χαρακτηριστικά και στην ενεσιμότητα των αιωρημάτων, ενώ έχει ευμενείς επιπτώσεις στα τελικό ποσοστό εξίδρωσης (μείωση έως και κατά 30%) και στην

Transcript

1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η μέθοδος των ενέσεων εμποτισμού εφαρμόζεται συχνά για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς εδαφικών και βραχωδών σχηματισμών σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν φράγματα, σήραγγες. ΧΥΤΑ. γέφυρες και μεγάλα οικοδομικά έργα. Για την εκτέλεση των ενέσεων εμποτισμού χρησιμοποιούνται δύο κατηγορίες ενεμάτων. τα αιωρήματα και τα χημικά διαλύματα, με πιο γνωστά τα αιωρήματα καινού τσιμέντου Portland και τα διαλύματα πυριτικού νατρίου. Τα αιωρήματα έχουν χαμηλό κόστος και είναι αβλαβή για το περιβάλλον, όμως έχουν περιορισμένα πεδίο εφαρμογής που φθάνει μέχρι τις χονδρόκοκκες άμμους. Αντίθετα. τα διαλύματα μπορούν να εμποτίσουν μέχρι και λεπτόκοκκες άμμους ή και χονδρόκοκκες ιλύες, όμως έχουν σημαντικά υψηλότερα κόστος και, μερικά από αυτά, είναι επιβλαβή για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Για τους λόγους αυτούς. γίνεται προσπάθεια να αντικατασταθούν τα χημικά διαλύματα με αβλαβή για το περιβάλλον αιωρήματα λεπτόκοκκωυ ανόργανων υλικών που υα έχουν το ίδιο πεδίο εφαρμογής. Προς την κατεύθυνση αυτή και ως αποτέλεσμα της συνεργασίας μεταξύ ερευνητικών φορέων και βιομηχανίας, ανατπύχθηκε κατά την τελευταία εικοσιπενταετία ένας σχετικά μικράς αριθμός λεπτόκοκκωυ τσιμέντων που διατίθενται στην αγορά και έχουν κόστος εφαρμογής μεταξύ του κόστους των κοινών τσιμέντων και του κόστους των χημικών διαλυμάτων. Κατά την τελευταία δεκαετία, παρατηρείται διεθνώς αυξημένο ενδιαφέρον για τη δημιουργία και την τεκμηρίωση των ιδιοτήτων νέων λεπτόκοκκων υλικών, με χαμηλότερο κόστος. για χρήση σε ενέσεις τύπου αιωρήματος. Η εργαστηριακή διερεύνηση που εκτελέστηκε στο πλαίσιο αυτής της διατριβής είναι μέρος εκτεταμένου ερευνητικού προγράμματος με αντικείμενα την ανάπτυξη και την επιστημονική τεκμηρίωση των ιδιοτήτων και ταυ πεδίου εφαρμογής μιας σειράς νέων υλικών ενέσεως τύπου αιωρήματος που έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν αντί χημικών διαλυμάτων για τη βελτίωση των ιδιοτήτων εδαφών με κοκκομετρία έως λεπτόκοκκες άμμου. Ειδικότερα, το αντικείμενο αυτής της διατριβής διακρίνεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος χαρακτηρίζεται ως "προκαταρκτικό" και περιλαμβάνει την τεκμηρίωση των ιδιοτήτων των αιωρημάτων των τσιμέντων και ταν έλεγχα της ενεσιμότητάς τους. Το δεύτερο μέρος, περιλαμβάνει την παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων και τον εργαστηριακά έλεγχό τους (α) για την εκτίμηση των μηχανικών, υδραυλικών και δυναμικών ιδιοτήτων τους, (β) την αποτίμηση της επίδρασης σειράς παραμέτρων που σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά των συστατικών ταυ εμποτισμένου εδάφους (άμμος. αιώρημα τσιμέντου) και (γ) την ποσοτικοποίηση της βελτίωσης που προκύπτει από τον εμποτισμό των εδαφών με αιωρήματα λεπτόκοκκωυ τσιμέντων στις ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους. Για τις ανάγκες της εργαστηριακής διερεύνησης χρησιμοποιήθηκαν τρείς τύποι τσιμέντου, ένα καθαρό

2 τσιμέντο Portland. ένα σύνθετο τσιμέντα Portland και ένα ποζoλανικο τσιμέντο. που λειοτριβήθηκαν ώστε να προκύψουν τρεις επιπλέον κοκκομετρικές συνθέσεις από το κάθε ένα με μέγιστα μεγέθη κόκκων 40μm. 20μm και 10μm. Ως εδάφη για την παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις διαφορετικής κοκκομετρικής διαβάθμισης ασβεστολιθικές άμμοι με συντελεστή ομοιομορφίας, Ο, κυμαινόμενα μεταξύ 1.15 και 1.55 και χαρακτηριστικά μέγεθος κόκκων, d18, κυμαινόμενα από περίπου 0.3mm έως περίπου 2.0mm. Η διερεύνηση και βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων των αιωρημάτων περιλαμβάνει έλεγχο όλων των συνδυασμών των τριών τύπων τσιμέντου. των τεσσάρων κοκκομετριών των τσιμέντων και των τριών τιμών ταυ λόγου νερού προς τσιμέντο των αιωρημάτων (1:1, 2:1 και 3:1). Οι μετρήσεις του ιξώδους και των ρεολογικώυ χαρακτηριστικών των αιωρημάτων πραγματοποιήθηκαν με ιξωδόμετρα τύπου δύο ομοαξονικών κυλίνδρων που είναι το πλέον κατάλληλα για τη συγκεκριμένη χρήση. Η μελέτη του φαινομένου της εξίδρωσης περιλάμβανε του προσδιορισμό του τελικού ποσοστού εξίδρωσης και την καταγραφή του ρυθμού εξίδρωσης των αιωρημάτων. 0 αρχικός και ο τελικός χρόνος πήξης των αιωρημάτων προσδιορίστηκε με χρήση συσκευής βελόνης Vicat. 0 έλεγχος της ανάπτυξης της αντοχής των αιωρημάτων για χρόνους έως την τελική πήξη έγινε με πενετρόμετρ τσέπης. 0 προσδιορισμός της αντοχής των ιζημάτων για χρόνους έως και 28 ημέρες από την παρασκευή τους πραγματοποιήθηκε με δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης. Τέλος. α έλεγχος της ενεσιμότητας των αιωρημάτων έγινε με δοκιμές σε ειδική εργαστηριακή διάταξη εμποτισμού με μονοδιάστατη ροή του ενέματας σε στήλη εδάφους ύψους περίπου 40cm. 0 εργαστηριακός έλεγχος της διαπερατότητας, της συμπεριφοράς σε στατική φόρτιση και της συμπεριφοράς σε δυναμική φόρτιση των εμποτισμένων άμμων έγινε με χρήση κατάλληλων δοκιμίων (11.3cm ύψους και 5.0cm διάμετρου) που παράγονταν χρησιμοποιώντας ειδική διάταξη εμποτισμού μονοδιάστατης ροής. Οι δοκιμές διαπερατότητας των εμποτισμένων δοκιμίων εκτελέστηκαν στο θάλαμο τριαξονικής φόρτισης με ειδική συνδεσμολογία. Η μελέτη της συμπεριφοράς των εμποτισμένων δοκιμίων σε στατική φόρτιση βασίστηκε σε δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης, τριαξονικής φόρτισης χωρίς στερεοποίηση χωρίς στράγγιση και τριαξονικής φόρτισης μετά στερεοποίηση χωρίς στράγγιση με μέτρηση της πίεσης του νερού των πόρων. Η διερεύνηση της δυναμικής συμπεριφοράς των εμπατισμένων άμμων σε περιβάλλον μικρών διατμητικών παραμορφώσεων έγινε με δοκιμές συντονισμού και δοκιμές καμπτόμενων πιεζοκεραμικών στοιχείων. Για λόγους σύγκρισης και αποτίμησης της βελτίωσης που επιφέρει ο εμποτισμός με αιωρήματα τσιμέντου, όμοιες εργαστηριακές δοκιμές εκτελέστηκαν και σε δοκίμια καθαρής άμμου και καθαρού ιζήματος τσιμέντου. H λειατρίβηση των τσιμέντων διαδοχική μείωση του μεγίστου ονομαστικού μεγέθους κόκκου από 100μm σε 40μm, 20μm και 10μm) έχει δυσμενείς επιπτώσεις στα ρεολογικά

3 χαρακτηριστικά και στην ενεσιμότητα των αιωρημάτων, ενώ έχει ευμενείς επιπτώσεις στα τελικό ποσοστό εξίδρωσης (μείωση έως και κατά 30%) και στην αντοχή τους (αύξηση έως και στο τριπλάσια). H χρήση υπερρευσταποιητή. με βέλτιστη δόση 1.4% κατά βάρος ταυ ξηρού τσιμέντου, μειώνει την τιμή του φαινόμενου ιξώδους των αιωρημάτων έως και κατά μία τάξη μεγέθους και δεν επηρεάζει σημαντικά την τιμή του τελικού ποσοστού εξίδρωσης των αιωρημάτων καθώς και τους χρόνους αρχικής και τελικής πήξης και την αντοχή των ιζημάτων των αιωρημάτων. H χρήση υπερρευστοποιητή βελτιώνει την ενεσιμότητα των αιωρημάτων. Άμμοι με χαρακτηριστικό μέγεθος κάκκων dι5 0.7mm εμποτίζονται εύκολα με άλα τα αιωρήματα των τσιμέντων. Άμμοι με χαρακτηριστικά μέγεθος κόκκων dι$=0.3mm εμποτίζεται μόνο απά σχετικά αραιά αιωρήματα τσιμέντων (λόγος νερού τσιμέντο 2:1 και 3:1) που έχουν ευνοϊκό ρεολογικά χαρακτηριστικά. Ο λάγος νερού προς τσιμέντο, ΝΙΤ. είναι η πιο σημαντική παράμετρος που καθορίζει τις ιδιότητες και την συμπεριφορά των αιωρημάτων. Αύξηση ταυ λόγου νερού προς τσιμέντο προκαλεί σημαντική βελτίωση των ρεολογικών χαρακτηριστικών, αλλά έχει δυσμενείς επιπτώσεις στο τελικό ποσοστά εξίδρωσης των αιωρημάτων και στην αντοχή των ιζημάτων των αιωρημάτων. Ευσταθή αιωρήματα (τελικό ποσοστό εξίδρωσης μικρότερο του 5%) είναι μάνο τα αιωρήματα των λεπτόκοκκων τσιμέντων, δηλαδή εκείνων που έχουν μέγιστα ονομαστικό μέγεθος κόκκων ίσα προς 20μm και 10μm. και μόνα για λόγο νερού προς τσιμέντο ίσο προς 1:1. Ο τύπος ταυ τσιμέντου δεν επηρεάζει σημαντικά ή με συστηματικά τρόπο το τελικό ποσοστά εξίδρωσης των αιωρημάτων, ταν αρχικό και τελικό χρόνο πήξης των ιζημάτων και την αντοχή των ιζημάτων. Οι χρόνοι πήξης των ιζημάτων των αιωρημάτων δεν επηρεάζονται με συστηματικό τρόπο από το λόγο νερού προς τσιμέντα. τον τύπο ταυ τσιμέντου και την κοκκομετρία του τσιμέντου. Αιωρήματα με λόγο νερού προς τσιμέντα 1:1, 2:1 και 3:1 έχουν (α) φαινόμενο ιξώδες από 4αΠ ως 366cΡ. απά lop έως 61 ορ και από 1 ερ έως 7εΡ. αντίστοιχα, (β) τελικό ποσοστό εξίδρωσης απά 0% έως 39%, από 11% εως 59% και από 38% έως 69%, αντίστοιχα. (γ) αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη απά 4.2ΜΡα έως 16.4ΜΡα, από 1.2ΜΡα έως 7.1 MPa και απά 1 3ΜΡα έως 4.6ΜΡα, αντίστοιχα και (δ) αρχικό χρόνο πήξης μεγαλύτερο των 4 ωρών και τελικά χρόνο πήξης μεγαλύτερο των 6 ωρών. Ο λάγος νερού προς τσιμέντο των αιωρημάτων είναι η σημαντικότερη παράμετρος που καθορίζει τη διαπερατότητα των εμποτισμένων άμμων. Ο τύπος και η κοκκομετρία του τσιμέντου και τα μέγεθος των κάκκων της άμμου δεν επηρεάζουν σημαντικά ή με κάποιο συστηματικό τρόπο τις τιμές του συντελεστή διαπερατάτητας των εμποτισμένων άμμων. Οι άμμοι που εμποτίζονται με πυκνά αιωρήματα (ΝΙΤ=1:1) έχουν τιμή του συντελεστή διαπερατότητας που κυμαίνεται από 2*10-$cmis έως 6*10-8cm/s, ενώ άμμοι που εμποτίζονται με αραιά αιωρήματα (ΝIΤ=2:1 ή 3:1) έχουν τιμή του συντελεστή διαπερατότητας που κυμαίνεται από 10-3cm/s έως 5*10-SCm(s. Η χρήση ευσταθών αιωρημάτων για εμποτισμό έχει ως αποτέλεσμα τιμές του συντελεστή διαπερατότητας των εμποτισμένων άμμων που

4 είναι έως τρείς τάξεις μεγέθους μικρότερες από την περίπτωση εμποτισμών με ασταθή αιωρήματα. Ο συντελεστής διαπερατότητας των άμμων μειώνεται κατά 4 έως 7 τάξεις μεγέθους όταν εμποτίζονται με πυκνά αιωρήματα (ΝΙΤ=1:1) και κατά 1 έως 3 τάξεις μεγέθους όταν εμποτίζονται με αραιά αιωρήματα (Ν/Τ=2:1 και 3:1). Η αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη των εμποτισμένων άμμων είναι συνάρτηση τόσο του λόγου ΝΙΤ των αιωρημάτων όσο και της κοκκομετρίας των τσιμέντων που, συνδυασμένα, καθορίζουν το τελικά ποσοστά εξίδρωσης (το ποσοστό πλήρωσης των κενών των άμμων). Η αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη των εμποτισμένων άμμων με αιωρήματα με λόγο ΝΙΤ ίσα προς 1:1, 2:1 και 3:1 κυμαίνεται από 2ΜΡα έως limpa, από 0.5ΜΡα έως 2.5ΜΡα και από 0.5ΜΡα έως 1.ΟΜΡ, αντίστοιχα. H παραμόρφωση αστοχίας των εμποτισμένων άμμων σε ανεμποδιστη θλίψη κυμαίνεται από 0.25% έως 1.10% και δεν επηρεάζεται σημαντικά ή με κάποιο συστηματικά τρόπο από τον τύπο του τσιμέντου, την κοκκαμετρία του τσιμέντου και την κοκκομετρία της άμμου. H μορφή των καμπυλών τάσης-παραμόρφωσης των εμποτισμένων άμμων με πυκνά αιώρημα είναι παρόμοια με την μορφή των καμπυλών ιζημάτων τσιμέντου με λόγο ΝΙΤ ίσα προς 1:1, ενώ η μορφή των καμπυλών των εμποτισμένων άμμων με αραιό αιώρημα είναι παρόμοια με την μορφή των καμπυλών των καθαρών άμμων. Το αρχικό μέτρα ελαστικότητας και η παραμάρφωση αστοχίας των εμποτισμένων άμμων. από δοκιμές τριαξονικής φόρτισης UU και CIJ-PP, κυμαίνονται από 2.5ΜΡα έως 48ΜΡα και από 0.5% έως 13 Ι, αντίστοιχα. Το αρχικό μέτρο ελαστικότητας των άμμων που εμποτίζονται με αιωρήματα με λόγο ΝΙΤ ίσο προς 1:1, 2:1 και 3:1 αυξάνεται από 7 έως 24, από 3 έως 7 και από 1.5 έως 5.5 φορές, αντίστοιχα. Η παραμόρφωση αστοχίας των άμμων που εμποτίζονται με πυκνά αιωρήματα (Ν!Τ=1:1 ) μειώνεται κατά 5 έως 10 φορές. ενώ ο εμποτισμός με πια αραιά αιωρήματα (Ν/Τ=2:1 και 3:1) μειώνει το πολύ κατά 50% την παραμόρφωση αστοχίας των καθαρών άμμων. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα μειώνουν την τιμή της παραμόρφωσης αστοχίας των καθαρών άμμων κατά 5 έως 15 φορές. ενώ εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα μειώνουν την τιμή της παραμόρφωσης αστοχίας των καθαρών άμμων από ελάχιστα έως και κατά 3 φορές. Το κριτήριο αστοχίας Mohr-Coulomb περιγράφει ικανοποιητικά τη συμπεριφορά των εμποτισμένων άμμων. Εμποτισμός των άμμων είτε με πυκνά είτε με αραιά αιωρήματα προσδίδει σ'αυτές συνοχή που κυμαίνεται σε ευρύ πεδίο τιμών. Η γωνία εσωτερικής τριβής των άμμων δεν επηρεάζεται ουσιωδώς από ταυ εμποτισμό, μπορεί όμως υα εμφανίσει αύξηση ιδίως για εμποτισμό με πυκνά αιώρημα. ι εμποτισμοί με πυκνά αιωρήματα (Ν!Τ=1:1) αποδίδουν τιμές της συνοχής που είναι από 2 εώς 5 φορές υψηλότερες αυτών που αποδίδουν εμποτισμοί με αραιά αιωρήματα (Ν/Τ=2:1 και 3:1). Ο μέσος όρος των τιμών της συνοχής των εμποτισμένων άμμων με πυκνά αιωρήματα (Ν/Τ=1 :1) είναι 800kΡα για τσιμέντα χονδρόκοκκης κοκκομετρίας (d,,,3 100μm και 40μm) και 1500kΡα για τσιμέντα λεπτόκοκκης

5 κοκκομετρίας (dmαχ=20μm και 10μm). Η χρήση αραιών αιωρημάτων (Ν/Τ=2:1 και 3:1) προκαλεί την ανάπτυξη συνοχής η οποία κατά μέσα άρα είναι ίση προς 350kPa. Η μέγιστη εκτροπική τάση εμποτισμένων άμμων με πυκνά (Ν/Τ=1:1) και αραιά (ΝΙΤ=2:1 και 3:1) αιωρήματα είναι κατά 3 έως 20 φορές και κατά 1.5 έως 6 φορές μεγαλύτερη, αντίστοιχα, από την τιμή των καθαρών άμμων, ανάλογα με την εφαρμοζόμενη πλευρική τάση. 0 λόγος νερού προς τσιμέντο του ενέματος είναι η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις τιμές ταυ μέτρου διάτμησης. του λόγου απόσβεσης και του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων. 0 τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους. Η τιμές των δυναμικών ιδιοτήτων των εμποτισμένων άμμων εξαρτώνται τόσο από την τιμή της εφαρμοζόμενης περιβάλλουσας τάσης όσο και από την τιμή της αναπτυσσόμενης διατμητικής παραμόρφωσης κατά την εκτέλεση των εργαστηριακών μετρήσεων. Οι τιμές ταυ μέτρου διάτμησης των εμποτισμένων άμμων, για τιμές της περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa, κυμαίνονται από 200ΜΡα έως 3600ΜΡα για εύρος τιμών της διατμητικής παραμόρφωσης περίπου από 5*10-5% έως 510-2% και από 1050ΜΡα έως 3600ΜΡα για τιμή διατμητικής παραμόρφωσης περίπου ίση προς 10%. 0 λάγος απόσβεσης των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.5% έως 9% για τιμές διατμητικής παραμόρφωσης από περίπου 5*10-5% έως 5*1 Εϊ2% και για τιμές περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kΡα. Το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 3GPa έως 10GPa. 0 λόγος Poisson των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.29 έως Ο εμποτισμός των άμμων με αιωρήματα τσιμέντου προκαλεί σημαντική βελτίωση των τιμών του μέτρου διάτμησης, του λόγου απόσβεσης. του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας και του λόγου Poisson των καθαρών άμμων. Η τιμή του μέτρου διάτμησης των καθαρών άμμων, που εμποτίζονται με αιωρήματα με λόγο ΝΙΤ ίσο προς 1:1, 2:1 και 3:1 αυξάνεται, κατά μέσο όρο, και 9 φορές, αντίστοιχα, για τιμή περιβάλλουσας τάσης ίση προς 50kPa ενώ για περιβάλλουσα τάση ίση προς 400kPa αυξάνεται κατά 10, 6 και 4 φορές.αντίστοιχα. Η τιμή του λόγου απόσβεσης των καθαρών άμμων αυξάνεται, ως αποτέλεσμα του εμποτισμού, κατά 2 έως 10 φορές με πι έντονη βελτίωση να προκύπτει από εμποτισμό με αιώρημα με λόγο νερού προς τσιμέντο ίσα προς 2:1. Η τιμή του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας των καθαρών άμμων που εμποτίζονται με αιωρήματα με λόγο ΝΙΤ ίσο προς 1:1 και 3:1 αυξάνεται, περίπου, κατά 10 έως 25 και κατά 5 έως 10 φορές, αντίστοιχα. Η τιμή του λόγου Poisson είναι, σε σχέση με τις καθαρές άμμους, αυξημένη κατά περίπου 10% έως 60%.