Rozdział 4. Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
4.2 Badania wytrzymałości na ściskanie jednoosiowe
4.2.1 Wpływ czynnika wiążącego na wytrzymałość cementogruntu
• Wpływ ilości spoiwa
W celu wyznaczenia wpływu ilości spoiwa na wytrzymałość cementogruntu wybrano trzy podstawowe rodzaje gruntu:
- piasek średni (Gdańsk, ul. Piekarnicza), - glinę pylastą (Bysewo),
- torf (Dębogórze k/kanału Leniwy).
Każdy z wymienionych gruntów wymieszano z zaczynem cementowym przygotowanym na bazie cementu hutniczego CEM III A, o gęstości ρ =1,5 g/cm3, przy przeliczeniowej zawartości cementu odpowiadającej wskaźnikowi α = 100, 200, 300 i 350 kg/m3 wzmacnianego gruntu. Wytrzymałość badano po czasie wiązania Tc= 3, 7, 14, 28, 60 i 90 dni.
Zaobserwowano, że przy zawartości cementu 100 kg/m3 wymieszanie piasku średniego z zaczynem było utrudnione, grunt był jedynie nieznacznie nawilżony i nie zmienił swojej konsystencji ani koloru. Przy 200 kg/m3 mieszanie odbywało się znacznie łatwiej. Piasek zmieszany z zaczynem zmienił konsystencję i zabarwienie.
Zawartość cementu 300 i 350 kg/m3 umożliwiła bardzo dobre wymieszanie gruntu z zaczynem. Powstała jednolita masa cementogruntu, o konsystencji gęstej "śmietany”.
Mieszanie gruntu spoistego było utrudnione. Glina lepiła się do mieszadła i bardzo powoli mieszała się z zaczynem. Zawartość 100 i 200 kg/m3 cementu była zbyt mała dla uzyskania jednorodnej struktury cementogruntu. Przy 300 i 350 kg/m3 jakość wymieszania poprawiła się, choć nadal występował efekt przywierania gruntu do
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
mieszadła. Glina nawet przy dużej ilości spoiwa jedynie nieznacznie zmieniła swoją konsystencję i zabarwienie.
W przypadku torfu o bardzo wysokiej wilgotności trudności z wymieszaniem praktycznie nie wystąpiły. Wraz ze wzrostem ilości zaczynu mieszany grunt zmieniał swoją konsystencję na płynną oraz kolor z czarnego na ciemno szary.
Podczas ściskania próbek cementogruntu obserwowano również zmiany ich zachowania. Próbki wykonane z udziałem piasku ulegały zniszczeniu w sposób kruchy, niezależnie od ilości dodanego cementu. Odkształcenia osiowe były bardzo małe, a w momencie osiągnięcia granicznej wytrzymałości próbki ulegały nagłemu zniszczeniu.
Efekt ten zaobserwowano również dla gruntu spoistego, ale przy zawartości cementu 300 i 350 kg/m3. Przy niższej zawartości cementu oraz dla wszystkich próbek z udziałem torfu cementogrunt odkształcał się w sposób bardziej plastyczny, a moment zniszczenia był trudny do uchwycenia. Wyniki badań pokazano na rysunkach 4.4÷4.9.
50 100 150 200 250 300 350 400
zawartość cementu [kg/m3]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
wytrzymałość na ściskanie [MPa]
Piasek średni Glina pylasta Torf Ps G T
Rys. 4.4 Wpływ ilości spoiwa na wytrzymałość cementogruntu po 3 dniach wiązania. Linie ciągłe oznaczają średnie linie trendu.
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
Rys. 4.5 Wpływ ilości spoiwa na wytrzymałość cementogruntu po 7 dniach wiązania. Linie ciągłe oznaczają średnie linie trendu.
50 100 150 200 250 300 350 400
Rys. 4.6 Wpływ ilości spoiwa na wytrzymałość cementogruntu po 14 dniach wiązania. Linie ciągłe oznaczają średnie linie trendu.
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
Rys. 4.7 Wpływ ilości spoiwa na wytrzymałość cementogruntu po 28 dniach wiązania. Linie ciągłe oznaczają średnie linie trendu.
50 100 150 200 250 300 350 400
Rys. 4.8 Wpływ ilości spoiwa na wytrzymałość cementogruntu po 60 dniach wiązania. Linie ciągłe oznaczają średnie linie trendu.
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
Rys. 4.9 Wpływ ilości spoiwa na wytrzymałość cementogruntu po 90 dniach wiązania. Linie ciągłe oznaczają średnie linie trendu.
Porównując uzyskane wyniki można zauważyć zdecydowanie inne zachowanie cementogruntu z udziałem piasku, gliny i torfu. Bezwzględnie największe wytrzymałości uzyskano dla piasku, mniejsze dla gliny pylastej i najmniejsze dla torfu, co odpowiada zarówno oczekiwaniom jak i wynikom badań obcych. We wszystkich przypadkach wytrzymałość rośnie w miarę zwiększania zawartości cementu, przy czym przyrosty są większe w zakresie α = 100 do 250 kg/m3 niż dla α = 250 do 350 kg/m3. W cementogruncie z udziałem piasku przyrost wytrzymałości jest największy, a po 90 dniowym okresie wiązania różnica między wytrzymałością uzyskaną przy zawartości cementu 100 kg/m3 i 350 kg/m3 jest ponad pięciokrotna (rys. 4.9). W cementogruncie z udziałem gliny pylastej przyrost wytrzymałości jest wolniejszy niż w gruntach piaszczystych, co wskazuje na brak znaczącej reakcji pucolanowej. Wytrzymałość cementogruntu z udziałem torfu jest bardzo mała i przy zawartości cementu α=350 kg/m3 nie przekroczyła 250 kPa po 90 dniach wiązania (rys. 4.9). Potwierdza to wcześniej przedstawione wnioski, że grunty organiczne o wysokiej wilgotności i zawartości części organicznych są bardzo trudne do wzmocnienia.
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
• Wpływ rodzaju spoiwa
W celu określenia wpływu rodzaju spoiwa (cementu) na wytrzymałość cementogruntu przeprowadzono badania dla tych samych trzech rodzajów gruntu, tj. piasku średniego (Gdańsk, ul. Piekarnicza), gliny pylastej (Bysewo) i torfu (Dębogórze k/kanału Leniwy). Grunty wymieszano z następującymi pięcioma rodzajami cementu:
• CEM III A 32,5N HSR/LH/NA – cement hutniczy o normalnej wytrzymałości wczesnej (N), zawierający klinkier portlandzki i granulowany żużel wielkopiecowy (S) oraz regulator czasu wiązania, ma wysoką odporność na siarczany (HSR), niskie ciepło hydratacji (LH) oraz niską alkaliczność (NA),
• CEM II B-M 32,5R V-LL – cement portlandzki wieloskładnikowy, o wysokiej wytrzymałości wczesnej (R), zawierający klinkier portlandzki, popiół lotny krzemionkowy (V) i kamień (LL) oraz regulator czasu wiązania,
• CEM II B-V 32,5R HSR – cement portlandzki popiołowy, o wysokiej wytrzymałości wczesnej (R), zawierający klinkier portlandzki, popiół lotny krzemionkowy (V) oraz regulator czasu wiązania, ma wysoką odporność na siarczany,
• CEM II B-S 32,5R – cement portlandzki żużlowy, o wysokiej wytrzymałości wczesnej (R), zawierający klinkier portlandzki, granulowany żużel wielkopiecowy (S) oraz regulator czasu wiązania,
• CEM I 32,5R – cement portlandzki o wysokiej wytrzymałości wczesnej (R), zawierający klinkier portlandzki oraz regulator czasu wiązania.
Grunty mieszano z wymienionymi cementami przy zawartości przeliczeniowej α=200 kg/m3. Gęstość zaczynu cementowego wynosiła we wszystkich przypadkach ρ =1,5 g/cm3 (W/C=1). Wytrzymałość na ściskanie jednoosiowe badano po czasie wiązania Tc= 3, 7, 28 i 60 dni. Wyniki badań pokazano na rysunkach 4.10 do 4.12 .
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
Rys. 4.10 Wpływ rodzaju cementu na wytrzymałość cementogruntu. Piasek średni. Linie ciągłe oznaczają średnie linie trendu.
Rys. 4.11 Wpływ rodzaju cementu na wytrzymałość cementogruntu. Glina pylasta. Linie ciągłe oznaczają średnie linie trendu.
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
czas wiązania [dni]
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
wytrzymałość na ściskanie [MPa]
CEM III A CEM II B-M CEM II B-V CEM II B-S CEM I CEM III A CEM II B-M CEM II B-V CEM II B-S CEM I
Torf
Rys. 4.12 Wpływ rodzaju cementu na wytrzymałość cementogruntu. Torf. Linie ciągłe oznaczają średnie linie trendu.
W gruncie piaszczystym najlepszy efekt wzmocnienia po czasie wiązania Tc=60 dni uzyskano dla cementu hutniczego CEM III A (rys. 4.10). Można zauważyć, że w tym przypadku występują również największe przyrosty wytrzymałości. Dobre efekty dało także zastosowanie cementu portlandzkiego żużlowego CEM II B-S, a uzyskana wytrzymałość jest porównywalna do cementogruntu z udziałem cementu portlandzkiego CEM I. Najmniej korzystnymi spoiwami w przypadku mieszania piasków okazał się cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II B-M oraz cement portlandzki popiołowy CEM II B-V, dla których uzyskano niskie przyrosty wytrzymałości.
W gruncie spoistym najlepszy efekt wzmocnienia uzyskano przy zastosowaniu cementu portlandzkiego CEM I (rys. 4.11). Niższą wytrzymałość, choć o podobnej charakterystyce przyrostu, zaobserwowano dla gliny wymieszanej z cementem hutniczym CEM IIIA. Najmniej korzystnym spoiwem okazał się cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II B-M. Wyniki badania potwierdzają obserwacje Saitoh (1988), że cement portlandzki jest bardziej skutecznym spoiwem dla gruntów spoistych wykazujących reakcję pucolanową. Cement hutniczy daje natomiast wyższe wytrzymałości dla gruntów o niskiej reakcji pucolanowej lub takich, w których ona nie występuje.
W gruncie organicznym uzyskana wytrzymałość jest bardzo niska, a przyrost nieznaczny (rys. 4.12). Najlepszy efekt wzmocnienia torfu uzyskano przy zastosowaniu cementu portlandzkiego żużlowego CEM II B-S.
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
Wpływ rodzaju cementu na średnią wytrzymałość cementogruntu uformowanego z udziałem piasku, gliny pylastej i torfu, pokazano na rysunkach 4.13 do 4.16 dla czterech czasów wiązania, wynoszących 3, 7, 28 i 60 dni.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4
wytrzymałość na ściskanie [MPa]
Piasek Glina Torf
CEM III A CEM II B-M CEM II B-V CEM II B-S CEM I
Rys.4.13 Wpływ rodzaju cementu na wytrzymałość cementogruntu po 3 dniach wiązania.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4
wytrzymałość na ściskanie [MPa]
Piasek Glina Torf
CEM III A CEM II B-M CEM II B-V CEM II B-S CEM I
Rys.4.14 Wpływ rodzaju cementu na wytrzymałość cementogruntu po 7 dniach wiązania.
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych
Rys.4.15 Wpływ rodzaju cementu na wytrzymałość cementogruntu po 28 dniach wiązania.
0
Rys.4.16 Wpływ rodzaju cementu na wytrzymałość cementogruntu po 60 dniach wiązania.
Z badań wynika, że cementogrunt uzyskuje najwyższą wczesną wytrzymałość przy zastosowaniu cementu portlandzkiego CEM I, niezależnie od rodzaju gruntu. Dla cementogruntu z udziałem piasku korzystny wpływ cementu hutniczego pojawia się dopiero po upływie co najmniej 28 dni. W przypadku gliny pylastej najkorzystniejszym spoiwem był cement portlandzki, niezależnie od czasu wiązania. Dla torfu rodzaj cementu miał najmniejszy i mało znaczący wpływ na wytrzymałość średnią dla wszystkich czasów wiązania.
Rozdział 4: Badania cementogruntu formowanego w warunkach laboratoryjnych