Håndbok 014 Laboratorieundersøkelser

Transkript

1 side 1 av 6 Håndbok 14.4 Løsmasser, fjell og steinmaterialer Andre undersøkelser Kalksementstabilisering av leire i laboratoriet Versjon mai 2004: NY Omfang Kalksementstabilisering benyttes å forbedre bæreevne og stabilitet av bløt og sensitiv leire. Kalk og sement reagerer kjemisk med jordmaterialet og gir øket skjærstyrke og stivhet. Forsterkningen skjer ofte i form av kalksement peler ned en dybde av meter. Pelene settes av en beltegående rigg med boreutstyr. Blandeverktøy føres ned ønsket dybde og kalken / sementen blåses ut i jorden ved hjelp av trykkluft mens den roterende visper trekkes opp. Styrkeøkningen er avhengig av maskineri og utførelsen i felten, men også av hvor godt en gitt jordart reagerer på kalken og sementen. Dette kan testes ut i laboratoriet ved hjelp av en prosedyre der en blander inn kalk og sement i prøver og måler skjærstyrken ved forskjellige blandingsforhold og etter forskjellig herdningstid. Prinsipp og klargjøring for forsøk Saksbehandler som besler kalk- og sementstabiliseringsforsøk skal spesifisere hvilken mengde kalk og sement som skal innblandes med leire, blandingsforhold kalk / sement, vanninnhold (antatt eller målt), lagringsklima og bestemme herdetid før trykktesting samt type forsøk (en aksialt og eventuelt treaksialt trykkforsøk). Mengden av kalk og sement kan angis i form av vekt kalk + sement i prosent av tørrstoff av leire. (Vektsforhold: for eksempel k + s = 7 % og herav 50 % kalk og 50 % leire.) Eller mengden av kalk og sement kan angis i form av kilo kalk + sement en vil blande inn per m³ leire ved arbeidet i felten. (Volumforhold: for eksempel k + s = 100 kg/m³ og herav 50 % kalk og 50 % sement.) Sylinderen med uforstyrret prøve taes ut av kjøleskapet og innholdet skyves ut og behandles på rutinemessig måte, dvs. bestemmes total densitet, naturlig vanninnhold, konusforsøk omrørt og uomrørt og en aksialt trykkforsøk (ref håndbok 014). NB! Her må vi ta vare på alt materiale for å få nok fire stabiliserte prøver i legg vanninnhold etter stabilisering. Beregning av kalksementmengde Vektforhold Kalk og sementmengden beregnes i prosent av materialets tørre masse. Vanligvis bruker vi 7 % kalk og sement, oftest i blandingsforhold 50/50. For å finne ut hvor mye kalk og sement vi skal sette må vi vite tørrvekt materialet. Tørrmasse er kjent dersom totalvekt (m total ) og vanninnhold (w) er antatt / målt. Tørr masse beregnes som følger: m tørr = Eksempel: m total 1+ w Vi har 758 g kvikkleire. Vanninnholdet er funnet 43 %, og vi ønsker å sette 7 % kalk og sement i blandingsforhold 30 og 70. Først må vi finne tørr masse: 758 m tørr = = 530g 1+ 0,43 Vi ønsker å sette 7 % av tørr masse: m (satt) = 530 * 0,07 = 37,1 g Kalk og sement skal settes i blandingsforhold 30/70: Andel kalk: Andel sement: 37,1 0,30 = 11,13 g 37,1 0,70 = 25,97 g Begynner en med et antatt vannforhold, kan dette korrigeres under laboratoriearbeidet på grunnlag av de vanninnholdene en registrerer. Volumforhold: Oppgitt saksbehandler er hvor mange kg/m³ en ønsker å benytte i felten, samt blandingsforholdet mellom kalk og sement. For å få en oversikt over virkningen av forskjellige mengder og blandingsforhold kan saksbehandler spesifisere en serie forsøk. Vanligvis bruker vi kg kalk + sement per m 3 leire, oftest i blandingsforhold 50/50.

2 Eksempel Saksbehandleren ønsker å benytte en kalk + sement mengde på 100 kg/m³ i et blandingsforhold på 70 % kalk og 30 % sement. Dette svarer da: Kalk = ψk = 0,7 100 = 70 kg/m³ og Sement = ψs = 0,3 100 = 30 kg/m³ Hvis vi i laboratoriet veier ut en jordprøve med våtvekt W = 2650 gram og vi rutineanalysen har at tyngdetettheten er γ = 19 kn/ m³ så er volumet av denne prøven: V = W/γ = 2650 gram/1.9 gram/cm³ = cm³ side 2 av 6 For oppbygging av prøve trykkforsøk benyttes et komprimeringsapparat (fig ) basert på bruk av trykkluft for laging av prøver. Det brukes en 100 mm lang prøvesylinder med diameter 54 mm. Maskinen består av et stempel som kan betjenes opp og ned ved hjelp av en toveis trykkluftsylinder, med hvilesling i midtsling. Trykket kan justeres trinnløst ved hjelp av et skalert manometer (0-16 bar). Stempelets underside er utformet med et vaffelmønster for å unngå lagdelinger i prøven. Da blir innblandingen i laboratoriet: Kalk = ψk V/1000 = ,7/1000 = gram Sement = ψs V/1000 = ,7/1000 = gram I analyseskjemaet er dette lagt inn som regneark med formlene: Kalk = ψk W/1000 (i eksempelet: / = gram) Sement = ψs W/1000γ (i eksempelet: = / = gram) Referanser NS 8010 (1982): Geoteknisk prøving. Laboratoriemetoder Jords oppbygning. Begreper, terminologi og symboler. standard Norge, Lysaker Utstyr Beskrivelse For kalksementinnblanding i leirprøver benyttes en kjøkkenmaskin (fig ), utrustet med en bolle i rustfritt stål og en såkalt K - visp omrøring og innblanding. Fig kjøkkenmaskin (Kenwood major eff. 650 watt) m / stålbolle og K - visp. Fig Komprimeringsapparat. I legg ovennevnte er utstyr og redskap som behøves for å fullføre forsøket oppsummert herunder: - Prøveutskyver for 54 mm sylinderprøver - Konusapparat - Kalibrert analysevekt, nøyaktighet 0,01 g - Prøvesylinder (10 cm lang og Φ = 54mm) - Papirfilter - Kontrollert en aksial presse, type Geonor A/S - Kontrollert vekt, nøyaktighet 0,5 g ( total densitet) - Nummererte skåler, med kjent masse - Gummihetter - Kniv (spatel) - Trådsag og stållinjal - Kontrollert varmeskap med temperatur (110 ± 5) ºC - Kontrollert kjøleskap for lagring - Porselenskål Fremgangsmåte - Rutineanalyser utføres. - Materialet samles i stålbollen med kjent tara og veies. - Stålbollen monteres i blandemaskinen. - Hastigheten sles på min (ca. 48 omdr./min), og leira røres rundt i 30 sek for å bryte ned strukturen. - Kalk og sement settes i det beregnede kvantum. - K - vispen kjøres i ytterlige 30 sek. - Maskinen stoppes og materiale som har festet seg på veggen og visper, blir bakeført bunnen ved hjelp av en slikkepott.

3 Etter ytterligere 30 sek. omrøring for å få homogen masse, fordeles prøvematerialet i fire prøvesylindre, og en prøve tas ut vanninnhold bestemmelse av kalksementstabilisert masse. Tillaging av kalksementprøve Prøvene blir komprimert i 54 mm sylinder som er avkappet i 100 mm lengder. Prøvesylinderen med kjent tara plasseres i komprimeringsmaskinen. Trykket sles 200 kpa og holdes i 10 sek per lag. Bruk papirfilter i bunnen. Totalt skal det være 5 lag av nærmet lik tykkelse. Sylinderen med ferdig komprimert materiale veies også slik at tyngdetetthet kan beregnes. En 54 mm sylinder med høyde 100 mm har volum V= cm 3. Våt tyngdetetthet (γ) beregnes som følger: msylinder tara γ = V sylinder Eksempel En sylinder veies før pakking og funnet tara = 54,11 g. Etter pakking veies sylinderen m sylinder = 446,61 g. Det er brukt 54 mm sylinder med høyde 100 mm. Våt densitet blir: γ = 446,61 54,11 228,9 Deretter forsegles prøven i begge ender med gummihetter (hvis ikke noe annet er spesifisert) og er klar forherding. Lagring av prøver Prøvene oppbevares i kjøleskap i det antall døgn som er bestemt (vanligvis 7 eller 14 og 28 døgn) for herding, hvis ikke noe annet er spesifisert. Korreksjon før presentasjon av resultater Hvis antatt vanninnhold er brukt som grunnlag for beregning av tørrstoffmengde, bør dette korrigeres hvis naturlig vanninnhold avviker antatt vanninnhold. Trykktesting og presentasjon av resultater Etter herdetiden kjøres prøvematerialet ut ved hjelp av 54 mm utskyvingsbenk. Prøven veies og trykkes brudd i et en aksialt trykkapparat, for å bestemme skjærstyrken. Diagram fig og viser eksempler på hvordan resultater kan rapporteres ved hjelp av Excel side 3 av 6 regneark. Eksemplene viser resultatene laboratorieundersøkelser hvor det ble utført innblandinger med forskjellige kalksementmengder (7 %, 7,5 %, 9 % og 10 %) i blandingsforhold 50: 50. Kommentar: Normale karv kalk og sement er følgende: Kalk: Brent kalk Sement: Standard Portland I Fig : Resultater en aksialt trykkforsøk (Cd382C) Dybde (m) Skjærstyrke (kpa) kalk/sementstabiliseringsforsøk oppdrags nr: Innblanding lab. nr sement kalk Su oppr. % % su (kpa) 252b 3,5 3, c 3,5 3, e 3,5 3, b 4,5 4, d 4,5 4, e 4,5 4,5 21,5 256b 3,5 3,5 26,5 256d 3,5 3, e 3,5 3, b 4,5 4, d 4,5 4, e 4,5 4, b 3,5 3,5 28,5 Su opprinnelig Su 7 (10% ks) Su 28 (10% ks) Su 7 (7,5% ks) Su 28 (7,5% ks) Fig : Resultater en aksialt trykkforsøk (B394A) Treaksialforsøk En kan foreta treaksiale trykkforsøk på kalksementstabilserte prøver. Prøvene påføres isotrope

4 konsolideringsspenninger som svarer in situ spenningsnivå. Horisontalspenningene holdes konstant, og prøven komprimeres vertikalt ved å øke vertikal spenning brudd eller 6 % tøyning er oppnådd side 4 av 6 Fig viser resultater treaksialforsøk av prøver som har herdet i 35 dager under kontrollerte klimaforhold i laboratoriet. Fig Resultater treaksialt trykkforsøk.

5 side 5 av 6 Kalksementinnblanding (vekt) STATENS VEGVESEN Profil / Hullnr. Operatør. Dato lab nr. Innblanding kalk / sement Densitet Skjærstyrke Vanninnhold Antatt Våt Tørr Kalk Sement Kalk Sement Syl. syl. vekt syl. vekt Herde- Hette Stabilisert w%= vekt vekt tara fersk herdet tid nr. masse 51,27 (g) (g) (%) (%) (g) (g) (g) (g) (g) (døgn) w ,1 4,9 10,52 24,55 0 0,00 0,00 53,7 0 0,00 0,00 tørrvekt (g 35,5 0 0,00 0,00 w (%) 51,27 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 Fig Arbeidsskjema (vektforhold) Kalksementinnblanding (VOLUM) STATENS VEGVESEN Profil / Hullnr. Operatør. Dato lab nr. Innblanding kalk / sement Densitet Vanninnhold Våtvekt Tgd.tetth. Kalk Sement Kalk Sement syl. vekt syl. vekt Herde- Hette Stabilisert W γ ψ k ψ s ψkw/100γ ψsw/100γ fersk herdet tid nr. masse (g) (kn/m³) kg/m³ kg/m³ (g) (g) (g) (g) (døgn) Tara(g) 2, ,63 41, ,56 55,56 20,00 15,00 w (%) 39,46 Fig Arbeidsskjema (volumforhold)

6 side 6 av 6 Kalksementinnblanding (vekt) STATENS VEGVESEN, Vegteknisk avdeling Profil / Hullnr. Operatør. Dato Lab dybde Opprinnelige egenskaper Egenskaper etter stabilisering Merknad nr. w γ Su K/S Herdetid Su w γ(fersk) γ (herdet) m (%) (g/cm 3 ) (kpa) (%) (%) (døgn) (kpa) (%) (%) (g/cm 3 ) (g/cm 3 ) Fig Rapportskjema (vektforhold) Kalksementinnblanding (volum) STATENS VEGVESEN Profil / Hullnr. Operatør. Dato Lab dybde Opprinnelige egenskaper Egenskaper etter stabilisering Merknad nr. w γ Su K/S Herdetid Su w γ(fersk) γ (herdet) m (%) (g/cm 3 ) (kpa) (%) kg/m³ (døgn) (kpa) (%) (%) (g/cm 3 ) (g/cm 3 ) Fig. Rapportskjema (volumforhold)