DIAMIDOAMINY NA WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCISKANIE I MROZOODPORNOŚĆ GRUNTÓW MAŁO I ŚREDNIO SPOISTYCH

Poznań, wrzesień 2019 r.

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii Lądowej

R O Z P R A W A D O K T O R S K A

WPŁYW DODATKU MLECZANU

DIAMIDOAMINY NA WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCISKANIE I MROZOODPORNOŚĆ GRUNTÓW MAŁO I ŚREDNIO SPOISTYCH

STOSOWANYCH W BUDOWNICTWIE DROGOWYM

Autor:

mgr inż. Szymon WĘGLIŃSKI

Promotor:

dr hab. inż. Arkadiusz MADAJ, prof. PP Promotor pomocniczy:

dr inż. Michał BABIAK

Podziękowanie

Promotorom - za pomoc i cierpliwość Rodzicom - za wszystko

Przyjaciołom - za życzliwość i wsparcie

Spis treści

STRESZCZENIE ... 8

SUMMARY ... 9

WYKAZ WYBRANYCH OZNACZEŃ ... 10

1 WSTĘP ... 11

1.1 Potrzeba rozwoju infrastruktury drogowej... 11

1.2 Geneza pracy ... 13

1.3 Cel i zakres pracy ... 15

2 PRZEGLĄD STANU WIEDZY ... 17

2.1 Charakterystyka podłoża gruntowego ... 17

2.1.1 Rodzaje gruntów i ich pochodzenie 17 2.1.2 Przydatność gruntów w budownictwie 22 2.1.3 Wymagania wobec podłoża w drogownictwie 24 2.1.4 Wysadzinowość podłoża gruntowego 30 2.1.5 Charakterystyka gruntów spoistych 34 2.2 Ulepszanie podłoża gruntowego ... 40

2.2.1 Sposoby ulepszania podłoża 40 2.2.2 Stabilizacja gruntów spoiwami hydraulicznymi 42 2.2.3 Podział stabilizacji gruntów według zastosowanego spoiwa 45 2.2.3.1 Stabilizacja cementem 45 2.2.3.2 Stabilizacja wapnem 51 2.2.3.3 Stabilizacja popiołami lotnymi 54 2.2.3.4 Stabilizacja żużlem wielkopiecowym 55 2.2.3.5 Stabilizacja hydraulicznym spoiwem drogowym 56 2.2.3.6 Stabilizacja popiołem z łusek ryżowych (mieszanki RHA) 58 2.2.3.7 Stabilizacja pyłem z pieca cementowego (mieszanki CKD) 59 2.2.3.8 Stabilizacja bioenzymami 59 2.2.4 Stabilizacja gruntów spoistych 61 2.3 Przegląd stosowanych środków do stabilizacji gruntów spoistych ... 63

2.4 Krajowe przykłady zastosowania stabilizacji gruntów ... 65

2.5 Przykłady badań stabilizacji gruntów w dorobku autora pracy ... 70

3 BADANE MATERIAŁY ... 75

3.1 Dodatek hydrofobizujący – mleczan diamidoaminy ... 75

3.1.1 Bazy surowcowe 75

3.1.2 Charakterystyka otrzymywania dodatku hydrofobizującego 77

3.2 Grunty użyte w badaniach ... 82

3.3 Zastosowane spoiwa ... 84

3.3.1 Cement 84 3.3.2 Wybrane spoiwa do stabilizacji gruntu 85 4 METODYKA BADAŃ ... 87

4.1 Program badawczy ... 87

4.2 Opis badań laboratoryjnych ... 92

4.2.1 Badania mleczanu diamidoaminy 92 4.2.1.1 Oznaczenie gęstości 92 4.2.1.2 Oznaczenie lepkości dynamicznej 93 4.2.2 Badania gruntów 93 4.2.2.1 Ocena makroskopowa 93 4.2.2.2 Analiza granulometryczna gruntu 93 4.2.2.3 Oznaczenie granic płynności oraz wskaźnika plastyczności 95 4.2.2.4 Oznaczenie wskaźnika piaskowego 97 4.2.2.5 Oznaczenie zawartości części organicznych 98 4.2.2.6 Oznaczenie zawartości siarczanów 99 4.2.2.7 Oznaczenie wskaźnika pH 100 4.2.2.8 Skład frakcji ilastej 101 4.2.2.9 Oznaczenie wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego 102 4.2.3 Badania spoiw hydraulicznych 103 4.2.3.1 Oznaczenie początku czasu wiązania 103 4.2.3.2 Przygotowanie beleczek do badań wytrzymałości na zginanie i ściskanie 105 4.3 Wykonanie próbek badawczych ... 106

4.3.1 Eksperyment badawczy 106 4.3.2 Określenie proporcji składników mieszanek 108 4.3.3 Przygotowanie gruntu 111 4.3.4 Zaroby próbne mieszanek 112 4.3.5 Formowanie próbek 113 4.3.6 Pielęgnacja próbek 114 4.4 Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie ... 117

4.5 Oznaczenie wskaźników mrozoodporności ... 118

4.6 Badania nasiąkliwości ... 119

4.7 Badania kapilarnej absorpcji wody... 121

5 PREZENTACJA I OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ ... 123 5.1 Badania podstawowe (etap I) ... 123

5.1.1 Badania mleczanu diamidoaminy 123

5.1.1.1 Oznaczenie gęstości 123

5.1.1.2 Oznaczenie lepkości dynamicznej 123

5.1.2 Badania gruntów 125

5.1.2.1 Ocena makroskopowa gruntów 125

5.1.2.2 Analiza granulometryczna gruntów 125

5.1.2.3 Oznaczenie granicy płynności oraz wskaźnika plastyczności 130

5.1.2.4 Oznaczenie wskaźnika piaskowego 131

5.1.2.5 Oznaczenie zawartości części organicznych 132

5.1.2.6 Oznaczenie zawartości siarczanów 133

5.1.2.7 Oznaczenie wskaźnika pH gruntu 133

5.1.2.8 Skład frakcji ilastej 133

5.1.2.9 Oznaczenie wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej

szkieletu gruntowego 137

5.1.2.10 Ocena przydatności gruntów do dalszych badań 142

5.1.3 Badania mleczanu diamidoaminy 143

5.1.3.1 Oznaczenie początku czasu wiązania 143

5.1.3.2 Oznaczenie wytrzymałości na zginanie i ściskanie 143

5.2 Badania wstępne, próbki referencyjne (etap II)... 146

5.2.1 Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie i mrozoodporności 146

5.2.1.1 Stabilizacja piasku gliniastego cementem 146

5.2.1.2 Omówienie wyników 146

5.2.1.3 Stabilizacja gliny piaszczystej cementem 148

5.2.1.4 Omówienie wyników 149

5.2.2 Oznaczenie nasiąkliwości 151

5.2.3 Oznaczenie kapilarnej absorpcji wody 152

5.3 Badania główne (etap III) ... 153

5.3.1 Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie i mrozoodporności 153 5.3.1.1 Stabilizacja piasku gliniastego cementem i mleczanem diamidoaminy 153 5.3.1.2 Wyniki wytrzymałości na ściskanie i mrozoodporności piasku gliniastego

stabilizowanego wybranymi spoiwami hydraulicznymi 154

5.3.1.3 Omówienie wyników 155

5.3.2 Oznaczenie nasiąkliwości 162

5.3.3 Oznaczenie kapilarnej absorpcji wody 165

5.4 Badania sprawdzające (etap IV) ... 169

5.4.1 Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie i mrozoodporności 169

5.4.1.1 Wyniki wytrzymałości na ściskanie i mrozoodporności gliny piaszczystej

stabilizowanej cementem i mleczanem diamidoaminy 169

5.4.1.2 Wyniki wytrzymałości na ściskanie i mrozoodporności gliny piaszczystej

stabilizowanej wybranymi spoiwami hydraulicznymi 169

5.4.1.3 Omówienie wyników 170

5.4.2 Oznaczenie nasiąkliwości 174

5.4.3 Oznaczenie kapilarnej absorpcji wody 177

5.5 Analiza makroskopowa wybranych próbek ... 180

5.5.1 Próbki użyte w badaniach wytrzymałości na ściskane i mrozoodporności 180 5.5.2 Próbki użyte w badaniach nasiąkliwości i kapilarności 182 5.6 Analiza wyników badań ... 188

5.6.1 Założenia dla przeprowadzonych testów statystycznych 188 5.6.2 Sprawdzenie normalności rozkładu 189 5.6.3 Analiza wyników badań głównych 189 5.6.4 Analiza wyników badań sprawdzających 193 5.6.5 Dwuczynnikowa analiza wyników badań głównych i sprawdzających 196 6 Podsumowanie ... 201

6.1 Wpływ działania mleczanu diamidoaminy na badane grunty spoiste 201 6.2 Porównanie wyników badań w odniesieniu do literatury ... 202

6.3 Mechanizm działania mleczanu diamidoaminy na mieszanki gruntu spoistego stabilizowanego cementem ... 203

6.4 Wnioski ... 204

6.5 Kierunki dalszych prac autora ... 206

7 LITERATURA ... 208

SPIS TABLIC ... 218

SPIS RYSUNKÓW ... 222

ZAŁĄCZNIKI ... 229

STRESZCZENIE

W pracy przedstawiono problematykę stabilizacji gruntów spoistych stosowanych w budownictwie drogowym. Z uwagi na spoistość oraz podatność gruntu na absorbowanie wody, osiągnięcie wytrzymałej i mrozoodpornej warstwy jest trudne do uzyskania lub wręcz niemożliwe. W celu zapewnienia mrozoodporności mieszankom gruntowo- cementowym, w pracy zaproponowano zastosowanie środka hydrofobizującego naturalnego pochodzenia, którego dodatek miałby zapewnić ochronę przed wnikaniem wody do mieszanki i wykonanej warstwy.

Zaprezentowano charakterystykę rodzajów podłoża gruntowego oraz przedstawiono typowe sposoby jego wzmacniania, szczególnie w zakresie stabilizacji.

W dalszej części, w oparciu o wyniki badań opublikowane w literaturze przedmiotu, przeanalizowano skuteczność alternatywnych spoiw i dodatków.

W pracy wykonano cztery etapy badań: podstawowe – aby rozpoznać parametry materiałów – spoiw, wybranych gruntów spoistych oraz mleczanu diamidoaminy;

wstępne – mające na celu przygotowanie próbek referencyjnych; główne – podczas których badano wpływ różnej ilości dodatku mleczanu diamidoaminy na wytrzymałość i mrozoodporność piasku gliniastego stabilizowanego cementem. Ostatni etap stanowiły badania sprawdzające, w ramach których zweryfikowano skuteczność zaproponowanych ilości dodatku dla innego gruntu spoistego – gliny piaszczystej. W celu weryfikacji hydrofobowego działania mleczanu diamidoaminy wykonano badania nasiąkliwości oraz kapilarnej absorpcji wody. Przeprowadzono również badania porównawcze na dwóch wybranych, innych niż cement, spoiwach hydraulicznych stosowanych w drogownictwie.

Uzyskane wyniki wykazały pozytywny wpływ dodatku mleczanu diamidoaminy na wytrzymałość na ściskanie i mrozoodporność gruntów mało i średnio spoistych, zarówno w odniesieniu do mieszanek cementowo-gruntowych jak i mieszanek stabilizowanych spoiwami alternatywnymi.

Słowa kluczowe: stabilizacja gruntów spoistych, środek hydrofobizujący, mleczan

diamidoaminy, mrozoodporność, nasiąkliwość, absorpcja kapilarna, wytrzymałość na

ściskanie gruntów stabilizowanych.

SUMMARY

THE EFFECT OF THE ADDITION OF DIAMIDOAMINE LACTATE ON COMPRESSIVE STRENGTH AND FREEZE-THAW RESISTANCE OF A LOW AND MEDIUM COHESIVE SOILS USED IN ROAD ENGINEERING

Szymon WĘGLIŃSKI

The paper presents the issue of stabilization of cohesive soils used in road engineering.

Due to the cohesiveness and susceptibility of the soil to absorb water, achieving a durable and frost-resistant layer is difficult or even impossible. In order to ensure frost-resistance of soil-cement mixtures, the paper proposes the use of a hydrophobizing binder of natural sources, the addition of which is to ensure protection against the penetration of water into the mixture and the stabilized layer.

The characteristics of subsoil types are presented and typical ways of reinforcing it are outlined, especially in the field of soil stabilization. In the following part of the paper, based on the results of literature, the effectiveness of alternative binders and additions was analyzed.

As part of the work four test stages were carried out: basic – to identify the parameters of: binders, selected cohesive soils and diamidoamine lactate; preliminary – aimed at preparing reference samples; main – in which the influence of various amounts of diamidoamine lactate addition on the compressive strength and frost resistance of clayey sand stabilized with cement were investigated. The last stage consisted of verification tests, within which the effectiveness of the proposed amounts of the additive for another cohesive soil – sandy clay was verified. In order to verify the hydrophobic effect of diamidoamine lactate, water absorption and capillary action of water absorption studies were carried out. Comparative studies were also carried out on two selected hydraulic binders used in road engineering other than cement.

The results showed a positive effect of the addition of diamidoamine lactate on the compressive strength and frost resistance of low and medium cohesive soils, both in relation to cement-soil mixtures and mixtures stabilized with alternative hydraulic binders.

Keywords: stabilization of cohesive soils, a hydrophobizing binders, diamidoamine

lactate, frost resistance, water absorption, capillary action, compressive

strength of stabilized soils.

WYKAZ WYBRANYCH OZNACZEŃ

CBR – ang. California Bearing Ratio – kalifornijski wskaźnik nośności

C – dodatek cementu CEM II B-S 32,5 R liczony procentowo w odniesieniu do masy suchego gruntu

M – dodatek mleczanu diamidoaminy liczony procentowo w odniesieniu do masy suchego gruntu

L – dodatek spoiwa Lipidur DF liczony procentowo w odniesieniu do masy suchego gruntu

S – dodatek spoiwa Silment CQ25 liczony procentowo w odniesieniu do masy suchego gruntu

𝑅 ₇ – wartość wytrzymałości na ściskanie, określona po 7 dniach twardnienia [MPa]

𝑅 ₂₈ – wartość wytrzymałości na ściskanie określona po 28 dniach twardnienia [MPa]

𝑅 ₂₈ ^𝑧𝑜 – wartość wytrzymałość na ściskanie, określona po 28 dniach twardnienia, poddanych 14 cyklom zamrażania i odmrażania [MPa],

𝑛 _𝑚 – nasiąkliwość masowa [%]

𝑡 _𝑠𝑜 – czas nasycania próbki w wodzie [s]

𝐶 _𝑤,𝑠 – współczynnik absorpcji wody [g/(m ² s ^0,5 )]

Rm = 1,5 MPa – marka stabilizacji wg normy PN-S-96012:1997, o wytrzymałości po 28 dniach twardnienia od 0,5 do 1,5 MPa i wskaźniku mrozoodporności 𝑊 _𝑚 ≥ 0,6 Rm = 2,5 MPa – marka stabilizacji wg normy PN-S-96012:1997, o wytrzymałości po 28

dniach twardnienia od 1,5 do 2,5 MPa i wskaźniku mrozoodporności 𝑊 _𝑚 ≥ 0,6 Rm = 5,0 MPa – marka stabilizacji wg normy PN-S-96012:1997, o wytrzymałości po 28

dniach twardnienia od 2,5 do 5,0 MPa i wskaźniku mrozoodporności 𝑊 _𝑚 ≥ 0,7

1 WSTĘP

1.1 Potrzeba rozwoju infrastruktury drogowej

Położenie geograficzne Polski ma strategiczne znaczenie dla transportu w Europie. W ostatnich kilkunastu latach można zauważyć znaczny wzrost liczby przewiezionych ładunków różnymi środkami transportu, a szczególnie transportem drogowym. Zmianę ilości przewozów od roku 2002 do 2016 roku przedstawiono na rysunku 1.1.

Rysunek 1.1 Praca przewozowa w latach 2002-2016 (źródło: [111])

Z uwagi na potrzebę przewozów ładunków, a także wzrost ilości przewozów

pasażerskich, jak również poprawę jakości życia społecznego, obserwuje się wzrost

liczby pojazdów wszystkich kategorii: osobowych, autobusów oraz dostawczych

i ciężarowych. W celu poprawy płynności ruchu pojazdów, struktura sieci drogowej

podlega ciągłej rozbudowie i przebudowie. Jak podaje Główny Urząd Statystyczny

[111], w 2015 r. w Polsce istniało 419 636,4 km dróg publicznych, których strukturę

przedstawiono na rysunku 1.2. Największy odsetek dróg stanowią drogi lokalne –

gminne, powiatowe i wojewódzkie. Ich nośność nie jest dostosowana do

wzrastającego obciążenia ruchem ciężkich pojazdów (o obciążeniu pojedynczej osi

100 kN lub 115 kN). W bardzo wielu przypadkach ich stan jest zły i wymaga

remontu. W ostatnich latach znaczne środki finansowe przeznaczone były na budowę

dróg szybkiego ruchu (autostrad i dróg ekspresowych). W ciągu kilkunastu lat liczba kilometrów ww. dróg wyraźnie wzrosła (por. rys. 1.3), jednak nadal stanowią one wyłącznie niewielki odsetek wszystkich dróg publicznych.

Rysunek 1.2. Rodzaj dróg publicznych w Polsce (źródło: [111])

Rysunek 1.3. Przyrost długości dróg szybkiego ruchu (źródło: [104])

Staraniem władz państwowych rozwija się polityka transportowa, której przyspieszenie spowodowało wstąpienie Polski do Unii Europejskiej, co umożliwiło pozyskanie dodatkowych środków finansowych na budowę dróg i niezbędnej infrastruktury technicznej. Polityka Transportowa Państwa na lata 2006-2025 [102]

oraz Program Budowy Dróg Krajowych na lata 2014-2023 (z perspektywą

do 2025 r.) [103], zakłada rozwój infrastruktury transportowej, szczególnie

drogowej. W trakcie procedury legislacyjnej jest ustawa o Funduszu Dróg Lokalnych

[112], która zabezpiecza inwestycje związane z remontami i budową dróg lokalnych

– gminnych, powiatowych oraz wojewódzkich (w zakresie strategicznych „dróg obronnych”).

Zdaniem autora pracy należy ujednolicić dokumenty techniczne związane z budową dróg. Obecnie funkcjonuje kilka wytycznych i norm, które nie są spójne z aktami prawnymi dotyczącymi prowadzenia robót drogowych. Niespójność przepisów często powoduje rozbieżności w interpretacji oraz ma wpływ na niewłaściwą realizację projektów [77].

Niestety, nawet dobrze zaplanowane i finansowane inwestycje drogowe mogą być niewłaściwie zrealizowane. Przykładem może być często spotykana sytuacja, w której aby zmodernizować lub wybudować drogę, ruch technologiczny pojazdów budowy (z materiałami budowlanymi takimi jak piasek, kruszywo czy mieszanki mineralne) zostaje kierowany na drogi lokalne, które nie są przystosowane do dużych obciążeń. Ponadto, wiele samochodów ciężarowych nie tylko z branży budowlanej, jest przeładowana i powoduje przyspieszone zniszczenie nawierzchni.

Zdaniem autora, ważne jest projektowanie konstrukcji nawierzchni drogowych, z uwzględnieniem maksymalnego dopuszczalnego obciążenia osi pojazdów oraz możliwości zastosowania materiałów lokalnych i recyklingowych. Niezbędne jest właściwe rozpoznanie podłoża gruntowego, które jest pierwszym i najważniejszym krokiem postępowania w projektowaniu i realizacji inwestycji.

1.2 Geneza pracy

W związku z licznie pojawiającym się podczas projektowania problemem słabego podłoża gruntowego, głównie w budownictwie drogowym, należy zwrócić szczególną uwagę na właściwe jego przygotowanie. Istnieje wiele sposobów wzmacniania podłoża (m.in. wymiana gruntów lub posadawianie pośrednie), które pomimo dużej skuteczności w poprawie parametrów mechanicznych, generuje jednak znaczne koszty. Dlatego też, zdaniem autora, w ramach realizacji robót budowlanych należy przede wszystkim wykorzystać surowce występujące lokalnie oraz materiały odpadowe.

W budownictwie drogowym, grunty spoiste, z uwagi na niskie wartości

parametrów wytrzymałościowych (np. kątów tarcia wewnętrznego czy modułów

ściśliwości), a także podatność na zwiększenie plastyczności pod wpływem wody

oraz zmiany objętości będące skutkiem powstawania szkód mrozowych, są traktowane jako materiał nieprzydatny, który nie może występować w korycie drogowym.

Powszechnie stosowanym rozwiązaniem wzmacniania podłoża jest stabilizacja gruntów spoiwami hydraulicznymi. Najbardziej efektywnym sposobem jest stabilizacja cementem gruntów niespoistych. W sytuacji gdy w podłożu występują wyłącznie grunty organiczne lub spoiste, można zastąpić je dowiezionymi gruntami niespoistymi a następnie stabilizować. Alternatywnie do stosowania cementu, stosuje się stabilizacje gruntów (także miejscowych) różnymi spoiwami (np. produktami Lipidur, Silment, Hydratech) lub środkami chemicznymi (np. UPD, Consolid). Nie zawsze są to spoiwa hydrauliczne lecz alternatywne środki chemiczne, w skład których wchodzą szkodliwe kwasy (m.in. siarkowe). Producenci dostępnych na rynku spoiw ‘gwarantują’ skuteczność działania oraz poprawę parametrów wytrzymałościowych gruntów, niezależnie od ich rodzaju. Autor bazując na informacjach zawartych w literaturze, a także na własnych doświadczeniach praktycznych uważa, iż nie można stosować tych samych środków do różnych gruntów. Ważną kwestią jest właściwe rozpoznanie charakterystyki materiału gruntowego, a następnie dobór odpowiednich spoiw/środków do stabilizacji, dla których uwzględniono czynniki lokalne i specyfikę stabilizowanego podłoża.

Problemem naukowym stawianym przez autora jest poszukiwanie technologii, pozwalającej na poprawę parametrów wytrzymałościowych gruntów spoistych stabilizowanych cementem do celów budowy konstrukcji nawierzchni drogowych.

Rozwiązaniem zaproponowanym w pracy jest zastosowanie do cementu dodatku mleczanu diamidoaminy, który wyprodukowany został z substancji pochodzenia naturalnego (tłuszcze roślinne i zwierzęce). Korzystnym z punktu widzenia środowiska jest wykorzystanie ww. dodatku, który pozwala na bezpieczną utylizację odpadów przy jednoczesnej oszczędności materiałów i surowców naturalnych.

Zgodnie z informacjami uzyskanymi od producenta mleczanu, za odpady uważa się

tłuszcze roślinne i zwierzęce, które pochodzą np. z gospodarstwa domowego

i przemysłu gastronomicznego. Składniki badanego dodatku mogą być skupowane

przez wytwórców, przetwarzanie i sprzedawane jako nowe produkty (m.in. smalec

itp.).

1.3 Cel i zakres pracy

Głównym celem pracy jest ocena wpływu dodatku mleczanu diamidoaminy na poprawę wytrzymałości na ściskanie i zwiększeniu poziomu mrozoodporności wybranych gruntów spoistych, stosowanych w budownictwie drogowym.

Kolejnym celem jest określenie niezbędnej ilości dodatku ww. środka hydrofobizującego, która pozwoli na uzyskanie oczekiwanych wartości wytrzymałości na ściskanie i mrozoodporności, wg wymagań normowych.

Celem pracy jest również próba określenia mechanizmu działania mleczanu diamidoaminy jako środka hydrofobizującego, na podstawie analizy wyników badań nasiąkliwości oraz kapilarnej absorpcji wody.

Na podstawie praktyki inżynierskiej, badań własnych oraz studium literatury sformułowano następujące tezy pracy:

1. Zastosowanie dodatku mleczanu diamidoaminy zwiększy wytrzymałość na ściskanie oraz mrozoodporność gruntów mało i średnio spoistych stabilizowanych cementem.

2. Dodatek mleczanu diamidoaminy pozwoli na uzyskanie wyższej wytrzymałości na ściskanie i mrozoodporności gruntów mało i średnio spoistych stabilizowanych cementem w porównaniu do wybranych alternatywnych spoiw hydraulicznych (innych niż cement, bez dodatku środka hydrofobizującego).

3. Absorpcja wody w strukturę gruntów stabilizowanych cementem zostaje ograniczona poprzez zastosowanie mleczanu diamidoaminy, co potwierdza hydrofobizujące działanie dodatku.

Zakres pracy obejmuje:

1. Studia literaturowe w zakresie możliwości zastosowania gruntów spoistych w budownictwie drogowym, ich charakterystyki i sposobów ulepszania (podrozdziały 2.1 oraz 2.2).

2. Przegląd dostępnych środków do stabilizacji gruntów, w tym analizę przypadków ich zastosowania w warunkach polskich (podrozdziały 2.3 i 2.4).

3. Charakterystykę mleczanu diamidoaminy, spoiwa cementowego i spoiw komercyjnych oraz wybranych gruntów spoistych (rozdział 3).

4. Określenie metodyki badawczej (podrozdział 4.1).

5. Wykonanie badań laboratoryjnych dodatku, gruntów oraz spoiw hydraulicznych (podrozdział 4.2),

6. Przygotowanie i pielęgnację próbek (podrozdział 4.3).

7. Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie (podrozdział 4.4)

8. Obliczenie wskaźników mrozoodporności (podrozdział 4.5), oznaczenie nasiąkliwości (podrozdział 4.6) i kapilarności (podrozdział 4.7).

9. Prezentację wyników badań (podrozdziały 5.1-5.4).

10. Opis makroskopowej oceny wybranych próbek (podrozdział 5.5).

11. Analizę wyników (podrozdział 5.6).

12. Podsumowanie i wnioski wraz z kierunkiem dalszych prac (rozdział 6).

2 PRZEGLĄD STANU WIEDZY

2.1 Charakterystyka podłoża gruntowego

2.1.1 Rodzaje gruntów i ich pochodzenie

Obecna budowa geologiczna obszaru Polski jest w dużej mierze skutkiem działania czwartorzędowych plejstoceńskich zlodowaceń. Z uwagi na zmienność genetyczno-litologiczną podłoża związaną z działalnością lądolodu, obecnością różnorakich form akumulacji lodowcowej i rzeczno-lodowcowej oraz zaburzeń glacitektonicznych podłoża, występujące grunty charakteryzują się zmiennością właściwości wytrzymałościowych i odkształceniowych. Znaczny wpływ na cechy fizyczno-mechaniczne ma geneza i wiek osadów [37].

W literaturze najczęściej wyróżnia się cztery główne zlodowacenia, określane mianem zlodowaceń skandynawskich, nazywane również nazwami rzek, które obejmowały [37]:

 Narwi (najstarsze),

 południowopolskie (Sanu i Nidy),

 środkowopolskie (Warty i Odry),

 północnopolskie (Wisły).

Zasięg poszczególnych zlodowaceń przedstawiono na rysunkach 2.1 – 2.4.

Rysunek 2.1 Obszar zlodowacenia Narwi (źródło: [93])

Rysunek 2.2 Obszar zlodowacenia Sanu i Nidy (źródło: [93])

Rysunek 2.3 Obszar zlodowacenia Warty i Odry (źródło: [93])

Rysunek 2.4 Obszar zlodowacenia Wisły (źródło: [93])

Kaczyński [37] twierdzi, że najczęściej występującym typem genetyczno- litologicznym gruntów występujących na terenie Polski są osady lodowcowe i rzeczno-lodowcowe. Na całym obszarze można spotkać także utwory eoliczne (np. wydmy), na północy występują osady jeziorne związane z obfitością rzek polodowcowych, a w części centralnej osady zastoiskowe.

Grunty związane z akumulacją polodowcową są wykształcone w różnorodny sposób i mają zróżnicowaną miąższość. Jak oszacowano [79], grubość mas lodowcowych wynosiła od 500 m do 1 000 m, co powodowało nacisk na powierzchnię ok. 10 MPa. Omawiana masa lodowca spowodowała pofałdowanie podłoża i wypiętrzanie warstw gruntowych lub niszczenie części podłoża.

W okresie ocieplenia lodowce topniały, odkładając zawarte w nich masy skalne takie jak głazy narzutowe, gliny zwałowe, porwaki iłów, piaski i żwiry.

Verruijt [74] z uwagi na dużą różnorodność gruntów w różnych krajach i związaną z tym zmienność ich właściwości uważa, że należy precyzować nazwy oraz podziały gruntów. Nie istnieją jednolite kryteria klasyfikacji gruntów z uwagi na lokalne różnice i cechy – szczególnie genezę gruntów na różnych obszarach.

Zunifikowane klasyfikacje mają zazwyczaj niewielkie znaczenie dla określenia właściwości mechanicznych gruntów takich jak nośność i wytrzymałość. Ponadto, klasyfikacja gruntów winna uwzględniać charakterystyczne parametry istotne dla rozważanego problemu inżynierskiego.

W literaturze przedmiotu wyróżnia się następujące klasyfikacje gruntów [41, 75, 105]:

 ujednolicony system klasyfikacji gruntów (USCS – ang. Unified Soil Classification System), opracowany przez Casagrande’a, który oparto na identyfikacji gruntow zgodnie z liczebnością tekstury jak i z plastycznością;

grunty uważa się za mieszaniny o różnych proporcjach, przy czym każdy składnik gruntu ma udział we właściwościach mieszaniny, które określają grunt jako materiał budowlany;

 podział AASHTO (ang. American Association of State Highway and

Transportation Officials – Amerykańskie Stowarzyszenie Państwowych

Autostrad i Urzędników Transportu), opracowany przez Atterberga, wynikający

z opisu gruntów w rolnictwie oraz rozwinięciu tematu w zagadnieniach

geotechnicznych, uwzględnia podział wielkości cząstek oraz granice konsystencji gruntów;

W Europie, opracowując przepisy klasyfikujące grunty, bazowano na systemach amerykańskich. Na podstawie USCS Casagrande’a w Wielkiej Brytanii powstał system klasyfikacji (opisany normami brytyjskimi BS) oraz w Niemczech (wprowadzony normami niemieckimi DIN). W ramach ujednolicania przepisów i norm państw Unii Europejskiej, zaproponowano w 2002 r. przez Międzynarodową Organizację Standaryzacyjną (ang. ISO) i Europejski Komitet Normalizacyjny (fr. CEN) normę EN-ISO 14688-1 uzupełnioną w 2004 r. normą EN-ISO 14688-2, w których przedstawiono własną klasyfikację podziału gruntów. W praktyce akceptacja standardów europejskich nie przełożyła się jednak na przejście do nowego systemu opisywania, identyfikowania i klasyfikacji gruntów w większości krajów europejskich. Obiektywne przyczyny tej sytuacji leżą w fakcie, iż normy europejskie EN opisują wyłącznie zasady klasyfikacji. Pojawia się również trudność w dopasowaniu nazw i rodzajów ‘krajowych’ gruntów do nowej terminologii [41].

W Polsce, w świetle przepisów Polskiego Komitetu Normalizacyjnego (PKN), obowiązującą normą klasyfikującą grunty jest norma PN-EN ISO 14688 „Badania geotechniczne. Oznaczenie i klasyfikowanie gruntów.”. Składa się ona z dwóch części:

Oznaczanie i opis [134] oraz Zasady klasyfikowania [135]. W celu dostosowania nazw gruntów zdefiniowanych dla państw europejskich, opracowano załącznik krajowy, w którym podjęto próbę przełożenia klasyfikacji na warunki polskie, aby w prosty sposób zastąpić grunty określone w polskiej normie PN-B-2480:1986 „Grunty budowlane. Określenia, symbole, podział i opis gruntów.” [115], opartej o trójkąt Fereta.

W praktyce inżynierskiej specjaliści nadal korzystają z normy polskiej, która jest

prosta i odpowiednia dla krajowego układu glacitektonicznego. Zdaniem

Jermołowicza [34], z uwagi na specyfikę zlodowaceń występujących na obszarze

Polski, często mają miejsce zaburzenia podłoża (deformacje glacitektoniczne),

dlatego nie jest możliwe opisanie charakterystyki podłoża gruntowego według zasad

stosowanych w Europie Zachodniej, gdyż podanie wyłącznie nazw wynikających

z właściwości gruntów z pominięciem ich genezy może prowadzić do błędnej

interpretacji związanej z zachowaniem podłoża. W przypadku, gdy grunty posiadają

różną genezę, połączenie ich w jedną warstwę geotechniczną jest błędem, gdyż z uwagi na różnorodność genetyczną charakteryzują się inną historią obciążeń.

Można zatem niewłaściwie połączyć w jedną warstwę grunty o różnym skonsolidowaniu, czyli o różnych parametrach inżynierskich. Ponadto problem prostego przejścia z norm PN-B na normy PN-EN związany jest także z różnicami wynikającymi z innych granic frakcji określonych w normach europejskich.

Sulewska [69] zauważa różnice w starej i nowej klasyfikacji gruntów. Wg PN-EN 14688-1:2006 [134]:

 klasyfikacji dokonuje się według inaczej określonej oceny makroskopowej niż w PN-B-04481:1988 [117],

 występują nowe frakcje (o zmienionych granicach),

 zmianie ulega konstrukcja nazwy gruntu – frakcja główna na końcu symbolu,

 trójkąt klasyfikacyjny ISO jest różny od trójkąta Fereta,

 podano podział na grunty plastyczne i nieplastyczne.

Zdaniem Gołębiewskiej [24], wprowadzone zmiany w trójkącie ISO przeniesione na trójkąt krajowy znacznie utrudniają geotechnikom poprawne określenie rodzaju gruntu. Dodatkowo nazwy zawarte w [135] nie są logicznie spójne. Wyróżnia się grupy błędów:

 błędy komitetu standaryzującego – niedopowiedzenia i braki stwierdzone w podstawowej normie EN;

 błędy tłumaczenia – odpowiednia redakcja treści i dostosowanie do zasad oznaczania gruntów, zamiana pojęć;

 błędy w załączniku – spowodowane nieudolną próbą przeniesienia trójkąta ISO na trójkąt Fereta.

Podsumowując autor zauważa, iż terminologia i podział gruntów nie są

ujednolicone z uwagi na mnogość kryteriów klasyfikacji. Obowiązujące w różnych

regionach świata podziały nie powinny przysłaniać najważniejszego – wpływu cech

i parametrów gruntów na ich zastosowanie inżynierskie. Autor uważa, że przy opisie

cech gruntu nie jest ważne, którą klasyfikacją chcemy się posłużyć. Najważniejszym

jest natomiast właściwe określenie parametrów gruntu i umiejętność przewidywania potencjalnych zmian, które będą oddziaływać na konstrukcję budowlaną.

2.1.2 Przydatność gruntów w budownictwie

Grunt budowlany jest to część skorupy ziemskiej, mogąca współdziałać z obiektem budowlanym, stanowiąca jego element lub służąca jako tworzywo do wykonywania z niego budowli ziemnych [115]. W pracy przyjęto następujące kryteria podziału, zgodnie z polską normą PN-B-02480:1986 [115]:

 z uwagi na proces powstawania:

a) grunty naturalne, których szkielet powstał w wyniku procesów geologicznych na terenie Polski,

b) grunty antropogeniczne, utworzone w ramach przemysłowej lub gospodarczej działalności człowieka;

 ze względu na pochodzenie lub udział człowieka:

a) rodzime, powstałe w miejscu utworzenia w trakcie procesów geologicznych, zawsze są pochodzenia naturalnego,

b) nasypowe, powstałe w wyniku działalności człowieka, naturalne lub antropogeniczne;

 z uwagi na przydatność gruntów nasypowych w budownictwie:

a) nasypy budowlane (NB), których rodzaj i stan odpowiadają wymaganiom budowli ziemnych lub podłoża pod budowle,

b) nasypy niebudowlane (NN), który nie spełnia definicji NB;

 pod względem uziarnienia, w gruntach rodzimych, mineralnych, nieskalistych, wyróżnia się:

a) kamieniste:

1) zwietrzeliny i zwietrzeliny gliniaste, 2) rumosze i rumosze gliniaste,

3) otoczaki;

b) gruboziarniste:

1) żwiry i żwiry gliniaste,

2) pospółki i pospółki gliniaste;

c) drobnoziarniste (podział pod względem spoistości i uziarnienia):

1) niespoiste – piaski grube, średnie, drobne i pylaste,

2) spoiste – piaski gliniaste, pyły piaszczyste i pyły, gliny, gliny piaszczyste i pylaste, gliny zwięzłe, piaszczyste i pylaste zwięzłe oraz iły, iły piaszczyste i pylaste.

W przyjętych w 2006 roku przez Polski Komitet Normalizacyjny normach serii PN-EN 14688 [134, 135] wyróżniono następujący podział gruntów:

 z uwagi na charakter powstawania:

a) grunty naturalne, b) grunty antropogeniczne,

1) nasyp kontrolowany, przydatny w budownictwie, 2) nasyp niekontrolowany, nieprzydatny w budownictwie,

 z uwagi na frakcje i wymiary cząstek:

a) bardzo gruboziarniste, 1) duże głazy, 2) głazy, 3) kamienie, b) gruboziarniste,

1) żwiry – żwir gruby, średni i drobny, 2) piaski – piasek gruby, średni i drobny, c) drobnoziarniste,

1) pyły – pył gruby, średni i drobny, 2) ił.

Dodatkowo w normie wyróżniony grunty organiczne – humus, torfy i gytie.

Kaczyński [37] proponuje podział określający warunki podłoża budowlanego z uwzględnieniem charakterystyki geologiczno-inżynierskiej gruntu:

 korzystne dla budownictwa:

a) grunty niespoiste, średnio zagęszczone i zagęszczone, dla których nie stwierdzono zjawisk geodynamicznych, a głębokość wody gruntowej nie przekracza 2,0 m poniżej powierzchni terenu,

b) grunty spoiste zwarte, półzwarte i twardoplastyczne;

 niekorzystne, utrudniające budownictwo:

a) grunty słabonośne (organiczne, spoiste w stanie miękkoplastycznym i plastycznym, zwietrzeliny gliniaste, grunty niespoiste luźne), w których zwierciadło wody gruntowej znajduje się na głębokości płytszej niż 2,0 m poniżej powierzchni terenu,

b) tereny występowania wód agresywnych, c) tereny zalewowe podczas powodzi, d) tereny podmokłe i bagienne,

e) tereny objęte ruchami masowymi, zjawiskami krasowymi i sufozyjnymi.

Parametry gruntów budowlanych w czytelny i prosty sposób zestawiono w normie PN-B-03020:1981 „Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli.

Obliczenia statyczne i projektowanie.” [116]. W normie wyróżniono grunty niespoiste oraz spoiste, które oznaczono literami w zależności od pochodzenia geologicznego:

 grunty spoiste morenowe skonsolidowane – ”A”,

 inne grunty spoiste skonsolidowane oraz morenowe nieskonsolidowane – ”B”,

 inne grunty spoiste nieskonsolidowane – ”C”,

 iły, niezależnie od pochodzenia geologicznego – ”D”.

Dla przedstawionych gruntów w tablicach w normie zestawiono charakterystyczne wartości gęstości właściwej, wilgotności naturalnej, gęstości objętościowej, zaś na nomogramach zależności korelacyjne kąta tarcia wewnętrznego i spójności w odniesieniu do stopnia zagęszczenia i stopnia plastyczności [116].

2.1.3 Wymagania wobec podłoża w drogownictwie

Norma drogowa PN-S-02201:1987 „Drogi samochodowe. Nawierzchnie

drogowe. Podział, nazwy, określenia.” [137] definiuje podłoże gruntowe jako grunt

rodzimy lub nasypowy leżący pod nawierzchnią do głębokości przemarzania, nie

mniej jednak niż do głębokości, na której naprężenia pionowe od największych

obciążeń użytkowych wynoszą 0,02 MPa. Powyższą definicję można uzupełnić

kolejną, dotyczącą podłoża gruntowego ulepszonego, które stanowi wierzchnią

warstwę podłoża znajdującego się bezpośrednio pod nawierzchnią, ulepszoną w celu umożliwienia przejęcia ruchu budowlanego i właściwego wykonania nawierzchni, spełniającą wymagania określone dla podłoża. Właściwe przygotowanie podłoża jest kluczowym elementem realizacji konstrukcji nawierzchni.

Projektując konstrukcję nawierzchni, można korzystać z katalogów typowych konstrukcji. Do 2014 roku powszechnie stosowano katalogi typowych konstrukcji nawierzchni: podatnych i półsztywnych (z 1997 r. [94]) oraz sztywnych (z 2001 r.

[96]), w których podano algorytm wyznaczania kategorii obciążenia ruchem (od KR1 do KR6), metodykę określania warunków gruntowo-wodnych podłoża nawierzchni, wymagania dla podłoża, zalecane sposoby jego wzmocnienia oraz typowe rozwiązania konstrukcyjne. Zapisy i ustalenia dotyczące oceny podłoża oraz część proponowanych typów konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych w 1999 roku przyjęto do prawa krajowego w formie ustawy, opublikowanej w Dzienniku Ustaw nr 43, pod pozycją 430 [108], jako załączniki nr 4 i 5. Omawiane rozporządzenie znowelizowano sześć razy. Część zmian wprowadzono w drodze rozporządzeń – zmieniających brzmienie poszczególnych paragrafów, dodających nowe lub je uchylających czy uzupełniających o nowe rozdziały. Najważniejsze jednak zmiany dokonano w rozporządzeniu [107], w którym, oprócz kolejnych korekt i redefinicji pewnych pojęć, uchylono ww. załączniki pochodzące z pierwotnej wersji z 1999 r. Ostatecznie, w styczniu 2016 r. (Dz.U. z 2016 r., poz. 124 [99]), ogłoszono jednolity tekst rozporządzenia, uwzględniając wcześniejsze nowelizacje [77].

W latach 2009-2013 w ramach prac naukowo-badawczych wykonanych na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad oba katalogi zostały zaktualizowane i opublikowane w 2014 r. Zdaniem autora, jako istotne zmiany wprowadzone w nowych katalogach, należy wymienić [95, 97]:

 zmiana okresu projektowego dla autostrad i dróg ekspresowych,

 redefiniowanie granic kategorii obciążenia ruchem oraz dodanie kategorii KR7,

 zmiana wymagań nośności wobec podłoża gruntowego,

 uporządkowanie pojęć związanych z podłożem gruntowym oraz konstrukcją

nawierzchni.

Wprowadzono również czytelny podział na warstwy górne konstrukcji (dobierane w zależności od obciążenia ruchem oraz typu podbudowy zasadniczej) oraz warstwy dolne konstrukcji nawierzchni (dobierane w zależności od grupy nośności podłoża i wymaganej nośności na poziomie spodu górnych warstw) [95, 97].

W katalogach zwrócono szczególną uwagę na właściwe przygotowanie podłoża dla przeniesienia projektowanego obciążenia. Po obliczeniu projektowanej kategorii obciążenia ruchem, określa się warunki gruntowo-wodne. W tym celu należy wykonać badania geotechniczne. Autor rozprawy za niezbędne uważa:

 odwierty gruntowe pozwalające na określenie rodzaju gruntu i poziomu zalegania wody gruntowej,

 badania nośności przy zastosowaniu aparatu VSS do określenia wtórnego modułu odkształcenia E 2 ,

 badania laboratoryjne uziarnienia, wskaźnika piaskowego oraz zawartości części organicznych.

Dysponując wynikami badań, zgodnie z aktualnie obowiązującymi katalogami, określa się warunki wodne, które przedstawiono w tablicy 2.1, warunki gruntowe z uwzględnieniem wysadzinowości (por. tablica 2.2) oraz grupę nośności podłoża (por.

tablice 2.3 i 2.4).

Tablica 2.1 Klasyfikacja warunków wodnych (źródło: [95, 97]) Charakterystyka

korpusu drogowego

Warunki wodne, gdy najwyższy poziom swobodnego zwierciadła wody gruntowej występuje na głębokości poniżej spodu konstrukcji nawierzchni

< 1 m 1 m - 2 m > 2 m

Wykopy ≤ 1 m * złe przeciętne przeciętne

** złe przeciętne dobre

Nasypy ≤ 1 m * złe przeciętne przeciętne

** przeciętne przeciętne dobre

Wykopy > 1 m * złe przeciętne przeciętne

** złe przeciętne dobre

Nasypy > 1 m * złe przeciętne dobre

** przeciętne dobre dobre

*pobocza nieutwardzone ** pobocza utwardzone i dobre odprowadzenie wód

Zgodnie z katalogami [95, 97], jeśli ocena na podstawie określenia rodzaju gruntu,

zawartości drobnych cząstek i wskaźnika piaskowego jest rozbieżna, to decyduje

wynik najmniej korzystny.

Właściwie przygotowane, ulepszone podłoże lub podłoże gruntowe rodzime winno spełniać wymagania pod względem nośności dla wymaganej kategorii obciążenia ruchem [95, 97]:

 kategorie KR 1–2: E 2 ≥ 80 MPa,

 kategorie KR 3–4: E 2 ≥ 100 MPa,

 kategorie KR 5–7: E 2 ≥ 120 MPa.

Tablica 2.2 Wysadzinowość gruntów (źródło: [95, 97])

Właściwość Grupa gruntów

Niewysadzinowy Wątpliwy Wysadzinowy

Rodzaj gruntu

rumosz niegliniasty piasek pylasty mało wysadzinowe bardzo wysadzinowe

Żwir zwietrzelina

gliniasta

glina piaszczysta zwięzła

piasek gliniasty

Pospółka pył piaszczysty

piasek gruby rumosz gliniasty glina zwięzła pył

piasek średni żwir gliniasty Ił glina piaszczysta

piasek drobny pospółka gliniasta ił piaszczysty glina

żużel nierozpadowy ił pylasty glina pylasta

ił warwowy

Zawartość cząstek Niewysadzinowy Wątpliwy Wysadzinowy

≤ 0,075 mm < 15 15 - 30 > 30

≤ 0,020 mm < 3 3 -10 > 10

Wskaźnik piaskowy > 35 25 - 35 < 25

Tablica 2.3 Grupy nośności podłoża względem warunków gruntowo-wodnych (źródło: [95, 97])

Rodzaj podłoża

Grupa nośności podłoża nawierzchni Gi gdy warunki wodne są:

dobre przeciętne Złe

grunty niewysadzinowe G1 G1 G1

grunty wątpliwe G2 G2 G3

grunty wysadzinowe* G3 G4 G4

bardzo wysadzinowe* G4 G4 G4

* w stanie zwartym lub twardoplastycznym o I L ≤ 0,25

W przypadku niespełnienia przez podłoże parametru nośności (podłoże opisane

grupą G2, G3 lub G4 z uwagi na zaniżoną nośność, wysadzinowość gruntu lub

warunki wodne), w katalogach przewidziano zastosowanie dolnych warstw

konstrukcji nawierzchni, dla których podano typowe rozwiązania.

Tablica 2.4 Grupy nośności podłoża względem wskaźnika CBR (źródło: [95, 97]) Grupa nośności podłoża Wskaźnik nośności CBR

po 4 dniach nasączania

Wtórny moduł odkształcenia E 2

Gi [%] [MPa]

G1 CBR ≥ 10 E 2 ≥ 80

G2 5 ≤ CBR < 10 50 ≤ E 2 < 80

G3 3 ≤ CBR < 5 35 ≤ E 2 < 50

G4 2 ≤ CBR < 3 25 ≤ E 2 < 35

Oprócz katalogów, kompendium wiedzy o przygotowaniu podłoża dla drogownictwa stanowi obowiązująca norma PN-S-02205:1998 „Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania” [138]. Zawarto w niej podstawowe definicje związane z budową, przebudową i utrzymaniem nawierzchni drogowych. Określono także szczegółowe wymagania nośności i zagęszczenia dla podłoży gruntowych. Parametry podłoża określone zostały pod względem:

 projektowanego obciążenia ruchem,

 rodzaju budowli ziemnej – nasypu lub wykopu,

 poziomu zalegania warstw względem głębokości poniżej spodu konstrukcji – co odpowiada powierzchni robót ziemnych,

 rodzaju gruntu – niespoistego lub spoistego.

Wymagane wartości parametrów przedstawiono na rysunkach 2.5 i 2.6. Przydatność gruntów do wykonania budowli ziemnych określono za normą [138]

i zestawiono w tablicy 2.5.

Rysunek 2.5 Wartości parametrów wymagane w nasypach (źródło: [138])

Tablica 2.5 Przydatność gruntów do wykonania budowli ziemnych (źródło: [138] )

Rysunek 2.6 Wartości parametrów wymagane w wykopach (źródło: [138])

Zdaniem autora, aby przygotować podłoże dla wykonania konstrukcji nawierzchni, należy je rzetelnie rozpoznać. Niestety, w praktyce budowlanej zdarzają się przypadki błędnie określonej grupy nośności podłoża, na podstawie jednego typu badań (np.

wyłącznie w oparciu o makroskopowe określenie rodzaju gruntu, bez badań nośności i/lub zagęszczenia podłoża). W efekcie niewystarczającego zakresu i ilości badań, może okazać się, iż podłoże nie spełnia wymagań w zakresie nośności (określonej parametrami CBR lub E 2 ), co oznacza, że wymaga wzmocnienia. Restrykcyjne realizowanie przez nadzór budowy kompleksowej oceny podłoża na etapie wykonywania robót ziemnych winno pozwolić na weryfikację założeń projektowych (w zakresie zgodności przyjętych grup nośności podłoża ze stanem faktycznym) i wyeliminowanie możliwości pozostawienia słabego podłoża bez wzmocnienia.

2.1.4 Wysadzinowość podłoża gruntowego

W drogownictwie, wymaga się, aby podłoże było niewysadzinowe.

W przypadku obiektów kubaturowych (budynków czy hal) zakłada się, że posadzka i fundamenty (wewnętrzne) nie będą narażone na szkodliwe działanie mrozu, z uwagi na fakt dodatnich temperatur występujących w obiekcie, co ogranicza przemarzanie posadzki i fundamentów.

Woda przechodząc ze stanu ciekłego w stały (lód) zwiększa swoją objętość o ok. 9%. Zwiększenie objętości przy zamarzaniu wody nie jest główną przyczyną wysadzin – jest nią tworzenie się soczewek lodu w gruncie. Soczewki rosną wskutek podciągania wody z zawilgoconych miejsc lub wodonośnego gruntu (zjawisko podciągania kapilarnego). Sytuacja ma miejsce w przypadku gdy grunt zawiera dużą ilość cząstek ilastych i frakcji pylastej [79]. Wysadziny występują gdy:

 grunt podatny na gromadzenie wody znajduje się w strefie przemarzania,

 zwierciadło wody gruntowej zalega płytko lub podłoże jest bardzo wilgotne z uwagi na znaczne opady deszczu oraz nie ma możliwości odprowadzenia wody z rejonu nawierzchni i jej otoczenia,

 występują długie i intensywne okresy mrozu.

Kolejność tworzenia się wysadzin [56, 79]:

 powstanie w strefie zamarzania soczewek lodowych, które zwiększają swoją objętość poprzez podciąganie wody od dołu,

 po rozpuszczeniu soczewki lodowej, wzrasta wilgotność zamarzniętego gruntu, w przeciwieństwie do niżej występującego podłoża (poniżej strefy zamarzania), które wodę przekazuje wyżej,

 molekuły wody poprzez siły adsorpcji, przyciągnięte do soczewki lodu, uzupełniają jego siatkę krystaliczną,

 zmiana wilgotności na granicy strefy przemarzania zależy od intensywności mrozu – przy większej intensywności grunt szybciej przemarza i podciąga mniej wody.

W przypadku gruntów spoistych, w których odprowadzenie wody w głąb – z uwagi na drobne uziarnienie i niską przepuszczalność – nie jest możliwe, zwiększające się kryształy lodu powodują wypiętrzenie warstwy gruntu. Wysokość wysadziny jest zależna od ilości lodu jaka wytworzy się w gruncie. Ilość lodu zależy od wilgotności początkowej gruntu, czasu działania mrozu, gradientu temperatury, uziarnienia, wodoprzepuszczalności, przewodności cieplnej i składu chemicznego [56, 79].

Zgodnie z wymaganiami katalogów typowych konstrukcji nawierzchni [94-97],

ze względu na możliwość powstania wysadzin należy sprawdzić warunek

mrozoodporności konstrukcji nawierzchni, poprzez kontrolę czy całkowita grubość

wszystkich warstw nawierzchni i warstwy ulepszonego podłoża, wynikająca

z przyjętego rodzaju konstrukcji, jest większa niż zdefiniowana zastępcza głębokość

przemarzania dla lokalizacji (tj. z uwzględnieniem współczynnika przeliczeniowego,

por. tablica 2.6), w której ma zostać wykonana konstrukcja. Pod względem

przemarzania gruntu, obszar Polski podzielony jest na 4 strefy (por. rys. 2.7).

Tablica 2.6 Wymagana grubość konstrukcji nawierzchni i warstwy ulepszonego podłoża ze względu na odporność na wysadziny (źródło: [95, 97])

Kategoria obciążenia ruchem

Grupa nośności podłoża z gruntów wątpliwych i wysadzinowych

G2 G3 G4

KR1 0,40 h z 0,50 h z 0,60 h z

KR2 0,45 h z 0,55 h z 0,65 h z

KR3 0,50 h z 0,60 h z 0,70 h z

KR4 0,55 h z 0,65 h z 0,75 h z

KR5 0,60 h z 0,70 h z 0,80 h z

KR6 i KR7 0,65 h z 0,75 h z 0,85 h z

Rysunek 2.7 Głębokość przemarzania gruntu (źródło: [95])

W przypadku, gdy łączna grubość konstrukcji oraz warstwy ulepszonego podłoża

jest mniejsza od wymaganej wartości określonej przez głębokość przemarzania

(z uwzględnieniem przeliczenia dla odpowiedniej kategorii obciążenia ruchem),

należy pogrubić najniżej występującą warstwę konstrukcji lub ulepszonego podłoża.

Okresem krytycznym dla nawierzchni drogowych jest wiosna, kiedy to nośność nawierzchni – z uwagi na rozmarzanie podłoża i wysoką wilgotność oraz wysadziny – jest znacznie obniżona. Rafalski i inni [56] uważają, że przy projektowaniu konstrukcji można spróbować zapewnić wystarczającą nośność nawierzchni dla przeniesienia założonych obciążeń, nawet w okresach panujących niekorzystnych warunków atmosferycznych (np. w okresach roztopów), co może jednak spowodować przewymiarowanie konstrukcji. Inną alternatywą jest ograniczenie ruchu pojazdów ciężkich w okresie krytycznym, jednak przy aktualnym natężeniu ruchu może być to mało prawdopodobne.

Linell [45] uważa, że sztywne nawierzchnie są mniej podatne na zmianę sztywności podłoża gruntowego. Na podłożu o obniżonej w wyniku przemarzania nośności, konstrukcja sztywna zachowuje swoje parametry sztywności w ok. 75%, zaś podatna w ok. 33%, w odniesieniu do wartości nominalnych obciążeń.

Rengmark [59] twierdzi, że głębokość przemarzania w osi jezdni jest większa niż po bokach, z uwagi na fakt, iż izolacja zalegającej pokrywy śnieżnej na środku drogi jest znacznie mniejsza niż jej skraju.

W celu przeciwdziałaniu powstania wysadzin proponuje się [45, 79]:

 odpowiednie podwyższenie nasypu ponad zwierciadło wody gruntowej,

 obniżenie poziomu wód gruntowych lub odcięcie ich bocznego dopływu za pomocą drenażu podłużnego,

 zastosowanie pod nawierzchnią podsypki z materiału niewysadzinowego,

 zastosowanie wzmocnień z gruntów stabilizowanych cementem,

 właściwe zagęszczenie podłoża,

 dobre odwodnienie powierzchniowe, które przeciwdziała wsiąkaniu wód opadowych w pobocza,

 zwiększenie grubości konstrukcji nawierzchni.

Innym zjawiskiem, które może powodować uszkodzenie konstrukcji związane z wypiętrzeniem lub obniżeniem poziomu gruntu jest pęcznienie i skurcz gruntów.

Grunty spoiste, z uwagi na budowę mineralogiczną są podatne na ww. zjawisko.

Szczegóły problemu pęcznienia szeroko poruszono przez Jonesa i Jeffersona [36]

oraz Nelsona i Miller [51].

Nelson i Miller uważają, że czynnikami wpływającymi na pęcznienie i skurcz gruntów są [51]:

 rodzaj minerałów tworzących części ilaste – najbardziej podatne są montmorylonity i wermikulity, mniej illity i kaolinity, jednak one także mogą powodować zmiany objętości;

 składniki chemiczne wody gruntowej – sole pierwiastków w postaci kationów sodu, wapnia, magnezu i potasu są rozpuszczalne w wodzie i są absorbowane na powierzchni gruntów spoistych jako kationy wymienne, w celu zrównoważenia ich ujemnych ładunków na powierzchni;

 plastyczność – grunty o wysokiej plastyczności i dużym zakresie zmian wilgotności, posiadające wysoką granicę płynności, mają większy potencjał pęcznienia i skurczu;

 struktura i tekstura – grunty o strukturze kłaczkowatej są bardziej podatne na zmiany objętości;

 gęstość objętościowa szkieletu gruntowego – wyższe gęstości zwykle wskazują na mniejsze odstępy między cząstkami, co może powodować zwiększenie sił odpychających i możliwość pęcznienia.

2.1.5 Charakterystyka gruntów spoistych

Grunty spoiste zbudowane są głównie z materiałów ilastych, które charakteryzują się wysoką dyspersją i hydrofilnością oraz zdolnością do sorpcji i wymiany jonowej.

Materiały ilaste mają największy wpływ na własności inżyniersko-geologiczne gruntów. Ich obecność w gruncie wpływa na hydrofilność, zwięzłość, wodoprzepuszczalność, plastyczność i pęcznienie [26].

Olszewska-Grabowska [25] charakteryzuje strukturę gruntów spoistych, która

zbudowana jest z mikroagregatów, czyli zespołów cząstek ilastych, trwałych

w zawiesinie przy braku zewnętrznych czynników fizycznych. W zależności

od składu mineralnego, kształtu oraz dyspersji cząstek ilastych, mikroagregaty mogą

mieć różne rozmiary.

Główne grupy minerałów ilastych, które mają znaczny wpływ na właściwości gruntów spoistych [26, 68, 70]:

1. Kaolinity – złożone z tlenków krzemu 47%, tlenków glinu 39% i wody 14%.

Są głównym składnikiem glin ceramicznych i kaolinu. Elektrycznie obojętne.

Nie biorą udziału w reakcjach jonowymiennych. Powstają w wyniku chemicznego wietrzenia skaleni w środowisku kwaśnym. Struktura krystaliczna kaolinitu składa się z pakietów dwuwarstwowych, w których jedna warstwa tetraedryczna jest połączona z jedną warstwą oktaedryczną silnymi wiązaniami jonowo- atomowymi. Pomiędzy poszczególnymi pakietami istnieją wiązania wodorowe, łączące atomy tlenu warstwy z tlenków krzemu ograniczającej grupy wodorotlenowe z jednej strony z grupami wodorotlenowymi sąsiedniego pakietu.

Charakteryzują się dużą spójnością i odpornością na czynniki działające w kierunku ich rozsunięcia. Grunty kaolinitowe zalicza się do mało hydrofilnych tzn. o niskiej wilgotności, słabym pęcznieniu i małej ściśliwości, ponieważ silne wiązania między pakietami utrudniają dostęp wody.

2. Montmorylonity – złożone z tlenków krzemu 67%, tlenków glinu 28% i 5%

wody. Wchodzą głównie w skład bentonitów i ziem bielących. Montmorylonit powstaje w wyniku wietrzenia tufów wulkanicznych w środowisku alkalicznym i silnie zasolonym. Struktura krystaliczna składa się z pakietów trójwarstwowych, w których pomiędzy dwiema warstwami tetraedrycznymi jest zawarta warstwa oktaedryczna, powierzchnie elementarnych sąsiadujących ze sobą pakietów są obsadzone przez atomy tlenu będące przyczyną słabej więzi między nimi (a nawet odpychania). Taka budowa ułatwia wnikanie w przestrzenie międzypakietowe znacznej ilości kationów i wody.

Montmorylonity wykazują duże zdolności do pęcznienia, co z kolei prowadzi

do zmiany odległości międzypłaszczyznowych. Elektrycznie naładowane,

z uwagi na obecność kationów krzemu i glinu w sieci krystalicznej znajdują się

ładunki ujemne, posiadają słabe wiązania międzypakietowe, w które łatwo

wchodzą cząsteczki wody, co prowadzi do osłabienia sił

międzycząsteczkowych. Ujemny ładunek może być kompensowany przez

kationy wymienne, które ulegają hydratacji (najczęściej sód, wapień i magnez

oraz kationy organiczne). Montmorylonit zalicza się do materiałów silnie

hydrofilnych, co przejawia się ich wysoką wilgotnością, dużym pęcznieniem i dużą ściśliwością oraz do minerałów o dużej zdolności adsorpcyjnej i wymiany jonowej.

3. Illity – strukturalnie jak montmorylonity, charakteryzują się silnymi wiązaniami jonowymi. Są rozpowszechnionym składnikiem skał ilastych, zwłaszcza łupków ilastych tworzących się w środowisku morskim. Występują również wśród produktów wietrzenia skaleni i innych glinokrzemianów. Stanowią dominującą część frakcji iłowej, różnych pod względem genetycznym i litologicznym typów gruntów spoistych. Struktura krystaliczna jest trójwarstwowa typu montmorylonitu. W warstwach tetraedrycznych jony krzemu są zastępowane przez jony glinu, co powoduje powstawanie ujemnego ładunku pakietu. Ładunek ten jest kompensowany przez międzypakietowe kationy potasu. Woda w strukturze illitów wiązana jest hydroksylowo (w postaci grup wodorotlenkowych). Pakiety są silnie związane przez kationy międzypakietowe, co uniemożliwia przenikanie wody w przestrzenie międzypakietowe. Illity wykazują hydrofilność i aktywność w reakcjach sorpcji i wymiany jonowej, jednak mniejszą niż montmorylonity.

Zdaniem autora rozprawy, aby móc w pełni wykorzystać grunty spoiste w budownictwie, należy szczegółowo poznać ich budowę oraz charakterystykę struktury wewnętrznej. W dalszej części omówiono wpływ budowy wewnętrznej i właściwości materiałów, które mają wpływ na parametry fizyko-mechaniczne.

Grunty spoiste z uwagi na zmienność parametrów pod wpływem kontaktu z wodą są uważane za podłoża słabe. Grabowska-Olszewska i Siergiejew [26] twierdzą, iż odporność gruntów na działanie wody to zdolność do zachowania mechanicznej wytrzymałości i trwałości przy współdziałaniu z wodą. Można ją scharakteryzować na podstawie:

1. Rozmakalności – zdolności gruntu do utraty spójności i przeobrażenia się w ‘pulchną’ masę, z częściowym lub pełnym zanikiem nośności pod wpływem wody stojącej. Utrata nośności jest spowodowana zanikiem wiązań strukturalnych w procesie hydratacji agregatów. Zależy ona od składu chemiczno-mineralnego, od cząstek mineralnych i kationów wymiennych.

W przypadku glin piaszczystych odporność na działanie wody zależy od

zawartości frakcji iłowej (przy niskiej zawartości jest niewielka, a w przypadku większej zawartości zależy od charakteru i wymiarów porów).

2. Rozmywalności – zdolności do oddawania agregatów i cząstek elementarnych do wody oddziaływującej na powierzchnię masy gruntowej. Zależy od składu gruntów i charakteru wiązań strukturalnych. Zachodzi w wyniku dynamicznego oddziaływania strumienia wodnego na pojedyncze cząstki i agregaty, co prowadzi do zniszczenia połączeń międzycząsteczkowych. Grunty szybko rozmakające charakteryzują się dużą rozmywalnością.

3. Rozmiękalności – zdolności gruntów o sztywnych wiązaniach do obniżenia swojej wytrzymałości pod wpływem wody. Spowodowana osłabieniem więzi międzycząsteczkowych wywołanych przenikaniem wody.

Wiązania strukturalne między cząstkami minerałów ilastych w gruntach spoistych, powstają pod wpływem procesów chemicznych, fizykochemicznych i fizycznych, wywołujących szereg złożonych współoddziaływań o różnym charakterze, zachodzących w miejscach kontaktów cząstek ilastych. Wyróżnić można następujące siły przyciągania [26]:

 chemiczne (walencyjne) – mają niewielki zasięg oddziaływania, dużą energię wiązania;

 molekularne lub van der Waalsa – skutkiem oddziaływań między cząsteczkami, mają trzy efekty: orientacji, indukcji i dyspersji; są podobne do oddziaływań między magnesami (w zależności od położenia cząstek mogą przyciągać lub odpychać);

 jonowo-elektrostatyczne – wynikają z elektrostatycznego przyciągania ujemnie naładowanych cząstek przez kationy rozmieszczone pomiędzy nimi;

 elektrostatyczne – działają między cząsteczkami minerałów ilastych, w wyniku przeciwnego naładowania powierzchni płaskich i krawędzi;

 magnetyczne – wynikają z obecności cienkich błonek ferromagnetycznych na cząstkach ilastych.

W przypadku gruntów spoistych parametry fizyko-mechaniczne zależą w głównej

mierze od oddziaływań jonowych. Mechanizm reakcji jonowymiennych polega na

pochłonięciu przez grunt określonej ilości jonów z roztworu wodnego,

z jednoczesnym przejściem z gruntu do roztworu równoważnej ilości innych jonów.

Reakcje jonowymienne zachodzące w gruntach spoistych są związane z minerałami ilastymi. Wynikają one z istnienia niezrównoważonych ujemnych i dodatnich ładunków elektrycznych na powierzchni minerałów. Gdy naładowana cząstka znajdzie się w środowisku wodnym, dąży do przyciągania takiej ilości jonów o przeciwnym znaku, która może zrównoważyć ładunek powierzchniowy cząstki.

Zauważyć można również wymianę atomów wodorowych z grup wodorotlenkowych przez kationy wymienne. Wpływ na proces wymiany jonów ma również wartość wskaźnika pH. Przy niskim pH powstaje większa liczba ładunków dodatnich, przy czym liczba ładunków ujemnych pozostaje bez zmian. W przypadku pH > 7, występuje deficyt kationów wodoru, zatem zwiększa się udział innych kationów w reakcjach jonowymiennych. Czynnikami dodatkowo warunkującymi intensywność procesów jonowymienności są [25]:

 skład mineralny frakcji iłowej,

 zawartość substancji organicznych,

 stopień zdyspergowania gruntu,

 wartościowość wymieniających się jonów,

 promień jonów,

 stężenie elektrolitu,

 temperatura,

 struktura i tekstura gruntu.

Stoch [68] uważa, że reakcja wymiany jonowej może odbywać się w środowisku bezwodnym, jak i w niektórych cieczach organicznych oraz stopionych solach.

Zdolność wymienna kationów rośnie z ich stężeniem w roztworze. Jak podaje

Szymański [70], każda cząstka gruntowa jest otoczona nie tylko molekułami wody,

lecz i kationami lub anionami uwodnionymi, które równoważą elektrostatyczne

aniony albo kationy, utwierdzone na powierzchni cząstki gruntowej. Najczęściej na

powierzchniach bocznych cząstek gruntowych są utwierdzone aniony, a na

krawędziach cząstek – kationy. Dookoła każdej cząstki występuje warstwa dyfuzyjna

(z adsorbowanych uwodnionych kationów lub anionów). Warstwa jonów utwierdzonych na powierzchni cząstki oraz warstwa dyfuzyjna z adsorbowanych jonów tworzą łącznie tzw. warstwę podwójną. Grubość warstwy podwójnej i warstwy wody związanej zależy od składu chemicznego cząstki stałej oraz od wartościowości adsorbowanych jonów. Na siłę przyciągania i odpychania cząstek gruntu ma wpływ obecność lub brak warstwy kationów między cząsteczkami. Jedna warstwa kationów osłabia wzajemne przyciąganie cząstek; wraz z wzrostem warstw przyciąganie maleje. Siły przyciągania i odpychania cząstek gruntu zależą również od wartościowości kationów adsorbowanych – im większa wartościowość kationów w cząstce, mniejsza w warstwie dyfuzyjnej, tym lepsze właściwości mechaniczne ma grunt. Opisane cząstki kaolinitu, mające sztywną sieć krystaliczną, uniemożliwiają dostęp jonów do przestrzeni międzypakietowych. Podstawowe powierzchnie cząstki kaolinitu są elektrycznie obojętne, dlatego też reakcje wymiany w cząstkach kaolinitu zachodzą tylko na krawędziach sieci krystalicznej. Wobec tego pojemność wymienna dla kaolinitu jest dość niska. Illity mają także sztywną sieć krystaliczną, a ich płaszczyzny podstawowe znaczny ujemny ładunek elektryczny. W związku z tym wymiana jonów w illitach zachodzi nie tylko na krawędziach, ale i na wszystkich zewnętrznych powierzchniach płaskich cząstek, stąd pojemność wymienna illitów jest przeciętna. W przypadku montmorylonitu, w wyniku ruchomej sieci krystalicznej, wymiana jonowa zachodzi na zewnętrznych i wewnętrznych powierzchniach cząstki. Wartość pojemności wymiennej dla montmorylonitów jest ponad dwukrotnie wyższa niż illitów i nawet dziesięciokrotnie niż dla kaolinitów.

Właściwości gruntów spoistych zależą m.in. od składu jonów wymiennych, dlatego poznanie ich składu i zakresu zmian ma duże znaczenie praktyczne.

W gruntach spoistych występujących na terenie Polski najczęstszymi kationami wymiennymi są Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , Na ⁺ i K ⁺ , m.in. z uwagi na duże występowanie soli wapnia w skałach i wodach podziemnych [26].

Podsumowując przedstawione rozważania o gruntach rozpatrywanych jako

podłoże nawierzchni, zdaniem autora, aby zapewnić właściwą pracę konstrukcji

drogowej należy zwrócić szczególną uwagę na rodzaj gruntu, na którym rozważana

droga ma zostać posadowiona. Grunty spoiste, ze względu na budowę

mineralogiczną, są bardzo wrażliwe na działanie wody, której obecność jest główną