig er et problemateriale blir til verdifull byggegrunn gjennom en lokal løsning etter stabilisering. Løsningen gir også et materiale med miljømessig akseptable egenskaper. De viktigste markedsområdene i Norden fremover vurderes å være: Etablering av landareal i industri og havneområder for næringsutvikling og / eller boligformål Etablering av regionale deponier for bruk over flere år Utbygging av mindre kaianlegg for småbåthavner Bruk av betongspunt for kaifront ved Kadettangen i Bærum BINDEMIDLER OG METODER FOR STABILISERING / SOLIDIFISERING (STSO) AV FORURENSEDE MASSER BIA prosjekt /140, Sluttrapport, desember 2008

13 Gjennomføring 13 Arbeidsprosess ved design Ved valg av design må man ta hensyn til både massenes fysiske egenskaper og forurensningsgrad, samt omfanget av prosjektet og på hvilken måte massene skal gjenbrukes. De viktigste prosesstrinnene ved valg av design samt relevante erfaringer fra prosjektet er oppsummert i følgende flytskjema. Vurderingene utføres i hensiktsmessig omfang i byggeprosjektetes konsept, plan og utredningsfase. Prosesstrinn Erfaring fra prosjektet Vurder på et overordnet nivå om stabilisering er en egnet metode En vurdering av metodens egnethet basert på grunnforhold, type bruksområde og forurensningssituasjonen må gjennomføres tidlig, se også kapittel om suksesskriterier Kartlegg sediment og forurensningsforhold Fysisk karakterisering som skjærfasthet, kornfordeling, vanninnhold og organisk innhold er viktige parametre ved kartlegging av sedimentene Kjemiske karakterisering bør omfatte innhold av prioriterte metaller og organiske miljøgifter, samt tilgjenglig sulfid (AVS) Bestem funksjonelle krav Styrkekrav bør baseres på bruk av konstruksjonen Langtidsaspekter må vurderes Klimatiske krav (herding-/ fryse-/ tine egenskaper) påvirker både styrke og forurensningstransport Gjennomfør undersøkelser i laboratorie for valg og optimering av bindemiddel Styrke, permeabilitet og utlekkingstest bør utføres både før og etter stabilisering Bindemiddelresepter må optimeres med henblikk på både styrke, utlekking og permeabilitet Utlekkingstester basert på ristetester gir maksimale verdier og er verdifulle i en innledende fase. For transportberegninger bør diffusjonstester vurderes Minimum mengde av bindemiddel bør generelt være minst 100 kg/m3 Normal standard FA sement er tilstrekkelig som bindemiddel i de fleste tilfeller For fine våte materialer bør tilsetning av Merit ( kg/m3 ) vurderes Ved betydelig organisk forurensning bør tilsetning av aktivt kull vurderes Velg bindemiddel, stabiliseringsteknologi og konstruksjon Styrkeutviklingen blir redusert ved lave temperaturer Frostsikring av den stabiliserte konstruksjonen kan være nødvendig spesielt for finkornete materialer Prosjektering og design av tiltak og konstruksjon. Vurder behov for verifisering og feltundersøkelser overvåking og kontroll Mudringsteknologi som gir lavt vanninnhold i muddermassene bør velges Konstruksjonen må ha en ytre barriere som hindrer partikkeltransport gjennom barrieren Det må sørges for tilstrekkelig homogenitet ved innblandning av bindemiddel

14 14 Oppfølging Oppfølging av metoden Effekten på miljøet Effekten på miljøet av et tiltak kan bestemmes gjennom å se på transporten av forurensning til miljøet før under og etter gjennomføring av tiltak. Ved å summere mengdene av forurensning som frigis over et gitt tidsrom for de alternativene som foreligger og sammenligne disse får man et mål på miljøgevinsten. Tiltaksperiode Den totale transporten av forurensning fra et stabilisert område er avhengig av følgende faktorer: Transport ved diffusjon i ytterkantene Transport som følge av tidevannspåvirkning Transport gjennom forvitring i konstruksjonen Utpressing av forurenset porevann ved komprimering Spunt Geotekstil Forurensnings transport Inntjeningstid Uten tiltak Etter tiltak 16 mg/m 2 /år Primærfortynning Forvitring <93 mg/m 2 /år Diffusjon <3 mg/m 2 /år Stabilisert sediment Tid Prinsipiell beskrivelse av transport av forurensninger før, under og etter et tiltak Ny sjøbunn, etter mudring Beregning av transport av forurensning for konstruksjon ved Kadettangen For et stabilisert område vil det være utlekking og permeabilitet som styrer transporten av forurensningene. Forsøk med grunnvannsmodellering viser at transporten gjennom et stabilisert område er svært lav med de permeabiliteter man kan oppnå (k 10-8 m/s). Derfor er transporten av forurensning særlig relatert til sprekker i barrieren og dårlig stabiliserte soner, samt forvitring av konstruksjonen i tillegg til tidevannsbevegelser og diffusjon fra konstruksjonens overflate. Oppfølging av konstruksjonen Konstruksjonen bør i utgangspunkt dimensjoneres med materialer med en forventet levetid på minst 100 år. Forsøk på stabilisert materiale i prosjektet viser at styrkeoppbyggingen øker den første delen av levetiden (1-2 år), men at konstruksjonen må være beskyttet mot erosjon og i visse tilfeller også frost. Miljøtilstanden over tid kan dokumenteres gjennom grunnvannsbrønner i konstruksjonen og ved måling av transport av forurensning med bruk av passive prøvetakere i og utenfor konstruksjonen i en oppfølgings- og kontroll periode. Oppfølging av miljøtilstand ved bruk av passive prøvetakere. Her vises prøvetakere basert på diffusjon i spesielt plastmateriale (POM) og i fettstoffer (SPMD) Beregning av grunnvannstransport for stabilisert område i Trondheim med MODFLOW grunnvannsmodell BINDEMIDLER OG METODER FOR STABILISERING / SOLIDIFISERING (STSO) AV FORURENSEDE MASSER BIA prosjekt /140, Sluttrapport, desember 2008

15 Bibliografi 15 Bibliografi Vitenskaplige publikasjoner Eggen A., Emaus K., Kvennås M (2008). Grunnforsterkning i sjøen av hensyn til miljø og utbygging (In Norwegian). Proceedings Nordisk Geoteknikermøte nr. 15 (NGM). Sandefjord Septemeber Hernandez-Martinez F.G., Sparrevik M., Kvalvåg Ø. Eggen A., Kvennås M. and Grini R.S (2009). Stabilisation/ Solidification of two contaminated marine sediments for use in land reclamation. In press: International Symposium on Deep Mixing & Admixture Stabilization, May 2009 Okinawa Hernandez-Martinez F. G., Sparrevik M., Kvalvåg Ø., Eggen A., Grini R. S. (2008). Mechanical properties of stabilised/ solidified contaminated Norwegian marine sediments. Proceedings: 2nd BGA International Conference on Foundations- ICOF Dundee June 2008 Kvennås M., Sparrevik M., Grini R.S. (2009). Improving stabilisation/solidification of Norwegian contaminated sediments by use of additions. In press: ASTM 4th Int. Symp. on Contaminant Sediments, July 2009 Dublin. Submitted to Journal of ASTM International. Laugesen J. (2007). Behaviour of solidified/stabilised contaminated sediments in confined disposal facilities (CDFs). NTNU PhD thesis 2007:184 Sparrevik M. (2008). Mechanical and chemical factors influencing the success of stabilisation/solidification of contaminated Norwegian Marine Sediments for use in land reclamation. Proceedings: 5th SedNet Conference på NGI, May 2008 Oslo Sparrevik M., Eek E and Grini R.S (2008). The importance of Sulphide Binding for Leaching of Heavy Metals from Nor wegian Contaminated Marine Sediments Treated by Stabilisation/Solidification. Proceedings: CD2E Int. Symp. on Sediment Manag. Lille July Submitted to Environmental Technology Prosjektrapporter NGI 2008a. Stabilisation and solidification of contaminated sediments. State of the art report. NGI November 2008 NGI 2008b. Stabilisation and solidification of contaminated sediments. Development of binder and additions. Final report from phase 1,2 and 3. NGI November 2008 NGI 2008c. Bindemidler og metoder for solidifisering av forurenset masse. Vurdering av utstyr for stabilisering Rapport. NGI Januar 2008 NGI 2008d. Renere havnesediment i Trondheim. Vurdering av hydrogeologi og spredning av forurensning fra deponiet. NGI August 2008 Norcem Bindemidler og metoder for stabilisering/ solidifisering av forurensede masser. Tilleggsrapport om mikseutstyr. Oktober 2008 Rambøll 2008a. Sement stabilisation and solidification STSO. Review of Techniques and methods. November 2008 Rambøll 2008b. Geotechnical Optimisation of binder recipes Mai 2008 Rambøll 2008c Promenadbrygge ved Kadetttangen Bærum. Vurderinger i prosjektet Oktober 2008 Rambøll 2008d. Arktisk kultursenter, Hammerfest Sluttrapport og overvåkning.oktober 2008 Skanska. Skanskas utvikling Kvalitetsplaner og revisjoner DNV Prosjektkvalitetsplan FOU-prosjektet ST/SO Stabilisering og solidifisering av forurenset masse. Rapport , Rev. 01 (gjeldende), DNV Internrevisjon av ST/SO-prosjektet, Rapport , Studentoppgaver Arevalo Arnada C. B (2008). Leaching test comparison for stabilized and solidified contaminated sediments. Assessment of selected inorganic contaminants. Master thesis Department of Geophysics Universtity of Oslo

16 Prosjektdeltakere: Liv-Margrete Hatlevik Bjerge, Norcem - Svein Eriksson, svein.eriksson@norcem. no, Norcem - Randi Skirstad Grini, rgr@ngi.no, NGI - Magnus Sparrevik, msp@ngi.no, NGI - Astri Eggen, aeg@ngi.no, NGI - Marianne Kvennås, mkv@ngi.no, NGI - Kyrre Emaus, ke@ngi.no, NGI - Carl Hartman, carl.hartman@noah.no, Noah - Terje Kirkeng, terje.kirkeng@noah.no, Noah - Fredrik Beyer, fredrik.beyer@ skanska.se, Skanska - Magne Maage, magne.maage@skanska.no, Skanska - Jens Laugesen, jens.laugesen@dnv.com, DNV - Arnt Olav Håøya, arnt.olav.hayoa@ramboll.no, Rambøll - Aud Helland, aud.helland@ ramboll.no, Rambøll - Tom Jahren, tom.jahren@ramboll.no, Rambøll Referansegruppe: Christin.pettersen, christin.pettersen@baerum.kommune.no, Bærum kommune - Leif Moe, lhm@baerum. kommune.no, Bærum kommune - Harald Solberg, harald.solberg@sft.no, SFT - Marius Dalen, marius.dalen@ bellona.no, Bellona Samarbeidspartnere: Göran Holm, goran.holm@swedgeo.se, Stabcon Produksjon og grafisk design: Magnus Sparrevik, Svein-Erik Eide og Tim Gregory, NGI