Geobear捷敖贝地基修复工程-环境影响报告
(February 1, 2021)

40年来,在建筑行业和建筑修复行业中,使用地质聚合物来修复沉降和地面损坏的项目显著增加。捷敖贝已经连续30年站在这项技术的最前沿,与专业合作伙伴供应商共同研发了29种地质聚合物,为各种地面破损及沉降问题提供定制的解决方案。本报告分析了与传统施工方案相比,使用地质聚合物技术的环境效益,并提供支持数据和参考资料,以确认和衡量具体的效益体量。

工程挑战

在地质工程术语中,沉降有2种定义分别为:1.地面的向下垂直移动,通常由土壤/地下结构内的应力变化引起。2.经常用来描述地面运动的术语,它可能与土壤应力的变化无关。

如果不及时处理,过度的沉降或沉陷可能会导致基础设施以及位于活动区域的建筑物和服务受损。取决于潜在的土壤条件和运动原因,沉降可能迅速发生,或者可能需要数年或数十年才能发生。

沉降通常是由于负载。例如,建筑物重量或飞机在跑道上滑行时所产生的挤压)超过地面的承载力从而导致土壤固结,表现方式就是地表结构下方的土壤会垂直和水平移动。 本身薄弱的土壤以及承受高度动态载荷的土壤会表现得特别脆弱。 土壤中水分含量也可能使承载力发生变化。例如,含水量较高的粘性土壤可能变软,粘性土壤失去水分可能会变干收缩,水土流水,自然或人为形成的空洞,地下隧道的开挖,引发的地面振动的震源和地震等剧烈地质运动均会造成严重的沉降。

传统的解决方案

传统解决方案根据受影响结构的性质而有所不同,这些解决方案大致分为两类:

  1. 水泥灌浆方案


    在住宅和商业建筑沉降应用以及桥梁和隧道的一些结构稳定所应用的解决方案中,传统上一般使用灌浆解决地面垂直和水平移动的问题。灌浆技术通常使用水泥,水和粉煤灰(PFA)的混合物。 混合物的比例通常为20 PFA:1水泥。 常规灌浆技术的灌浆效率通常约为25%。 另外,灌浆的凝固时间很长,这意味着灌浆可能会“开裂”,为了降低这个情况的发生以及增加稳固表面,需要增加额外的灌浆量。

    灌浆的原理是可灌装于垂直于地面的立柱孔内,通过在现有地面上钻孔并在钻头取出后,在孔里注入灌浆。

    在灌浆必须安装在地面结构下方的情况里,通常需要建造大直径的检修井,从中可以钻出小直径的水平灌浆孔。一旦固化后,保证灌浆的安全性。

    对地下结构修复方面,传统的灌浆解决方案将在其使用寿命内能发挥巩固地基的功能,且不需要维护和管理。当建筑物拆除时,灌浆桩体可以留在地下,也可以挖出并作为无害废物处理。

  2. 项目设施重建方案

    如果道路设施发生沉降,比如公路和机场跑道的重建通常需要修复路面的结构和变形部位。重建需要关闭该设施的使用功能,比如需要关闭高速公路上的车道,拆除现有路面破坏的结构然后重新建设。
     
    在重建路面之前,需要检查路面是否有软点和偏移。重建需要将粒状底基层材料铺设并压实至设计水平。剩下的施工流程则取决于路面的性质。
     
    对于混凝土路面,需要铺上一层干贫或湿贫的水泥结合材料(CBM)并且压实固化,然后重建路面板。如果需要紧急通道,使用快速固化混凝土,如PQA或快速混凝土。

Geobear解决方案

Geobear采用的是地质聚合物注入技术,这是一种无中断式的替代传统托换和打桩的方法,这是Geobear通过30多年的研究和开发取得的卓越进展。该系统采用2种聚氨酯聚合物,分别由Geobear在德国和荷兰的供应链合作伙伴生产,随后会运送到当地的Geobear储存仓库,即英国的圣海伦斯或温彻斯特,产品可以根据需求量运送到全世界项目现场。

Geobear地质聚合物注入系统可实施应用于修复地面沉降和岩土沉降。

聚合物稳定的灌浆效率介于500%和700%之间,这意味着与传统灌浆浆液相比,稳定巩固每个单元所需的材料量大大减少(1吨地质聚合物相当于传统灌浆约65吨)。

2种聚合物运到项目现场后当场混合,并通过预钻孔注入地下。聚合物在1至5分钟内凝固,凝固时间短,并可确保快速填充地面裂缝,从而实现更具针对性和可控性的应用,最大限度地降低漏失和材料损失的风险。这种快速固化反应还意味着,基础设施(如跑道和高速公路)可以在安装完成后立即通车,高效地恢复设施功能,极大减少对设施正常运营的影响。

这两种聚合物之间发生的化学反应产生二氧化碳,二氧化碳与聚合物基体结合形成闭孔泡沫。固化后的聚合物基体能抵抗多种化学物质的侵蚀,包括燃料、弱酸和碱,而且对防水效果好。聚合物基体会对紫外线辐射的光氧化很敏感,但是当聚合物注入地下时,紫外线降解的风险就能被消除。

项目安装完成后,注射设备被带回仓库,在特制的丙酮罐中清洗安装管线,这种丙酮罐会重复使用多次然后处理或者更换。

地质聚合物的设计使用寿命超过120年,因此在上覆建筑结构的使用期间不需要更换。在移除上覆建筑结构后,聚合物材料可留在原位或作为无害废物处理。

传统解决方案的对环境的影响

  • 水泥灌浆

传统的水泥灌浆浆液在固化后无害,但在制造和安装过程中存在许多重大的对环境不利因素。具体如下:

灌浆技术所使用的浆液是由水泥、水和粉煤灰(PFA)的混合物组成,PFA是燃煤发电厂的副产品。PFA的生产依赖于化石燃料的燃烧,而化石燃料是一种有限的资源,通过释放二氧化碳和化石燃料中蕴藏的其他温室气体,对环境气候变化产生重大负面影响。为了向更具可持续性的能源战略转移,燃煤发电厂的使用正逐年降低,这意味着在发达国家越来越不容易获得PFA。目前英国只有一个县经营燃煤发电厂,2025年英国将全面禁止燃煤发电厂。而这将导致PFA的碳足迹进一步增加,因为材料采购所需的运输超出了各个国家的边界距离。

水泥是通过硅酸盐熟料的生产得到,硅酸盐熟料起着粘合剂的作用。石灰石(CaCO3)在水泥窑中高温煅烧产生石灰(CaO),导致二氧化碳的释放。除了通过化学反应产生二氧化碳外,石灰石的加热通常是通过燃烧化石燃料来实现的,这一过程二氧化碳排放量增加了40%。虽然窑炉的效率正在提高,但整个过程仍然是温室气体排放的始作俑者,每吨水泥产生伴随着793千克到1060千克不等的二氧化碳的排放,具体排放量取决于反应的过程。

总体来说,1吨水泥基灌浆的综合碳足迹约为50kg 二氧化碳,然而,传统灌浆技术的灌浆效率通常为25%左右,而地质聚合物注入的效率为700%,这意味着,在传统灌浆系统种大量使用的灌浆产品将被浪费,进一步增加使用过程中碳总量的产生影响生态系统。

在英国,污染“被监控的水域”是违法行为,这些水域包括水道、湖泊、沿海水域和地下水源。未固化的水泥灌浆具有高pH值和缓慢的固化期,这意味着灌浆对邻近的水环境和地下水资源具有重大风险。材料通过裂缝和空隙渗漏会导致环境污染。当这种污染进入水道时,pH值的增加会对野生动物产生腐蚀性影响,并导致溶解氧的降低和水中悬浮固体的增加。这些影响因素相结合对当地水生生态系会统造成严重的长期和短期影响。

而在水泥灌浆前修建必需的通道井也会对环境产生影响,因为现场废料需要清除因此现场和当地道路上的相关协调的车辆都会增加。

灌浆后,由于浆液高pH值和悬浮颗粒残渣,设备清洁产生的水泥浆必须在排放前进行储存和处理,否则会造成严重的环境污染。

  • 传统灌浆的重建方案

设施重建会对运营及使用造成重大影响,同时也会对环境造成重大影响。由于材料中的水泥含量和骨料的提取过程中,水泥结合材料(CBM)和路面质量混凝土(PQC或PQA)都具有显著的碳足迹。虽然使用再生骨料可以减少碳足迹中,但每吨混凝土的总体碳足迹仍然很大,生产每吨混凝土将产生0.07到0.1吨的二氧化碳。这意味着,生产厚度为300mm,尺寸为6m x 6m的混凝土地板,二氧化碳排放量约为2.6吨,而200mm厚的水泥结合材料层产生约0.8吨二氧化碳(取决于材料配合比设计)。

为了尽量减少重建或者维护对设施运营的影响,快速混凝土和类似的PQA混凝土产品通常用于交通繁忙地区的路面维修。这些产品虽然使用方便,固化期相对较短,但在大量使用/装载情况下,其使用寿命有限,因此需要在设施的整个使用期间进行持续的维护。在高使用率的机场滑行道,PQA板通常需要每4-6年更换一次。这意味着在10年的时间里,一个6米x 6米的机场路面的碳足迹超过8吨二氧化碳。

Geobear 解决方案对环境影响更为友好

虽然Geobear地质聚合物的制造过程中碳排放相对较高,每吨地质聚合物的生产到安装的碳排放量为1.18吨CO2,但聚合物稳定的灌浆效率在500%到700%之间,这意味着与传统方法相比,每个项目稳定巩固阶段所需相对较少材料(1吨地质聚合物的效果约等于65吨常规灌浆)。

这意味着,与传统灌浆溶液相比,Geobear地质聚合物可节省约46%的碳排放。

与路面重建的成本相比,节省成效明显更高:如果是和地面更换相比,节省了90%以上,和使用快固混凝土或类似混凝土的材料相比,在十年内需要更换的材料节省了97%。

一旦固化,地质聚合物基质就能够抵抗各种化学物质的腐蚀,包括燃料、弱酸和碱,而且对水不敏感。尽管地质聚合物基质会被丙酮和强酸/碱溶解,但即使在受污染的土壤环境中,这些物质的浓度也不可能影响基质的完整性。

英国检测公司ALS Life Sciences Ltd根据环境机构许可证上的要求,对Geobear地质聚合物的压碎样品进行全面的渗滤液测试,测试结果表明,渗滤液的“数量和浓度均小到可以排除对现有和将来通过的地下水潜在的危险因素”。因此,在地下土壤,也包括存在地下水的土壤使用Geobear地质聚合物不属于“地下水活动”,因为它符合环境许可条例(EPR 2016)附表22.3.3第(b)条的标准。其中规定:“经过环境检测机构,如果检测到污染物的输入的数量和浓度在现在以及将来都很小的情况下,以排除接收地下水导致水质恶化的任何当前或未来危险的因素,可确定排放或可能导致排放均不属于地下水活动。”

两组分树脂混合的化学反应产生最终的地质聚合物基体会产生少量有气味的有机和无机气体的排放。这些气体的释放量非常小,远远低于任何法定的阈值,一旦反应完成,它们就会迅速消散。它们对人类或野生动物不构成威胁,也不需要特殊的控制措施。

Geobear的地质聚合物经过了4年的掩埋试验,以确认材料的机械性能不受掩埋环境的影响,并且样品在掩埋环境中没有变质。试验证实,这种材料不会因掩埋而变质,它能抑制细菌和真菌的生长,并且有地下水的情况下也没有降低材料的结构完整性或性能。

地质聚合物的设计使用寿命超过120年,因此在上覆建筑结构的使用期间内不需要更换地质聚合物。移除上覆建筑结构后,材料可留在原位或作为无害废物处理。

未来前景

Geobear将继续与我们的供应链供应商合作开发地质聚合物的解决方案。我们的动力来自于世界需要加快向更高效、更绿色环保的地基修复解决方案实施的进行过渡。由于对化石燃料作为聚氨酯来源的依赖减少了生物基聚氨酯的使用,这为我们的解决方案进一步减少对环境的影响提供了一个为之振奋的机会。

结论

Geobear地质聚合物的分析和测试表明,与传统的水泥灌浆固化和重建这2种方案相比,更具有多方面可持续性的优势。

地质聚合物在制造过程中确实会对环境造成影响,但是与传统解决方案相比,地质聚合物产品的高效利用率弥补了这部分的不足,对环境的影响依然明显小于传统的方案。

总而言之,与传统的灌浆溶液相比,Geobear解决方案将所需材料数量是传统灌浆的1/40到1/50,并可减少约46%的碳排放;当与传统的混凝土路面重建方案相比,Geobear能够减少99%的所需材料,与更换每块PQA板相比,能减少90%的碳排放量;与用PQA板维护10年的成本相比,则能减少97%的碳排放量。

固化后的地质聚合物基质具有耐化学性、对水不敏感、抗真菌和细菌生长等特性。它也适用于地下水的保护,其快速固化的特性限制了在水道或环境敏感区域附近工作时的泄漏风险。 Geobear地质聚合物的120年设计使用寿命已通过加速老化试验得到证实,并通过在英国超过30年的持续使用项目得到了证实。

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