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.
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 1991-1994 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). 2.2. 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 18-20 C zabezpieczone przed wysychaniem. Próbki przeznaczone do badania w stanie nasyconym wodą były przechowywane w ten sam sposób, a
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. 2.3. 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] 12 10 8 6 4 2 0 0 Siła niszcząca - Rs 0.5 0,3 Rs 0,1 Rs 1 1.5 Odkształcenia [ ] 2 Rysunek 1. Zależność naprężeń i odkształceń próbek w czasie badania modułu sprężystości
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 11,98 2 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] 7 7.50 6.90 7.91 6.73 7.88 * - 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.
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. 3.2. Metodyka badań modułów odkształcenia Moduły odkształcenia badano zgodnie z normą BN-64/8931-02 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.
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. 3.3. 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 27.04.94 M I = 150 MPa M I = 160 MPa M II = 670 MPa Moduły odkształcenia [MPa] Punkt pomiarowy [Hm] 0+24,5 0+70 1+56,5 M I = 120 MPa M II = 490 MPa M I = 70 MPa M I = 160 MPa M II = 710 MPa 14.07.94 M I = 37,5 MPa M I = 36 MPa M I = 70 MPa M II = 120 MPa 10.09.94 M I = 30 MPa M I = 36 MPa M I = 14 MPa M II = 111 MPa 19.06.96 M I = 46,2 MPa M I = 7,9 MPa
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] 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.00 0.10 Osiadanie [mm] 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 Obciążanie I Odciążanie I Obciążenie II Odciążenie II 0.70 Rysunek 3. Osiadanie podbudowy popiołowo - piaskowo - cementowej w czasie badania modułów odkształcenia
Tablica 3. Moduły odkształcenia podbudowy z mieszanki popiołowo - piaskowo - cementowej Moduły odkształcenia [MPa] Data badania Punkt pomiarowy [Hm] 0+24,5 0+70 1+56,5 14.07.94 M I = 500 MPa M II = 750 MPa M I = 300 MPa M I = 200 MPa M II = 665 MPa 10.09.94 M I = 250 MPa M I = 273 MPa M I = 300 MPa 19.06.96 M I = 176 MPa M I = 200 MPa M I = 167 MPa M II = 429 MPa 12.07.96 * 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+24,5 0+70 1+56,5 10.09.94 M I = 86 MPa M I = 215 MPa M I = 115 MPa M II = 429 MPa 19.06.96 M I = 150 MPa 12.07.96 * 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.
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 1982. [2] Rolla S.: Badania materiałów i nawierzchni drogowych. WKŁ. Warszawa 1985