Αποτελεσματικότητα ενέσεων εμποτισμού εδαφών με λεπτόκοκκα τσιμέντα

Abstract

Τhe safe construction and operation of many structures frequently requires improvement of the mechanical properties and behavior of soils by permeation grouting using either suspensions or chemical solutions. Cement suspensions have lower cost and are harmless to the environment but cannot be injected into soils with gradations finer than coarse sands. Therefore, efforts have been made to extend the injectability range of cement suspension grouts by developing materials with very fine gradations, called microfine cements. Toward this end, a laboratory investigation was conducted in order to evaluate the properties and the effectiveness of suspensions produced using cements of different type and fineness. More specifically, specially produced cements combining three types (CEM I, CEM II/B-M and CEM IV/B, according to EN 197-1) as well as four gradations (one ordinary and three finer cements having nominal maximum grain sizes of 40 μm, 20 μm and 10 μm) were used. The properties of suspensions, with water to cement ratios (w/c) of 1:1, 2:1 and 3:1 by weight, were determined in terms of viscosity, bleeding, set times and unconfined compression strength. A dosage of superplasticizer equal to 1.4% by weight of dry cement was added to all microfine cement suspensions for viscosity reduction. The effectiveness of cement suspensions were evaluated by conducting one-dimensional injections in different sands placed into grouting columns having a height of 144 cm and a diameter of 7.5 cm, under a maximum injection pressure of 700 kPa. Six different, clean sand gradations with grain sizes limited between sieve sizes (ASTM E11) Nos. 5 and 10, 10 and 14, 14 and 25, 25 and 50, 50 and 100, were used for the production of grouted soils. Every grouted soil consisted of a combination of the previously mentioned sand fractions in certain proportions by weight. The effectiveness of cement suspensions was quantified by conducting unconfined compression, triaxial compression and permeability tests on grouted sand specimens. Strength values up to 14 MPa and permeability reductions up to 5 orders of magnitude can be obtained due to permeation grouting. The results obtained, have shown that w/c ratio, the use of microfine cements, soil grain size and the distance from the injection point are the main factors affecting the improvement of strength and permeability of grouted soil. The friction angle of soil remains unchanged by grouting treatment, which is propably attributed to no disturbance of soil assembly caused by permeation grouting. The obtained Mohr-Coulomb cohesion increase with decreasing w/c ratio and soil grain size and can exceed a value of 2 MPa when soils are grouted with suspensions having water to cement ratio equal to 1:1

Η ασφαλής κατασκευή και λειτουργία των έργων απαιτεί συχνά τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των εδαφών πραγματοποιώντας ενέσεις εμποτισμού είτε με αιωρήματα είτε με χημικά ενέματα. Τα αιωρήματα τσιμέντου έχουν χαμηλό κόστος και είναι αβλαβή για το περιβάλλον, αλλά δεν μπορούν να εμποτιστούν σε εδάφη με διαβάθμιση λεπτότερη των χονδρόκοκκων άμμων. Για το λόγο αυτό, καταβάλλονται προσπάθειες ώστε να βελτιωθεί η ενεσιμότητά τους με την ανάπτυξη νέων υλικών πολύ λεπτής διαβάθμισης που αποκαλούνται λεπτόκοκκα τσιμέντα. Προς αυτή την κατεύθυνση, διεξήχθη εργαστηριακή έρευνα στόχος της οποίας ήταν να αξιολογηθούν οι ιδιότητες και η αποτελεσματικότητα αιωρημάτων τσιμέντου διαφορετικών τύπων και λεπτότητας. Συγκεκριμένα, με λειοτρίβηση τσιμέντων κοινής κοκκομετρίας που συνδυάζουν τρεις τύπους (CEM Ι, CEM II/B-M και CEM IV/B, σύμφωνα με το EN 197-1) προέκυψαν τρεις επιπλέον κοκκομετρίες (ένα λεπτό και δύο λεπτόκοκκα τσιμέντα με ονομαστικό μέγιστο μέγεθος κόκκου 40 μm, 20 μm και 10 μm) για κάθε τύπο. Οι ιδιότητες των αιωρημάτων, που είχαν λόγο νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ) ίσο με 1:1, 2:1 και 3:1 κατά βάρος, προσδιορίστηκαν με βάση το ιξώδες, την εξίδρωση, τους χρόνους πήξης και την αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη. Δόση υπερρευστοποιητή ίση με 1.4% κατά βάρος ξηρού τσιμέντου προστέθηκε στα αιωρήματα τσιμέντου για τη μείωση του ιξώδους. Η αποτελεσματικότητα των αιωρημάτων τσιμέντου αξιολογήθηκε εκτελώντας μονοδιάστατες ενέσεις εμποτισμού σε στήλες άμμου με ύψος 144 cm. και διάμετρο 7.5 cm με μέγιστη πίεση εμποτισμού 700 kPa. Έξι διαφορετικές, καθαρές άμμοι με μεγέθη κόκκων μεταξύ των κόσκινων (ASTM E11) Nos. 5 και 10, 10 και 14, 14 και 25, 25 και 50 και 50 και 100 χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή των εμποτισμένων δοκιμίων. Τα προς εμποτισμό εδάφη προέκυψαν ως συνδυασμός των προαναφερθέντων κλασμάτων άμμου σε συγκεκριμένες κατά βάρος αναλογίες. Η αποτελεσματικότητα των αιωρημάτων τσιμέντου ποσοτικοποιήθηκε διεξάγοντας δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης, τριαξονικής φόρτισης και διαπερατότητας στα εμποτισμένα δοκίμια. Λόγω των ενέσεων η αντοχή του εδάφους σε ανεμπόδιστη θλίψη μπορεί να φτάσει έως 14 MPa και να επιτευχθούν μειώσεις της διαπερατότητας έως 5 τάξεις μεγέθους. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν, έδειξαν ότι ο λόγος Ν/Τ, η χρήση λεπτόκοκκων τσιμέντων, το μέγεθος κόκκων εδάφους και η απόσταση από το σημείο ένεσης είναι οι παράγοντες που επιδρούν κυρίως στη βελτίωση της αντοχής και της διαπερατότητας του εμποτισμένου εδάφους. Οι ενέσεις εμποτισμού δεν μεταβάλλουν τη γωνία τριβής του εδάφους, πιθανότατα διότι δεν διαταράσσουν την δομή του εδάφους. Η συνοχή του εμποτισμένου εδάφους αυξάνεται με τη μείωση του λόγου Ν/Τ και του μεγέθους κόκκων εδάφους και μπορεί να ξεπεράσει τα 2 MPa όταν τα εδάφη εμποτίζονται με αιωρήματα λόγου Ν/Τ ίσου με 1:1.