Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2015 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi B.) oldalak: 347 354 Agyagtalaj stabilizációja pernyével Stabilization of clay soil with fly ash Nagy Roland Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, nagy.roland006@gmail.com Nagy Gábor Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, nagy.gabor@mail.bme.hu ÖSSZEFOGLALÁS: A feleslegessé vált pernye kötött talajok talajstabilizációra történő felhasználásáról kevés a szakirodalomban rendelkezésre álló információ. Ez annak tudható be, hogy a talajstabilizációt általában meszes kezeléssel, nem pedig pernye alapú kötőanyagok alkalmazásával végzik. Jelen publikáció egy pernye felhasználásával történő talajjavítás vizsgálatát mutatja be. A kutatás során összesen 535 darab próbatest készült annak tükrében, hogy a viszonylag ismeretlen pernye kötőanyag, a rendelkezésre álló agyag és az adagolt víz komponensek optimális keverési aránya megállapítható legyen. A talaj stabilizációjához felhasznált kötőanyag kohósalak-pernye alapú volt, mely hasonló a CEM III hidraulikus kohósalak cementhez. A kutatásból nyert adatok egy árvízvédelmi gátban létesülő résfal összetevőinek meghatározásához szolgálnak iránymutatással, ahol nagyon fontos az áteresztőképességi együttható ismerete. Fő cél volt a kritériumoknak leginkább megfelelő és leghasznosabb felhasználást lehetővé tevő keverék összetételének meghatározása. A cikkben ismertetett vizsgálatok elvégzése után az eredményeket 3D-s diagramokon is ábrázoltuk, melyek segítettek a mért eredmények értékelésében. A kutatást a BME Geotechnikai Tanszéken végeztük el, az adatok az itt elvégzett méréseken alapulnak. Kulcsszavak: Talajjavítás, Agyag, Pernye, Áteresztőképességi együttható, Vízzáró falak ABSTRACT: If we would like to use redundant fly ash for soil stabilisation, we have only few available information. Partly because in most cases cohesive soils, like clays with high plasticity, are satibilized earlier with lime. This article presents shortly the research and it s resault. Overall we made and examined 535 samples. We hoped that we find the appropriate ratio of the 3 component. The binder, that we used for the stabilization, based on slag and fly ash, is similar to CEM III hydraulic slag cement. We can use this stabilized soil mash in a dike as diaphragm wall. In this case coefficient of permeability is very imortant. Main aim was to find the mash, which is the mostly appropriate for the requirements and also allows the most useful utilization. Accordingly, we made nearly 550 soil samples, gradually reducing the dosage quantity of binder. Moreover, we changed the other two phase, namely quantities of soil and water. After examinations which you can find in the article, the results were illustrated in 3D diagrams beacause of best illustration. These shows the necessary datas for the optimum component of mashes. This research was made at the Department of Geotechnics of the Budapest University of Technology and Economics. Datas are based on our measurements, that we made at this institution. Keywords: Soil improving, Clay, Fly ash, Coefficient of permeability, Watertight walls 1 BEVEZETÉS A vizsgálatok célja alapvetően egy olyan vízzáró talajkeverék előállítása volt, mely a gyakorlatban is alkalmazható vízzáró résfal formájában. A stabilizált talajkeveréket árvízvédelmi töltésekben lehet elsősorban felhasználni. Fontos szempont volt így, hogy olyan keverék készüljön, mely friss állapotában is folyós, konzisztenciájában megközelíti az öntömörödő beton tulajdonságait, hiszen a felhasználás helyén egy vékony rés -be kell befolynia, azt hézagmentesen kitöltenie. Mivel a talajstabilizációval a
Nagy Roland Nagy Gábor vizsgált talaj számos tulajdonsága megváltozik, fontossági sorrendet kellett felállítani, hogy melyen paraméterek változása a fő cél. Elsődleges szempont volt, hogy minél kisebb víz-áteresztőképességű mintát tudjunk előállítani. Másodlagos igény volt a talajkeverék nyomószilárdsága, valamint a bedolgozás során felhasználandó energia minimalizálása. Az ilyen módon sikeresen előállított vízzáró talajkeveréket így vízzáró munkatérhatárolási feladatoknál, illetve kötőanyaggal történő talajjavítások esetében is alkalmazni tudják a későbbiekben, hiszen a tervezéshez szükséges bemenő adatok már biztosíthatóak. Fontos azonban, hogy mindezt csak egy adott talajhoz lett kikísérletezve, más plaszticitású talajok esetében a később részletezett tulajdonságok változnának. Az építőmérnöki gyakorlatban tapasztaltak alapján valószínűsíthető, hogy eltérés jelentkezne egy megvalósult szerkezet helyszíni vizsgálatánál kapott adatok és a laboreredmények között. Ezért elengedhetetlen, hogy egy már kivitelezett szerkezet esetében helyszíni mérésekkel igazoljuk azt, hogy a tervezés során felvett értékek kellő mértékben fedik a valóságot. A leírtaknak megfelelően határoztuk meg a kutatás elején a feladatokat, célkitűzéseket, majd a vizsgálati szempontokat. Az egyes vizsgálatok során alkalmazott módszereknek megfelelően értékeltük a mérési eredményeket és levontuk munkánkból a következtetéseket. Jelen cikk keretein belül a nyomószilárdság értékeinek alakulását, illetve a két különböző korban mért nyomószilárdsági értékek összefüggéseit emeljük ki. 1.1 Áteresztőképességi együttható A kötött, kis-áteresztőképességű talajok szivárgási tényezője meghatározásának leggyakrabban alkalmazott módja a laboratóriumi kísérlet. Mellette szól az in situ vizsgálatokkal szembeni viszonylagos olcsósága, s ennek megfelelően a nagyobb minta darabszám. A "k" tényező laboratóriumi meghatározása a következő módszerekkel lehetséges: Nagy (2008) állandó víznyomás mellett, változó víznyomás mellett, ödométeres készülék, triaxiális vizsgálat. A vizsgálat során a keverékek áteresztőképességi együtthatója széles skálán változott. (1 10 4 1 10 10 m/s) A keverési arányok esetén, mivel a gazdaságosságot is szem előtt kell tartani a mérnöki problémák megoldása során, a rendelkezésre álló talaj adta a keverékek térfogatának nagy részét. Ennek megfelelően ezen esetekben egy kötött talaj áteresztőképességi együtthatóját kellett vizsgálni, míg nagyobb mennyiségű kötőanyag adagolás mellett (1-25. keverékek), már jelentősen változott az áteresztőképességi együttható értéke. 1.2 Egyirányú nyomószilárdság Az összes talajjavítási eljárás gyenge pontja annak igazolása, hogy valóban sikerült-e elérni a kívánt eredményt. Az elvárt minőség biztosítása és ellenőrzése két fázist jelent: megfigyelést a kivitelezés közben, majd annak befejeztével az eredményességet igazoló geotechnikai vizsgálatok végzését. A konzisztencia, bedolgozhatóság és egyirányú nyomószilárdság paramétereinek meghatározása jellemzően mind laboratóriumban történnek. Ez az egyik módszer egy szóban forgó talaj kezelési lehetőségeinek elemzésére és a mélykeverés eredményének ellenőrzésére. A laboratóriumban kevert minták nyújtanak lehetőséget annak vizsgálatára, hogy milyen kötőanyag mennyiség, milyen fajta kötőanyag, vagy a kötőanyag és az adalékszer milyen kombinációja, milyen hézagtényező és milyen víz/kötőanyag arány szükséges a talaj előirányzott minőségű stabilizálására. 1.3 Konzisztencia Fontos, hogy nem csak egyszerű talajra vizsgáltuk a bedolgozhatóság mértékét, hanem talaj-pernye keverékekre is. Az agyagásványokat tartalmazó talajokban a víztartalommal változik a szemcsék kapcsolatának erőssége. Ennek következtében ezek a talajok az agyagásványos (mennyiségi és minőségi) összetételeitől függően a víztartalom változásával eltérő módon viselkednek. A talajok vízzel érintkezve megváltoztatják eredeti állapotukat. Nagyobb vízmennyiség a talajt folyóssá teszi, amely lassan száradva gyúrhatóvá alakul, és végül kemény, térfogat állandóságú lesz. Ezek az átmentek folyamatosak. 348
Agyagtalaj stabilizációja pernyével 2 AZ ELVÉGZETT KUTATÁS ISMERTETÉSE Munkánk során egy tiszántúli anyagnyerőhelyről a laboratóriumba beszállított mintán végeztük a vizsgálatokat. A talaj megnevezését a kötött talajokra vonatkozó előírások alapján határoztuk meg. (MSZ EN ISO 14688-1 és MSZ EN ISO 14688-2 alapján) Ezek alapján a vizsgált talaj nagy vízfelvevő képességű, duzzadásra is hajlamos nagy plaszticitású kövér agyag. [I p =80,56%, I c =1,00] Kiszáradt állapotban nagy szilárdsága volt (egyirányú nyomószilárdsága átlagosan 2500 kpa), nem porlott. Megvágva fényes felületű, csak nedvesen volt könnyen sodorható, vízbe helyezve sem esett szét. A kézre és munkaeszközökre a sodrási határon túl levő víztartalom mellett erősen tapadt, megvizezve a felületét fénylett. Az alábbi 1. ábrán a Casagrande vizsgálathoz készítettük elő a talajt. 1. ábra. Plaszticitási index meghatározása (Define of plasticity index) 2.1 Eredmények bemutatása A kutatatás választ ad arra, hogy mennyiben tudjuk befolyásolni a már önmagukban is megfelelőnek mondható kötött talajok paramétereit, ha azokhoz pernye alapú kötőanyagot adagolunk előre megtervezett módon. Viszonylag ismeretlen anyag hatásainak vizsgálatához 3 fázisban készültek keverékek és mérések, mindig az előző keverékek vizsgálatainak eredményei tükrében. A 2. ábra mutatja be víz/kötőanyag tényező és kötőanyag adagolás függvényében a vizsgált keverési arányokat. A vizsgálatokat 3 próbatesten végeztük el minden esetben, egyrészt kiszűrve így az esetlegesen hibás mintákat, másrészt pedig így statisztikai halmazt képezve, az egyes mérések átlagait lehetett figyelembe venni. 2. ábra. A vizsgált keverési arányok (The compostion of the mixtures) A vizsgált pontok lehatárolnak egy enyhén görbült sávot. Ennek a területnek a szélső pontjainak eredményei mutatják a terülés, az áteresztőképesség és nyomószilárdság változását. Az első sorozatban, - melyek rombusszal vannak jelölve - a szuszpenzió aránya alig néhány esetben haladja meg a 0,50-es értéket, azaz nagy a kötőanyag felhasználása a keverékeknek. Észrevehető továbbá, hogy az első sorozat csoportjain belül az egyes pontok nem egymás felett, azaz nem egy függő- 349
Nagy Roland Nagy Gábor leges egyenesen helyezkednek el, mint a második sorozat esetében. Ennek magyarázata, hogy csak az első 25 keveréknél, a víz/kötőanyag tényezőben vettük figyelembe az eredeti 39%-os víztartalmát az agyagnak. A második, kereszttel jelölt sorozat kötőanyag felhasználása átlagosan 1/6-a az első sorozaténak. Így a keverékek nagy részét a kezelendő agyag tölti ki, ennek megfelelően a minták itt már nem egy erősen cementált talajkeverék tulajdonságait mutatták, hanem egy plasztikusan viselkedő kötött talajét. A szilárdság vizsgálatát egyirányú nyomószilárdság meghatározása jelentette (MSZ 1 4043-2-9-ig Talajmechanikai vizsgálatok szabványokra). Az egyirányú nyomókísérlet jegyzőkönyvei, és a laboratóriumi tapasztalatok alapján kétféle tönkremenetelei módot tapasztaltunk. Egyik egy merev, stabilizált talajminta hirtelen, rideg törése, melynek törésképét határozott törésvonalak alkotják, lemérhető a törési szög (α). Ilyen tönkremenetelt az első sorozat próbatestein tapasztaltunk, ahol nagy kötőanyag felhasználás dominált. (3. ábra.) 3. ábra: Stabilizált talaj törésképe (Fracture profile of the stabilized soil) A másik egy lassan elhúzódó tönkremenetel, nagy összenyomódás, kis erő hatására. Ebben az esetben a minta kihasasodott, felületén csúszólapsereg jelent meg. (4. ábra) A tönkremeneteli mód plasztikus folyás, ahol a törőerőt a 20% fajlagos összenyomódáshoz tartozó terhelési értéknél definiáltuk. Amikor a töréseket a második sorozat próbatestein végeztük, azok az első sorozathoz képest puhábbak voltak az agyagtartalom növelése miatt, főleg 7 napos korban. 4. ábra: Puha, alacsonyabb szilárdságú agyagok törésképe (Fracture profile of the low strenght soft clay) A következő oldalon az 1. táblázat mutatja be a három sorozathoz tartozó keverési arányokat, valamint a 7- és 28 napos nyomószilárdsági értékeket. A szilárdulás nyomonkövethetősége érdekében a próbatesteket 7 és 28 napos korban vizsgáltuk. Az első sorozat mérése után nagy korreláció mutatkozott (R 2 =0,97) (5. ábra). Összevetve azonban a második mérési sorozat eredményeivel (6. ábra), látható, hogy ott jelentősen kisebb ez az érték, (R 2 =0,77). Ez betudható annak, hogy míg az első sorozat egy betonszerű anyagot eredményezett, melynek szilárdulásásból következő nyomószilárdság változása jól látható, a második sorozatnál egy enyhén kezelt agyag tulajdonságait vizsgáltuk, melynél az adagolt kötőanyag nem befolyásolta jelentősen a szilárdság alakulását. 350
Agyagtalaj stabilizációja pernyével 1. táblázat. A keverékek receptúrái és nyomószilárdsági értékeik (Recipes of samples and it s uniaxial strenght) Víz Sorszám Kötőanyag Az egyes keverékek nyomószilárdsági értékei Agyag 7 Napos Víz 28 Napos Sorszám Kötőanyag Agyag 7 Napos 28 Napos 1 275 1430 750 31,6 18,6 29 217 100 2100 331,5 3252,7 2 366 1144 750 11,5 26,7 30 225 225 1960 572,8 2589,3 3 439 915 750-25,1 31 240 180 1960 505,7 3100,7 4 488 763 750 42,5 23,0 32 250 150 1960 - - 5 523 654 750 35,3 19,5 33 260 120 1960 429,1 4315,7 6 281 1465 700 15,8 13,7 34 263 263 1820 758,1 445,9 7 375 1172 700 7,8 7,9 35 280 210 1820 571,9 670,3 8 450 937 700 23,2 38,0 36 292 175 1820 415,8 2429,4 9 500 781 700 26,0 34,7 37 303 140 1820 337,0 2294,7 10 536 670 700 35,0 37,3 38 300 300 1680 91,8 814,1 11 295 1535 600 49,0 23,5 39 320 240 1680 154,5 134,70 12 393 1228 600-22,9 40 333 200 1680 153,3 284,6 13 471 982 600 49,6 44,2 41 347 160 1680 234,2 1818,7 14 524 818 600 264,5 245,2 42 200 400 1867 748,7 1101,7 15 561 702 600 312,9 308,7 43 320 400 1531 524,3 730,0 16 308 1604 500 36,9 26,4 44 480 600 896 496,0 519,8 17 411 1283 500 35,1 43,0 45 700 700 187 641,6 1175,2 18 493 1027 500 76,5 171,0 46 630 900 196 446,2 1076 19 548 856 500 438,4 816,0 47 715 650 191 472,5 976,3 20 587 733 500 1336,2 1734,1 48 750 500 233 346,6 551,2 21 321 1674 400 33,0 44,3 49 680 400 523 122,5 132,8 22 429 1339 400 13,4 11,9 50 450 180 1372 69,9 243,0 23 514 1071 400 89,1 182,0 51 770 550 131 494,6 606,2 24 571 893 400 1628,9 2937,8 52 600 600 560 327,5 288 25 612 765 400 903,5 1279,8 53 500 500 933 226,4 184,2 26 188 188 2100 234,7 1322,9 54 450 300 1260 144,5 112,8 27 200 150 2100 267,1 3781,7 55 360 300 1512 220,5 230 28 208 125 2100 281,9 2924,9 56 210 300 1932 550,8 757,5 5. ábra. Korreláció értéke az 1-25 mintákra (Correlation of the samples 1-25) 351
Nagy Roland Nagy Gábor 6. ábra. Korreláció értéke 26-41 mintákra (Correlation for 26-41 samples) A harmadik sorozat az első és harmadik között helyezkedik el: a 26-41 mintáknál már nem volt megfigyelhető az összhang, mert a nagy víztartalom miatt fiatal korban a minták még képlékenyek voltak, kis nyomószilárdsággal rendelkeztek. 28 napos korra viszont kiszáradtak, merevvé váltak és ezáltak megugrott a szilárdságuk is. (6. ábra) A 42-56 mintáknál a receptúra szerint mind kisebb mind nagyobb kezdeti víztartalom megtalálható a próbatestekben. Az 1. táblázatban ismertetett nyomószilárdsági eredmények átláthatósága érdekében 3D-s diagramokon is ábrázoltuk azokat. (7. és 8. ábrák) Minden diagramon az alapfelületet befoglaló két tengely a kötőanyag (kg/m 3 ) és a víz/kötőanyag (-). 7 ábra. 7 napos nyomószilárdság változása (Alteration of uniaxial strenght at day of 7) Szembetűnő változás figyelhető meg a 7 és 28 napos nyomószilárdságokat tartalmazó ábrákon. (7. és 8. ábrák) Különösen azok esetében, ahol a próbatestek 300 kg/m 3 alatti kötőanyag mennyiséggel 352
Agyagtalaj stabilizációja pernyével készültek (26-41 minták): a legmagasabb víz/kötőanyag tényezőjű minták rendelkeznek a legalacsonyabb 7 napos szilárdsággal, azonban 28 napos korra már a legmagasabb értékeket veszik fel, miközben a többi próbatestnek is folyamatosan növekedtek a szilárdsági értékeik az idő múlásával. Például a 27. sorszámú minta 1 hetes korban 267 kpa, majd 4 hetesen már 3782 kpa szilárdsággal bír. Ennek feltételezhető oka, hogy nagyobb víztartalom kezdetekben kisebb nyomószilárdságot eredményez. (7 naposan plasztikusabb a keverék még, mint az ugyanakkor alacsonyabb tényezővel kevert minták.) Később a víz nagy részének eltávozása (szobahőmérsékleten, száradás útján) után 28 napos korra megugrik a szilárdsága. Azonban a keverékek a valóságban nem száradhatnak ki ennyire, hiszen egy vízzáró résfal a talajba van beépítve, így az legalább földnedves körülmények közötti víztartalommal fog rendelkezni. Ennek megfelelően a 28 napos nyomószilárdsági adatok csak laboratóriumi eredmények. 8. ábra. 28 napos nyomószilárdság változása (Alteration uniaxial strenght at day of 28) 3 ÖSSZEFOGLALÁS Elmondható, hogy kikísérleteztünk egy olyan arányú 3 fázisú keveréket, melyet a gyakorlatban alkalmazni lehet árvízvédelmi földtöltésekben. A kutatás speciálisan egy, a laboratóriumban bevizsgált és részletesen jellemzett talajtípusról és talajstabilizációról szólt. A kapott agyag talaj áteresztőképessége mellett sikerült oly mértékben változtatni tulajdonságait, hogy az jelentős szilárdsággal is rendelkezzen. Gazdaságossági szempontokat szem előtt tartva a nyomószilárdság értékét 300 kpa-os határ felett (az Eurocode 7 alapján ez az a határ, ami a laza kőzet és a puha talaj közötti átmenetet jelenti), már szükségtelenül nagynak ítéltük, így azon keverékek, melyek nyomószilárdsági értéke a 300 kpa-os határ közelében mozgott, már a felhasználásra alkalmasaknak minősültek. Közülük a választást az áteresztőképességi együttható és a terülési értékek alapján lehet elvégezni. A törési kísérletek során tapasztalható volt, hogy a megszilárdult minta már kevésbé viselkedett a kötött talajokra jellemző módon, plasztikus képet csak a nagyon magas agyagmennyiség adagolása mellett mutatott, a minták nagy részénél a rideg viselkedés volt jellemző. Hangsúlyozzuk, hogy a kutatás során kapott eredmények mind speciálisan erre az agyagra javasolt keverési arányok során tapasztalhatók. Más talajokra, más agyagokra a vizsgálati programot el kell végezni, hogy megállapítható legyen az a keverési arány, amellyel hasonlóan a fent leírtakhoz, meghatározható az előírt szempontoknak megfelelő keverék összetétele. Mindezt elvégezve nagy számú talaj esetén, így a tapasztalatok tükrében megfelelő korreláció esetén lehetne csak olyan receptet adni, ami esetlegesen figyelembe veszi például a plaszticitási index értékét is. 353
Nagy Roland Nagy Gábor IRODALMI HIVATKOZÁSOK Nagy L. 2008. Finomszemcsés talajok áteresztőképessége, Közúti és Mélyépítési Sz., 58.(5-6) 33-40. Nagy L. 2008. Jól graduált talajok áteresztőképességi együtthatója. Közúti és Mélyép. Sz., 58(8): 23-27. Nagy L. 2011. BME, Infrastruktúra földművek jegyzet, Tárgykód: BMEEOGTMIT5, 3-24. 47-56. Nagy R. 2014. Talaj- pernye keverékek vizsgálata, Diplomamunka BSc Nagy R. 2014. Talaj- pernye keverékek vizsgálata, TDK dolgozat Szendefy J. 2009. A hazai talajok szerkezetének és teherbírásának változása meszes talajstabilizáció hatására, BME, Ph.D értekezés Szepessy J. 1991. Árvízvédelmi gátak töltéseinek repedései-kúszási repedések. Hidrológiai Közlöny, 331 354