Ενεσιμότητα Αιωρημάτων Τσιμέντου σε Αμμώδη Εδάφη Διερεύνηση και Εκτίμηση

Ενεσιμότητα Αιωρημάτων Τσιμέντου σε Αμμώδη Εδάφη Διερεύνηση και Εκτίμηση Groutability of Cement Suspensions into Sandy Soils Investigation and Evaluation ΧΡΙΣΤΟΔΟΥΛΟΥ, Δ.Ν. ΜΑΡΚΟΥ, Ι.Ν. ΔΡΟΥΔΑΚΗΣ, Α.Ι. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Επίκουρος Καθηγητής, Δ.Π.Θ. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα δοκιμών διερεύνησης των ιδιοτήτων και της ενεσιμότητας αιωρημάτων τσιμέντου κατηγορίας CEM II/B-M (EN 197-1), που εξετάστηκε σε τέσσερις κοκκομετρίες. Η ενεσιμότητα μελετήθηκε πειραματικά με την εκτέλεση εμποτισμών σε στήλες έξη ομοιόμορφων κλασμάτων άμμου. Η διεισδυτικότητα των αιωρημάτων αυξάνεται με την αύξηση της λεπτότητας του τσιμέντου και του λόγου νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ). Αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων με κατά βάρος αναλογίες Ν/Τ 2:1 και 3:1 διεισδύουν ικανοποιητικά σε σχηματισμούς με κοκκομετρίες μέσης ως λεπτόκοκκης άμμου. Οι εκτιμήσεις της ενεσιμότητας με βάση διαθέσιμα κριτήρια δεν επιβεβαιώνονται απόλυτα από τους εμποτισμούς. ABSTRACT : A laboratory investigation was conducted in order to evaluate the properties and the groutability of cement suspensions. Four gradations from CEM II/B-M (according to EN 197-1) type of cement were used. Groutability was evaluated experimentally by conducting one-dimensional injections into six uniform, clean sands. Groutability of cement suspensions increases with increasing cement fineness and suspension water to cement ratio. Microfine cement suspensions, with water to cement ratios of 2:1 and 3:1 by weight, penetrate satisfactorily into medium to fine sands. Groutability predictions by conventional criteria and an empirical formula are not always confirmed by laboratory injections. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι συνήθεις διαδικασίες βελτίωσης και ενίσχυσης εδαφών με ενέσεις εμποτισμού προβλέπουν είτε τη χρήση αιωρημάτων είτε τη χρήση χημικών διαλυμάτων. Αιωρήματα με βάση τα κοινά τσιμέντα Portland είναι ικανά να διεισδύσουν αποτελεσματικά σε χονδρόκοκκα εδαφικά υλικά (χάλικες και χονδρόκοκκες άμμοι) με συντελεστή διαπερατότητας της τάξης του 10-1 cm/s. Για τον εμποτισμό εδαφών με χαμηλότερο συντελεστή διαπερατότητας (έως 10-4 cm/s) χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι χημικών διαλυμάτων που είναι δυνατό να διεισδύσουν σε εδαφικούς σχηματισμούς, όπως οι λεπτόκοκκες άμμοι και οι χονδρόκοκκες ιλύες. Πέραν του υψηλού κόστους, τα χημικά διαλύματα μειονεκτούν έναντι των αιωρημάτων τσιμέντου στο γεγονός ότι πολλές από τις χρησιμοποιούμενες πρώτες ύλες ή/και τα προϊόντα των χημικών αντιδράσεων, λόγω της τοξικότητάς τους, είναι επιβλαβή για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών, τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί νέα υλικά που αποτελούν την εναλλακτική λύση στη χρήση των χημικών διαλυμάτων. Πρόκειται για εξαιρετικά λεπτόκοκκα τσιμέντα, που ως αιωρήματα σε νερό, έχουν τη δυνατότητα να εισπιεστούν και να εμποτίσουν αποτελεσματικά τα κενά εδαφικών σχηματισμών με κοκκομετρία έως και λεπτόκοκκης άμμου. Αποτελούνται εξ ολοκλήρου από ανόργανα συστατικά, στοιχείο που συμβάλλει στην αποφυγή δυσάρεστων περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Η ανάπτυξη 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 1

των λεπτόκοκκων τσιμέντων παρουσιάζει σημαντική άνθηση παγκοσμίως, και έχουν χρησιμοποιηθεί σε προγράμματα ενέσεων εμποτισμού, κυρίως, για τον έλεγχο των υπόγειων ροών ή/και για τη βελτίωση της αντοχής του εδάφους, σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν φράγματα, σήραγγες, Χ.Υ.Τ.Α., γέφυρες και μεγάλα οικοδομικά έργα. Ένας από τους καθοριστικούς παράγοντες για την επιτυχία ενός προγράμματος ενέσεων εμποτισμού είναι η δυνατότητα του χρησιμοποιούμενου αιωρήματος να διεισδύσει στα κενά του υπό βελτίωση σχηματισμού καθώς και το μήκος διείσδυσής του σε αυτόν. Λόγω της σπουδαιότητάς του, ο παράγοντας αυτός αποτέλεσε το αντικείμενο πλήθους ερευνητικών εργασιών στις οποίες περιλαμβάνεται και η παρούσα μελέτη. Με δεδομένη τη φύση του προβλήματος που μελετήθηκε και τη διεθνή πρακτική, η έρευνα που εκτελέστηκε βασίστηκε σε πειραματική διαδικασία. Ειδικότερα, το πρώτο μέρος της έρευνας περιλαμβάνει την τεκμηρίωση των ιδιοτήτων των αιωρημάτων τσιμέντου, ενώ το δεύτερο μέρος συνίσταται στη διενέργεια εργαστηριακής κλίμακας εμποτισμών με σκοπό: (α) την αποτίμηση της επίδρασης των παραμέτρων που σχετίζονται με την επιτυχία ή όχι ενός προγράμματος ενέσεων και (β) την ποσοτικοποίηση της διεισδυτικότητας και την οριοθέτηση του πεδίου εφαρμογής των αιωρημάτων τσιμέντου. 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών διερεύνησης των ιδιοτήτων και της διεισδυτικότητας αιωρημάτων τσιμέντου της κατηγορίας CEM II/B-M, σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Τσιμέντων EN 197-1, που εξετάστηκε σε τέσσερις κοκκομετρίες. Ως βάση για την παρασκευή των προς εξέταση τσιμέντων, χρησιμοποιήθηκε το κοινό τσιμέντο της εν λόγω κατηγορίας (συμβολίζεται ως F0), από τη λειοτρίβηση του οποίου σε ειδικό εργαστηριακό μύλο, προέκυψαν ένα λεπτό και δύο λεπτόκοκκα τσιμέντα με ονομαστικά μέγιστα μεγέθη κόκκων 40 μm, 20 μm και 10 μm, τα οποία συμβολίζονται ως F1, F2 και F3, αντίστοιχα. Οι κοκκομετρικές καμπύλες όλων των τσιμέντων παρατίθενται στο Σχήμα 1. Τα εξεταζόμενα αιωρήματα παρασκευάστηκαν με τη χρήση πόσιμου νερού βρύσης, το οποίο θεωρείται κατάλληλο για την παρασκευή αιωρημάτων τσιμέντου (Littlejohn, 1982). Στα αιωρήματα των τσιμέντων F1, F2 και F3 Ποσοστό διερχομένων (%) kkk 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 10 Μέγεθος κόκκου (μm) Τσιμέντο: CEM IΙ/B-M Σχήμα 1. Κοκκομετρικές καμπύλες τσιμέντων Figure 1. Grain size curves of cements προστέθηκε κατάλληλος υπερρευστοποιητής (GLENIUM 11) σε δοσολογία 1.4% κατά βάρος ξηρού τσιμέντου με σκοπό τη βελτίωση της ρεολογικής συμπεριφοράς και τη μείωση του φαινόμενου ιξώδους τους. Η ολοκληρωμένη διερεύνηση των ιδιοτήτων των αιωρημάτων, με κατά βάρος αναλογίες νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ) 1:1, 2:1 και 3:1, περιλαμβάνει μετρήσεις ιξώδους και προσδιορισμό ρεολογικών χαρακτηριστικών, μετρήσεις εξίδρωσης, καταγραφή χρόνων πήξης και μελέτη αντοχής. Στον Πίνακα 1 παρατίθενται οι τιμές των ιδιοτήτων που μελετήθηκαν και αφορούν στα αιωρήματα των εξεταζόμενων τσιμέντων. Το συμπέρασμα, το οποίο εξάγεται από τις εν λόγω τιμές, είναι ότι τα αιωρήματα του λεπτού τσιμέντου F1 και των λεπτόκοκκων τσιμέντων F2 και F3, με την προσθήκη κατάλληλου υπερρευστοποιητή, καθίστανται κατάλληλα για τη διενέργεια ενέσεων εμποτισμού. Η μητρική άμμος που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των επιμέρους κλασμάτων άμμου προέρχεται από την εταιρεία ΤΙΤΑΝ Α.Ε. και χρησιμοποιείται από το Εργαστήριο Τεχνολογίας Σκυροδέματος της εταιρείας για δοκιμές αντοχών. Πρόκειται για άμμο λατομείου με γωνιώδεις κόκκους και η ορυκτολογία της μπορεί να χαρακτηριστεί ως ασβεστολιθική. Με κατάλληλη επεξεργασία στο εργαστήριο, διαχωρίστηκαν έξη κλάσματα άμμου που καλούνται ως εξής: 5-10, 10-14, 14-25, 25-50, 50-100 και 100-200. Ο πρώτος αριθμός δηλώνει το κόσκινο (κατά ASTM E11) από το οποίο διέρχεται όλη η ποσότητα του κλάσματος και ο δεύτερος αριθμός αντιπροσωπεύει τον αριθμό του κοσκίνου στο οποίο συγκρατείται όλη η ποσότητα του κλάσματος. Στο εξής τα προαναφερθέντα κλάσματα άμμου θα καλούνται για λόγους συντομίας: S1, S2, F3 F2 F1 F0 1 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 2

Πίνακας 1. Ιδιότητες Αιωρημάτων Τσιμέντων Table 1. Cement Suspension Properties Τσιμέντο Λόγος Ν/Τ Φαινόμενο Ιξώδες * Εξίδρωση Χρόνοι Πήξης (hrs) Αντοχή σε Ανεμπόδιστη Θλίψη (MPa) (cp) (%) Αρχικός Τελικός 7 ημέρες 28 ημέρες F0 1:1 193 16 9 14 4.4 9.0 2:1 26 50 9 18 2.5 3.9 3:1 10 64 10 37 1.4 2.7 F1 1:1 7 29 7 10 10.3 12.7 2:1 2 47 7 11 1.9 3.3 3:1 1.5 67 8 12 1.0 1.9 F2 1:1 30 2 5 8 6.9 10.6 2:1 8 35 7 12 2.3 2.8 3:1 2 49 8 19 1.1 1.6 F3 1:1 111 2 4 6 8.3 9.7 2:1 17 19 5 8 3.2 3.6 3:1 3 38 6 8 1.3 1.5 * Ταχύτητα περιστροφής ιξωδομέτρου: 60 rpm, Τιμές ιξώδους μετά από χρόνο t = 0 min S3, S4, S5 και S6, αντίστοιχα. Όπως προκύπτει από τις κοκκομετρικές καμπύλες που φαίνονται στο Σχήμα 2 και από τις τιμές των κοκκομετρικών χαρακτηριστικών που δίδονται στον Πίνακα 2, οι άμμοι έχουν παρόμοιο και αρκετά χαμηλό συντελεστή ομοιομορφίας, C u, ώστε να χαρακτηρίζονται ως ομοιόμορφες και δεν περιέχουν λεπτά συστατικά (<0.074 mm). Σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D422 και με βάση το εύρος μεγεθών των κόκκων (Πίνακας 2), η άμμος S1 χαρακτηρίζεται ως χονδρόκοκκη, οι S2 και S3 ως μέσες, η S4 ως μέση λεπτόκοκκη ενώ οι S5 και S6 ανήκουν στις λεπτόκοκκες άμμους. Σημειώνεται ότι οι στήλες άμμου πριν την έναρξη των εμποτισμών βρίσκονταν σε ξηρή και πυκνή κατάσταση (μέση τιμή σχετικής πυκνότητας, D r = 98±1%). Αρχικός στόχος μίας εργαστηριακής διερεύνησης της ενεσιμότητας αιωρημάτων τσιμέντου είναι η καλύτερη δυνατή προσομοίωση των συνθηκών του πεδίου. Με γνώμονα το σκεπτικό αυτό, σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν δύο διαφορετικές διατάξεις ενέσεων εμποτισμού εργαστηριακής κλίμακας (Σχήμα 3). Η πρώτη διάταξη (Σχήμα 3α) χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ενεσιμότητας των αιωρημάτων με την εκτέλεση ενέσεων εμποτισμού άμμων που τοποθετούνταν σε στήλες από PVC εσωτερικής διαμέτρου 7.5 cm και ύψους 36.5 cm. Αποτελείται από μεταλλική βάση, δεξαμενή αιωρήματος με αναδευτήρα, ρυθμιστή πίεσης αέρα και τις απαραίτητες σωληνώσεις. Η πίεση εμποτισμού εφαρμοζόταν με πεπιεσμένο αέρα από αεροσυμπιεστή και ρυθμιζόταν πριν τη δεξαμενή με τη βοήθεια Ποσοστό Διερχομένων (%) kk 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10,00 1,00 0,10 Μέγεθος Κόκκου (mm) Κλάσματα άμμου 5-10 10-14 14-25 25-50 50-100 100-200 Σχήμα 2. Κοκκομετρική διαβάθμιση άμμων Figure 2. Grain size distribution of sands Πίνακας 2. Χαρακτηριστικά Άμμων Table 2. Sand Characteristics Άμμος Εύρος μεγεθών d 15 G s C u κόκκων, (mm) (mm) S1 4.00 2.00 2.25 2.71 1.40 S2 2.00 1.40 1.48 2.72 1.19 S3 1.40 0.71 0.80 2.72 1.43 S4 0.71 0.30 0.36 2.70 1.56 S5 0.30 0.15 0.17 2.72 1.43 S6 0.15 0.074 0.082 2.72 1.45 του ρυθμιστή πίεσης αέρα. Ο εμποτισμός της στήλης ολοκληρωνόταν όταν ο όγκος του εισπιεζόμενου αιωρήματος γινόταν ίσος με το διπλάσιο του όγκου των κενών της άμμου στη στήλη ή διακοπτόταν όταν δεν παρατηρούνταν ροή αιωρήματος ακόμη και όταν η πίεση εμποτισμού λάμβανε τη μέγιστη τιμή των 200 kpa. 0,01 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 3

(α) (β) Σχήμα 3. Εργαστηριακές διατάξεις προσδιορισμού (α) ενεσιμότητας και (β) διεισδυτικότητας αιωρημάτων Figure 3. Laboratory equipment for (a) injectability and (b) penetrability evaluation of suspensions Η ποσοτικοποίηση του μήκους διείσδυσης των αιωρημάτων στις άμμους κατέστη εφικτή με τη χρήση της δεύτερης εργαστηριακής διάταξης που φαίνεται στο Σχήμα 3β και επιτρέπει τον εμποτισμό στηλών άμμου ύψους 144 cm και διαμέτρου 7.5 cm με μέγιστη πίεση εμποτισμού της τάξης των 700 kpa. Η επιβολή της πίεσης γινόταν με τη χρήση εμβολοφόρου αντλίας, η οποία εξασφάλιζε σταθερή παροχή αιωρήματος. Λόγω του τρόπου λειτουργίας της αντλίας, η τιμή της πίεσης δεν ήταν σταθερή, αλλά προσαρμοζόταν αυτόματα και ανάλογα με την αντίσταση που συναντούσε το αιώρημα κατά τη διείσδυσή του στον εδαφικό σχηματισμό. Κατά μήκος της στήλης εμποτισμού ήταν τοποθετημένα ειδικά αισθητήρια προκειμένου να καταγράφεται συνεχώς η πίεση του αιωρήματος. Οι δοκιμές ολοκληρώνονταν όταν ο όγκος του εισπιεσμένου αιωρήματος γινόταν ίσος με το διπλάσιο του όγκου των κενών της άμμου στη στήλη ή διακόπτονταν όταν δεν υπήρχε ροή αιωρήματος ακόμη και όταν η πίεση εμποτισμού έφτανε το προκαθορισμένο όριο των 700 kpa. 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3.1 Ενεσιμότητα Στο πλαίσιο της παρούσας διερεύνησης, υιοθετήθηκε ο όρος «Ενεσιμότητα» (Injectability) προκειμένου να περιγραφεί η ικανότητα ενός συγκεκριμένου αιωρήματος να εμποτίσει ένα συγκεκριμένο έδαφος κάτω από καθορισμένη πίεση εμποτισμού (Μάρκου, 1995). Προκειμένου να εκτιμηθεί, σε πρώτο στάδιο, η ενεσιμότητα των αιωρημάτων και να προσδιοριστεί η επίδραση των παραμέτρων που την επηρεάζουν, χρησιμοποιήθηκε η διάταξη εμποτισμού που φαίνεται στο Σχήμα 3α. Ακολουθήθηκε η λογική της απόδοσης χαρακτηρισμών σε ό,τι αφορά στην ευκολία ή δυσκολία εισπίεσης του αιωρήματος κατά τη ροή του εντός των εδαφικών σχηματισμών. Ειδικότερα, η ενεσιμότητα χαρακτηρίζεται ως «Ικανοποιητική» όταν διεισδύει ο προκαθορισμένος όγκος αιωρήματος (όγκος αιωρήματος που εισπιέζεται ίσος με το διπλάσιο του όγκου των κενών της εδαφικής στήλης άμμου), με πιθανή μικρή αύξηση της πίεσης εμποτισμού. «Οριακή» χαρακτηρίζεται η διείσδυση του αιωρήματος όταν εμποτίζεται όλο ή σχεδόν όλο το μήκος της στήλης (36 cm περίπου) με τη μέγιστη προκαθορισμένη πίεση εμποτισμού των 200 kpa, ενώ το αρνητικό αποτέλεσμα της ένεσης υποδηλώνεται ως «Μικρή» ή «αμελητέα» διείσδυση του αιωρήματος εντός της στήλης άμμου με την εφαρμογή της μέγιστης πίεσης εμποτισμού. Από τα αποτελέσματα των εμποτισμών που παρουσιάζονται στον Πίνακα 3, προκύπτει ότι οι άμμοι 5-10 και 10-14 μπορούν να εμποτιστούν με τα αιωρήματα όλων των τσιμέντων. Ως οριακή ή μικρή χαρακτηρίζεται η ενεσιμότητα των αιωρημάτων του κοινού τσιμέντου F0 στις εδαφικές στήλες της άμμου 14-25, ενώ «ικανοποιητική» θεωρείται η διείσδυση των αιωρημάτων των λεπτότερων τσιμέντων F1, F2 και F3 στη συγκεκριμένη άμμο. Η άμμος 25-50 μπορεί να εμποτιστεί «ικανοποιητικά» μόνο με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων. Συγκεκριμένα, εμποτίζεται από τα αιωρήματα του τσιμέντου F2 με λόγο νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ) ίσο με 3:1 και του λεπτότερου τσιμέντου F3 με λόγους Ν/Τ ίσους με 2:1 και 3:1. Αντίθετα, αδυναμία εισπίεσης στις εδαφικές στήλες της προαναφερθείσας άμμου παρατηρήθηκε για τα αιωρήματα όλων των τσιμέντων με λόγο Ν/Τ ίσο με 1:1. Επιπρόσθετα, από τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνεται ότι η άμμος 50-100 δεν μπορεί να εμποτιστεί από τα αιωρήματα των διαθέσιμων κοινών και λεπτόκοκκων τσιμέντων με λόγους Ν/Τ ίσους με 1:1, 2:1 και 3:1. Με βάση τη διαπίστωση αυτή, εξάγεται το συμπέρασμα ότι το αποτέλεσμα της ένεσης και στην πιο λεπτή άμμο 100-200 θα είναι αρνητικό ως προς την ενεσιμότητα. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 4

Πίνακας 3. Ενεσιμότητα Αιωρημάτων Πειραματικά Αποτελέσματα Table 3. Injectability of Suspensions Experimental Results Τσιμέντο Άμμος Λόγος Ν/Τ Αποτέλεσμα ένεσης* F0 S1 1:1-3:1 Ι S2 1:1-3:1 Ι S3 1:1 Μ 2:1 Ο 3:1 Ο S4 1:1-3:1 Μ S5 1:1-3:1 Μ F1 S1 1:1-3:1 Ι S2 1:1-3:1 Ι S3 1:1-3:1 Ι S4 1:1-3:1 Μ S5 1:1-3:1 Μ F2 S1 1:1-3:1 Ι S2 1:1-3:1 Ι S3 1:1-3:1 Ι S4 1:1 Ο 2:1 Ο 3:1 Ι S5 1:1-3:1 Μ F3 S1 1:1-3:1 Ι S2 1:1-3:1 Ι S3 1:1-3:1 Ι S4 1:1 Μ 2:1 Ι 3:1 Ι S5 1:1-3:1 Μ * Ι: Ικανοποιητική, Ο: Οριακή, Μ: Μικρή 3.2 Διεισδυτικότητα Ο όρος «Διεισδυτικότητα» (Penetrability) περιγράφει το μέγιστο μήκος από το σημείο ένεσης που μπορεί να διεισδύσει ένα συγκεκριμένο αιώρημα σε ένα συγκεκριμένο αμμώδες έδαφος κάτω από καθορισμένη μέγιστη πίεση εμποτισμού (Μάρκου, 1995). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των ενέσεων που εκτελέστηκαν για τον προσδιορισμό της ενεσιμότητας επιχειρήθηκε, σε δεύτερο στάδιο, να προσδιοριστεί ακριβέστερα το μέγιστο μήκος διείσδυσης των αιωρημάτων εντός των εδαφικών στηλών με τη βοήθεια της εργαστηριακής διάταξης που φαίνεται στο Σχήμα 3β. Στον Πίνακα 4 συνοψίζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη διενέργεια των εμποτισμών αυτών. Προκειμένου να υπάρξει κάποια κλιμάκωση σε ό,τι αφορά στην ευκολία ή δυσκολία εισπίεσης των αιωρημάτων, υιοθετήθηκαν οι παρακάτω χαρακτηρισμοί της διεισδυτικότητας. Συγκεκριμένα, η διείσδυση Πίνακας 4. Διεισδυτικότητα Αιωρημάτων Πειραματικά Αποτελέσματα Table 4. Penetrability of Suspensions Experimental Results Τσιμέντο Άμμος Λόγος Ν/Τ F0 F2 F3 Αποτέλεσμα* Μ.Δ. $ (cm) S1 1:1-3:1 Β >134 S2 1:1-3:1 Β >134 S3 1:1 Ι >134 2:1 Ι >134 3:1 Β >134 S4 3:1 Μ 16.2 S5 1:1-3:1 Μ - S1 1:1-3:1 Β >134 S2 1:1-3:1 Β >134 S3 1:1-3:1 Β >134 S4 1:1 Μ 10.7 2:1 Ι >134 3:1 Β >134 S5 3:1 Μ 13.4 S1 1:1-3:1 Β >134 S2 1:1-3:1 Β >134 S3 1:1-3:1 Β >134 S4 1:1 Ο 92.7 2:1 Ο 83.0 3:1 Ι >134 S5 3:1 Μ 22.8 * Β: Βέλτιστη, Ι: Ικανοποιητική, Ο: Οριακή, Μ: Μικρή $ Μ.Δ.: Μήκος Διείσδυσης Αιωρήματος του αιωρήματος χαρακτηρίζεται ως «βέλτιστη» όταν διεισδύει όλη η ποσότητα αιωρήματος (όγκος εισπιεσμένου αιωρήματος ίσος με το διπλάσιο του όγκου των κενών της άμμου στη στήλη) με χαμηλή πίεση εμποτισμού, ως «ικανοποιητική» όταν διεισδύει όλη ή σχεδόν όλη η ποσότητα αιωρήματος με αύξηση της πίεσης εμποτισμού, ως «οριακή» όταν η στήλη εμποτίζεται σε μήκος μεγαλύτερο των 60 cm με τη μέγιστη πίεση των 700 kpa και ως «μικρή» όταν η στήλη εμποτίζεται σε μήκος μικρότερο των 60 cm με τη μέγιστη πίεση εμποτισμού των 700 kpa. Από τα πειραματικά αποτελέσματα των εμποτισμών που παρουσιάζονται στον Πίνακα 4, προκύπτει ότι τα αιωρήματα όλων των τσιμέντων (κοινού και λεπτόκοκκων) διεισδύουν εύκολα στις άμμους 5-10 και 10-14. Τα αιωρήματα με βάση τα λεπτόκοκκα τσιμέντα F2 και F3 εμφάνισαν βέλτιστη διεισδυτικότητα εντός των εδαφικών στηλών της άμμου 14-25, ενώ η ικανοποιητική διείσδυση των αιωρημάτων κοινού τσιμέντου F0 με λόγους Ν/Τ 1:1 και 2:1 στη συγκεκριμένη άμμο, συνοδεύτηκε από αύξηση της πίεσης εμποτισμού. Τα αιωρήματα κοινού τσιμέντου F0 εμφανίζουν αδυναμία 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 5

εισπίεσης σε στήλες άμμου 25-50, ενώ ικανοποιητική διεισδυτικότητα στη συγκεκριμένη άμμο, παρουσιάζουν τα αιωρήματα μόνο των λεπτόκοκκων τσιμέντων (F2 και F3) με λόγους Ν/Τ ίσους με 2:1 και 3:1. Η καλύτερη συμπεριφορά των εν λόγω αιωρημάτων του τσιμέντου F2 σε σύγκριση με αυτά του λεπτότερου τσιμέντου F3 αποδίδεται στις χαμηλότερες τιμές ιξώδους των πρώτων σε σχέση με τα δεύτερα (Πίνακας 1). Επίσης, η άμμος 25-50 εμποτίστηκε σε μήκος 90 cm περίπου και από το αιώρημα του λεπτότερου διαθέσιμου τσιμέντου F3 με λόγο Ν/Τ ίσο με 1:1. Η διεισδυτικότητα όλων των εξεταζόμενων αιωρημάτων σε εδαφικές στήλες άμμου 50-100 είναι σημαντικά μειωμένη καθώς τα μήκη διείσδυσης που προσδιορίστηκαν, κυμαίνονται από 13 cm έως 23 cm (Πίνακας 4). Η ανωτέρω παρατήρηση οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η άμμος 50-100 αποτελεί το άνω όριο διεισδυτικότητας των αιωρημάτων λεπτόκοκκων τσιμέντων. Η διαπίστωση αυτή συνάδει και με τα αποτελέσματα που αφορούν την ενεσιμότητα των αιωρημάτων (Πίνακας 3). 3.3 Αποτίμηση Αποτελεσμάτων Συνοψίζοντας τα αποτελέσματα (Πίνακες 3 και 4) που αφορούν στην κλιμάκωση της ενεσιμότητας και της διεισδυτικότητας των αιωρημάτων τσιμέντου σε ομοιόμορφες άμμους, προκύπτει, όπως αναμενόταν, ότι η μείωση του μεγέθους των κόκκων του εδαφικού σχηματισμού επιφέρει αύξηση στο βαθμό δυσκολίας εισπίεσης των αιωρημάτων εντός των στηλών άμμου. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι η μείωση του μεγέθους των κόκκων του εδαφικού σχηματισμού ρυθμίζει και το μέγεθος των κενών του. Η μείωση του μεγέθους των κενών, επακόλουθα, διαφοροποιεί τη γεωμετρική συσχέτισή τους με το μέγεθος των κόκκων του τσιμέντου του αιωρήματος, με αποτέλεσμα να τίθενται επιπλέον εμπόδια στη ροή του διαμέσου του εδαφικού σχηματισμού (Ατματζίδης, 1988). Στη βελτίωση της ενεσιμότητας και την αύξηση του μήκους διείσδυσης των αιωρημάτων συμβάλλει ουσιωδώς και η αύξηση του λόγου νερού προς τσιμέντο. Επιπρόσθετα, η αύξηση της λεπτότητας του τσιμέντου επηρεάζει θετικά την ενεσιμότητα και τη διεισδυτικότητα των αιωρημάτων αναδεικνύοντας με τον τρόπο αυτό τη χρησιμότητα των λεπτόκοκκων τσιμέντων και την προσπάθεια ανάπτυξης νέων υλικών. Η αύξηση της πίεσης εμποτισμού βελτιώνει το αποτέλεσμα της ένεσης μόνο σε οριακές περιπτώσεις από πλευράς γεωμετρικής σχέσης μεταξύ μεγεθών κόκκων τσιμέντου και κενών άμμου. Αντίθετα, σε περιπτώσεις όπου η εν λόγω σχέση δεν επιτρέπει διείσδυση του αιωρήματος, η αύξηση της πίεσης εμποτισμού δεν επηρεάζει την έκβαση της ένεσης. Καταλήγοντας, προκύπτει ότι τα αιωρήματα των χρησιμοποιούμενων λεπτόκοκκων τσιμέντων (F2 και F3) με λόγους νερού προς τσιμέντο 2:1 και 3:1 κατά βάρος μπορούν να διεισδύσουν σε ικανοποιητικό μήκος εντός σχηματισμών με κοκκομετρίες μέσης έως λεπτόκοκκης άμμου (ASTM D422). 4. ΣΧΕΣΕΙΣ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΕΝΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ Με βάση εργαστηριακές και επί-τόπου παρατηρήσεις έχουν διατυπωθεί γενικά κριτήρια που βασίζονται στην κοκκομετρική σύνθεση του εδάφους και του τσιμέντου που αποτελεί τη βάση για την παρασκευή του αιωρήματος προκειμένου να εκτιμηθεί, τουλάχιστον σε προκαταρκτικό στάδιο, το μέγεθος της ενεσιμότητας. Τα κριτήρια αυτά ονομάζονται «Κριτήρια Ενεσιμότητας» (Mitchell, 1981; Verfel, 1989) και ορίζονται ως: D15 ά D85 ή D10 ά D ή N (1) 1 N2 (2) 95 όπου D 10, D 15, D 85, και D 95 είναι χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων του εδάφους και του αιωρήματος τσιμέντου. Η ένεση θεωρείται πραγματοποιήσιμη όταν N 1 >25 ή N 2 >11 και μη εφικτή όταν N 1 <11 ή N 2 <6. Η ικανοποίηση του κριτηρίου N 1 >20 αποτελεί την ελάχιστη συνθήκη για ενεσιμότητα, ενώ για να επιτευχθεί ικανοποιητικό μήκος διείσδυσης πρέπει να επαληθεύεται το κριτήριο N 1 50. Στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης, διερευνήθηκε η αξιοπιστία της πρόβλεψης που παρέχουν τα προαναφερθέντα κριτήρια ενεσιμότητας σε ότι αφορά στα υλικά (τσιμέντα, άμμοι) που χρησιμοποιήθηκαν για τη διενέργεια των εργαστηριακών εμποτισμών. Στον Πίνακα 5 παρατίθενται οι τιμές των λόγων Ν 1 και Ν 2 με βάση τις Εξισώσεις 1 και 2 και τα χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων των υλικών (άμμοι, τσιμέντα) που εξετάστηκαν. Σύμφωνα με τις τιμές του λόγου Ν 1 (Πίνακας 5) και τα σχετικά κριτήρια, προκύπτει ότι οι άμμοι S1 και S2 μπορούν να εμποτιστούν ικανοποιητικά με τα αιωρήματα όλων των εξεταζόμενων τσιμέντων. Στην άμμο S3, η 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 6

Πίνακας 5. Εκτιμήσεις Ενεσιμότητας Table 5. Groutability Predictions Τσιμέντο Άμμος Ν 1 Ν 2 Ν/Τ Ν F0 S1 70 47 1:1-3:1 58 S2 46 32 1:1-3:1 39 S3 25 17 1:1 23 2:1 23 3:1 23 S4 11 7 1:1-3:1 12 S5 5 3 1:1-3:1 7 F1 S1 119 85 1:1-3:1 101 S2 78 57 1:1-3:1 68 S3 42 30 1:1-3:1 36 S4 19 13 1:1 19 2:1 19 3:1 20 S5 9 6 1:1-3:1 10 F2 S1 210 161 1:1-3:1 183 S2 138 108 1:1-3:1 123 S3 75 58 1:1-3:1 66 S4 34 25 1:1 32 2:1 32 3:1 31 S5 15 12 1:1-3:1 16 F3 S1 297 236 1:1-3:1 260 S2 195 159 1:1-3:1 175 S3 106 85 1:1-3:1 93 S4 47 37 1:1 44 2:1 43 3:1 43 S5 22 18 1:1-3:1 23 ένεση με αιωρήματα των τσιμέντων F0 και F1 είναι πραγματοποιήσιμη ενώ ικανοποιητικό μήκος διείσδυσης μπορεί να επιτευχθεί με τα αιωρήματα των τσιμέντων F2 και F3. Στην άμμο S4, η ένεση δεν είναι πραγματοποιήσιμη με αιωρήματα των τσιμέντων F0 και F1, είναι πραγματοποιήσιμη με αιωρήματα τσιμέντου F2 ενώ ικανοποιητικό μήκος διείσδυσης μπορεί πιθανώς να επιτευχθεί με τα αιωρήματα τσιμέντου F3. Τέλος, η ένεση με τα αιωρήματα όλων των εξεταζόμενων τσιμέντων στην άμμο S5 είναι μη εφικτή ή μη πραγματοποιήσιμη. Συγκρίνοντας τις παραπάνω εκτιμήσεις με τα πειραματικά αποτελέσματα των εμποτισμών (Πίνακες 3 και 4), διαπιστώνεται ότι τα συγκεκριμένα κριτήρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προκαταρκτική εκτίμηση της ενεσιμότητας των εξεταζόμενων αιωρημάτων τσιμέντου σε ομοιόμορφες άμμους, αφού οι προβλέψεις τους είναι γενικά ικανοποιητικές αλλά δεν είναι πάντα εύστοχες ή/και δεόντως ακριβείς. Τα κριτήρια με βάση το λόγο Ν 2 παρέχουν ακόμα πιο αισιόδοξες προβλέψεις οι οποίες αποκλίνουν σημαντικά από τα πειραματικά εξαγόμενα. Τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν τα Κριτήρια Ενεσιμότητας αποδίδονται στο γεγονός ότι συσχετίζουν μόνο συγκεκριμένα κοκκομετρικά χαρακτηριστικά του εδαφικού σχηματισμού και του τσιμέντου που αποτελεί τη βάση για την παρασκευή των αιωρημάτων και δεν λαμβάνουν υπόψη παράγοντες που επηρεάζουν σημαντικά την ενεσιμότητα, όπως το φαινόμενο ιξώδες και ο λόγος νερού προς τσιμέντο των αιωρημάτων καθώς και η κοκκομετρική σύνθεση και η σχετική πυκνότητα της άμμου. Μια πιο νέα προσέγγιση, με σκοπό την πρόβλεψη της ενεσιμότητας αιωρημάτων τσιμέντου, πραγματοποιήθηκε από τους Akbulut και Saglamer (2002). Ως επιστέγασμα αυτής της διερεύνησης, διατυπώθηκε μία εμπειρική σχέση, η οποία βασίστηκε σε πειραματικά ευρήματα. Η εμπειρική σχέση που προτάθηκε είναι της μορφής: D N = D 90 ( ) 10 ά w c P + k1 + k2 ( ή ) FC Dr (3) όπου N η ενεσιμότητα, w/c ο λόγος νερού προς τσιμέντο, FC το ποσοστό εδάφους που διέρχεται από το κόσκινο #30 κατά ASTM (άνοιγμα οπών: 0.6 mm), P η πίεση εμποτισμού σε kpa, D r η σχετική πυκνότητα του εδάφους και k 1, k 2 σταθερές που βασίζονται σε εργαστηριακές παρατηρήσεις και λαμβάνουν τις τιμές: k 1 =0.5 και k 2 =0.01 (1/kPa), αντίστοιχα. Έχει ληφθεί ως όριο ενεσιμότητας για τη σχέση αυτή η τιμή 28. Για Ν>28 το έδαφος μπορεί να εμποτιστεί ικανοποιητικά από αιωρήματα τσιμέντου, ενώ για Ν<28 η ένεση καθίσταται μη εφικτή. Η Εξίσωση 3 μπορεί να χρησιμοποιηθεί εφόσον ικανοποιούνται οι εξής προϋποθέσεις: 0%<FC<6%, 0.8<w/c<2 και 50<Ρ<200. Εάν ισχύει FC>0.6%, το έδαφος δεν μπορεί να εμποτιστεί ικανοποιητικά. Εάν ο λόγος νερού προς τσιμέντο είναι μικρότερος του 0.8:1 δεν είναι δυνατός ο ικανοποιητικός εμποτισμός του εδάφους, ακόμη και αν η πίεση εμποτισμού αυξηθεί πάνω από 200 kpa. Αντίθετα, σε περιπτώσεις που ο λόγος νερού προς τσιμέντο του αιωρήματος είναι μεγαλύτερος του 2:1, μπορεί η τιμή του N να προκύπτει μεγαλύτερη του 28 (ικανοποιητική ενεσιμότητα), αλλά το αιώρημα υφίσταται φιλτράρισμα (άρα όχι ικανοποιητική διείσδυση) ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που η πίεση εμποτισμού έχει αυξηθεί σημαντικά. Επίσης, ακόμη και αν 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 7

αυξηθούν η πίεση εμποτισμού και ο λόγος νερού προς τσιμέντο ενός αιωρήματος, δεν προκύπτει ότι αυτό θα διεισδύσει στο έδαφος εφόσον το ποσοστό λεπτών συστατικών είναι μεγαλύτερο του 6%. Παρά τους περιορισμούς που τίθενται σε ότι αφορά στην εφαρμογή της συγκεκριμένης εμπειρικής σχέσης (Εξίσωση 3), επιχειρήθηκε να αξιολογηθεί η αξιοπιστία της σε σύγκριση με τα ευρήματα που προέκυψαν από τους εμποτισμούς που διενεργήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης. Οι τιμές της ενεσιμότητας Ν από την εφαρμογή της Εξίσωσης 3 συνοψίζονται στον Πίνακα 5. Μετά από αξιολόγηση των τιμών αυτών, παρατηρείται ότι οδηγούν σε περίπου αντίστοιχες προβλέψεις με αυτές των Κριτηρίων Ενεσιμότητας με βάση το λόγο Ν 1 (Εξίσωση 1) και, ως εκ τούτου, σε αντίστοιχη συμφωνία ή ασυμφωνία με τα αποτελέσματα των εργαστηριακών εμποτισμών της παρούσας έρευνας. Η διαπίστωση ότι η εν λόγω εμπειρική σχέση εκτίμησης της ενεσιμότητας, παρά το γεγονός ότι λαμβάνει υπόψη παράγοντες που είναι γνωστό ότι επηρεάζουν την ενεσιμότητα (λόγος νερού προς τσιμέντο του αιωρήματος, σχετική πυκνότητα του εδάφους και πίεση εμποτισμού με την οποία πραγματοποιείται η ένεση), δεν προσφέρει περισσότερο ακριβή αποτελέσματα από τα Κριτήρια Ενεσιμότητας με βάση το λόγο Ν 1, αποδίδεται στους προαναφερθέντες περιορισμούς που έχουν τεθεί για την εφαρμογή της και οι οποίοι δεν ικανοποιούνται πάντοτε στους εμποτισμούς που εκτελέστηκαν για τους σκοπούς της παρούσας διερεύνησης. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με βάση τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών που εκτελέστηκαν και τις παρατηρήσεις που διατυπώθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διερεύνησης, μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα: Η αύξηση της λεπτότητας του τσιμέντου και του λόγου νερού προς τσιμέντο του αιωρήματος συμβάλλουν ουσιωδώς στη βελτίωση της ενεσιμότητας και την αύξηση του μήκους διείσδυσης των αιωρημάτων. Η μείωση του μεγέθους των κόκκων του αμμώδους σχηματισμού επιφέρει αύξηση στο βαθμό δυσκολίας εισπίεσης των αιωρημάτων εντός των στηλών άμμου δυσχεραίνοντας τη διεισδυτικότητά τους. Αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων με λόγους νερού προς τσιμέντο 2:1 και 3:1 κατά βάρος μπορούν να διεισδύσουν σε ικανοποιητικό μήκος εντός σχηματισμών με κοκκομετρίες μέσης έως λεπτόκοκκης άμμου. Οι εκτιμήσεις της ενεσιμότητας των αιωρημάτων τσιμέντου με βάση τα κριτήρια ενεσιμότητας και μία εμπειρική εξίσωση που αναφέρεται στη βιβλιογραφία, παρότι είναι σε αρκετές περιπτώσεις ικανοποιητικές, δεν επαληθεύονται απόλυτα από τα εργαστηριακά ευρήματα. Επομένως, κρίνεται σκόπιμο να διατυπωθούν ακριβέστερες μέθοδοι για την πρόβλεψη της ενεσιμότητας αιωρημάτων τσιμέντου. 6. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο πλαίσιο εκτέλεσης του Ερευνητικού Έργου 03ΕΔ527 του ΠΕΝΕΔ 2003 που συγχρηματοδοτήθηκε κατά 75% της Δημόσιας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή Ένωση ΕΚΤ, 25% της Δημόσιας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο ΥΠ.ΑΝ. Γ.Γ.Ε.Τ. και από τον Ιδιωτικό Τομέα. 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Akbulut S., and Saglamer A., (2002), "Estimating the groutability of granular soils: a new approach", Tunnelling and Underground Space Technology, Elsevier Science Ltd., Vol. 17, pp. 371-380. Ατματζίδης Δ.Κ., (1988), "Ενίσχυση εδαφών με αιωρήματα πολύ λεπτόκοκκου τσιμέντου", Πρακτικά, 1o Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής Μηχανικής, Αθήνα, Τόμος 2, σελ. 9-13. Littlejohn G.S., (1982), "Design of cement based grouts", Proceedings, Conference on Grouting in Geotechnical Engineering, Baker W.H., Editor, New Orleans, U.S.A., ASCE, Vol. 1, pp. 35-48. Μάρκου Ι.Ν., (1995), Λειοτριβημένη Ελληνική λιγνιτική ιπτάμενη τέφρα σαν υλικό ένεσης τύπου αιωρήματος για την επί-τόπου βελτίωση ενίσχυση εδαφών, Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών. Mitchell J.K., (1981), "Soil improvement - State of the art report", Proceedings, 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stockholm, Sweden, A.A. Balkema, Vol. 4, pp. 509-565. Verfel J., (1989), Rock Grouting and Diaphragm Wall Construction, Developments in Geotechnical Engineering, Vol. 55, Elsevier Science Publishing Company, Amsterdam, The Netherlands. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 8