INŻYNIERIAMORSKAIGEOTECHNIKA,nr3/2018
250
Współczesna geoinżynieria oferuje wiele metod wzmoc-nienia podłoża gruntowego [7]. Jedną z tych metod jest zbroje-nie gruntu, które stosowano już w starożytności [13]. Materiał stosowany jako zbrojenie rozproszone jest pochodzenia natu-ralnego i syntetycznego, to jest włókna polipropylenowe (PP), poliestrowe (PET), polietylenowe (PE), nylonowe oraz szklane [5]. W grunt wprowadza się zbrojenie o dużej wytrzymałości na rozciąganie, które współpracuje z nim przez siłę tarcia na zasadzie przejmowania sił rozciągających [6]. Losowy rozkład włókien polipropylenowych (PP) w gruncie wpływa korzystnie na właściwości mechanistyczne gruntu [1, 2, 3]. Włókna po-myślnie zastosowano do poprawy wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie stabilizowanej warstwy konstrukcji nawierzchni [4]. Dotychczas prowadzono badania z wykorzystaniem włó-kien polipropylenowych o średnicy w przedziale 23 ÷ 150 μm, długości 6, 12, 18, 24, 35 i 50 mm i wytrzymałości na rozciąga-nie 400 ÷ 600 MPa [5].
MATERIAŁ
Grunt wykorzystywany podczas badań pobrano z okolic ul. Racławickiej w Warszawie z warstwy występującej w podłożu na głębokości objętej wpływem naprężeń od obciążenia ruchem drogowym. Grunt poddano analizie sitowej i areometrycznej Casagrande’a w modyfikacji Prószyńskiego. Grunt sklasyfi-kowano jako clSa na podstawie [11, 12]. Następnie określono wilgotność optymalną za pomocą metody Proctora przy użyciu ubijaka 2,5 kg oraz formy A o średnicy 100 mm [8]. Krzywa uziarnienia gruntu oraz parametry zagęszczalności przedstawio-no na rys. 1 i 2.
Do stabilizacji gruntu wykorzystano cement workowany firmy Górażdże, który sklasyfikowano jako cement hutniczy. Parametry cementu przedstawiono w tabl. 1. Charakterystykę włókien przedstawiono w tabl. 2.
Mgr inż. Maciej Miturski, mgr inż. Emil Soból, mgr inż. Andrzej Głuchowski
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Analiza wpływu zbrojenia rozproszonego
INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2018 251
Rys. 1. Krzywa uziarnienia gruntu
Rys. 2. Krzywa zagęszczalności gruntu spoistego wyznaczona metodą Proctora
METODYKA BADAŃ
Badania przeprowadzano na mieszankach gruntu, cementu (typ mieszanki A) oraz na mieszankach gruntu, cementu i zbro-jenia rozproszonego (typ mieszanki B). Proces przygotowania próbek rozpoczęto przez dodanie do suchej mieszaniny gruntu 5% wagowo cementu, a następnie 0,5% wagowo włókien po-lipropylenowych. Wszystkie składniki wymieszano do uzyska-nia jednolitej mieszanki, a następnie dodano wodę zarobową, aby uzyskać optymalną wilgotność mieszanki gruntu, cemen-tu i włókien równą 10%. Cylindryczne próbki o wymiarach H = 80 mm i D = 80 mm, zgodnie z PN-EN 14227-15 [9], za-gęszczono z energią 0,59 J/cm3, po czym były one sezonowane w formach przez następne 20 godz. w pomieszczeniu o tempe-raturze równej 22°C i zabezpieczone przed utratą wilgotności. Tak przygotowane próbki dojrzewały przez kolejno 3 i 21 dni, po czym umieszczono w zbiorniku w pełnym zanurzeniu przez kolejne 4 i 7 dni [10].
Badanie jednoosiowego ściskania przeprowadzono w pra-sie Instron o maksymalnym obciążeniu 100 KN. Badanie prze-prowadzano natychmiast po wyciągnięciu próbek z pojemnika z wodą i usunięciu nadmiaru wilgoci z ich powierzchni. Obcią-żenie wywierano w ciągły i jednolity sposób, bez uderzenia, tak aby pęknięcie/zniszczenie próbki nastąpiło po okresie od 30 do 60 s od momentu rozpoczęcia obciążenia [9]. Wytrzymałość na ściskanie, Rc obliczono za pomocą wzoru (1). Po
przeprowadzo-nym badaniu oceniono rodzaj zniszczenia próbki oraz odczyta-no wartość siły niszczącej.
(1)
gdzie:
Rc – wytrzymałość na ściskanie, po nasączaniu wodą [N/mm2], Fr – maksymalna siła przenoszona [N],
Ac – powierzchnia przekroju poprzecznego.
WYNIKI I DYSKUSJA
Badania przeprowadzono na 12 próbkach sporządzonych w dwóch mieszankach przedstawionych w tabl. 3. Ilość cemen-tu i włókien wyrażono w procentach w stosunku do suchej masy mieszanki gruntowo-cementowej.
Tabl. 1. Charakterystyka właściwości cementu
Rodzaj cementu CEM III/A 32,5N-LH/HSR/NA Zakład produkcyjny Ekocem
Wymagania normowe według: PN-EN 197-1 Wartość
średnia Wymagania Wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach 24,3 [MPa] ≥ 16,0 [MPa] Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach 50,8 [MPa] ≥ 32,5 [MPa]≤ 52,5 [MPa] Początek czasu wiązania 279 [min] ≥ 75 [min] Ciepło hydratacji 248 [J/g] ≤ 270 [J/g]
Tabl. 2. Charakterystyka właściwości włókien propylenowych
Producent Belmix
Rodzaj polimeru Polipropylen
Długość 12 mm
Średnica 32μm
Wytrzymałość na rozciąganie 300 ÷ 400 MPa
Tabl. 3. Charakterystyka składu badanych próbek cementogruntu z dodatkiem włókien propylenowych
Typ mieszanki CEM III włókna PP
A 5,0% 0,0%
B 5,0% 0,5%
Tabl. 4. Oznaczenia wykonanych badań, typ mieszanki, liczbę wykonanych badań, liczbę dni dojrzewania
Rodzaj badania 7 dzień 28 dzień Ściskanie jednoosiowe:
INŻYNIERIAMORSKAIGEOTECHNIKA,nr3/2018
252
Rys. 4. Wytrzymałość na ściskanie po 7 i 28 dniach
Rys. 5. Wpływ włókien polipropylenowych na grunt i grunty stabilizowane ce-mentem [14]
Rys. 6. Próbka po badaniu ściskania jednoosiowego cementogruntu bez dodatku włókien polipropylenowych i z dodatkiem włókien polipropylenowych
Badania przeprowadzono na próbkach nasączonych wodą po 7 i 28 dniach pielęgnacji. Pełen program badawczy przedstawio-no w tabl. 4.
Uzyskane wyniki na próbkach cementogruntu i cemento-gruntu z domieszką włókien polipropylenowych po 7 dniach dojrzewania wykazują znaczącą poprawę wytrzymałości próbek na ściskanie jednoosiowe, wynikającą z zastosowania dodatku włókien polipropylenowych. Wyniki przedstawiono w tabl. 5 i na rys. 3.
Po 7 dniach pielęgnacji uzyskano średni przyrost wytrzy-małości na ściskanie jednoosiowe Rc w wysokości 42,86%.
Uzyskane wyniki na próbkach cementogruntu i cementogruntu z domieszką włókien polipropylenowych po 28 dniach dojrze-wania wykazały mniejszy procentowy przyrost wytrzymałości. Średnie z badań po 28 dniach przedstawiono w tabl. 6 i na rys. 3.
Po 7 dniach pielęgnacji uzyskano średni przyrost wytrzyma-łości na ściskanie jednoosiowe Rc w wysokości 24,14%.
Jednak-że przyrost wytrzymałości na ściskanie jednoosiowe wyrażony w MPa jest zbliżony i wynosi kolejno 0,6 MPa po 7 dniach doj-rzewania i 0,7 MPa po 28 dniach dojdoj-rzewania, co przedstawio-no na rys. 4. Na podstawie obserwacji można zauważyć stały wpływ włókien polipropylenowych na wytrzymałość na ściska-nie badanego cementogruntu.
Pomimo poprawy wytrzymałości cementogruntu poprzez zastosowanie domieszki w postaci zbrojenia rozproszonego z włókien polipropylenowych można zaobserwować zbliżoną charakterystykę przyrostu wytrzymałości. Uzyskane wyniki wykazują zbieżność z wynikami uzyskanymi przez innych auto-rów, to jest Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chcen,
Rys. 3. Wytrzymałość na ściskanie w zależności od ilości włókien PP
Tabl. 5. Charakterystyka wytrzymałościowa badanych próbek gruntu po 7 dniach dojrzewania
Lp. Dzień Badanie F [N] Rc [MPa]
1 7-3B UCS 10111,13 2,0 2 7-3A UCS 7205,42 1,4
Tabl. 6. Charakterystyka wytrzymałościowa badanych próbek gruntu po 28 dniach dojrzewania
Lp. Dzień Badanie F [N] Rc [MPa]
1 28-3B UCS 18238,00 3,6 2 28-3A UCS 14674,17 2,9
INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2018 253 Yi Cai, którzy wykazali wzrost wytrzymałości na ściskanie
jed-noosiowe poprzez zastosowanie włókien polipropylenowych o długości 12 mm w glinie stabilizowanej cementem. Wyniki przedstawiono na rys. 5.
Kształt zniszczonych próbek jest prawidłowy według obo-wiązującej normy [9], jednakże widać istotny wpływ włókien na rodzaj zniszczenia. Przykładowe próbki po zniszczeniu przed-stawiono na rys. 6.
Dodatek włókien polipropylenowych wpływa na zdolność próbek do zachowania spójnego kształtu; po zniszczeniu próbki włókna utrzymują zniszczone fragmenty razem.
WNIOSKI
Z przeprowadzonych badań i analizy wyników można przed-stawić następujące wnioski:
– Zastosowanie dodatku włókien polipropylenowych, w ilości 0,5% wagowo, ma korzystny wpływ na charak-terystykę wytrzymałościową gruntu;
– Zwiększenie wytrzymałości na ściskanie jednoosiowe zależy w mniejszym stopniu od czasu dojrzewania pró-bek;
– Przyrost wytrzymałości na ściskanie jednoosiowe ma zbliżoną charakterystykę dla cementogruntu, jak i cementogruntu z dodatkiem włókien polipropyleno-wych;
– Zastosowanie włókien polipropylenowych wpływa ko-rzystnie na kształt zniszczonych próbek cementogrun-tu.
LITERATURA
1. Chen M., Shui-Long S., Arul A., Huai-Na W., Dong-Wei H., i in.: Labo-ratory evaluation on the effectiveness of polypropylene fibers on the strength of fiber reinforced and cement-stabilized Shanghai soft clay. Geotext. Geomembr. 43(6), 2015, 515-523.
2. Consoli N. C., Vendruscolo M.A., Fonini A., Rosa D. F.: Fiber rein-forcement effects on sand considering a wide cementation range. Geotext. Ge-omembr.27 (3), 2009, 196-203.
3. Diambra A., Ibraim E.: Fibre-reinforced sand: interaction at the fibre and grain scale. Geotechnique 65, 2015, 296-308.
4. Festugato L., Menger E., Benezra F., Eduardo A. K., Consoli N. C.: Fiber-reinforced cemented soils compressive and tensile strength assessment as a function of filament length, Geotextiles and Geomembranes 45, 2017, 77-82.
5. Hejazi S.M., Sheikhzadeh M., Abtahi S. M., Zadhoush A.: A Simple review of soil reinforcement by using natural and synthetic fibers. Construction and Building Materials 30(2012). Isfahan 2012, 100-116.
6. Pawłowski A., Garlikowski D., Orzeszyna H., Lejcuś K.: Możliwość wykorzystania zbrojenia rozproszonego do poprawy właściwości gruntów, Nr 9/2008, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddział w Krakowie, Komisja Tech-nicznej Infrastruktury Wsi, Kraków 2008, 137-147.
7. Pisarczyk S: Geoinżynieria metody modyfikacji podłoża gruntowego. Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
8. PN-EN 13286-2: Mieszanki niezwiązane i związane hydraulicznie – część 2: Metody badań laboratoryjnych gęstości na sucho i zawartości wody – Zagęszczanie metodą Proctora, Warszawa 2010.
9. PN-EN 13286-41: Mieszanki niezwiązane i związane spoiwem hydrau-licznym Część 41: Metoda oznaczenia wytrzymałości na ściskanie mieszanek związanych spoiwem hydraulicznym, Warszawa 2015.
10. PN-EN 14227-15: Mieszanki związane spoiwem hydraulicznym Spe-cyfikacje Część 15: Grunty stabilizowane hydraulicznie, Warszawa 2015.
11. PN-EN 1997-2:2009: Eurokod 7 Projektowanie geotechniczne Część 2: Rozpoznawanie i badanie podłoża gruntowego, Warszawa 2009.
12. PN-EN ISO 14688-2:2006: Badania geotechniczne. Oznaczenie i kla-syfikacja gruntów – Część 2: Zasady Klasyfikowania.
13. Sarsby R: W Time Dependent Behaviour Of Embankment Reinforced With Limited Life Geotextiles. Proceedings of The RICS Foundation Construc-tion and Building Research Conference September, The RICS FoundaConstruc-tion, Lon-don 2003, 456-469.
14. Tang C., Shi B., Gao W., Chen F., Cai Y.: Strength and mechanical be-havior of short polypropylene fiber reinforced and cement stabilized clayey soil. Geotextiles and Geomembranes 25 (2007). Nanjing 2006, 194-202.
