Εργαστηριακή και Συγκριτική Μελέτη Υλικών με Δομή

Abstract

Παρ’ ότι η εδαφομηχανική και η βραχομηχανική έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στην αποτίμηση της συμπεριφοράς των εδαφικών και των βραχωδών υλικών αντίστοιχα, δεν ισχύει το ίδιο για τη συμπεριφορά των ενδιάμεσων υλικών, αυτών δηλαδή που έχουν μεν δομή, συνεπώς δεν μπορούν να θεωρηθούν εδαφικά, η δομή τους όμως είναι αρκετά χαλαρή ώστε να μην μπορούν να θεωρηθούν ούτε βραχώδη. Η έρευνα στρέφεται προς αυτά τα υλικά εξαιτίας της ολοένα αυξανόμενης σημασίας που αυτά αποκτούν, καθώς όλο και περισσότερα τεχνικά έργα είτε πραγματοποιούνται σε περιοχές τέτοιων φυσικών υλικών, όπως η μάργα, είτε χρησιμοποιούν πρόσμικτα για τη βελτίωση εδαφών με δυσμενή χαρακτηριστικά, όπως η πρόσμειξη τσιμέντου σε αργίλους. Στην ερευνητική αυτή προσπάθεια συμμετέχει ενεργά το Εργαστήριο Θεμελιώσεων του Τομέα Γεωτεχνικής της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου. Στο πλαίσιο αυτό, σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν ο προσδιορισμός των κατάλληλων αναλογιών ανάμιξης εδαφικού υλικού με κατάλληλο πρόσμικτο, ώστε το μίγμα να προσομοιάζει ικανοποιητικά τη συμπεριφορά εδαφικού υλικού με δομή, με απώτερο σκοπό τη χρήση του στη διερεύνηση της συμπεριφοράς των υλικών με δομή. Παράλληλα, η ανάπτυξη της δομής του μίγματος έπρεπε να ολοκληρώνεται εντός έξι μηνών το περισσότερο, ώστε να μπορεί να παραχθεί σε ικανές ποσότητες γρήγορα για τις ανάγκες της έρευνας. Η επιλογή των υλικών βασίστηκε σε διάφορους παράγοντες. Κατ’ αρχάς, για την επιλογή του εδαφικού υλικού χρησιμοποιήθηκε ως βασικό κριτήριο η δυσμένεια της μηχανικής του συμπεριφοράς. Έτσι, επιλέχθηκε η Άργιλος Αγίου Στεφάνου, υψηλής πλαστικότητας, που αποτελεί ίσως τη δυσμενέστερη περίπτωση υλικού από πλευράς μηχανικής συμπεριφοράς. Όσον αφορά την επιλογή του προσμίκτου, η επιλογή βασίστηκε τόσο στη συμβατότητα με την άργιλο, όσο σε μια σειρά από άλλους λόγους. Έτσι, επιλέχθηκε η Ιπτάμενη Τέφρα Πτολεμαΐδας, τύπου C, η χρήση της οποίας (σαν πρόσμικτο) ταυτόχρονα παρουσιάζει σημαντικά οικονομικά και περιβαλλοντικά ωφέλη, ιδιαίτερα στη χώρα μας όπου η παραγωγή της είναι ιδιαίτερα υψηλή και έχει άλλο πλαίσιο εφαρμογής. Για την επίτευξη του σκοπού εξετάστηκαν διάφορες αναλογίες ανάμιξης, με πρόσμιξη από 0% έως 25% ιπτάμενης τέφρας κατά βάρος του αργιλικού υλικού, με επαρκή ποσότητα νερού (περί το όριο υδαρότητας) ώστε να εξασφαλίζεται η συγκρισιμότητα των αποτελεσμάτων , αλλά και η αναγκαία εργασιμότητα. Για κάθε αναλογία ανάμιξης διεξήχθησαν δοκιμές μονοδιάστατης στερεοποίησης, τριαξονικές δοκιμές UC (χωρίς στράγγιση, χωρίς στερεοποίηση, χωρίς πλευρικούς περιορισμούς), και προσδιορισμός των ορίων Atterberg, σε διάφορους χρόνους ωρίμανσης, ξεκινώντας αμέσως μετά την ανάμιξη, έως και 6 μήνες μετά. Τα μίγματα συμπιέστηκαν υπό τάση 300kPa ώστε να προσομοιαστούν συνθήκες πεδίου με ύψος 15m υπερκειμένων περίπου. Τα αποτελέσματα των δοκιμών κατόπιν συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα εδαφικών υλικών με δομή από τη βιβλιογραφία, τόσο φυσικών όσο και τεχνητών, καθώς επίσης και με τα αποτελέσματα ερευνητικού προγράμματος που διεξήχθη παλαιότερα στο Εργαστήριο με αντικείμενο την x

ανάμιξη της ίδιας ιπτάμενης τέφρας με μια άργιλο χαμηλής πλαστικότητας, ώστε να διαπιστωθεί κατά πόσον τα προϊόντα των αναμίξεων ικανοποιούν το σκοπό τους. Από τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας προκύπτει πως τα προϊόντα των αναμίξεων παρουσίασαν βελτιωμένη μηχανική συμπεριφορά σε σχέση με το αρχικό αργιλικό υλικό. Συγκεκριμένα, ως προς την μονοδιάστατη συμπίεση παρατηρείται ανάπτυξη συμπεριφοράς προφορτισμένου υλικού, με εμφάνιση μιας «φαινόμενης τάσης προφόρτισης». Η συμπιεστότητα παρουσιάζεται αισθητά μειωμένη έως ότου η επιβαλλόμενη τάση υπερβεί τη φαινόμενη τάση προφόρτισης, οπότε και το υλικό τείνει προς την αρχική του συμπεριφορά. Παρατηρήθηκε επίσης αύξηση της αστράγγιστης διατμητικής αντοχής και μείωση του δείκτη πλαστικότητας. Η παραπάνω συμπεριφορά εντείνεται με την αύξηση του ποσοστού περιεχόμενης τέφρας και του χρόνου ωρίμανσης. Επίσης, η βελτίωση φάνηκε να ολοκληρώνεται σε διάστημα μικρότερου των έξι μηνών για το μίγμα με 10% τέφρα. Η συμπεριφορά αυτή ποιοτικά συνάδει απόλυτα με τη συμπεριφορά των υλικών της βιβλιογραφίας, τα οποία ωστόσο αποκλίνουν σημαντικά ως προς τα απόλυτα μεγέθη, από κάθε πλευρά. Από τη σύγκριση παρατηρείται η σημαντική επιρροή που έχει η σύσταση των υλικών ανάμιξης στους μηχανισμού ανάπτυξης δομής, τόσο ως προς το ρυθμό τους όσο και ως προς τα χαρακτηριστικά της. Ωστόσο, για να αποκτηθεί μια πλήρης εικόνα της επιρροής της ιπτάμενης τέφρας στην άργιλο υψηλής πλαστικότητας απαιτείται να εξετασθούν περισσότερες αναλογίες μιγμάτων, κυρίως στην περιοχή του 10%-20% προσμίκτου, και να διεξαχθούν περισσότερα είδη δοκιμών.

Although there has been significant progress in the evaluation of the behavior of soils and rocks through soil and rock mechanics, the same is not true for materials whose nature is between the two, as they do exhibit structure and thus cannot be classified as soils; however, that structure is not strong enough for them to be classified as rocks. Research has turned its attention to materials of this type, due to their constantly increasing importance, as more and more projects are carried out in areas where the ground mainly consists of natural materials of this kind, such as marl, while ground stabilization with admixtures, such as admixing cement with clay, is being used more and more widely as well. The Foundation Engineering Laboratory of the School of Civil Engineering of the National Technical University of Athens participates actively in this research effort. In this context, the purpose of the present work was the determination of the appropriate mixing ratios of a soil material with an appropriate admixture, so that the resulting mixture adequately simulates the behavior of a structured material. Also, the mixture’s structure development process had to be completed in no more than 6 months, so that it can be produced for research purposes timely and in the required quantities. The materials that would be used were chosen based on various factors. The basic criterion used for the selection of the soil material was the severity of its behavior, thus a high-plasticity clay was used. High-plasticity clays exhibit perhaps the worst mechanical behavior of any soil type. As for the admixture, it was selected mainly based on its compatibility with clay, and on other reasons as well. Therefore, a class C fly ash was chosen, whose use (as an admixture) exhibits significant economic and environmental benefits additionally to its stabilizing properties. Various mixing ratios were examined, ranging from 0% to 25% fly ash content (by weight), with an adequate water content (near the liquid limit) so as to achieve adequate workability. Each mixture was examined by performing one dimensional consolidation tests, triaxial UC tests (unconsolidated, undrained, unconfined), and determining its Atterberg limits and plasticity index at various curing times, starting immediately following the mixing process, up to 6 months later. The mixtures were compressed at an equivalent stress of 300kPa in order to simulate 15m of overlying material. The test results were subsequently compared to corresponding test results of structured materials found in the literature, including natural and man-made materials, and were also compared to the results of a research program conducted in the Foundation Engineering Laboratory in which the mixture of the same fly ash with a low-plasticity clay was examined. The purpose of these comparisons was to determine whether the mixtures accomplish their goal. The results of the present work lead to the conclusion that the mixtures displayed improved mechanical behavior, compared to the pure clay soil. From the one-dimentional consolidation, the mixtures appear to develop an “apparent preconsolidation pressure.” Compressibility is drastically reduced until the imposed load reaches the apparent preconsolidation pressure, after which the material reassumes its natural behavior. The xii

undrained shear strength of mixtures increased, and the plasticity index decreased. This behavior became more significant with increasing fly ash content and curing time. Also, the improvement seem to finish in less than 6 months for the mixture containing 10% fly ash. The mixtures’ behavior is consistent with the behavior of structured materials found in the literature; however, there is significant variation in the values of the examined characteristics. This variation seems to be due to the effect that the makeup of each material has on the properties of the mixture, especially on the structure-producing mechanisms, the extent of their effect, and their speed and total time of completion. But, in order to have a clear picture of the effect of fly ash admixed with high-plasticity clay, more tests should be carried out, and more mixtures in the range of 10%-20% fly ash content should be examined.