BADANIA MODUŁÓW SPRĘŻYSTOŚCI I MODUŁÓW ODKSZTAŁCENIA PODBUDÓW Z POPIOŁÓW LOTNYCH POD OBCIĄŻENIEM STATYCZNYM

Transkrypt

1 BADANIA MODUŁÓW SPRĘŻYSTOŚCI I MODUŁÓW ODKSZTAŁCENIA PODBUDÓW Z POPIOŁÓW LOTNYCH POD OBCIĄŻENIEM STATYCZNYM Prof. dr hab. inż. Józef JUDYCKI Mgr inż. Waldemar CYSKE Mgr inż. Piotr JASKUŁA Katedra Inżynierii Drogowej Politechnika Gdańska Streszczenie W artykule przedstawiono badania modułów sprężystości mieszanek popiołowo - piaskowo - cementowych oraz modułów odkształcenia nasypu wykonanego z popiołów lotnych, podbudowy z mieszanki popiołowo - piaskowo - cementowej oraz całej konstrukcji nawierzchni, wykonanych na odcinku doświadczalnym. Opisano metody badań modułów sprężystości oraz modułów odkształcenia, przedstawiono otrzymane wyniki badań oraz porównano je z danymi z literatury dotyczącymi badań dla podobnych materiałów lub materiałów tradycyjnych. 1. WSTĘP W Katedrze Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej opracowano projekt składu mieszanki popiołowo - piaskowo - cementowej nazwanej ECOBASE. Mieszankę tę wykorzystano do wykonania podbudowy drogowej na odcinku doświadczalnym w Gdyni. Nasyp na odcinku doświadczalnym w całości został zbudowany z popiołów lotnych.

2 W niniejszej pracy opisano metodykę badania modułów sprężystości mieszanki ECOBASE oraz modułów odkształcenia nasypu, podbudowy i całej konstrukcji nawierzchni. Przedstawiono otrzymane wyniki badań modułów oraz porównano je z danymi opisanymi w literaturze dla materiałów tradycyjnie stosowanych. 2. BADANIA LABORATORYJNE 2.1. Badany materiał Na podstawie badań prowadzonych w latach ustalono następujący skład mieszanki na podbudowę z wykorzystaniem popiołów lotnych: 55 % popiołu lotnego, 45 % piasku 0/2, 7 % cementu portlandzkiego (w stosunku do masy popiołu i piasku). Taki skład mieszanki (popiół, piasek, cement i woda do osiągnięcia wilgotności optymalnej) zapewniał wymaganą wytrzymałość i mrozoodporność przy jednoczesnym dużym wykorzystaniu w mieszance popiołu lotnego z suchego odpopielania, pochodzącego ze spalania węgla kamiennego w Zespole Elektrociepłowni Gdańsk. Przeprowadzone badania wstępne wykazały, że uzyskiwany popiół nie jest jednorodny. Poszczególne partie różniły się zawartością nie spalonych części węgla: partia I - 6,7%, partia II - 12,5%, co miało znaczny wpływ na właściwości mechaniczne podbudowy z mieszanki popiołowo - piaskowo - cementowej (tablica 1) Metodyka badań Próbki do badań formowano w cylindrach o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm i zagęszczano sposobem udarowym, przy energii zagęszczania takiej jak w normalnej próbie Proctora. Badanie przeprowadzono po 42 i 90 dniach przechowywania na próbkach powietrzno - wilgotnych i próbkach nasyconych wodą. Próbki powietrzno-wilgotne w okresie dojrzewania 42 i 90 dni przechowywano w temperaturze C zabezpieczone przed wysychaniem. Próbki przeznaczone do badania w stanie nasyconym wodą były przechowywane w ten sam sposób, a

3 następnie w okresie 24 godzinnym, bezpośrednio poprzedzającym badanie, były przechowywane przez 2 godziny zanurzone w wodzie do 1/2 wysokości, a następne 22 godziny całkowicie zanurzone w wodzie pod ciśnieniem atmosferycznym. Moduł sprężystości próbek badano w prasie przy stałym odkształceniu równym 0,33 mm/s, podczas jednorazowego obciążenia próbki poddanej osiowemu ściskaniu. Pomiar odkształcenia próbki wykonano za pomocą czujników zegarowych z dokładnością 0,001 mm. Trzy czujniki zamocowane były wzdłuż pobocznicy walca. Mierzono skrócenie, podczas ściskania osiowego, 150 mm środkowej części próbki, to znaczy części, w której nie występuje wpływ tarcia próbki o podstawę i głowicę prasy. Celem sprawdzenia dokładności pomiaru odkształcenia czujnikami zegarowymi dodatkowo przeprowadzono pomiar trzema tensometrami przymocowanymi do pobocznicy walca, które w tym samym czasie mierzyły odkształcenie Wyniki badań Przedstawiając zależność odkształceń od naprężeń na wykresie otrzymano krzywą jak na rysunku 1. Stosunek nie przybiera wartości stałej, lecz zmienia się w zależności od wartości naprężenia. Moduł sprężystości określano jako średni odczyt stosunku w zakresie 0,1-0,3 Rs (siły niszczącej) [1]. Naprężenia [MPa] Siła niszcząca - Rs 0.5 0,3 Rs 0,1 Rs Odkształcenia [ ] 2 Rysunek 1. Zależność naprężeń i odkształceń próbek w czasie badania modułu sprężystości

4 Wyniki obliczeń modułów sprężystości podano w tablicy 1. Tablica 1. Zestawienie wyników badań modułów sprężystości mieszanek popiołowo - piaskowo - cementowych Moduł sprężystości [GPa] Lp. po 42 dniach przechowywania po 90 dniach przechowywania powietrznowilgotne partia I nasączone wodą partia I powietrznowilgotne partia I powietrznowilgotne partia II nasączone wodą partia I 1 11,22 10,04 11,54 10,49* 8,36 11, ,23 9,83 12,43 12,49* 5,42 13,08 3 9,24 10,80 11,54 6,07 14,29 4 7,87 12,30 4,84 16,65 5 6,02 średnia 6 9,37 10,74 11,83 6,14 14,00 Średnia wytrzymałość próbek na ściskanie ** [MPa] * - moduł określony podczas pomiaru odkształceń tensometrami na tej samej próbce ** - wytrzymałość na ściskanie badana na próbkach = h = 80 mm, metoda przechowywania analogiczna jak w p. 2.2 Moduły sprężystości mieszanek popiołowo - piaskowo - cementowych przyjmują wartości od 5 do 16 GPa. Wartość modułu sprężystości rośnie w czasie przechowywania próbek i jest wyższa dla mieszanek popiołowo - piaskowo - cementowych o wyższej wytrzymałości na ściskanie. Wartość modułu zależy od stosowanego popiołu lotnego, a zwłaszcza zawartości nie spalonego węgla. Przy 2 - krotnym wzroście zawartości węgla (z 6,7% do 12,5%) stwierdzono około 2-krotny spadek wartości modułu sprężystości (z 11,8 GPa do 6,1 GPa). Wyniki badania modułów sprężystości mieszanek popiołowo - piaskowo - cementowych odpowiadają modułom sprężystości chudego betonu. Przy dużej zawartości nie spalonego węgla w stosowanym popiele moduł sprężystości odpowiada modułowi sprężystości stabilizacji gruntu cementem, Metoda pomiaru odkształceń czujnikami zegarowymi i tensometrami dała zbliżone wyniki.

5 3. BADANIA NA ODCINKU DOŚWIADCZALNYM 3.1. Opis odcinka doświadczalnego Odcinek doświadczalny drogi dojazdowej do Elektrociepłowni EC III w Gdyni ma 333 m długości. Szerokość nawierzchni wynosi 6 m, a szerokość poboczy po 1 m. Pochylenie skarp nasypu przyjęto 1:1,5. Droga przebiega po terenie równinnym, gdzie występują grunty przepuszczalne - piaski drobno- i średnioziarniste. Występujący na tym obszarze humus i torf o miąższości dochodzącej do 1 m został usunięty w czasie budowy. W celu badania zachowania się popiołów lotnych w nasypach niweletę drogi zaprojektowano w ten sposób aby na całej długości projektowanego odcinka droga biegła w nasypie o wysokości od 1,0 do 2,5 m. Na odcinku 50 m zaprojektowano budowę nasypu z popiołów lotnych z suchego odpopielania. Na pozostałym odcinku wbudowywano mieszankę suchych i mokrych popiołów lotnych w proporcjach 1:1, o wilgotności zbliżonej do optymalnej. Na nasypie zbudowana została następująca konstrukcja nawierzchni: podbudowa z mieszanki popiołowo - piaskowo - cementowej ECOBASE o grubości 25 cm, warstwa wiążąca z betonu asfaltowego o grubości 6 cm, warstwa ścieralna z betonu asfaltowego o grubości 4 cm Metodyka badań modułów odkształcenia Moduły odkształcenia badano zgodnie z normą BN-64/ przy użyciu płyty naciskowej o średnicy 30 cm. Moduły odkształcenia badano na nasypie z popiołów lotnych, podbudowie z mieszanki popiołowo - piaskowo - cementowej oraz całej konstrukcji nawierzchni. Stosowano także powtórne obciążanie, obliczając wtórne moduły odkształcenia. Moduły odkształcenia na nasypie z popiołów lotnych były badane: po zakończeniu budowy nasypu - na środku korpusu, po zbudowaniu nawierzchni - na poboczach drogi.

6 Moduły odkształcenia podbudowy badane były na środku korpusu a po zbudowaniu warstw jezdnych w specjalnie do tego celu przygotowanych studniach (rysunek 2). Rysunek 2. Schemat studni do badania modułów odkształcenia Moduły odkształcenia badano także w stanie całkowitego nasycenia korpusu drogowego wodą określając wpływ wody na nośność podbudowy oraz całej konstrukcji nawierzchni Wyniki badań modułów odkształcenia Wyniki badania modułów odkształcenia przedstawiono w tablicach od 2 do 4. Tablica 2. Moduły odkształcenia nasypu z popiołów lotnych. Data badania M I = 150 MPa M I = 160 MPa M II = 670 MPa Moduły odkształcenia [MPa] Punkt pomiarowy [Hm] 0+24, ,5 M I = 120 MPa M II = 490 MPa M I = 70 MPa M I = 160 MPa M II = 710 MPa M I = 37,5 MPa M I = 36 MPa M I = 70 MPa M II = 120 MPa M I = 30 MPa M I = 36 MPa M I = 14 MPa M II = 111 MPa M I = 46,2 MPa M I = 7,9 MPa

7 Wyniki badań modułów odkształcenia począwszy od lipca 1994 roku są mniejsze od poprzednich ponieważ badania wykonywano na poboczach, przy skarpie nasypu gdzie występuje efekt krawędziowy. Wyniki te nie świadczą więć o małej nośności nasypu i jej obniżeniu w czasie. W punkcie Hm 0+24,5 nasyp został w całości zbudowany z suchych popiołów lotnych. Nośność nasypu z suchych popiołów lotnych, określona modułem odkształcenia, jest nieznacznie wyższa od nośności pozostałej części nasypu. Nasyp z popiołów lotnych ma nośność znacznie wyższą od wymagań stawianych przez S. Rollę [2]. Nawet nośność mierzona przy skarpie nasypu jest zazwyczaj wyższa od stawianych wymagań dla podłoża pod nawierzchnie drogowe. Z pewnym przybliżeniem przyjmuje się w obliczeniach konstrukcji nawierzchni, że wtórny moduł odkształcenia równy jest modułowi sprężystości. Moduły sprężystości o wartości E 500 MPa mają podbudowy z tłucznia kamiennego oraz z kruszywa łamanego stabilizowanego mechanicznie. Świadczy to o dużej nośności nasypu z popiołów lotnych. Przykładowy wykres do obliczenia modułu odkształcenia podbudowy przedstawiono na rysunku 3. Obciążenie [MPa] Osiadanie [mm] Obciążanie I Odciążanie I Obciążenie II Odciążenie II 0.70 Rysunek 3. Osiadanie podbudowy popiołowo - piaskowo - cementowej w czasie badania modułów odkształcenia

8 Tablica 3. Moduły odkształcenia podbudowy z mieszanki popiołowo - piaskowo - cementowej Moduły odkształcenia [MPa] Data badania Punkt pomiarowy [Hm] 0+24, , M I = 500 MPa M II = 750 MPa M I = 300 MPa M I = 200 MPa M II = 665 MPa M I = 250 MPa M I = 273 MPa M I = 300 MPa M I = 176 MPa M I = 200 MPa M I = 167 MPa M II = 429 MPa * M I = 200 MPa M II = 3000 MPa * - badanie w czasie nasączania nasypu wodą Nośność podbudowy z mieszanki popiołowo - piaskowo - cementowej jest wysoka i w większości przypadków moduł odkształcenia wynosi M I 200 MPa, co jest wartością wyższą od wymagań stawianych przez S. Rollę [2]. Nie zaobserwowano większych zmian nośności podbudowy w czasie. Nośność podbudowy ułożonej na nasypie z suchych popiołów lotnych jest w zasadzie taka sama jak na pozostałym odcinku drogi. Tablica 4. Moduły odkształcenia nawierzchni Moduły odkształcenia [MPa] Data badania Punkt pomiarowy [Hm] 0+24, , M I = 86 MPa M I = 215 MPa M I = 115 MPa M II = 429 MPa M I = 150 MPa * M I = 79 MPa M II = 300 MPa * - badanie w czasie nasączenia nasypu wodą Nośność nawierzchni na odcinku doświadczalnym wynosi w większości przypadków M I 100 MPa, co odpowiada wymaganiom stawianym dla dróg o ruchu lekkim [2]. Nie zaobserwowano większych zmian nośności nawierzchni w czasie.

9 4. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań można wyciągnąć następujące wnioski: 1. Moduł sprężystości mieszanek popiołowo - piaskowo - cementowych osiąga zazwyczaj wartości porównywalne z chudym betonem (wytrzymałość na ściskanie mieści się w zakresie wytrzymałości chudego betonu). 2. Zawartość nie spalonego węgla w popiele lotnym ma zasadniczy wpływ na moduł sprężystości mieszanki. 3. Moduły odkształcenia nasypu z popiołów lotnych osiągają wartości przekraczające wymagania stawiane nasypom z tradycyjnych materiałów. 4. Moduły odkształcenia podbudowy z mieszanki popiołowo - piaskowo - cementowej spełniają wymagania stawiane podbudowom drogowym. 5. Moduły odkształcenia podbudowy i całej konstrukcji nawierzchni nie ulegają zmianie nawet po nasączaniu nasypu wodą. Literatura [1] Godycki-Ćwirko T.: Mechanika betonu. Arkady. Warszawa [2] Rolla S.: Badania materiałów i nawierzchni drogowych. WKŁ. Warszawa 1985