Εργαστηριακή διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς αργιλικών εδαφών βελτιωμένων με ιπτάμενη τέφρα

Ευθυμίου, Σμαραγδή

dc.contributor.author	Ευθυμίου, Σμαραγδή	el
dc.date.accessioned	2019-09-12T09:01:15Z
dc.date.available	2019-09-12T09:01:15Z
dc.date.issued	2019-09-12
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49214
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.3094
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	άργιλος	el
dc.subject	ιπάμενη τέφρα	el
dc.subject	σιμέντωση	el
dc.subject	διαρροή	el
dc.subject	μηχανική συμπεριφορά	el
dc.subject	clay	en
dc.subject	fly ash	en
dc.subject	cementation	en
dc.subject	yielding	en
dc.subject	mechanical behaviour	en
dc.title	Εργαστηριακή διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς αργιλικών εδαφών βελτιωμένων με ιπτάμενη τέφρα	el
dc.contributor.department	Τομέας Γεωτεχνικής. Εργαστήριο Θεμελιώσεων	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Εδαφομηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-05-22
heal.abstract	Η τεχνητή σιμέντωση των αργίλων έχει εφαρμοσθεί επί πολλά έτη με διάφορες τεχνικές βελτίωσης εδαφών. Αν και έχει γίνει σημαντική προσπάθεια για την ανάπτυξη εξελιγμένων μηχανημάτων και τεχνικών για την υλοποίηση της τεχνητής σιμέντωσης, ωστόσο η διαθέσιμη γνώση σχετικά με τους μηχανισμούς σχηματισμού της τεχνητής δομής του βελτιωμένου εδάφους και την προκύπτουσα μηχανική συμπεριφορά του είναι μικρότερη. Οι κύριοι στόχοι αυτής της έρευνας είναι : - να διερευνήσει το σχηματισμό της μικροδομής σε τεχνητά σιμεντωμένα εδαφικά υλικά με τη χρήση ιπτάμενης τέφρας Πτολεμαïδας τύπου C ως συνδετικού υλικού - να αναζητήσει τις σχέσεις μεταξύ της συγκολλητικής σύνδεσης και της ορυκτολογίας της αργίλου, και - να αναπτύξει ένα πλαίσιο για την πρόγνωση της μηχανικής συμπεριφοράς σε συνθήκης θλίψης και εφελκυσμού των αργίλων υψηλής πλαστικότητας οι οποίες έχουν βελτιωθεί με ιπτάμενη τέφρα. Οι δοκιμές στα δείγματα εκτελέστηκαν για ένα ευρύ φάσμα αναλογιών μίξης και διαφορετικές περιόδους ωρίμανσης ώστε να διαφανεί το πλαίσιο συμπεριφοράς της βελτιωμένης με ιπτάμενη τέφρα αργίλου. Τα χαρακτηριστικά που μετρήθηκαν περιλαμβάνουν τα βασικά φυσικά χαρακτηριστικά (υγρασία, λόγος κενών, φαινόμενο βάρος και ειδικό βάρος), τα όρια Atterberg, καθώς και τα μηχανικά χαρακτηριστικά αντοχής και συμπιεστότητας. Επίσης εξετάστηκε η μικροδομή με ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ και Πολωτικό Μικροσκόπιο. Με βάση τα αποτελέσματα των δοκιμών για διάφορα ποσοστά ιπτάμενης τέφρας στην άργιλο, επιλέχθηκαν δύο μίγματα και διατυπώθηκε ένα πλαίσιο συμπεριφοράς για την αρχική διαρροή της βελτιωμένης με ιπτάμενη τέφρα αργίλου. Επιπροσθέτως, διεξήχθη μία εργαστηριακή έρευνα για τη διερεύνηση των βασικών τεχνικών χαρακτηριστικών και της μηχανικής συμπεριφοράς, περιλαμβανόμενης της διαρροής και των σχέσεων τάσεων-παραμορφώσεων της ίδιας αργίλου υψηλής πλαστικότητας χωρίς βελτίωση. Παρασκευάστηκε μία ποικιλία μιγμάτων με προσθήκη 4 έως 25% ιπτάμενης τέφρας τύπου C (εκφρασμένης ως ποσοστό επί του ξηρού βάρους αργίλου συν του συνολικού ύδατος του τελικού μίγματος) στην υψηλής πλαστικότητας άργιλο του Άγιου Στέφανου με αρχική υγρασία του τελικού μίγματος (εκφρασμένης ως ποσοστό επί του ξηρού βάρους αργίλου συν του ξηρού βάρους της ιπτάμενης τέφρας) 1.2 φορές το όριο υδαρότητας της αργίλου στη φυσική της κατάσταση, με παράλληλη επιδίωξη επίτευξης περίπου ίδιας συνεκτικότητας/εργασιμότητας σε όλα τα μίγματα. Σε όλα τα δείγματα με ή χωρίς βελτίωση με ιπτάμενη τέφρα, επιβλήθηκε τάση προστερεοποίησης 50 kPa. Παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της φαινόμενης τάσης προστερεοποίησης και μείωση του φαινόμενου δείκτη συμπίεσης, σε δοκιμές στερεοποίησης σε συμπιεσόμετρο, καθώς αυξανόταν το ποσοστό ιπτάμενης τέφρας και ο χρόνος ωρίμανσης. Αυτό οφειλόταν στη δημιουργία δομής (δηλαδή δεσμών σιμέντωσης/συγκόλλησης) στα σωματίδια της βελτιωμένης αργίλου. Γεγονός το οποίο αποδείχθηκε από τις αυξημένες τιμές αντοχής σε ανεμπόδιστη θλίψη της βελτιωμένης με ιπτάμενη τέφρα αργίλου του Άγιου Στέφανου, για αυξημένο ποσοστό ιπτάμενης τέφρας και αυξημένο χρόνο ωρίμανσης. Σε παρατεταμένους χρόνους ωρίμανσης, η ποζολανική αντίδραση ήταν σημαντική, οδηγώντας στο σχηματισμό νέων προϊόντων αντίδρασης, όπως το ένυδρο πυριτικό ασβέστιο (συντομογραφικά CSH, Calcium Silicate Hydrate) και το ένυδρο αργιλιοπυριτικό ασβέστιο (συντομογραφικά CASH, Calcium Aluminum Silicate Hydrate). Η ανάλυση με Πολωτικό Μικροσκόπιο (PLM, Polarising Light Microscope) η οποία έγινε σε μίγματα χωρίς και με προσθήκη 10%, 15% και 25% ιπτάμενης τέφρας τύπου C έδειξε ότι οι σχετικές ποσότητες των προϊόντων σιμέντωσης (CSH και CASH) αυξάνονταν με την αύξηση του ποσοστού ιπτάμενης τέφρας. Ωστόσο, η ενδιαφέρουσα παρατήρηση αυτής της ανάλυσης, ήταν η ανάπτυξη συσσωματωμάτων αργίλου-ιπτάμενης τέφρας, όχι σε όλη τη μάζα της αργίλου, αλλά διεσπαρμένα μέσα στη μάζα του μίγματος, με αποτέλεσμα μία μικρή αύξηση στα όρια υδαρότητας και πλαστικότητας, όταν η προσθήκη ιπτάμενης τέφρας περιοριζόταν στο 15% ή λιγότερο. Είναι καλά γνωστό ότι η προσθήκη συνδετικού υλικού σε μία μαλακή άργιλο, έχει ως αποτέλεσμα την μετατροπή της μαλακής αργίλου σε ένα περισσότερο ψαθυρό υλικό με καλά καθορισμένο σημείο διαρροής στο διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων σε διάτμηση. Όπως ευρέθηκε σε πληθώρα ανεμπόδιστων μη στερεοποιημένων δοκιμών, σε μίγματα με χρόνο ωρίμανσης έως και 2 έτη, ο βέλτιστος χρόνος ωρίμανσης ήταν 3 μήνες για περιεκτικότητα σε ιπτάμενη τέφρα 10 ή 15%. Τα δείγματα αυτά, με τα συγκεκριμένα ποσοστά τέφρας και το χρόνο ωρίμανσης, ήταν συνεπώς κατάλληλα να χρησιμοποιηθούν σε δοκιμές, μετά παρέλευση ικανού χρόνου πέραν των τριων μηνών, χωρίς να μεταβάλλεται ουσιαστικά η αντοχή τους, και συνεπώς όλες οι δοκιμές θεωρείται ότι εκτελέστηκαν επί του ίδιου υλικού. Με αυτό το ποσοστό ιπτάμενης τέφρας, προέκυπταν όλκιμα δοκίμια, σε αντίθεση με το ποσοστό 25% ιπτάμενης τέφρας, όπου οι ποζολανικές αντιδράσεις, συνέχιζαν να λαμβάνουν χώρα, με αποτέλεσμα ψαθυρά υλικά με ισχυρή δομή. Για το λόγο αυτό, επιλέχθηκαν δύο μίγματα (με ποσοστά ιπτάμενης τέφρας 10 και 15%), για την περαιτέρω έρευνα της επίδρασης της ιπτάμενης τέφρας στις μηχανικές ιδιότητες μίας αργίλου υψηλής πλαστικότητας. Οι τιμές οι οποίες προέκυψαν, από δοκιμές τριαξονικής θλίψης και εφελκυσμού με ιστότροπη και Κ0 στερεοποίηση, και πάλι απέδειξαν την επίδραση του ποσοστού ιπτάμενης τέφρας στην αντοχή της τεχνητά σιμεντωμένης αργίλου. Επίσης εκτελέστηκε μία σειρά στραγγιζόμενων δοκιμών τριαξονικής θλίψης και εφελκυσμού στα επιλεγμένα μίγματα βελτιωμένης αργίλου, με ποικιλία τιμών του OCR μεγαλύτερων από τη μονάδα (OCR>1). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το αυξημένο ποσοστό ιπτάμενης τέφρας έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της μέγιστης αντοχής των δειγμάτων. Οι δοκιμές θλίψης, οι οποίες βασικά ενέχουν υψηλότερες ενεργές τάσεις στην αστοχία, απαιτούσαν μεγαλύτερης έκτασης προεκβολή για τον καθορισμό της συνοχής, από ό,τι οι δοκιμές εφελκυσμού. Συνεπώς οι δοκιμές εφελκυσμού έδιναν καλύτερο μέτρο της συνοχής λόγω της ύπαρξης δομής (δηλαδή των δεσμών σιμέντωσης, και της προκύπτουσας κράτυνσης). Από την άλλη πλευρά, η συμπεριφορά της γωνίας τριβής ήταν σημαντικά διαφορετική. Οι χαμηλότερες τιμές γωνίας τριβής στον εφελκυσμό ήταν αναμενόμενες, λόγω του διαφορετικού μηχανισμού αστοχίας σε σχέση με τη θλίψη. Οι μέθοδοι των Coop και Atkinson και του Rotta, έχουν σκοπό τον καθορισμό της τάσης και του γεωμετρικού τόπου (επιφάνειας) αρχική διαρροής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι είναι δυνατός ο καθορισμός μίας εύλογα αξιόπιστης επιφάνειας αρχικής διαρροής για βελτιωμένη ή μη άργιλο. Από την άλλη πλευρά, η διαφορά μεταξύ των δύο καταστάσεων της δοκιμαζόμενης αργίλου, με ή χωρίς την προσθήκη ιπτάμενης τέφρας, εντοπίζεται στο σχήμα της επιφάνειας διαρροής. Παρατηρήθηκε ότι η προσθήκη ιπτάμενης τέφρας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της καμπυλότητας της επιφάνειας αρχικής διαρροής, σε σύγκριση με του μη βελτωμένου δείγματος. Τα αποτελέσματα των δοκιμών, έδειξαν επίσης ότι η επιφάνεια διαρροής διαστέλλεται με την παρουσία και την αύξηση του ποσοστού ιπτάμενης τέφρας. Αυτό οφείλεται στην κινηματική χαλάρωση την οποία επιφέρει η θραύση δεσμών μεταξύ συσσωματωμάτων (δηλαδή η καταστροφή της δομής). Ένα άλλο θέμα το οποίο εξετάστηκε στην παρούσα έρευνα, ήταν η συμμετρία των περιβαλλουσών αρχικής διαρροής των τριών δειγμάτων (με 0, 10 και 15% ιπτάμενη τέφρα). Συνήθως, οι περιβάλλουσες εθεωρούντο ότι, είναι περίπου συμμετρικές περί τη γραμμή Κ0 στερεοποίησης, και ότι το μέγεθός τους ελέγχεται από τη φαινόμενη τάση προστερεοποίησης. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας, έδειξαν ότι το μέγεθος και η θέση των περιβαλλουσών διαρροής, εξαρτάται από την παρουσία και το ποσοστό ιπτάμενης τέφρας στη μάζα της αργίλου. Ο πιο σημαντικός παράγοντας, ο οποίος διέπει τη διατμητική αντοχή, ήταν η φύση των επαφών μεταξύ σωματιδίων αργίλου και η συμπεριφορά τους υπό τις επιβαλλόμενες τάσεις. Όταν οι ενεργές τάσεις μειώνονται (δηλαδή στις δοκιμές εφελκυσμού), οι επαφές τριβής υποβάλλονταν σε εφελκυστικές τάσεις, αλλά συγκρατούνται, από το να αποκριθούν σε αυτή την κατάσταση, από τις επαφές συνοχής. Αυτή η μετάβαση από απόκριση συνοχής σε τριβής προκαλεί αναπροσανατολισμό και μεγέθυνση της περιβάλλουσας αρχική διαρροής. Με βάση την εργαστηριακή έρευνα, τα βελτιωμένα δείγματα με προσθήκη ιπτάμενη τέφρα σε ποσοστό ίσο ή μικρότερο από 15%, δύνανται να θεωρηθούν ότι αποτελούν μία «οιονεί αναζυμωμένη» κατάσταση αναφοράς με ασθενή δομή, προς την οποία εξελισσόταν η μικροδομή της βελτιωμένης με τέφρα αργίλου, όσο συνεχιζόταν η διάτμηση μετά τη μέγιστη αντοχή. Η επίδραση της ιπτάμενης τέφρας, σε αυτά τα ποσοστά, δεν είναι ικανή για τη δημιουργία επαρκώς δομημένης τεχνητής αργίλου. Τα βελτιωμένα με ιπτάμενη τέφρα εδάφη έχουν επιφάνεια (διαρροής λόγω) δομής ή επιφάνεια αρχική διαρροής. Στη διάρκεια της διάτμησης, αυτή η επιφάνεια δύναται να μεταβάλλει σχήμα και μέγεθος, ανεξάρτητα από την ποσότητα του συνδετικού υλικού στη μάζα της αργίλου.	el
heal.abstract	Artificial cementation of clays has been studied and appliedin soil improvement using various methods and techniquesfor several years. Although considerable work has been done to develop advanced machinery and techniques for the implementation of artificial cementation, less knowledge is available on the mechanisms involving the formation of the artificial structure and the resulting mechanical behaviour. The primary objectives of this research are: - to investigate the formation of microstructure in artificially cemented clay materials of high plasticity, by using as binding agent Ptolemais type C fly ash,and the carrying out of a large number of laboratory soil tests on samples with varying ash content and curing time. - to find the relationships between cementitious bonding and the mineral composition of clay, and - to develop a framework for the mechanical behaviour of fly ash-treated high plasticity clays, emphasizing on the destructuration conditions, i.e. on the destruction of the structure created due to the presence ot the binding agent (fly ash). For the preparation of the mixtures, a high plasticity clay was used, from borrow pits in the Agios Stefanos region of Attica. At the beginning, a laboratory investigation of the basic physical and mechanical properties, including yielding and stress-strain relationships, was carried out on clay samples without the addition of fly ash. After this, a variety of soil mixtures was prepared by adding 4% to 25%fly ash type C(expressed as percentage of the weight of clay plus the total water of the final mixture) and different curing periods, to shed light on the behavioural framework of the fly ash-treated clay. The percentage of water added to each clay ash mixture was such as to achieve almost the same workability (consistency) for all mixtures. Immediately after mixing, all fly ash treated and untreated samples were one-dimensionally consolidated, under 50 kPa vertical stress, in order to form cylindrical specimens for further curing, and afterwards to cut samples for the laboratory tests. The engineering properties measured, included the basic volume-mass properties (moisture content, void ratio, bulk density, specific gravity), Atteberg’s limits, as well as strength and compressibility properties; while the microstructure was investigated by X-Ray diffraction analysis and Polarising Light Microscopy. Based on experimental test results for samples with various amounts of fly ash in the clay matrix, two mixtures were chosen (with 10% and 15% fly ash content) on which additional tests were conducted. The laboratory testing conducted, included in total 99 (ninety nine) one-dimensional oedometer consolidation tests, 97 (ninety seven) unconsolidated undrained triaxial tests (UU) for the determination of the undrained shear strength, 6 (six) isotropic consolidation (IC) triaxial tests, and 24 (twenty four) drained triaxial tests for the determination of the drained shear strength. An increase in apparent preconsolidation pressure and reduction in apparent compression index, were observed in oedometer consolidation tests, and also increased values of unconfined compression strength, as the fly ash content and curing time increased. This was attributed to structuration that is the formation of cementation bonds between the particles of the ash treated clay. For prolonged curing periods, the pozzolanic reaction was significant, leading to the formation of new reaction products, like calcium silicate hydrate (CSH) and calcium aluminum silicate hydrate (CASH). A Polarising Light Microscope (PLM) analysis was performed for mixtures with fly ash (type C) contents 0%, 10%, 15% and 25%, showing that the relevant amounts of cementitious products (CSH and CASH) increased for larger fly ash contents. However, the interesting fact observed from this analysis, was that clay-fly ash clusters were not formed uniformly in the entire sample, but were scattered apart within the clay matrix resulting in a minor rise in the plastic and liquid limits of mixtures. This holds, for an addition of fly ash less than or equal to 15%. The adding of fly ash to a soft clay, turns this clay to a brittle material with a well-defined yield point in the stress-strain curve for shear tests. The test results showed that an increased percentage of ash results in an increase of the peak strength of the samples. As observed, in a large number of unconfined compression tests, on samples with fly ash content 10-15%, and curing periods up to 2 years, the optimum curing time for strength development was 3 months, in the sense that, afterwards the increase in strength is minimal. Therefore these samples, were suitable for testing, after the three month period, and consequently all tests carried out on samples with curing times larger than three months, for all practical reasons, are assumed to be carried out on the same material, remaining the same for all practical reasons. Fly ash contents 10-15% resulted in ductile samples, in contrast to 25% fly ash content, where the pozzolanic reactions were very strong, resulting in a brittle material with a strong structure, from which it was difficult to cut samples. Finally, two clay mixtures were chosen with fly ash content 10% and 15%, to further investigate the influence of fly ash on the mechanical properties of the specific clay. The strength values obtained from triaxial compression and extension tests carried out on isotropically consolidated samples, proved once again the influence of fly ash content on the strength of artificially cemented clay. In addition to the unconfined compression tests, a series of drained triaxial compression tests (by increasing vertical stress) and drained triaxial extension tests (by increasing the horizontal stress), were also performed, on samples isotropically consolidated under various stresses, generally smaller than the apparent “preconsolidation stress” due to the development of cementation bonds in the samples (that is with varying apparent OCR values larger than unity, OCR>1). Compression tests, essentially involving higher effective stresses at failure, required larger extrapolation to obtain the cohesion intercept, compared to extension tests. Therefore, the extension tests gave a better measure of cohesion due to structuration (i.e. due to cementation bonding, reserve resistance). On the other hand, the friction angle variation was significantly different. The lower friction angle values in extension were expected, because the failure mechanism differs from that of compression. Coop and Atkinson’s method was used to determine the primary yield stress for each test and therefore the locus (surface) of the yield points from various tests on samples with the same ash content. The results of the present investigation showed that the size and position of the yield locus depends on the presence and percentage of fly ash in the clay matrix, and that it is possible to determine a reasonably reliable primary yield locus for each fly ash content. On the other hand, the difference between treated and untreated clay was in the shape of the yield locus. Thus the addition of fly ash resulted in the flattening of the primary yield locus, compared to that of the untreated clay sample. The test results showed also that an increase in fly ash content resulted in the expansion of the yield locus, due to kinematic softening induced by the breakage of inter-aggregate bonds (destructuration).	en
heal.advisorName	Καββαδάς, Μιχαήλ	el
heal.committeeMemberName	Καββαδάς, Μιχαήλ	el
heal.committeeMemberName	Γεωργιάνου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Τσιαμπάος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Πανταζίδου, Μαρίνα	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	333
heal.fullTextAvailability	true