Πειραματική διερεύνηση της επιρροής της ανάμιξης ποζολανικής ιπτάμενης τέφρας στην συμπεριφορά αποθέσεων αγόνων

Abstract

Η ιπτάμενη τέφρα (Ι.Τ.) αποτελεί κύριο παραπροϊόν της καύσης του λιγνίτη. Ως κονία, παρουσιάζει ποζολανικές και υδραυλικές ιδιότητες, αντικαθιστώντας εν μέρει το τσιμέντο κατά την παρασκευή σκυροδέματος. Στην Ελλάδα παράγονται περίπου δέκα εκατομμύρια τόνοι ιπτάμενης τέφρας ετησίως από τα λιγνιτικά κέντρα της Πτολεμαΐδας, της Μεγαλόπολης και της Καρδιάς. Από αυτά αξιοποιείται στην βιομηχανία παραγωγής σκυροδέματος όχι περισσότερο από το 20%, ενώ το υπόλοιπο εναποτίθεται ως αδρανές. Περιβαλλοντικοί λόγοι, αλλά και η χρησιμότητα του ως ποζολανικό υλικό ωθούν την έρευνα προς την περαιτέρω αξιοποίησή της. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η εργαστηριακή διερεύνηση της επίδρασης της ανάμιξης ασβεστολιθικής Ιπτάμενης Τέφρας (ΙΤ) Πτολεμαΐδας τύπου C στην μηχανική συμπεριφορά αγόνου αργιλικού εδάφους, και συγκεκριμένα, στην σταθεροποίηση των ασταθών πρανών αγόνων του ορυχείου Νοτίου Πεδίου του Λιγνιτικού Κέντρου Δυτικής Μακεδονίας. Προσδιορίστηκε το ποσοστό της ασβεστολιθικής ΙΤ Πτολεμαΐδας, για το οποίο οι μηχανικές ιδιότητες των αποθέσεων αγόνων Νοτίου Πεδίου βελτιώνονται σημαντικά, και ο χρόνος που απαιτείται για την πλήρη ανάπτυξη των τελικών μηχανικών αντοχών. Για κάθε υλικό ανάμιξης, τόσο αμέσως μετά την ανάμιξη, όσο και μετά τον εκάστοτε χρόνο ωρίμανσης (έναν έως οκτώ μήνες) που εξετάζεται, προσδιορίσθηκαν τα φυσικά χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένων της φυσικής υγρασίας, του ξηρού φαινόμενου βάρους και των ορίων Atterberg (LL, PL, Ip). Τα υλικά ταξινομήθηκαν σύμφωνα με το USCS. Για κάθε συνδυασμό (ποσοστού τέφρας) - (χρόνου ωρίμανσης) - (τάσης συμπύκνωσης) εκτελέστηκαν δοκιμές μονοδιάστατης στερεοποίησης, τριαξονικές δοκιμές (UU) και δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης (UC). Βρέθηκε ότι η προσθήκη Ι.Τ. αυξάνει τον συντελεστή στερεοποίησης (cv) κατά 100 έως 200 φορές για επιβολή φορτίων μικρότερων ή ίσων της ισοδύναμης τάσης προστερεοποίησης. Τέφρα σε ποσοστό 5% δεν επαρκεί για την ανάπτυξη ποζολανικών ιδιοτήτων. Τέφρα σε ποσοστό 10% συνοδεύεται από πολλαπλασιασμό των τιμών των μηχανικών χαρακτηριστικών. Η αύξηση της τέφρας από 10% σε 15% ελάχιστα συνεισφέρει στην βελτίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών του υλικού, επιταχύνει όμως την ανάπτυξη των αντοχών. Αύξηση της τάσης συμπύκνωσης από 300kPa σε 600kPa συνεπάγεται αξιόλογη αύξηση των μηχανικών αντοχών για μικρότερους χρόνους ωρίμανσης. Οι τιμές της αστράγγιστης διατμητικής αντοχής (cu) διατηρούνται σχετικώς σταθερές μετά τους δύο μήνες ωρίμανσης. Αντίθετα, στην δοκιμή μονοδιάστατης στερεοποίησης η ωρίμανση συνεχίζεται μέχρι και τους οκτώ μήνες. Επομένως απαιτούνται περισσότερες δοκιμές, σε μεγαλύτερο χρονικό φάσμα ώστε να εξακριβωθεί ο χρόνος ολοκλήρωσης της ανάπτυξης αντοχών.

Fly ash (FA) is the main by-product of lignite combustion. Due to its cementitious and pozzolanic properties, FA is often used as a partial substitute for cement mortars. Approximately ten million tons of FA are annually produced in Greece by the Lignite Centres of Ptolemais, of Megalopolis and of Kardia. Less than the 20% is utilised in the concrete industry, while the rest is deposited in landfills. The objective of this thesis is to investigate the effect of mixing calcareous type C fly ash (FA) of Ptolemais basin on the strength of low plasticity clay, and more specific on the stabilisation of unstable slopes of mine depositions of the South Field mine of Western Macedonia Lignite Centre. The required amount of the FA in order to significantly improve the mechanical properties of the mine depositions was determined, as well as the time needed for the strength to be developed. The physical properties -including the moisture content, the specific gravity of solid particles and the Atterberg limits- were determined for every mixture, aged at different curing periods; right after mixing, up to eight months of ageing. The mixtures were classified according to the USCS. One-dimensional consolidation tests, unconsolidated undrained (UU) triaxial tests and unconfined (UC) tests were carried out for every (FA percentage)-(curing period)-(compaction stress) combination. The investigations showed that addition of F.A. increases the consolidation factor (cv) by 100 – 200 times, for a range of imposed stress lower than the “equivalent” pre-consolidation stress. Addition of 5% FA is not sufficient for the development of the pozzolanic properties. On the other hand, addition of 10% FA, results a significant augmentation on the magnitude of the mechanical properties. A further increase of 5% of FA does not significantly improve the mechanical properties of the material, but accelerates the strength development. In addition, increasing the compaction stress from 300kPa to 600kPa implies a remarkable increase of the strength, achieved for shorter curing period. The undrained shear strength values (cu) remain constant for maturation time longer than 2 months. The consolidation tests, however, indicated that there is significant effect on the consolidation parameters, even after maturing for 8 months. Therefore, further investigation on cemented soil ageing is recommended, in order to determine the time demanded for the completion of the strength development.