Η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς εδαφικών και βραχωδών σχηματισμών επιτυγχάνεται συχνά με τη μέθοδο των ενέσεων. Οι ενέσεις εμποτισμού είναι ο παλαιότερος τύπος ενέσεων που αναπτύχθηκε, είναι, οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες, έχουν το ευρύτερο φάσμα εφαρμογών και διακρίνονται σε αιωρήματα και χημικά διαλύματα. Τα πιο γνωστά αιωρήματα και διαλύματα είναι αυτά του τσιμέντου και του πυριτικού νατρίου. Τα αιωρήματα έχουν χαμηλό κόστος και είναι αβλαβή για το περιβάλλον, όμως έχουν περιορισμένο πεδίο εφαρμογής που φθάνει μέχρι τις χονδρόκοκκες άμμους. Αντίθετα, τα διαλύματα μπορούν να εμποτίσουν μέχρι και λεπτόκοκκες άμμους ή και χονδρόκοκκες ιλύες, όμως έχουν σημαντικά υψηλότερο κόστος και, μερικά από αυτά, είναι επιβλαβή για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Για τους λόγους αυτούς γίνεται προσπάθεια να αντικατασταθούν τα χημικά διαλύματα με αβλαβή για το περιβάλλον αιωρήματα που να έχουν το ίδιο πεδίο εφαρμογής. Η προσπάθεια αυτή οδήγησε στην ανάπτυξη των αιωρημάτων λεπτόκοκκων τσιμέντων, με τα πρώτα προϊόντα να εμφανίζονται στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Με την πάροδο του χρόνου, αναπτύχθηκε ένας σχετικά μικρός αριθμός λεπτόκοκκων τσιμέντων που διατίθενται στην αγορά και έχουν κόστος εφαρμογής μεταξύ του κόστους των κοινών τσιμέντων και του κόστους των χημικών διαλυμάτων. Κατά την τελευταία δεκαετία, παρατηρείται διεθνώς αυξημένο ενδιαφέρον για τη δημιουργία και την τεκμηρίωση των ιδιοτήτων νέων λεπτόκοκκων υλικών, με χαμηλότερο κόστος, για χρήση σε ενέσεις τύπου αιωρήματος.
Για τις ανάγκες της εργαστηριακής διερεύνησης χρησιμοποιήθηκαν τρείς τύποι τσιμέντου. Ένα βιομηχανοποιημένο τσιμέντο, ένα καθαρό τσιμέντο Portland και ένα σύνθετο τσιμέντο Portland. Τα δύο τελευταία τσιμέντα, λειοτριβήθηκαν ώστε να προκύψει μία επιπλέον κοκκομετρική σύνθεση από το κάθε ένα με μέγιστο μεγέθος κόκκων 40μm. Ως εδάφη για την παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις διαφορετικής κοκκομετρικής διαβάθμισης ασβεστολιθικές άμμοι και μια χαλαζιακή άμμος Ottawa, με συντελεστές ομοιομορφίας, Cu, κυμαινόμενο μεταξύ 1.20 και 1.46 και χαρακτηριστικό μέγεθος κόκκων, d10, κυμαινόμενο από περίπου 0.3mm έως περίπου 2.0mm. Η έρευνα που εκτελέστηκε και αποτελεί το αντικείμενο αυτής της διατριβής περιλαμβάνει, αρχικά, την τεκμηρίωση των βασικών ιδιοτήτων των αιωρημάτων των τσιμέντων, με δοκιμές εξίδρωσης και ιξωδομέτρησης και τον εργαστηριακό έλεγχο της ενεσιμότητάς τους με δοκιμές εισπίεσης σε μικρά δοκίμια. Τα αποτελέσματα αυτής της διερεύνησης οδήγησαν στον προσδιορισμό του πεδίου εφαρμογής των αιωρημάτων και στη διαμόρφωση του προγράμματος δοκιμών για το κυρίως αντικείμενο της εργασίας, που σχεδιάστηκε και εκτελέστηκε ώστε να τεκμηριωθεί η δυναμική συμπεριφορά των εδαφών που εμποτίζονται με αιωρήματα λεπτόκοκκων και κοινών τσιμέντων. Για το σκοπό αυτό, έγινε παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων που υποβλήθηκαν σε εργαστηριακό έλεγχο (α) για τη μέτρηση των δυναμικών ιδιοτήτων τους, (β) για την αποτίμηση της επίδρασης σειράς παραμέτρων που σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά των αιωρημάτων και των άμμων και τις διαδικασίες εκτέλεσης των δοκιμών και (γ) για την ποσοτικοποίηση της βελτίωσης που προκύπτει από τον εμποτισμό των εδαφών με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων στις ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους.
Ο λόγος νερού προς τσιμέντο, Ν/Τ, είναι η πιο σημαντική παράμετρος που καθορίζει τις ιδιότητες και την συμπεριφορά των αιωρημάτων. Αύξηση του λόγου νερού προς τσιμέντο προκαλεί σημαντική βελτίωση των ρεολογικών χαρακτηριστικών, αλλά έχει δυσμενείς επιπτώσεις στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης των αιωρημάτων και στην αντοχή των ιζημάτων των αιωρημάτων. Η λειοτρίβηση των τσιμέντων επηρεάζει σημαντικά τις τιμές του τελικού ποσοστού εξίδρωσης. Μείωση του μέγιστου μεγέθους κόκκου, dmax, από τα 100μm στα 40μm προκάλεσε μείωση έως και 50% στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης. Αντίθετα, ο τύπος του τσιμέντου έχει μικρή επίδραση στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης. Τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου I42.5 εμφανίζουν τις υψηλότερες τιμές και τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου ΙΙ32.5 τις χαμηλότερες. Ευσταθή αιωρήματα (τελικό ποσοστό εξίδρωσης μικρότερο του 5%) θεωρούνται μόνο τα αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, με λόγο Ν/Τ ίσο με 1:1 και μόνο τα αιωρήματα των υπόλοιπων λειοτριβημένων τσιμέντων (dmax= 40μm) με λόγο νερού προς τσιμέντο ίσο προς 0.6:1.
Ο τύπος του τσιμέντου επηρεάζει τις τιμές του φαινομένου ιξώδους αλλά όχι σε σημαντικό βαθμό. Γενικά, τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου I42.5 έχουν τις υψηλότερες και τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου ΙΙ32.5 τις μικρότερες τιμές φαινομένου ιξώδους. Οι τιμές του φαινομένου ιξώδους των αιωρημάτων τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5 είναι, σε γενικές γραμμές, υψηλές για εμποτισμό σε λεπτόκοκκα εδάφη. Συγκεκριμένα, για λόγους νερού προς τσιμέντο ίσους προς 1:1, 2:1 και 3:1 οι τιμές του φαινομένου ιξώδους κυμαίνονται από 70 έως 190cP, από 14 έως 32cP και από 6 έως 11cP, αντίστοιχα. Για τα πιο πυκνά αιωρήματα, είχαμε για λόγους Ν/Τ ίσους προς 0.6:1 και 0.8:1, τιμές του φαινομένου ιξώδους που κυμαίνονται από 690cP ως 1160cP και 105cP ως 410cP, αντίστοιχα. Οι τιμές του φαινομένου ιξώδους για το τσιμέντο Rheocem 650, λόγω της ταχύπηκτης φύσης του, μετρήθηκαν για χρόνο μικρότερο των 40min. Οι τιμές που αντιστοιχούν στο αρχικό φαινόμενο ιξώδες του αιωρήματος αυτού, είναι μικρότερες σε σχέση με τις τιμές των αιωρημάτων των υπόλοιπων τσιμέντων. Για λόγους νερού προς τσιμέντο ίσους προς 1:1, 2:1 και 3:1 οι τιμές του αρχικού φαινομένου ιξώδους ήταν 55cP, 12cP και 6cP, αντίστοιχα.
Ο εργαστηριακός έλεγχος της συμπεριφοράς σε δυναμική φόρτιση των εμποτισμένων άμμων έγινε με χρήση κατάλληλων δοκιμίων (11.3cm ύψους και 5.0cm διαμέτρου) που παράγονταν χρησιμοποιώντας ειδική διάταξη εμποτισμού μονοδιάστατης ροής. Ο προσδιορισμός των δυναμικών χαρακτηριστικών των εμποτισμένων άμμων διερευνήθηκε με δοκιμές συντονισμού σε στρέψη και κάμψη, σε εικοσιεννέα(29) συνολικά δοκίμια. Από τα πρωτογενή δεδομένα των δοκιμών συντονισμού υπολογίστηκαν το μέτρο διάτμησης, G, το μέτρο ελαστικότητας, E, και ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, Dt και Df, για ευρύ φάσμα τιμών της περιβάλλουσας τάσης και της παραμόρφωσης. Από τα πρωτογενή δεδομένα των δοκιμών ήταν δυνατός ο υπολογισμός και του λόγου Poisson. Για κάθε ιδιότητα που εξετάζεται, γίνεται διερεύνηση της επίδρασης σειράς παραμέτρων που σχετίζονται με τις συνθήκες εκτέλεσης των εργαστηριακών δοκιμών (παραμόρφωση και περιβάλλουσα τάση) και με τα χαρακτηριστικά των συστατικών του εμποτισμένου εδάφους (λόγος νερού προς τσιμέντο, τύπος και κοκκομετρία του τσιμέντου και κοκκομετρία της άμμου). Για λόγους σύγκρισης και αποτίμησης της βελτίωσης που επιφέρει ο εμποτισμός με αιωρήματα τσιμέντου, όμοιες εργαστηριακές δοκιμές εκτελέστηκαν και σε δοκίμια καθαρής άμμου και καθαρού ιζήματος τσιμέντου.
Ο λόγος νερού προς τσιμέντο του ενέματος είναι η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις τιμές του μέτρου διάτμησης, του λόγου απόσβεσης και του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων. Ο τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους. Η τιμές των δυναμικών ιδιοτήτων των εμποτισμένων άμμων εξαρτώνται τόσο από την τιμή της εφαρμοζόμενης περιβάλλουσας τάσης όσο και από την τιμή της αναπτυσσόμενης παραμόρφωσης κατά την εκτέλεση των εργαστηριακών μετρήσεων. Οι τιμές του μέτρου διάτμησης των εμποτισμένων άμμων, για τιμές της περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa, κυμαίνονται από 1200MPa έως 4100MPa για εύρος τιμών της διατμητικής παραμόρφωσης περίπου από 5∙10-5 % έως 2∙10-2 %. Οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων, για τιμές της περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa, κυμαίνονται από 2600 έως 11500MPa για εύρος τιμών της ορθής παραμόρφωσης από περίπου 10-5 % έως 8∙10-3 %. Ο λόγος Poisson των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται γενικά από 0.22 έως 0.44, είναι άμεση συνάρτηση του λόγου νερού προς τσιμέντο και φαίνεται επίσης να επηρεάζεται από την κοκκομετρία της άμμου και λιγότερο από τον τύπο του τσιμέντου. Το τσιμέντο Rheocem 650 έδωσε μεγαλύτερες τιμές του λόγου Poisson σε σχέση με τα υπόλοιπα τσιμέντα, κατά 10% έως 20%.
Για τα εμποτισμένα δοκίμια με ασταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 3:1 σε 2:1) προκάλεσε μέτρια αύξηση των τιμών του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων (κατά 20% έως 30% για την ασβεστολιθική άμμο και 40% για τη χαλαζιακή άμμο Ottawa). Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ασταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 2:1 σε 1:1) προκάλεσε αύξηση των τιμών του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων (κατά 40% έως 50%). Ομοίως, για τα εμποτισμένα δοκίμια με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 2:1 σε 1:1) επέφερε σημαντική αύξηση του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας (κατά 45% έως 60% για την ασβεστολιθική άμμο και 50% για τη χαλαζιακή άμμο Ottawa). Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 40% (από 1:1 σε 0.6:1) προκάλεσε μικρή αύξηση του μέτρου διάτμησης (κατά 20%).
Ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.3% έως 3% για τιμές διατμητικής παραμόρφωσης από περίπου 5∙10-5 % έως 8∙10-2 % και για τιμές περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa. Για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 10-4 σε 10-3 %, αυξάνεται από 120% έως 200% ,ενώ για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 10-3 σε 10-2%, αυξάνεται από 50% έως 80%. Η αύξηση της τιμής της περιβάλλουσας τάσης από 0kPa έως 400kPa, προκαλεί, γενικά, μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης των εμποτισμένων άμμων κατά 5% έως 50% (10% κατά μέσο όρο). Ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.2% έως 3.2% για τιμές ορθής παραμόρφωσης από περίπου 2∙10-5 % έως 1∙10-2 % και για τιμές περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa. Για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 5•10-5 σε 5•10-4 %, αυξάνεται από 110% έως 180% ,ενώ για αύξηση της ορθής παραμόρφωσης από 5•10-4 σε 5•10-3 %, αυξάνεται από 40% έως 70%. Η αύξηση της τιμής της περιβάλλουσας τάσης από 0kPa έως 400kPa, προκαλεί, γενικά, μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης των εμποτισμένων άμμων κατά 5% έως 40% (10% κατά μέσο όρο).
Για τα εμποτισμένα δοκίμια με ασταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 3:1 σε 2:1 προκαλεί αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, από 20% έως και 60%. Ισόποση μείωση του λόγου Ν/Τ από 2:1 σε 1:1 προκαλεί αύξηση έως και κατά 40%. Μοναδική εξαίρεση ήταν η άμμος #30 - #50 όπου η μείωση του λόγου Ν/Τ από 3:1 σε 2:1, προκάλεσε μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη έως και 80% και του λόγου απόσβεσης σε κάμψη έως και 20%. Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ασταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 1:1 σε 0.8:1 προκαλεί αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, από 20% έως και 50%. Ομοίως, για τα εμποτισμένα δοκίμια με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 2:1 σε 1.25:1, προκάλεσε αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη έως και 20%. Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση της τιμής του λόγου Ν/Τ από 0.8:1 σε 0.6:1 προκαλεί μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, έως και κατά 40%.
Ο εμποτισμός των άμμων με αιωρήματα τσιμέντου προκαλεί σημαντική βελτίωση των τιμών του μέτρου διάτμησης, του μέτρου ελαστικότητας, του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη και του λόγου Poisson των καθαρών άμμων. Η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις τιμές των δυναμικών ιδιοτήτων των εμποτισμένων άμμων είναι ο λόγος νερού προς τσιμέντο και το τελικό ποσοστό εξίδρωσης του ενέματος, ενώ ο τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους. Η βελτίωση του μέτρου διάτμησης, G, των εμποτισμένων άμμων, είναι όμοια με τη βελτίωση του μέτρου ελαστικότητας τους, Ε. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης των ασβεστολιθικών άμμων κατά 28 έως 10 φορές κατά μέσο όρο, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 15 έως 6 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο ελαστικότητας των ασβεστολιθικών άμμων κατά 31 έως 11 φορές, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 14 έως 6 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Ο λόγος βελτίωσης του λόγου Poisson των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 1.0 έως 1.8. Για τα ευσταθή (ή κοντά στην ευστάθεια) αιωρήματα, η βελτίωση κυμάνθηκε μεταξύ 1.6 και 1.8 (1.7 κατά μέσο όρο). Για τα ασταθή αιωρήματα, η βελτίωση κυμάνθηκε μεταξύ 1.0 και 1.2 (1.1 κατά μέσο όρο).
Ο λόγος ταχυτήτων και είναι ένας δείκτης αξιολόγησης της μακροσκοπικής συμπεριφοράς των εμποτισμένων εδαφών, αφού μπορεί να δώσει χρήσιμες πληροφορίες για παραμέτρους, όπως το πορώδες και η πυκνότητα των εμποτισμένων εδαφών. Για λόγους Ν/Τ μικρότερους του 1:1 (ευσταθή αιωρήματα), ο λόγος VP/VS είναι αρκετά υψηλός (>2.0), το οποίο ενδεχομένως να οφείλεται στην υψηλή συγκέντρωση τσιμέντου, το χαμηλό πορώδες και την υψηλή πυκνότητα των δοκιμίων, ενώ για λόγους Ν/Τ μεγαλύτερους του 2:1 (ασταθή αιωρήματα), ο λόγος ταχυτήτων είναι κατά μέσο όρο ίσος με 1.7. Η τιμή αυτή θα μπορούσε να προσομοιώσει τη δυναμική συμπεριφορά ενός ψαμμίτη.
Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το λόγο απόσβεσης των ασβεστολι-θικών άμμων κατά 1.65 έως 1.57 φορές, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 1.3 φορές κατά μέσο όρο και κατά 1.35 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Παρατηρείται συνεπώς ότι η περιβάλλουσα τάση δεν επηρεάζει ουσιαστικά τη βελτίωση του λόγου απόσβεσης. Η βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε στρέψη, Dt, των εμποτισμένων άμμων, είναι όμοια με τη βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε κάμψη, Df. Το τσιμέντο Rheocem 650 έδωσε μεγαλύτερη βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε στρέψη (έως και 40%) και περίπου ίδια βελτίωση (κατά μέσο όρο) του λόγου απόσβεσης σε κάμψη των εμποτισμένων άμμων σε σχέση με τα τσιμέντα Ι42.5 και ΙΙ32.5. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τσιμέντο Rheocem 650, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 7.3 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 5.8 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τα τσιμέντα I42.5 και ΙΙ32.5, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 4.2 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 3.0 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τσιμέντο Rheocem 650, ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 5.1 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 3.9 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τα τσιμέντα I42.5 και ΙΙ32.5, ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 6.5 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 5.2 φορές. Τόσο για τα πυκνά αιωρήματα, όσο και για τα αραιά, ο λόγος DF/DΤ είναι κατά μέσο όρο ίσος με 1.2.
-
