Παράµετροι Αντοχής και Συµπύκνωσης Μιγµάτων Αµµωδών Εδαφών µε Κοκκοποιηµένα Ελαστικά

Παράµετροι Αντοχής και Συµπύκνωσης Μιγµάτων Αµµωδών Εδαφών µε Κοκκοποιηµένα Ελαστικά Shear Strength and Compaction Parameters of Mixtures of Sandy Soils with Granulated Tire Rubber ΣΕΝΕΤΑΚΗΣ, Κ. ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΗΣ, Α. ΠΙΤΙΛΑΚΗΣ, Κ. ΓΑΡΓΑΛΑ, Χ. ΚΑΡΑΚΑΣΗ, Ι. ΓΡΑΜΜΑΤΙΚΟΠΟΥΛΟΣ, Ι. Πολιτικός Μηχανικός, MSc, Υποψήφιος ιδάκτορας Α.Π.Θ. Πολιτικός Μηχανικός, Λέκτορας, Α.Π.Θ. Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Α.Π.Θ. Προπτυχιακή Φοιτήτρια, τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Α.Π.Θ. Προπτυχιακή Φοιτήτρια, τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Α.Π.Θ. Πολιτικός Μηχανικός, Αναπληρωτής Καθηγητής, Α.Π.Θ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία µελετώνται οι παράµετροι αντοχής και συµπύκνωσης µιγµάτων µίας ποταµίσιας άµµου µε ένα συνθετικό υλικό προερχόµενο από ανακύκλωση µεταχειρισµένων ελαστικών αυτοκινήτων. Για το σκοπό αυτό πραγµατοποιούνται δοκιµές συµπύκνωσης (δονητικές δοκιµές και δοκιµές κατά Proctor) καθώς και δοκιµές απευθείας διάτµησης σε ξηρά, πυκνά δοκίµια. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα καταδεικνύουν µείωση των παραµέτρων γ d,max and e min των µιγµάτων µε την αύξηση του ποσοστού σε ελαστικό. Επιπλέον, τα µίγµατα άµµου ελαστικών και για τα ποσοστά ελαστικού που µελετήθηκαν στην παρούσα εργασία, παρουσιάζουν υψηλές τιµές παραµέτρων αντοχής. ABSTRACT : This study examines the shear strength parameters as well as the compaction parameters of mixtures of a fluvial sand with granulated tire rubber composed of recycled tire shreds. For this purpose, the vibratory table method as well as the standard Proctor method are used for the determination of the compaction characteristics of the materials used. In addition, direct shear tests are performed on dense, dry specimens for the determination of the shear strength parameters of the materials used. The experimental results indicate a decrement of the parameters γ d,max and e min of the mixtures as the percentage of rubber increases. In addition, the mixtures exhibit in general satisfactory shear strength parameters. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η διαρκής συσσώρευση µεταχειρισµένων ελαστικών αυτοκινήτων, αποτελεί ένα σηµαντικό πρόβληµα µε δυσµενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ταυτόχρονα, η έλλειψη προδιαγραφών σε πολλούς χώρους απόθεσης καθώς και ο υψηλός ρυθµός απόσυρσης ελαστικών σε σχέση µε το ρυθµό επαναχρησιµοποίησής τους, οδήγησε αρκετές χώρες στη θεσµοθέτηση νόµων που επιβάλλουν την ανακύκλωση και επαναχρησιµοποίηση των ελαστικών σε διάφορες εφαρµογές (Edescar, 2006). Τα τελευταία περίπου είκοσι χρόνια η έρευνα στράφηκε στην αξιοποίηση µεταχειρισµένων ελαστικών σε έργα Πολιτικού Μηχανικού, κυρίως λόγω των φυσικών και µηχανικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν σε αρκετές περιπτώσεις σηµαντικά πλεονεκτήµατα, όπως για παράδειγµα το πολύ χαµηλό ειδικό βάρος και η υψηλή ελαστικότητα, αλλά συγχρόνως το χαµηλό κόστος τους, η ανθεκτικότητα, και η δυνατότητα χρήσης υψηλής ποσότητας ελαστικών σε έργα µεγάλης κλίµακας όπως για παράδειγµα σε έργα οδοποιίας. Επιπλέον αρκετοί ερευνητές έχουν καταδείξει ότι η χρήση ελαστικών στο έδαφος δεν επηρεάζει την ποιότητα των υπόγειων υδάτων (Humphrey et al., 1997). Σε γεωτεχνικές εφαρµογές, ανακυκλωµένα ελαστικά συνήθως σε µορφή κόκκων ή chips χρησιµοποιούνται κυρίως σε υψηλά επιχώµατα αυτοκινητοδρόµων, ως υλικά επίχωσης τοίχων αντιστήριξης και ως υλικά αποστραγγιστικών στρώσεων χώρων υγειονοµικής ταφής απορριµµάτων (Humphrey et al., 1997, 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 1

Bosscher et al., 1997, Edescar, 2006). Ανακυκλωµένα ελαστικά, εκτός από καθαρή µορφή χρησιµοποιούνται επίσης σε µίγµατα µε φυσικό έδαφος ή αδρανή, µε αποτέλεσµα την επίτευξη ικανοποιητικών χαρακτηριστικών αντοχής. Σύµφωνα µε την πρότυπη προδιαγραφή γεωτεχνικών δοκιµών της Αµερικανικής ένωσης δοκιµών και υλικών, ASTM D6270-98, που αφορά στη χρήση ανακυκλωµένων ελαστικών σε έργα Πολιτικού Μηχανικού, τα υλικά αυτά, ανάλογα µε το µέγεθός τους κατόπιν ανακύκλωσης και κατάλληλης µηχανικής επεξεργασίας, κατατάσσονται σε πέντε κατηγορίες. Οι κύριες κατηγορίες ανακυκλωµένων ελαστικών αποτελούν τα τεµάχια ελαστικών (shredded tire rubber), µε µέγεθος 50-305 mm, τα chips ελαστικών, µε µέγεθος 12-50 mm και τέλος τα κοκκοποιηµένα ελαστικά (granulated tire rubber), µε µέγεθος 0.425-12 mm. Γενικά, ανακυκλωµένα ελαστικά σε µορφή κόκκων ή chips παρουσιάζουν υψηλή συµπιεστότητα, ωστόσο πολύ χαµηλή συµπιεστότητα όγκου λόγω του ότι οι στερεοί ελαστικοί κόκκοι είναι σχεδόν ασυµπίεστοι, µε τιµές δείκτη Poisson 0.5, περίπου (Beatty, 1981). Επιπλέον, η προσθήκη ελαστικών σε εδαφικά υλικά αυξάνει τη συµπιεστότητα των µιγµάτων. Οι Edil & Bosscher (1994) έδειξαν ωστόσο ότι για ποσοστά ελαστικού µικρότερα από 40% κατ όγκο µίγµατος η συµπιεστότητα των µιγµάτων είναι πολύ κοντά στη συµπιεστότητα του καθαρού εδάφους. Oι περισσότερες πειραµατικές δοκιµές µελέτης των χαρακτηριστικών συµπύκνωσης µιγµάτων εδαφών µε ελαστικά αλλά και καθαρών ελαστικών καταδεικνύουν µη αποτελεσµατική συµπύκνωση µε δόνηση, κυρίως λόγω της υψηλής αποσβεστικής ικανότητας των στερεών κόκκων των ανακυκλωµένων ελαστικών σε δονήσεις. Μεγαλύτερος βαθµός συµπύκνωσης στο εργαστήριο επιτυγχάνεται µε την πρότυπη και τροποποιηµένη δοκιµή κατά Proctor (Edil & Bosscher, 1994). Επιπλέον, η ενέργεια συµπύκνωσης και η περιεχόµενη υγρασία φαίνεται να µην έχουν πολύ σηµαντική επιρροή στο βαθµό συµπύκνωσης (Ahmed & Lovell, 1993). οκιµές απευθείας διάτµησης (Edil & Bosscher, 1994, Foose et al., 1996, Tatlisoz et al., 1997) και µονοτονικές τριαξονικές δοκιµές (Masad et al., 1996, Lee et al., 1999, Zornberg et al., 2004) τόσο σε καθαρά κοκκοποιηµένα ελαστικά όσο και σε µίγµατα εδαφών, κυρίως χονδρόκοκκων, µε ελαστικά, καταδεικνύουν ικανοποιητικά χαρακτηριστικά αντοχής των καθαρών ελαστικών αλλά και υψηλή αντοχή των µιγµάτων, κυρίως για σχετικά µικρά ποσοστά ελαστικού. Αναφορικά µε δοκίµια καθαρών κοκκοποιηµένων ή chips ελαστικών, οι περισσότεροι ερευνητές (Lee et al., 1999, Zornberg et al., 2004) αναφέρουν τιµές γωνίας τριβής (φ ) σε ένα εύρος από 15 ο έως 25 ο και αντίστοιχες τιµές συνοχής (c ) από 0 kpa έως 25 kpa, περίπου. 2. ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ, ΠΕΙΡΑΜΑ- ΤΙΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΟΚΙΜΩΝ 2.1 Χρησιµοποιούµενα υλικά, διαµόρφωση µιγµάτων και πειραµατικός εξοπλισµός Στην παρούσα εργασία χρησιµοποιήθηκε ένα συνθετικό υλικό σε κοκκοποιηµένη µορφή, προερχόµενο από ανακυκλωµένα ελαστικά αυτοκινήτων καθώς και µία µεσόκοκκη οµοιόµορφη άµµος στρογγυλεµένων κόκκων (άµµος Αξιού). Τα χαρακτηριστικά κοκκοµετρίας καθώς και το ειδικό βάρος στερεών κόκκων των υλικών δίδονται στον Πίνακα 1. Το ειδικό βάρος στερεών κόκκων των υλικών προσδιορίστηκε σύµφωνα µε την πρότυπη Αµερικανική προδιαγραφή ASTM D854-06. Σηµειώνεται ότι το συνθετικό υλικό που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα εργασία παραχωρήθηκε από την εταιρία Ecoelastika AE. Πίνακας 1. Χαρακτηριστικά χρησιµοποιούµενων υλικών Table 1. Characteristics of materials used Υλικό Κωδική G S D 50 C u ονοµασία (mm) Άµµος C3D06 2.67 0.60 2.76 Ελαστικό R2 1.10 1.50 1.74 Για την παρασκευή µιγµάτων της άµµου µε το κοκκοποιηµένο ελαστικό ζυγίζονται αρχικά κατάλληλες ποσότητες των επί µέρους υλικών, σε στεγνή κατάσταση, ώστε να προκύψει µίγµα συγκεκριµένων αναλογιών. Στη συνέχεια γίνεται ανάµειξη των υλικών ώστε να διαµορφωθεί οµοιογενές στεγνό µίγµα. Στα επόµενα, η κωδική ονοµασία των µιγµάτων αναφέρεται στα επί µέρους υλικά και το κατά βάρος ποσοστό τους στο µίγµα. Για παράδειγµα, µίγµα των υλικών C3D06 και R2 µε ποσοστό ελαστικού 10% έχει κωδική ονοµασία C3D06-R2-90/10. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 2

Οι δοκιµές συµπύκνωσης σε δονητική τράπεζα πραγµατοποιήθηκαν σύµφωνα µε την πρότυπη προδιαγραφή ASTM D4253-00 µε συχνότητα λειτουργίας 60 Hz και διάρκεια δόνησης 8 λεπτά. Οι δοκιµές συµπύκνωσης κατά Proctor έγιναν σύµφωνα µε την πρότυπη προδιαγραφή ASTM D698-00. Τέλος, οι δοκιµές αντοχής πραγµατοποιήθηκαν σε συσκευή απευθείας διάτµησης µε διάµετρο κιβωτίου 63.3 mm, σε πυκνά, ξηρά δοκίµια και µε ταχύτητα φόρτισης 1.5 mm/λεπτό. Για τη διαµόρφωση πυκνών δοκιµίων εντός του κιβωτίου διάτµησης, το ξηρό µίγµα (ή καθαρό υλικό) διαµορφώθηκε µε συµπύκνωση σε πέντε (5) στρώσεις ίσης µάζας υλικού µε αυξανόµενο αριθµό κτύπων προς τις ανώτερες στρώσεις µετά από δοκιµές µε στόχο την παρασκευή οµοιόµορφων δοκιµίων. 2.2 Πρόγραµµα δοκιµών Στον Πίνακα 2 συνοψίζεται το πρόγραµµα δοκιµών συµπύκνωσης κατά Proctor, καθώς και δοκιµών προσδιορισµού των παραµέτρων γ d,min, e max που αντιστοιχούν στην πιο δυνατή χαλαρή κατάσταση των υλικών, σύµφωνα µε την πρότυπη Αµερικανική προδιαγραφή ASTM D4254-00. Επιπρόσθετα, οι παράµετροι συµπύκνωσης της καθαρής άµµου (C3D06) και των υλικών C3D06-R2-98/2, C3D06-R2-90/10 και C3D06-R2-85/15 προσδιορίστηκαν και µε δοκιµές συµπύκνωσης σε δονητική τράπεζα. Πίνακας 2. Πρόγραµµα πρότυπων δοκιµών συµπύκνωσης κατά Proctor Table 2. Compaction testing program using the Standard Proctor method Κωδική ονοµασία Ποσοστό ελαστικού (%) µίγµατος κ.β. 1 κ.ο. 2 C3D06-R2-98/2 2.5 5 C3D06-R2-95/5 5 10 C3D06-R2-92/8 7.5 15 C3D06-R2-90/10 10 20 C3D06-R2-85/15 15 30 C3D06-R2-75/25 25 45 R2 100 100 1: κατά βάρος ποσοστό ελαστικού 2: κατ όγκο ποσοστό ελαστικού Στον Πίνακα 3 συνοψίζεται το πρόγραµµα δοκιµών διάτµησης σε πυκνά, ξηρά δοκίµια. και για ορθές τάσεις, σ v, ίσες µε 32, 64 και 128 kpa. Επιπλέον, πραγµατοποιήθηκαν ενδοεργαστηριακές δοκιµές σε πανοµοιότυπα δοκίµια των υλικών C3D06 και C3D06-R2-90/10, µε στόχο τον έλεγχο της επαναληψιµότητας των δοκιµών απευθείας διάτµησης. Συγκεκριµένα, πραγµατοποιήθηκαν δοκιµές σε τρία δοκίµια της καθαρής άµµου, καθώς και σε τρία δοκίµια του µίγµατος C3D06-R2-90/10. Πίνακας 3. Πρόγραµµα δοκιµών απευθείας διάτµησης Table 3. Direct shear testing program Κωδική ονοµασία Ποσοστό ελαστικού (%) µίγµατος κ.β. κ.ο. C3D06 0 0 C3D06-R2-98/2 2.5 5 C3D06-R2-95/5 5 10 C3D06-R2-92/8 7.5 15 C3D06-R2-90/10 10 20 C3D06-R2-85/15 15 25 C3D06-R2-80/20 20 35 C3D06-R2-75/25 25 45 R2 100 100 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΟΚΙΜΩΝ ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗΣ 3.1 Επιρροή υγρασίας και µεθόδου συµπύκνωσης στα χαρακτηριστικά συµπύκνωσης των µιγµάτων Στο Σχήµα 1 δίνονται αντιπροσωπευτικά αποτελέσµατα των δοκιµών συµπύκνωσης κατά Proctor στα µίγµατα C3D06-R2-95/5, C3D06-R2-92/8, C3D06-R2-90/10 και C3D06- R2-75/25. Σύµφωνα µε το Σχήµα 1 παρατηρείται ότι και στα τέσσερα µίγµατα η περιεχόµενη υγρασία δεν επηρεάζει σηµαντικά το βαθµό συµπύκνωσης. Ωστόσο, η βέλτιστη υγρασία κυµαίνεται σε τιµές από 0 έως 1% περίπου σε όλες τις περιπτώσεις. Αντίστοιχα συµπεράσµατα προέκυψαν και για τα υπόλοιπα µίγµατα της παρούσας εργασίας. Η µικρή επιρροή της περιεχόµενης υγρασίας στο βαθµό συµπύκνωσης παρατηρείται και στο καθαρό κοκκοποιηµένο ελαστικό, µε βέλτιστη τιµή υγρασίας 10%, περίπου. Τα αποτελέσµατα αυτά έρχονται σε ικανοποιητική συµφωνία µε πειραµατικά αποτελέσµατα και παρατηρήσεις άλλων ερευνητών (Ahmed & Lovell, 1993). 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 3

γ d (kn/m 3 ) 18 16 14 12 C3D06-R2-95/5 C3D06-R2-92/8 C3D06-R2-90/10 C3D06-R2-75/25 10 0 2 4 6 8 10 Ποσοστό υγρασίας (%) Σχήµα 1. Αντιπροσωπευτικά αποτελέσµατα πρότυπων δοκιµών κατά Proctor Figure 1. Representative results of the Standard Proctor compaction testing program Στον Πίνακα 4 δίδονται οι τιµές του µέγιστου ξηρού φαινόµενου βάρους όπως προέκυψαν από δοκιµές συµπύκνωσης κατά Proctor και δοκιµές στην δονητική τράπεζα για µίγµατα µε ποσοστό ελαστικού από 2.5% έως 15%. Ο βαθµός συµπύκνωσης των µιγµάτων είναι υψηλότερος στην περίπτωση συµπύκνωσης κατά Proctor γεγονός που οφείλεται στην υψηλή αποσβεστική ικανότητα των κόκκων ελαστικού σε δονήσεις, και γενικά στην υψηλότερη αποσβεστική ικανότητα των µιγµάτων µε την αύξηση του ποσοστού σε ελαστικό. Τα παραπάνω είναι σύµφωνα µε αντίστοιχα αποτελέσµατα της διεθνούς βιβλιογραφίας (Edil & Bosscher, 1994). Πίνακας 4. Επιρροή µεθόδου συµπύκνωσης στα πειραµατικά αποτελέσµατα Table 4. Effect of compaction method on the experimental results Κωδική ονοµασία γ d,max (kn/m 3 ) µίγµατος SP 1 VT 2 C3D06-R2-98/2 16.3 15.8 C3D06-R2-90/10 15.4 14.3 C3D06-R2-85/15 14.5 13.4 1: πρότυπη δοκιµή συµπύκνωσης κατά Proctor 2: δοκιµή συµπύκνωσης µε δόνηση 3.2 Επιρροή ποσοστού σε ελαστικό στα χαρακτηριστικά συµπύκνωσης των µιγµάτων Στον Πίνακα 5 καθώς και στο Σχήµα 2 δίδεται η επιρροή του ποσοστού σε ελαστικό στο µίγµα στις παραµέτρους γ d,max, γ d,min, και e min, e max όπως προσδιορίστηκε από τις δοκιµές συµπύκνωσης. Οι τιµές στην περίπτωση της καθαρής άµµου προσδιορίστηκαν µε δοκιµές στη δονητική τράπεζα ενώ σε όλα τα µίγµατα και το καθαρό ελαστικό µε δοκιµές Proctor. Η επιρροή του ποσοστού σε ελαστικό στο µίγµα στις τιµές του φαινόµενου βάρους είναι σηµαντική και βρίσκεται σε συµφωνία µε αποτελέσµατα δοκιµών σε παρόµοια µίγµατα της διεθνούς βιβλιογραφίας (Edescar, 2006). Πίνακας 5. Επιρροή ποσοστού σε ελαστικό στις παραµέτρους συµπύκνωσης γ d,max και γ d,min Table 5. Effect of rubber percentage on the compaction parameters γ d,max and γ d,min Κωδική ονοµασία µίγµατος γ d,max (kn/m 3 ) γ d,min (kn/m 3 ) C3D06 16.5 14.2 C3D06-R2-98/2 16.3 13.8 C3D06-R2-95/5 15.9 13.5 C3D06-R2-92/8 15.4 12.7 C3D06-R2-90/10 15.4 12.4 C3D06-R2-85/15 14.5 11.6 C3D06-R2-75/25 13.4 10.9 R2 6.6 4.5 e max, e min 1 0.8 0.6 e max e min 0.4 0 5 10 15 20 25 30 Κατά βάρος ποσοστό ελαστικού (%) Σχήµα 2. Επιρροή ποσοστού σε ελαστικό στις παραµέτρους συµπύκνωσης e min και e max Figure 2. Effect of rubber percentage on the compaction parameters e min and e max Οι τιµές των παραµέτρων γ d,max, γ d,min και e min µειώνονται γενικά µε την αύξηση του ποσοστού σε ελαστικό και βρίσκονται σε 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 4

σχετική συµφωνία µε αντίστοιχα αποτελέσµατα της διεθνούς βιβλιογραφίας (Edescar, 2006). 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΟΚΙΜΩΝ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΙΑΤΜΗΣΗΣ 4.1 Αντιπροσωπευτικά διαγράµµατα τάσης - παραµόρφωσης Στο Σχήµα 3 δίδονται αντιπροσωπευτικά αποτελέσµατα των δοκιµών απευθείας διάτµησης σε τρία πυκνά, ξηρά δοκίµια και συγκεκριµένα στην καθαρή άµµο και σε δύο µίγµατα µε ποσοστό ελαστικού 10% και 25% κατά βάρος µίγµατος σε ορθή ενεργή τάση σ v =64 kpa. ιατµητική τάση (kpa) 80 60 40 20 C3D06-R2-75/25 C3D06-R2-90/10 C3D06 σ v' =64 kpa 0 0 4 8 12 ιατµητική παραµόρφωση (%) Σχήµα 3. Αντιπροσωπευτικά αποτελέσµατα δοκιµών απευθείας διάτµησης σε κατακόρυφη ενεργή τάση 64 kpa Figure 3. Representative results of the direct shear testing program at a normal stress of 64 kpa Η καθαρή άµµος (C3D06) παρουσιάζει τυπική συµπεριφορά πυκνών χονδρόκοκκων εδαφών ενώ αντίθετα το δοκίµιο µε ποσοστό ελαστικού 10% κατά βάρος µίγµατος (C3D06- R2-90/10) που αντιστοιχεί σε ποσοστό περίπου 20% κατ όγκο, παρουσιάζει συµπεριφορά αντίστοιχη µε αυτή των χαλαρών άµµων. Στην περίπτωση όπου το ποσοστό ελαστικού είναι 25% κατά βάρος µίγµατος (C3D06-R2-75/25) δεν παρατηρείται εµφανές µέγιστο σηµείο στο διάγραµµα τάσης παραµόρφωσης ακόµη και σε παραµορφώσεις µεγαλύτερες από 10%. Στο Σχήµα 4 παρουσιάζονται τα πειραµατικά αποτελέσµατα για το δοκίµιο του καθαρού ελαστικού (R2). Η διατµητική τάση αυξάνεται συνεχώς µε τη διατµητική παραµόρφωση αλλά µε µειούµενο ρυθµό. Στην περίπτωση του καθαρού ελαστικού η αντοχή ορίζεται σε διαφορετικά επίπεδα διατµητικής παραµόρφωσης αναφοράς, και συγκεκριµένα σε παραµορφώσεις 5, 10 και 15%. ιατµητική τάση (kpa) 100 80 60 40 20 R2 σ v' =128 kpa σ v' =64 kpa σ v' =32 kpa 0 0 4 8 12 16 20 ιατµητική παραµόρφωση (%) Σχήµα 4. ιαγράµµατα διατµητικής τάσης διατµητικής παραµόρφωσης πυκνών, στεγνών δοκιµίων του καθαρού κοκκοποιηµένου ελαστικού R2 Figure 4. Shearing stress shearing strain curves of dense, dry specimens of the clean granulated tire rubber R2 4.2 Αποτελέσµατα ενδοεργαστηριακών δοκιµών αντοχής Στον Πίνακα 6 παρουσιάζονται συνοπτικά τα αποτελέσµατα του ενδοεργαστηριακού προγράµµατος δοκιµών διάτµησης στην καθαρή άµµο και στο µίγµα µε ποσοστό ελαστικού 10% κατά βάρος µίγµατος, µε στόχο τον έλεγχο της επαναληψιµότητας των πειραµατικών αποτελεσµάτων. Στα αποτελέσµατα των δοκιµών τόσο στο πρόγραµµα ενδοεργαστηριακών δοκιµών όσο και στο κύριο πρόγραµµα δοκιµών αντοχής που ακολουθεί, προσδιορίζονται για κάθε δοκίµιο τόσο οι κλασσικές παράµετροι διατµητικής αντοχής (φ και c ) ακολουθώντας το κριτήριο Mohr-Coulomb, όσο και η ισοδύναµη ενεργός γωνία διατµητικής αντοχής, φ eq, η οποία ορίζεται ως η κλίση του διαγράµµατος µέγιστης διατµητικής αντοχής 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 5

ορθής τάσης, θεωρώντας ότι το διάγραµµα διέρχεται από την αρχή των αξόνων (Zornberg et al., 2004). Πλεονέκτηµα της ισοδύναµης γωνίας διατµητικής αντοχής αποτελεί το γεγονός ότι δίνει περισσότερο άµεσα εποπτική εικόνα της επιρροής του ποσοστού σε ελαστικό στην αντοχή των µιγµάτων, ενώ γενικά η χρήση της δίνει ρεαλιστικά αποτελέσµατα σε υλικά µε µικρές τιµές συνοχής. Με βάση τα παραπάνω, στον Πίνακα 6 δίνονται τόσο οι παράµετροι φ και c όσο και η ισοδύναµη γωνία διατµητικής αντοχής των δοκιµίων του προγράµµατος ενδοεργαστηριακών δοκιµών. Πίνακας 6. Αποτελέσµατα δοκιµών απευθείας διάτµησης για τον έλεγχο της επαναληψιµότητας των αποτελεσµάτων Table 6. Results of the direct shear testing program for the assessment of the repeatibility of the experimental results Κωδική ονοµασία µίγµατος φ c (kpa) φ eq C3D06 38.2 2.6 39.2 C3D06 37.3 11.7 41.5 C3D06 38.9 6.3 41.1 C3D06-R2-90/10 37.7 13.4 42.4 C3D06-R2-90/10 37.8 8.8 40.9 C3D06-R2-90/10 36.4 7.1 39.0 Η καθαρή άµµος παρουσιάζει τιµές ενεργής γωνίας διατµητικής αντοχής σε ένα εύρος 37.3 ο έως 38.9 ο, µε αντίστοιχα µικρές τιµές ενεργής συνοχής σε ένα εύρος τιµών 2.6 έως 11.7 kpa. Οι αντίστοιχες τιµές ισοδύναµης ενεργούς γωνίας διατµητικής αντοχής κυµαίνονται σε ένα εύρος 39.0 ο έως 41.5 ο. Η επαναληψιµότητα των πειραµατικών αποτελεσµάτων θεωρείται αρκετά ικανοποιητική. Οι διαφοροποιήσεις µπορούν να ερµηνευτούν από το γεγονός ότι τα δοκίµια διαµορφώθηκαν σε ελαφρώς διαφορετικές τιµές σχετικής πυκνότητας. Αντίστοιχα, ικανοποιητικά αποτελέσµατα ως προς την επαναληψιµότητα τους δίνουν και οι δοκιµές στο υλικό C3D06-R2-90/10. Επιπλέον παρατηρείται ότι το µίγµα µε ποσοστό ελαστικού 10% κατά βάρος παρουσιάζει αρκετά υψηλές τιµές παραµέτρων αντοχής, αντίστοιχες µε αυτές της καθαρής άµµου. 4.3 Παράµετροι αντοχής καθαρού κοκκοποιηµένου ελαστικού Στον Πίνακα 7 δίνονται οι παράµετροι αντοχής του καθαρού κοκκοποιηµένου ελαστικού, (παράµετροι φ και c ) καθώς και η ισοδύναµη γωνία διατµητικής αντοχής (παράµετρος φ eq ). Οι παράµετροι αντοχής ορίζονται σε τρία διαφορετικά επίπεδα διατµητικής παραµόρφωσης. Παρατηρείται σηµαντική εξάρτηση των παραµέτρων αντοχής από την παραµόρφωση στην οποία αναφέρονται. Για παραµόρφωση 15%, το καθαρό ελαστικό παρουσιάζει σχετικά υψηλές τιµές παραµέτρων αντοχής. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα του Πίνακα 7 έρχονται σε ικανοποιητική συµφωνία µε αποτελέσµατα άλλων ερευνητών σε κοκκοποιηµένα ελαστικά και chips ελαστικών δοκιµών διάτµησης όσο και δοκιµών τριαξονικής φόρτισης (Lee et al., 1999, Zornberg et al., 2004). Πίνακας 7. Παράµετροι αντοχής καθαρού ελαστικού Table 7. Shear strength parameters of the clean granulated rubber material Παραµόρφωση αναφοράς φ c (kpa) Φ eq deg) 5% 11.5 7.4 19.8 10% 23.0 10.0 27.8 15% 26.6 14.8 33.3 4.4 Επιρροή ποσοστού σε ελαστικό στις παραµέτρους αντοχής των µιγµάτων Στον Πίνακα 8 δίνονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσµατα του κύριου προγράµµατος δοκιµών απευθείας διάτµησης σε µίγµατα της καθαρής µεσόκοκκης άµµου µε το µεσόκοκκο ελαστικό και για ποσοστά ελαστικού 0, 2.5, 5, 7.5, 10, 15, 20 και 25% κατά βάρος µίγµατος. Ειδικά για τα υλικά C3D06 και C3D06-R2-90/10 που χρησιµοποιήθηκαν στο πρόγραµµα ενδοεργαστηριακών δοκιµών της παρούσας εργασίας δίνονται στον Πίνακα 8 τα αποτελέσµατα που αντιστοιχούν στη µέγιστη ισοδύναµη ενεργή γωνία διατµητικής αντοχής. Από τον Πίνακα 8 παρατηρείται ότι τα µίγµατα στο σύνολο τους παρουσιάζουν σχετικά µικρές τιµές ενεργού συνοχής και αρκετά υψηλές τιµές ενεργού γωνίας διατµητικής αντοχής. Ειδικά για σχετικά µικρά ποσοστά ελαστικού, της τάξεως του 2.5 έως 10%, τα µίγµατα παρουσιάζουν αρκετά υψηλές τιµές αντοχής αντίστοιχες µε αυτές της καθαρής άµµου. Φαίνεται ωστόσο, να µην είναι απόλυτα ξεκάθαρος ο τρόπος που επηρεάζονται οι παράµετροι φ και c µε την 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 6

αύξηση του ποσοστού σε ελαστικό. Η διατµητική αντοχή του µίγµατος άµµουελαστικών περιλαµβάνει τη συνεισφορά δύο µηχανισµών: (α) την ανάπτυξη διατµητικών τάσεων στους κόκκους ελαστικού και άµµου και (β) µηχανισµούς αύξησης της αντοχής λόγω ανάπτυξης εφελκυστικών δυνάµεων στους κόκκους του ελαστικού (Zornberg et al., 2004). Στην τελευταία περίπτωση η αύξηση στην συνολική διατµητική αντοχή του µίγµατος εξαρτάται από το µέγεθος και τη µορφή του ελαστικού κλάσµατος. Πίνακας 8. Αποτελέσµατα δοκιµών απευθείας διάτµησης σε πυκνά, στεγνά δοκίµια: Επιρροή ποσοστού σε ελαστικό στις παραµέτρους αντοχής των µιγµάτων Table 8. Results of the direct shear testing program on dense, dry specimens: Effect of rubber percentage on the shear strength parameters of the mixtures Κωδική ονοµασία µίγµατος φ c (kpa) φ eq C3D06 37.3 11.7 41.5 C3D06-R2-98/2 37.9 11.7 42.0 C3D06-R2-95/5 33.1 15.1 39.0 C3D06-R2-92/8 33.6 18.5 40.7 C3D06-R2-90/10 37.7 13.4 42.4 C3D06-R2-85/15 34.4 10.8 38.6 C3D06-R2-80/20 33.7 5.4 35.9 C3D06-R2-75/25 31.2 17.4 38.2 Στο Σχήµα 5 παρουσιάζεται η επιρροή του ποσοστού σε ελαστικό στη µέγιστη διατµητική αντοχή των µιγµάτων στις τρεις ορθές ενεργές τάσεις στις οποίες έγιναν οι δοκιµές απευθείας διάτµησης και για ποσοστά ελαστικού 0, 2.5, 7.5, 10, 15, 20 και 25% κατά βάρος µίγµατος. Μία σηµαντική παρατήρηση στα αποτελέσµατα του Σχήµατος 5 είναι ότι στη µικρότερη τάση στην οποία έγιναν δοκιµές (σ v =32 kpa), τα περισσότερα µίγµατα (ακόµα και το µίγµα µε ποσοστό ελαστικού 25%) παρουσιάζουν ελαφρώς µεγαλύτερες τιµές διατµητικής αντοχής σε σχέση µε το δοκίµιο της καθαρής άµµου. Στις µεγαλύτερες τάσεις ωστόσο (σ v =64 και 128 kpa) παρατηρείται ότι µόνο τα µίγµατα µε µικρά ποσοστά ελαστικού παρουσιάζουν τιµές αντοχής παρόµοιες µε την αντοχή της καθαρής άµµου, ενώ τα δοκίµια µε ποσοστά ελαστικού πάνω από 10% παρουσιάζουν γενικά µειωµένες τιµές αντοχής. Πρακτικά δηλαδή, η όπλιση εδαφών µε κοκκοποιηµένα ελαστικά αναφορικά µε υψηλά ποσοστά ελαστικού φαίνεται να είναι περισσότερο αποτελεσµατική σε µικρές κατακόρυφες τάσεις, ενώ η όπλιση εδαφών µε µικρά ποσοστά ελαστικού είναι αποτελεσµατική και σε µεσαίες κατακόρυφες τάσεις. Η παρατήρηση αυτή έρχεται σε συµφωνία µε πειραµατικά αποτελέσµατα της διεθνούς βιβλιογραφίας (Tatlisoz et al., 1997) Μέγιστη διατµητική αντοχή (kpa) 140 120 100 80 60 40 20 σv ' =32 kpa σ v ' =64 kpa σv ' =128 kpa 0 0 5 10 15 20 25 30 Ποσοστό ελαστικού κ.β µίγµατος (%) Σχήµα 5. Επιρροή ποσοστού σε ελαστικό στη µέγιστη διατµητική αντοχή των µιγµάτων Figure 5. Effect of rubber percentage on the maximum shear strength of the mixtures 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα πειραµατικά αποτελέσµατα των δοκιµών συµπύκνωσης της παρούσας εργασίας καταδεικνύουν µείωση των παραµέτρων γ d,max, γ d,min και e min µε την αύξηση του ποσοστού σε ελαστικό. Τουλάχιστον για τα ποσοστά ελαστικού των δοκιµίων της παρούσας εργασίας (0 έως 25% κατά βάρος µίγµατος), µε την αύξηση του ποσοστού σε ελαστικό το µίγµα γίνεται ελαφρύτερο και αποκτά πυκνότερη δοµή. Επιπλέον, η συµπύκνωση µε την πρότυπη δοκιµή κατά Proctor είναι αποτελεσµατικότερη σε σχέση µε τη δοκιµή συµπύκνωσης σε δονητική τράπεζα. Η περιεχόµενη υγρασία δεν επηρεάζει σηµαντικά το βαθµό συµπύκνωσης. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών απευθείας διάτµησης σε πυκνά, ξηρά δοκίµια των µιγµάτων της άµµου µε το κοκκοποιηµένο ελαστικό δείχνουν, τουλάχιστον για τα ποσοστά ελαστικού που µελετήθηκαν στην παρούσα εργασία (0 έως 25% κατά βάρος µίγµατος) πολύ ικανοποιητικές τιµές των παραµέτρων αντοχής. Για µικρά ποσοστά 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 7

ελαστικού, η αντοχή των µιγµάτων είναι περίπου ίδια ή και υψηλότερη σε σχέση µε την καθαρή άµµο. Η διατµητική αντοχή του µίγµατος άµµου-ελαστικών εξαρτάται από το ποσοστό του ελαστικού κλάσµατος, ωστόσο απαιτείται µία περισσότερο συστηµατική διερεύνηση στην περίπτωση χρήσης ελαστικών µεγαλύτερης διαµέτρου και διαφορετικής κατηγορίας. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ahmed, I. and Lowell, C. (1993), Use of rubber tires in highway construction, Uttilization of Waste Materials in Civil Engineering Construction, ASCE, New York, NY, pp. 166-181. ASTM (1998), Standard practice for use of scrap tires in civil engineering applications ASTM Standard D6270-98, American Society for Testing and Materials. ASTM (2000), Standard test methods for laboratory compaction characteristics of soils using standard effort (12,400 ft-lbf/ft3 (600 kn-m/m 3 )) ASTM Standard D698-00, American Society for Testing and Materials. ASTM (2000), Standard test methods for maximum index density and unit weight of soils using a vibratory table ASTM Standard D4253-00, American Society for Testing and Materials. ASTM (2000), Standard test methods for minimum index density and unit weight of soils and calculation of relative density ASTM Standard D4254-00, American Society for Testing and Materials. ASTM (2006), Standard test methods for specific gravity of soil solids by water pycnometer ASTM Standard D854-06, American Society for Testing and Materials. Beatty, J.R. (1981), Physical properties of rubber compounds, Chapter 10 of Mechanics of Pneumatic Tires, Clark SK Ed., U.S. Department of Transportation, National Highway Traffic Safety Admin., Washington, DC 20590, pp. 871-885. Bosscher, P.J., Edil, T.B. and Kuraoka, S. (1997), Design of highway embankments using tire chips, J. of Geotec. and Geoenv. Eng., ASCE, Vol. 123, No. 4, pp. 295-304. Edeskar, T. (2006), Use of tyre shreds in civil engineering applications Technical and environmental properties, PhD Thesis, Lulea University of Technology, Department of Civil and Environmental Engineering, Division of Mining and Geotechnical Engineering. Edil, T.B. and Bosscher, P.J. (1994), Engineering properties of tire chips and soil mixtures, Geotechnical Testing Journal, Vol. 17, No. 4, pp. 453-464. Foose, G.J., Benson, C.H. and Bosscher, P.J. (1996), Sand reinforced with shredded waste tires, Journal of Geotechnical Engineering, Vol.122, No.9, pp. 760-767. Humphrey, D., Cosgrove, T., Whetten, N.L. and Herbert, R. (1997), Tire chips reduce lateral earth pressure against the walls of a rigid frame bridge, Seminar on rehabilitation and upgrades in civil and environmental engineering, ASCE. Lee, J.H., Salgado, R., Bernal, A. and Lovell, C.W. (1999), Shredded tires and rubbersand as lightweight backfill, J. of Geotec. and Geoenv. Eng., Vol. 125, No. 2, pp. 132-141. Masad, E., Taha, R., Ho, C. and Papagiannakis, T. (1996), Engineering properties of tire/soil mixtures as a lightweight fill material, Geotec. Testing J., Vol. 19, No. 3, pp. 297-304. Tatlisoz, N., Benson, C.H. and Edil, T.B. (1997), Effect of fines on mechanical properties of soil-tire chip mixtures, Testing Soil Mixed with Waste or Recycled Materials, Wasemiller M.A.& Hoddinott K.B. (Eds.), ASTM STP 1275, West Conshohocken, pp.93-108. Zornberg, J.G., Carbal, A.R. and Viratjandr, C. (2004), Behaviour of tire shred - sand mixtures, Can. Geotech. J., Vol. 41, pp. 227-241. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 8