Διερεύνηση και βελτίωση των κριτηρίων ενεσιμότητας αιωρημάτων για εμποτισμό εδαφών

Abstract

The 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 groutability of suspensions produced using cements of different type and fineness. 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 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 groutability of cement suspensions were evaluated by conducting one-dimensional injections into different sands using two specially constructed devices.The first apparatus was used for groutability evaluation by performing injections into sand columns of a length equal to 36.5 cm and a diameter equal to 7.5 cm. The injection pressures in this device were limited to a maximum value of 200 kPa. The use of the second apparatus allowed adequate laboratory simulation of the grouting process by injecting cement suspensions 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, and 100 and 200, 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. Microfine cement suspensions containing a suitable superplasticizer present comparable properties to the ones reported in the literature for similar materials. Groutability of cement suspensions increases with increasing cement fineness and water to cement ratio and is affected by suspension viscosity. Microfine cement suspensions with water to cement ratios of 2:1 and 3:1 can penetrate into medium to fine sands. The presence of a fine sand fraction as low as 10% can drastically inhibit the success of the injection process. Predictions of groutability by conventional groutability ratios are not always confirmed by laboratory injections due to the fact that the effect of significant factors, such as water to cement ratio, grout viscosity and sand density, are not considered. In order to study the effects of the parameters on groutability and permeability of cement suspensions, an alternative approach using fuzzy regression analysis is presented and supported by experimental results. The newly developed approach will help for the more accurate prediction of the penetrability of cement suspensions in granular soils.

Η βελτίωση των ιδιοτήτων και της μηχανικής συμπεριφοράς εδαφικών σχηματισμών επιτυγχάνεται με την εκτέλεση ενέσεων εμποτισμού, χρησιμοποιώντας ως ενέματα κυρίως αιωρήματα και χημικά διαλύματα. Τα αιωρήματα τσιμέντου παρουσιάζουν μικρότερο κόστος και θεωρούνται μη επιβλαβή για το περιβάλλον, αλλά το πεδίο εφαρμογής τους περιορίζεται κυρίως σε χονδρόκοκκες άμμους. Εξέλιξη στο πεδίο των τσιμεντενέσεων αποτελεί η χρήση λεπτόκοκκων τσιμέντων που είναι ικανά να διεισδύσουν ακόμα και σε λεπτόκοκκες άμμους. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα εργαστηριακών δοκιμών διερεύνησης των ιδιοτήτων και της διεισδυτικότητας αιωρημάτων τσιμέντου διαφορετικού τύπου και λεπτότητας. Για τους σκοπούς της έρευνας χρησιμοποιήθηκαν ειδικά παρασκευασμένα τσιμέντα που συνδυάζουν τρεις τύπους τσιμέντου (CEM I, CEM II/B-M και CEM IV/B, σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Τσιμέντων EN 197-1) και τέσσερεις κοκκομετρικές συνθέσεις (ένα κοινό και τρία λεπτόκοκκα με μέγιστα ονομαστικά μεγέθη κόκκων ίσα με 40 μm, 20 μm και 10 μm, αντίστοιχα). Οι διερευνηθείσες ιδιότητες των αιωρημάτων, με κατά βάρος αναλογίες νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ) 1:1, 2:1 και 3:1, είναι: το ιξώδες, η εξίδρωση, οι χρόνοι πήξης και η αντοχή πριν και μετά τη σκλήρυνση. Σε όλα τα αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων προστέθηκε κατάλληλος υπερρευστοποιητής σε δοσολογία 1,4% κατά βάρος ξηρού τσιμέντου προκειμένου να επιτευχθεί μείωση του ιξώδους. Η ενεσιμότητα των αιωρημάτων μελετήθηκε πειραματικά με την εκτέλεση μονοδιάστατων εμποτισμών σε δύο διατάξεις. Στην πρώτη εμποτίζονται στήλες άμμου εσωτερικής διαμέτρου 7,5 cm και ύψους 36,5 cm με μέγιστη πίεση εμποτισμού 200 kPa. Η δεύτερη επιτρέπει τον εμποτισμό στηλών άμμου ύψους 144 cm και διαμέτρου 7,5 cm με μέγιστη πίεση εμποτισμού 700 kPa. Έξι άμμοι με μεγέθη κόκκων που περιορίζονται από τα κόσκινα (ASTM E11) #5 και #10, #10 και #14, #14 και #25, #25 και #50, #50 και #100, και #100 και #200 χρησιμοποιήθηκαν είτε αυτούσιες είτε σε διάφορες αναλογίες για την παραγωγή μεγάλης ποικιλίας εδαφών για εμποτισμό. Τα αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων που περιέχουν κατάλληλο υπερρευστοποιητή παρουσιάζουν συγκρίσιμες ιδιότητες σε σχέση με εκείνες που αναφέρονται στη βιβλιογραφία και αφορούν παρόμοια υλικά. Η διεισδυτικότητα των αιωρημάτων τσιμέντου αυξάνεται με την αύξηση της λεπτότητας του τσιμέντου και του λόγου νερού προς τσιμέντο, ενώ επηρεάζεται και από το ιξώδες του αιωρήματος. Τσιμεντενέσεις με λόγους νερού προς τσιμέντο ίσους με 2:1 και 3:1 μπορούν να εκτελεστούν με επιτυχία σε μέσες έως λεπτόκοκκες άμμους. Η ύπαρξη ενός λεπτότερου κλάσματος άμμου, σε ποσοστό μικρότερο του 10% κατά βάρος, δρα ανασταλτικά σε ό,τι αφορά στο αποτέλεσμα της ένεσης Τα κριτήρια ενεσιμότητας δεν επαληθεύονται απόλυτα από τα εργαστηριακά ευρήματα, γεγονός που οφείλεται στο ότι βασίζονται σε χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων αιωρήματος και εδάφους και δε λαμβάνουν υπόψη παράγοντες όπως ο λόγος νερού προς τσιμέντο, το ιξώδες του αιωρήματος και η πυκνότητα της άμμου. Προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση των παραμέτρων στη διεισδυτικότητα των αιωρημάτων τσιμέντου, αναπτύχθηκε μία μέθοδος πρόβλεψης του μήκους διείσδυσης με τη χρήση ασαφούς γραμμικής παλινδρόμησης, η οποία βασίστηκε σε πειραματικά αποτελέσματα. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε μπορεί να συμβάλλει στην ακριβέστερη εκτίμηση της διεισδυτικότητας των αιωρημάτων τσιμέντου σε πορώδη εδάφη