Det store eksamensarbeid i faget Ingeniørgeologi for Arild Palmstrøm EN UNDERSØKELSE AV ET MONTMORILLONITTMATERIALES SVELLING SOM FUNKSJON AV PAKKING OG MONTMORILLONITTINNHOLD. Undersøk svelletrykket på skaptørket materiale og forskjellig hygroskopisk fuktet materiale ved komprimerende forbelastninger på 100, 200 og 300 tonn/m2. Utarbeid en fremdriftsplan som diskuteres med faglærer før arbeidet settes igang. Undersøk videre svelletrykkets variasjon under varierende blandningsforhold mellom montmorillonitt og nedmalt feltspat <20 µm. Forbehandlingen for dette materiale er skapttørking ved 105 C og forbelastning velges på grunnlag av forangående resultater, eventuelt settes den til 200 tonn/m 2 om de nevnte resultater ikke har gitt noe spesielt grunnlag. Undersøk også svelleevne for blandingene og sammenhold de fremstillede blandinger kvantitativt med kurver fra D.T.A. Resultatene skal diskuteres og videre oppstilles i diagrammer i den utstrekning dette er mulig. Kandidaten skal med besvarelsen vedlegge følgende erklæring med sin underskrift: "Jeg erklærer herved på ære og samvittighet at jeg har utført dette eksamensarbeide selv og uten noen som helst fremmed hjelp". Besvarelsen skal innleveres i 3 eksemplarer, ha formatet A4 og være innlevert innen den 13. mai 1967. Kandidaten gjøres oppmerksom på at ifølge gjeldende reglement, er besvarelsen Høgskolens eiendom.
ii En eventuell publikasjon av oppgavens resultater kan bare skje i forståelse med Høgskolen. Forøvrig henvises det til eksamensreglementet. Trondheim, den 31/1 1967. R. Selmer-Olsen (sign)
iii I n n h o l d s f o r t e g n e l s e: Oversikt over figurer... iv INNLEDNING... 1 SVELLING OG SVELLEÅRSAKER... 2 Faktorer som innvirker på svelleprosessen... 5 Mengden av leirmineraler.... 7 Vanninnhold ved svelleprosessens begynnelse.... 7 Leirens struktur.... 9 Mulighet for volumutvidelse.... 11 Forbehandling av prøvene.... 12 TIDLIGERE UTFØRTE SVELLEFORSØK.... 14 DEN ANVENDTE APPARATUR FOR MÅLING AV LEIRERS SVELLETRYKK VED KONSTANT VOLUM.... 21 GANGEN I FORSØKENE... 26 PRØVEMATERIALE... 27 DE UTFØRTE SVELLEFORSØK... 34 Gjennomføring av laboratorieforsøkene... 34 Apparaturdeformasjon.... 37 Forbehandling av prøvematerialet... 38 RESULTATER AV FORSØKENE... 40 SVELLEPROSESSENS FORLØP - "KOLLAPS"... 44 FEILKILDER VED MÅLINGENE.... 47 KONKLUSJON.... 49 LITTERATURFORTEGNELSE.... 50 ERKLÆRING:... 52 Figurer 34-68
iv OVERSIKT OVER FIGURER FIG. 1 FIG. 2 FIG. 3 FIG. 4 FIG. 5 FIG. 6 FIG. 7 FIG. 8 FIG. 9 FIG. 10 FIG. 11 FIG. 12 FIG. 13 FIG. 14 FIG. 15 FIG. 16 FIG. 17 FIG. 18 FIG. 19 FIG. 20 FIG. 21 FIG. 22 FIG. 22 FIG. 23 Montmorillonittens oppbygning. Sammenligning mellom beregnet og målt svelletrykk for to elektrolytter. Forholdet mellom svelling og % materiale mindre enn 2 mikron for bentonitt og kaolinitt. Svelling etter varierende fuktighet og tørr romvekt ved innbygging. Svelling ved varierende initial fuktighet og tørr romvekt. Svelletrykk ved konstant volum avhengig av initial fuktighet og tørr romvekt. Svelletrykk ved konstant volum avhengig av forbelastning og tørr romvekt. Sammenheng mellom svelletrykk og poretall for montmorillonitt med forskjellige adsorberte kationer. Svelletrykk/poretall for 3 leirer. Svelletrykket ved statisk og "kneading" komprimering for en siltig leire. Svelletrykk etter statisk og "kneading" komprimering for en sandig leire. Svelling for 2 leirer før og etter omrøring og fjerning av sementerende materiale. Svelletrykk/tid-kurver for materiale med varierende initial fuktighet. Svelletrykket avhengig av tillatt svelling for 3 leirer. Sammenheng mellom svelletrykk, vanninnhold ved forskjellig tillatt svelling for en leire med normal aktivitet. Svelling/tid ved forskjellige initiale fuktigheter. Svelling ved varierende initial fuktighet og tørr romvekt. Apparatur for måling av svelling under høye trykk. Svelling ved forskjellig ionekonsentrasjon i vannet som suges opp. Apparatur for måling av svelling. Apparatur for måling av svelletrykk. Kazda's apparatur for automatisk måling av svelletrykket ved konstant volum. Svelletrykk/tid for montmorillonitt med forskjellig adsorberte kationer. Forsøksgangens innflytelse på de fremkomne resultater.
v FIG. 24 FIG. 25 FIG. 26 FIG. 27 FIG. 28 FIG. 29 FIG. 30 FIG. 31 FIG. 32 FIG. 33 FIG. 34 FIG. 35 FIG. 36 FIG. 37 FIG. 38 FIG. 39 FIG. 40 FIG. 41 FIG. 42 FIG. 43 FIG. 44 FIG. 45 Sammenheng mellom fri svelling, kolloidinnhold (mindre enn 2 mikron), plastitetsindeks, uttørkingsgrensen og svelling. Anvendt apparatur for måling av svelletrykket under konstant volum. Prøvecellen Prinsippskisse av den benyttede apparatur. Detalj av prøvecellens plassering og måling av prøvehøyden. Detalj av deformasjonsfjæren for måling av belastningen. Fremgangsmåte ved måling av prøvehøyden Kornfordelingskurve av nedmalt feltspat og kvarts. Kornfordeling av bentonitt "OA" og av feltspat. Kornfordeling av bentonitt "OA" og av kvarts. Aktivitet, plastisitetsindeks, flyte- og utrullingsgrense for blandinger av bentonitt og feltspat. Aktivitet, plastisitetsindeks, flyte- og utrullingsgrense for varierende blandinger av bentonitt og kvarts. Hygroskopisk evne hos bentonitt "OA". DTA-analyse av varierende blandinger av bentonitt og feltspat. Flytegrense/plastisitetsindeks for en del leirer. Fri svel1eevne for blandinger av bentonitt/kvarts og av bentonitt/feltspat. Fri svelling for blandinger av bentonitt/feltspat. Sammenstil1ing av hygroskopisk evne og fri svelleevne for blandinger av bentonitt/feltspat og bentonitt/kvarts. Porøsitet ved forskjellige blandinger av bentonitt/feltspat og bentonitt/kvarts etter 200 tonn/m2 statisk pakking og avlasting. Beregning av areal av utslag ved 670 C for DTA-analyse av blandinger av bentonitt/feltspat. Sammenheng mel1om vekt% bentonitt og areal av utslag ved 670 C for DTAanalyse. Apparaturdeformasjon av Geonor ødometer med plaststempel over prøven (etter Brekke)
vi FIG. 46 FIG. 47 FIG. 48 FIG. 49 FIG. 50 FIG. 51 FIG. 52 FIG. 53 FIG. 54 FIG. 55 FIG. 56 FIG. 57 FIG. 58 FIG. 59 FIG. 60 FIG. 61 FIG. 62 FIG. 63 FIG. 64 Apparaturdeformasjon med messingstempel over prøven. Svelletrykk/tid etter 200 tonn/m2 forbelastning med messing- kontra plaststempel over prøven. Svelletrykk/tid etter 100 tonn/m2 forbelastning og varierende initial fuktighet (Plaststempel) Svelletrykk/tid etter 200 tonn/m2 forbelastning og varierende initial fuktighet (Plaststempel) Svelletrykk/tid etter 200 tonn/m2 forbelastning og varierende initial fuktighet (Plaststempel) Svelletrykk/tid etter 300 tonn/m2 forbelastning og varierende initial fuktighet (Plaststempel) Svelletrykk/tid etter 400 tonn/m2 forbelastning og varierende initial fuktighet (Plaststempel) Svelletrykk/tid etter varierende forbelastninger og 0% hygroskopisk fuktighet (Plaststempel) Svelletrykk/tid etter varierende forbelastninger og varierende hygroskopisk fuktighet (Messingstempel) Svelletrykk/tid for varierende blandinger av bentonitt/feltspat og 200 tonn/m2 forbelastning Svelletrykk/tid for varierende blandinger av bentonitt/kvarts etter 200 tonn/m2 forbelastning Svelletrykk/tid ved vanntilgang fra begge sider av prøven og bare fra undersiden av prøven (Plaststempel) Svelletrykk/tid ved vanntilgang fra begge sider av prøven og bare fra undersiden av prøven (Messingstempel) Svelletrykk/tid ved prøvevekt 15 og 20 gram. (Messingstempel. Sammenheng mellom forbelastning og svelletrykk ved varierende hygroskopisk fuktighet (Plaststempel.) Svelletrykket ved varierende initial fuktighet og etter forskjellige forbelastninger.(plaststempel) Sammenheng mellom porøsitet og svelletrykk ved forskjellige initiale fuktigheter (Plaststempel) Tørr romvekt etter varierende forbelastninger og ved forskjellig hygroskopisk fuktighet, statisk pakking og avlasting (Plaststempel) Tørr romvekt avhengig av fuktighet og statisk pakking
vii FIG. 65 FIG. 66 FIG. 67 FIG. 68 Svelletrykket ved forskjellige blandinger av bentonitt/feltspat og bentonitt/kvarts (Messingstempel) Sammenstilling av resultatene fra svelleforsøkene. Skisse av overføringen mellom justerskrue og stempel. Skjematisk skisse av partiklenes orientering i en svellet Na-montmorillonitt.
1 INNLEDNING Den stadig økende investering i fjellanlegg sammen med den rivende utviklingen i fjellsprengningsteknikk som har foregått i Norge siden siste verdenskrig, har medført at det bygges mer enn 100 km med tunneler hvert år (1964). Det faste fjell her til lands er vanligvis godt, og det er bare i 3 7 % av tunne1ene der det er behov for full utstøpning. I forbindelse med fjellanlegg er det registrert tilstedeværelse av leirmineralet montmorillonitt i slepper og knusningssoner i alle bergartsregioner av 1andet. Ved undersøkelse etter inntrufne ras - som til dels har ført til store vanskeligheter for anlegget - har man i de fleste tilfellene kunnet konstatere tilstedeværelse av montmorillonitt. Dette har vært foranledningen til en nærmere undersøkelse av sleppeleirer, og da særlig de med montmorillonittinnhold. Brekke har således ved sin lic. grad (1963) foretatt undersøkelser med hensyn til svelling og svelletrykk på leirsleppemateriale fra diverse anlegg i Norge. Det er bare i noen få, tynne horisonter i Oslofeltet at man i Norge har funnet montmorillonitt (som bentonitt) i sedimentære leirer. I land med varmere klima (Syd Europa, Amerika) har man sedimentære leirer der til dels store mengder av leirmineralene består av "svelleleirer" som montmorillonitt og vermikullitt. Således har man flere steder i U.S.A. vært plaget av volumforandringer ved fundamentering på sedimentære leirer. Undersøkelser av leirenes svelleegenskaper har naturlig her hatt en noe annen målsetting, og forsøkene har til dels gått ut på å finne frem til metoder som kan redusere de opptredende leirmineralers svelling. Her har man også - siden montmorillonitten forekommer i sedimentære leirer - kunnet arbeide med uforstyrrede prøver, som muliggjør at man kan få direkte sammenlignbare verdier. - I Norge har man ved de få undersøkelsene som har vært foretatt, søkt å fastslå graden (stor, liten) av det opptredende leirmineralets svelleevne. Dette for om mulig å kunne fastslå hvilke problemer den undersøkte forekomsten eventuelt kan skape for anlegget. De forsøkene Brekke har foretatt, er utført ved å måle svelletrykket ved konstant volum, samt ved en viss tillatt svelling. Det har imidlertid ved den benyttede forsøksgangen knyttet seg flere usikre forhold som det har vært ønskelig å klargjøre ved en nærmere undersøkelse. Det er dette som ligger til grunn for dette arbeidet.
2 SVELLING OG SVELLEÅRSAKER Før jeg går over til å behandle montmorillonittens svelleegenskaper, skal bare kort dens oppbygning skisseres. Montmorillonittmineralene opptrer i så små partikler at enkeltkrystaller ikke kan taes opp på røntgendiagrammer. Man har derfor måttet basere den antatte struktur på undersøkelser av andre mineraler med lignende oppbygning. Ifølge det aksepterte strukturforslag består montmorillonitt av enheter satt sammen av to siliciumtetraedere og et sentralt oktaederlag. Alle spissene i tetraederlaget peker inn mot sentrum av enheten. Tetraeder- og oktaederlagene er kombinert slik at spissene på hvert tetraederlag og et av hydroksyllagene i oktaederlaget danner et felles lag. Lagene er kontinuerlig i a og b retningen og er "stablet" på hverandre i c- retningen. Basis av ryggradslagene utgjøres av oksygenlag. Derved vil to oksygenlag bli liggende mot hverandre når et ryggradslag blir liggende over et annet, noe som medfører en meget svak binding etter basis. Vann og andre polariserte molekyler kan derfor trenge inn mellom ryggradslagene. Montmorillonitt vil imidlertid alltid ha et visst netto ladningsunderskudd- som oftest fra oktaederlaget - (0,66) på grunn av substitusjon, og dette blir balansert ved utbyttbare kationer adsorbert mellom ryggradslagene. Selv om montmorillonitt pluss de utbyttbare ioner som helhet er elektrisk nøytralt, vil det - på grunn av det lave ladningsunderskuddet - være områder med positiv og områder med negativ ladning som kan forårsake frastøtende krefter mellom de enkelte ryggradslag. Mot disse kreftene virker det tiltrekkende van der Waalske krefter mellom partiklene. For at de frastøtende kreftene skal overstige de van der Waalske, må det trenge inn vann eller andre molekyler. Her virker de forskjellige ioners polariserbarhet sterkt inn, slik at de meget polariserbare, store alkaliioner (kalium, rubidium, cesium) allerede ved små mellomrom mellom ryggradslagene kan fordele sine valenselektroner tilstrekkelig til å holde lagene sammen. De mindre polariserbare, små kationer (natrium, litium) vil ikke i samme utstrekning være istand til å nøytralisere de negative ladninger. Dessuten har disse små ionene en mye større tendens til å hydratisere (dvs. binde til seg vann) som medfører at de kan forøke sitt volum og derved helt sprenge lagene fra hverandre.
3 FIG. 1 Montmorillonittens oppbygning (etter Grim (1962)) Svellingens årsak og natur har vært og er, sterkt omdiskutert. Det synes som man idag aksepterer at svelleprosessen består av to tilstander. Først skjer en "interlayer" eller "intracrystalline" svelling som medfører en økning av basislinjen fra ca.10 Å til 12,5-20 Å avhengig av leirtype og adsorberte kationer. Volumet ved denne prosess kan således øke til opptil det dobbelte av det opprinnelige. Den påfølgende osmotiske svelling kan føre til at ryggradslagene blir sprengt helt fra hverandre. Et tallmessig uttrykk for de kreftene som hersker mellom ryggradslagene er - på grunn av de mange og ukjente forhold som spiller inn - ikke mulig. Går man imidlertid ut fra sterkt idealiserte forhold, har det vært mulig å teoretisk beregne noen av de faktorene som virker inn på svelleprosessen. Således har Eriksson, Langmuir og Schofield satt opp (uavhengig av
4 hverandre) et tallmessig uttrykk for "the hydrostatic repulsive pressure" i planet mellom 2 parallelle leirpartikler idet de antar at denne kraft henger sammen med forskjellen i ionekonsentrasjon i planet mellom partiklene. I uttrykket d = B/(z P ½ ) er d avstanden mellom platene, z valensen til det ion med motsatt ladning av partiklene, P er svelletrykk og B en konstant med verdi 93,3 x 10-8 når d regnes i cm og P i atm. Schofield har således med god overenstemmelse brukt denne ligningen til å beregne tykkelsen av vannfilmer på glimmer. En beregning utledet av Warkentin og Schofield av det opptredende svelletrykk er likeledes i vesentlig grad basert på idealiserte forhold, som vel ikke vil være tilfelle i praksis. Blant annet forutsetter man parallelle leirplater ('face-to-face' kontakt) og at svelletrykket er det osmotiske trykk forårsaket av forskjellen i konsentrasjon av ioner mellom leir- partiklene og i porevannet. Videre baseres utledningen på vanninnhold under ca. 60 % og en konsentrasjon i porevannet på under 0,001 M (for at konsentrasjonen av anioner mellom leirplatene kan settes ut av betraktning). Svelletrykket kan da beregnes av følgende uttrykk: hvor her er P = RT(C c 2C o ) P - beregnet svelletrykk R universell gasskonstant T - absolutt temperatur C o - konsentrasjon av salt i porevannet (mol/liter) C c er gitt ved π 2 C c = z 2 B(d+x o ) 2 10-16 C c - konsentrasjon av kationer mellom 2 plater (mol/liter) z - valensen til de utbyttbare kationer d - halve avstanden mellom 2 plater (A) x o - korreksjonsfaktor varierende mellom 1-4 avhengig av ionevalens og overflatens ladningstetthet B - 10 15 cm/m mol (avhenger av temperatur og dielektrisitetskonstant) Ved samme forutsetninger er sammenhengen mellom vanninnhold og avstanden mellom ryggradslagene gitt ved: w = Sd/100 der w - vanninnhold i vekt% S - overflateareal av leiren i m 2 /gram d - avstanden i Å.
Figur 2 viser sammenhengen mellom beregnede og målte verdier for svelletrykket i en natrium-montmorillonitt. Som det fremgår, stemmer de beregnede verdier med saltkonsentrasjon mindre enn 0,001 M godt med de målte. Faktorer som innvirker på svelleprosessen Sett fra et ingeniørgeologisk synspunkt, har Brekke sortert de faktorer som virker inn på svelleprosessen i to hoved- grupper, nemlig de interne faktorer - som gir leiren dens potensielle svelleevne -, og de ytre faktorer - som avgjør om og eventuell i hvilken grad den potensielle svelleevne blir mobilisert. De interne faktorene deles i: 1. Typen av leirmineral(er) i leiren 2. Mengden av leirmineral(er) i leiren 3. Typen av dominerende kation 4. Ionekonsentrasjonen i leiren 5. Partikkelstørrelsen av leirmineral(ene) 6. Vanninnhold ved svelleprosessens begynnelse 7. Leirene struktur 8. Leirens tørre romvekt ved svelleprosessens begynnelse 9. Eventuell diagenetisk sementering 5 De ytre faktorer: 10. Tilgangen på vann for oppsuging 11. Ionekonsentrasjonen i dette vann 12. Muligheter for volumutvidelse under svelleprosessen 13. Eventuelt mottrykk (f.eks. overlagringstrykk) I tillegg til de nevnte interne faktorer, vil partikkelstørrelsen i det inaktive materialet (steinmel o.l.) kunne virke inn på leirens svelleegenskaper. Det er bare in situ at hver av disse faktorene får sin relativt sett riktige innvirkning på svelleprosessen. Som det fremgår, vil en leire med gitte interne faktorer ikke ha en bestemt svelling, slik at den har spesifikke verdier for disse egenskaper. En variasjon i de ytre faktorer vil kunne endre svelleegenskapene sterkt. Brekke har inngående behandlet virkningen av de nevnte interne og ytre faktorer. I det følgende vil derfor bare omtales de forhold som spiller inn ved den benyttede forsøksgangen. Ved forsøkene er det hele tiden blitt brukt de samme leirmineraler - nemlig en ungarsk bentonitt ("OA") - mens mengden av leirmineraler, samt materialets vanninnhold og tørre romvekt ved svelleprosessens begynnelse har variert.
6
7 Mengden av leirmineraler. Resultatene fra utførte forsøk med forskjellige blandinger og varierende total leirmengde (angitt som % mindre enn 2 mikron. (Som tilslagsmateriale ble brukt finsand 0,05 1,0 mm)) av bentonitt/kaolinitt er vist i figur 3. Prøvene ble pakket etter en standardisert metode til maksimal tetthet ved optimalt vanninnhold, og % svelling ble målt ved et mottrykk på 1 psi (0,7 tonn/m 2 ). Som det fremgår, øker svellingen sterkt med innholdet av leirmineraler i prøven. Kurvene viser dess- uten at bentonittens svelling forsterkes kraftig ved innhold av andre leirmineraler. Punktet ( x ) på kurven angir sålede en svelling 20 % ved et innhold på ca. 20 % kaolinitt og 4 % bentonitt. En prøve på 20 % som bare inneholder kaolinitt eller en som bare inneholder 4 % bentonitt gir omtrent ingen svelling. Vanninnhold ved svelleprosessens begynnelse. Det synes akseptert at omfanget av svelleprosessen vil avta med økende initialt vanninnhold i leiren. Leirens vanninnhold ved svellingens begynnelse bør i denne forbindelse sees i sammenheng med dens tørre romvekt (eventuelt poretall eller porøsitet), siden det opptredende vanninnhold virker inn på romvekten. Dette fremgår i figur 4. Her er leirene svelling (målt ved et mottrykk på 1 psi (0,7 t/m 2 )) angitt som funksjon av initialt vanninnhold og tørr romvekt. Med økende. fuktighet fra 15 25 % minker svellingen ved samme romvekt; sterkere ved høyere enn ved lavere romvekter. Figur 5 angir svellingen ved et mottrykk på 350 lb/ft 2 (1,7 t/m 2 ). Her viser det seg at ved romvekter under ca. 110 lb/ft 3 (1.75 g/cm 3 ) vil maksimal svelling opptre ved 15 20 % fuktighet, mens svellingen vil avta med stigende fuktighet ved høyere romvekter. Svelletrykket (målt ved konstant volum) ved varierende tørr romvekt og initialt vanninnhold er fremstilt i figur 6. Mellom 15-20 fuktighet er svelletrykket omtrent konstant, mens det avtar med fuktigheter over dette. Videre viser figur 7 sammenhengen mellom svelletrykk og tørr romvekt/forbelastning. Som det fremgår, øker svelletrykket i prøven med økende komprimering. Ved samme tørre romvekt avhenger imidlertid svelletrykket av den fuktighet prøven var pakket ved. Likeledes viser kurvene i figur 8 og 9 at svelletrykket avhenger sterkt av poretallet i prøven. Det fremgår også at ved sterk komprimering (ved poretall under ca. 2) kan leiren oppnå betraktelige svelletrykk.
8
9 Leirens struktur. Sammen med leirens tørre romvekt ved svelleprosessens begynnelse, vil også leirens struktur kunne virke merkbart inn på svelleegenskapene. Innflytelsen av partiklenes orientering og anordning på den potensielle svelleevne synes dels å være avhengig av leirtype, og dele av at parallellorientering av leirflakene gir størst svelletrykk, mens en "korthusstruktur" viser den største svelling. Figur 10 og 11 viser forskjellen i svelletrykk ved statisk og "kneading" (gjentagne ganger, i små tidsintervaller, å anvende et visst trykk på små arealer av prøven) komprimering for en sandig og en siltig leire. Statisk komprimering gir over en viss tørr romvekt vesentlig større svelletrykk enn "kneading" komprimering. Dette synes også å bekrefte det tidligere nevnte, idet man kunne gå ut fra at statisk komprimering vil føre med seg en større grad av parallellitet mellom kornene.
10 Likeledes vil svellingen være sterkere i plan vertikalt på leirmineralenes flate. Således har montmorillonitt som har vært ensidig forbelastet vertikalt, kunnet oppvise en svelling i horisontal retning som bare er en brøkdel av den vertikale. En slik anisotrop svelling er vist i figur 12 (for den sterkt svellende Manitoba-leiren). Her når ikke svelling i horisontal retning den opprinnelige dimensjon, men i vertikal retning vil den overstiges.
11 Mulighet for volumutvidelse. Dette forhold er behandlet av flere forskere, da det har vist seg å være et viktig punkt ved det opptredende svelletrykket.
12 Alpan (1957) har ved sine målinger av svelletrykket benyttet en trykkring som står i direkte forbindelse med stemplet over prøven, (se fig. 21) og har så målt svelletrykket ved to trykkringer med forskjellig stivhet (forhold 1:40). Dette medførte at volumutvidelsen for prøvene varierer. Med alle andre forhold like, ble det målt langt høyere svelletrykk med den stiveste ringen. Videre fremgår det av figur 13 at med den stiveste ringen når kurvene en maksimalverdi for så å falle til de innstiller seg på lavere verdier (test VII). Denne effekten kommer ikke ti1syne ved den indre stive trykkring. Dette forhold vil bli nærmere berørt senere. Figur 14 viser svelletrykket ved varierende tillatt volumutvidelse. Som det fremgår, vil bare en liten økning av volumet sterkt kunne redusere det opptredende svelletrykk. Allerede ved en svelling på ca. 2 % vil svelletrykket minke til omtrent det halve. Dawson har likeledes (fig. 15) vist for en leire med normal aktivitet (1.09) hvor stor reduksjon det blir i svelletrykket med bare ubetydelige volumutvidelser. Figurene 13, 14 og 15 viser betydningen av apparaturdeformasjonen ved måling av svelletrykket, og det er viktig å være klar over hvilken vesentlig feilkilde bare en liten svelling av prøvene kan ha ved måling av svelletrykket. Forbehandling av prøvene. Den sikreste måten å oppnå reelle, sammenlignbare resultater av leirenes svelleegenskaper, er selvfølgelig å foreta forsøkene in situ. Det er bare her man vil få den rette innvirkningen av de interne faktorer på svelleprosessen. Variasjon av forsøksbetingelsene vil da, bare berøre de ytre faktorer, og med en forsøksgang som mest mulig tar sikte på å etterligne de ytre betingelser, kan man virkelig oppnå holdbare verdier for svelleegenskapene. Det er imidlertid i Norge ikke mulig å basere målingene av potensiell svelleevne på uforstyrrede prøver. Sleppene er gjerne for tynne, eller de har et innhold av for grovt materiale. Ved å benytte omrørte og ovnstørkede prøver, vil disse foredlete leirer adskille seg fra de opprinnelige, da man ved denne prosess endrer de fleste interne faktorer. Dog vil de viktigste, nemlig typen av leirmineraler og dominerende kation fremdeles være i behold. Samtlige andre faktorer vil i større eller mindre grad være endret, selv om de innen visse grenser nok kan gis samme verdi som in situ. Dette gjelder særlig leirens tørre romvekt og vanninnhold ved svelleprosessens begynnelse. En kopiering av forholdene in situ vil man allikevel ikke få, da det er et komplisert samspill mellom alle interne faktorer som gir leirens absolutte potensielle svelleevne. Det må imidlertid kunne sies at man ved laboratorieforsøk har kommet frem
til en vurdering av den virkelige potensielle svelleevnen for leiren. Holtz og Gibbs (1956) har foretatt forsøk både med og uten omrørte prøver, og de fant ut at "remolded clays behaved much as the undisturbed clays." - På den annen side viser figur 12 at svelleevnen er minket etter omrøring. Det er naturlig å vente at innvirkningen av en omrøring på svelleegenskapene vil variere fra leire til leire. Ved den benyttede forbehandling blir prøvene skaptørket ved 105 C. Eksperimenter har vist at dersom montmorillonitt under uttørking mister alt sitt mellomgittervann, vil dette vanskelig kunne taes opp etterpå. Men så lenge det bare er litt vann igjen mellom ryggradslagene, vil en senere svelling lett kunne oppnås. Hofmann (1955) har satt opp følgende tabell der montmorillonitt med forskjellig adsorberte kationer mister sine svelleegenskaper ved oppvarming: Utbyttbart Temperatur i o C der "interkation crystalline"svelling mistes H 200-300 Li 105-125 Na 300-31 0 Ca 300 390 (Prøvemateriale: montmorillonitt fra Geisenheim) 13 Således skulle den nevnte ovnstørking ved 105 C ikke virke merkbart inn på svelleegenskapene.
14 TIDLIGERE UTFØRTE SVELLEFORSØK. Cardwell jr. skriver 1 1954: "Tilstedeværelse av montmorillonitt kan ikke avgjøre om en leire er sterkt eller lite svellende. Røntgen eller kjemiske analyser kan heller ikke si dette. Den eneste måten å få sikre opplysninger om en leires svellegenskaper, er ved svelleforsøk." Ved svelleprosessen vil det foregå en volumøkning, som når denne blir hindret, vil resultere i et mobilisert svelletrykk. Det er da også disse egenskapene man søker å måle ved laboratorieforsøkene. Man har valgt å måle svellingen - eventuelt ved et visst mottrykk - eller svelletrykket ved et bestemt volum. De første omfattende svelleforsøkene ble satt igang i Amerika i1933, etter at det ble konstatert at flere ødelagte ("warped") veger hadde direkte tilknytning til "svelleleire" i undergrunnen. Således skriver Allen og Johnson (1936): "The swelling resulted from the soil adsorbing water which entered through leaky joints and cracks." De forsøkene som ble foretatt viste at svellingen ikke bare var avhengig av de forskjellige typer leire, men også av forskjellige ytre betingelser som initialt vanninnhold, komprimering og tørr romvekt. I forsøkene ble det bare målt volumøkningen ved et mottrykk på 0,4 tonn/m 2.
15 Noen av resultatene er vist i figur 16 og 17. Den største svelling oppnådde man ved forholdsvis tørre prøver med stor tetthet, mens den minste svellingen var ved maksimal romvekt og vanninnhold noe under utrullingsgrensen. Holtz og Gibbs (1956) har foretatt forsøk for en nærmere klassifisering av svellende leirer. Den benyttede apparaturen (kalt consolidometer) består av en prøvecelle 4,25 in.(10,8 cm) i diameter og 1,25 in. (3,15 cm) dyp, og med keramikkfilter over og under prøven for drenasje eller vanntilgang. Belastningen påføres med en jekk der den anvendte kraften kan avleses, og prøvehøyden måles med et måleur. Til prøvemateriale ble det brukt både uforstyrrede og omrørte leirer. I tillegg til å måle volumforandringen på prøvene ble det målt svelletrykk og tilsvarende volumutvidelser. Dessuten ble det foretatt forsøk der svelletrykket ble målt ved konstant volum, og i noen av disse prøvene ble det målt svelletrykk opp i 100 tonn/m 2 ; der prøven ved vanntilsats var lufttørket og var belastet med 1 psi (0,7 tonn/m 2 ). Noen av resultatene er vist i figur 4 og 6. Figur 18 viser en svelleapparatur til målinger under til dels høye trykk. Prøvematerialet var bentonitt og nedknust porøs porselen i forholdet 50/50 vektsprosent. Porselenen ble vesentlig benyttet for å hurtigere fordele vannet under svellingen under de høye trykk som ble benyttet. En prøve på 9 gram ble pakket i prøvecellen og belastet med 1820 psi (1300 tonn/m 2 ). Deretter målte man prøvehøyden. Etter at prøven hadde blitt evakuert til 0,001 mm kvikksølvhøyde, ble systemet utsatt for nitrogentrykk på henholdsvis 1500 og 10.000 psi (1060 og 7000 tonn/m 2 ). Deretter fikk prøven tilgang på vann, hvoretter prøven øyeblikkelig begynte å svelle. Svellingen ble avlest på en byrette som står i forbindelse med kvikksølvet under prøven. Siden tverrsnittet på byretten bare er en brøkdel av prøvecellen og avlesningene på byretten kan gjøres innen +/- 1 mm, medfører dette stor nøyaktighet i avlest volum. Eksempelvis kan nevnes at med mottrykk på 1500 og 10.000 psi oppnådde leiren svellinger på henholdsvis 331 % og 272 %. (Svellingen definert som (svellet volum/volum tørr leire) x 100 % ) Leirens svelling ved varierende saltkonsentrasjoner under et mottrykk på 1500 psi, er vist i figur 19. En annen apparatur benyttet av Hemwall og Low er vist i figur 20. Prøvecellen er 5,09 cm i diameter og 7,5 cm dyp. Toppen er forseglet med en plate (B) som er elektrisk isolert fra selve prøvecellen. Gjennom denne platen er det en justerbar ventil som nederst har påsatt en platinatråd.
16 Cellen er via et manometer forbundet med en nitrogen trykktank (F). 7 grams prøver benyttes til forsøkene og de pakkes manuelt med et stempel. Prøvehøyden blir målt ved at et visst volum kvikksølv helles over prøven, og høyden fra (B) måles ved at platinatråden får kontakt med kvikksølvet, indikert ved lampen (G). Tilgang på vann skjer gjennom filteret (D), og prøven ble først gitt adgang til å svelle omtrent maksimalt, hvoretter trykket ble øket i intervaller på 10 lb (45 kg). Man målte så volumet i hvert av intervallene.
17 Alpan (1957) har benyttet en svelleapparatur vist i figur 21. Prøvene blir gitt tilgang til å svelle et visst volum, da trykket blir målt med en trykkring over prøven. Materialet (mindre enn 4 mm) ble pakket i prøvecellen og forbelastet 0,9 tonn/m 2. Ved å benytte varierende undertrykk i apparaturen, kan man oppnå å gi prøvene bestemte fuktigheter i prøvecellen før svellingen. På denne måten får alle prøvene samme grad av pakking - siden de kan pakkes ved samme fuktighet - slik at denne faktor ikke vil influere på svelletrykket. Noen av resultatene er vist i figur 13.
18 Kazda (1961) har konstruert et apparat som automatisk korrigerer for apparaturdeformasjonen ved måling av svelletrykket. Lasten blir påført ved at en liten elektromotor automatisk beveger seg bortover en vektstang så snart prøven sveller bare 0,03 mm i høyden, og den stopper når vekten balanserer svelletrykket. En viss mengde prøvemateriale blir pakket i prøvecellen til en høyde på 10 mm. Derved oppnås en ønsket porøsitet. Vann blir tilført og tid/svelletrykk registreres. Det ble bl.a. foretatt forsøk med montmorillonitt med forskjellige adsorberte kationer. Prøvene ble pakket til en porøsitet på 44,5 %. Det fremgår her hvilken stor rolle de forskjellige adsorberte kationer har både på svelletrykket (endelig mobilisert trykk og tiden før dette nås) og på konsistensgrensene.
19 Det fremgår av det foregående at både apparatur og forsøksgang som er benyttet ved målingene av leirers svelleegenskaper har vært meget forskjellige, noe som også har medført stor variasjon i fremkomne resultater. Når det gjelder forsøksgangen, har Holtz og Gibbs vist hvilken rolle denne spiller på de fremkomne verdier. Prøve nr. 1 ble under vanntilførselen belastet slik at den hele tiden hadde konstant volum. Deretter ble den avlastet mens man målte tilhørende trykk/volumutvidelse. Prøve nr. 2 ble gitt anledning til å svelle (under en belastning på 1 psi (0,7 tonn/m 2 )) ved vannopptaket. Deretter ble den trinnvis belastet. Som det fremgår av figur 23, oppnådde prøve nr. 2 større svelling enn prøve nr. 1. Ved en eventuell tolkning av fremkomne verdier for svelleegenskapene, må derfor taes i betraktning både anvendt apparatur og den benyttede forsøksmetodikken. Noen standardisert måte å måle svelleegenskapene på, er det således ikke. Det skal imidlertid i denne forbindelse nevnes en klassifisering Holtz og Gibbs har satt opp etter en del utførte svelleforsøk på amerikanske sedimentære svellende leirer. Som parametre har de brukt fri svelling (her definert som forholdet i % mellom volumøkning og opprinnelig volum), kolloidinnhold (mindre enn 1 mikron), plastisitetsindeks og uttørkingsgrense sett i relasjon til volumforandring. Volumforandringen er her malt i laboratoriet under et mottrykk på 1 psi (0,7 tonn/m 2 ) fra uttørkingsgrensen til full metning. Forfatterne påpeker at kurvene bare er satt opp som en ren orientering for at man på en enkel måte skal kunne få et begrep om leirens karakter. For norske forhold synes de oppsatte kurver over kolloid-innhold å være lite relevante. I flere av våre marine inaktive leirer forekommer innhold av leir på 50 % som altså skulle etter figur 24, være sterkt svellende. Det bør i denne forbindelse påpekes at svelling og svelletrykk ikke alltid er parallelle størrelser på den måten at en leire som oppviser høy svelling også vil gi store svelletrykk. En korrelasjon som gjelder for svelling målt etter en bestemt metode behøver derfor ikke å gjelde samme leires svelletrykk.
20
21 DEN ANVENDTE APPARATUR FOR MÅLING AV LEIRERS SVELLETRYKK VED KONSTANT VOLUM. Apparatet er vist i figur 25, 26 og 27. Prøvecellen (figur 26 og 28) består av en prøvesylinder med indre grunnflate 20 cm 2 og høyde 2 cm. Den har hindret sideutvidelse. Tilgang på vann skjer gjennom 2 filtre, over (av messing) og et under (av keramikk) prøven. Toppfiltret - som ligger an mot et stempel - kan bevege seg opp og ned i prøvecellen ettersom prøvens volum endres ved henholdsvis svelling eller konsolidering. Mellom toppfilteret og prøven er det en tynn messingring for å hindre at prøven tyter opp rundt toppfilteret. Med en sperrering og 3 skruer er prøvecellen festet til ødometerskålen som benyttes til vannreservoar (0,4 liter). Ødometerskålen står på en ståltallerken som igjen er opphengt i en vektstang med utveksling 1:10. Belastningen påføres vektstangens annen ende, slik at toppstemplet over prøven presses mot en justerskrue som er fast forbundet med apparatets chassis. Endringer i prøvehøyden avleses på et måleur som er plassert mellom justerskrue og overføringen vektstang/ståltallerken. Nøyaktighet ± 0,001 mm. Belastningen påføres vektstangen ved at en snekke som er festet til apparatets chassis, spenner en stålfjær. Den anvendte kraften måles med et måleur som registrerer fjærens deformasjon. Nøyaktigheten er her ca. ± 0,05 tonn/m 2 for det trykket som påføres prøven.
22
23
24
25
26 GANGEN I FORSØKENE Til forsøkene ble det benyttet 20 grams prøver (iberegnet eventuell hygroskopisk fuktighet) som ble pakket i prøvecellen manuelt med et glasstempel. Ved pakkingen ble det nøye kontrollert at prøven var jevnt tykk ved å måle avstanden fra toppen av sperreringen med skyvelær. I den første delen av forsøkene (der materialet var "ren" bentonitt) ble det brukt et plaststempel over prøven. Prøvehøyden (h 1 ) ble målt ifølge figur 30 mens ødometeret sto i prøveapparaturen. (Da det ikke var mulig a komme til med skyvelær, ble denne avstanden (h b ) målt ved hjelp av plastisk avtrykksmasse, idet jeg tok "avtrykk av avstanden" og målte dette med skyvelær. (h a ) ble målt til 4,1 mm) - En mer nøyaktig måte å male (h 1 ) på ble foretatt på blandingene av bentonitt og inaktivt materiale da jeg fant ut at den kunne måles ved ødometermikrometeret. Nøyaktigheten kom da. ned fra ± 0,1 mm til 0,05 mm. Ved denne målingen var prøven belastet med 2 tonn/m 2 (5 streker på belastningsmikrometeret) etter en forbelastning på 50 tonn/m 2 i 30 sekunder. Jeg valgte å måle prøvehøyden under det nevnte trykk på 2 tonn/m 2 da det viste seg svært vanskelig å få en sikker avlesning når stemplet bare skulle berøre prøven. Prøven ble deretter komprimert med en valgt forbelastning (som i forsøkene har vært 100, 200, 300, 400 og 500 tonn/m 2 ) til likevekt var oppnådd. Prøvehøyden nådde da en endelig verdi (h 2 )som for de ulike blandinger og forbelastninger tok fra ca. 3 til ca. 10 timer. Etter fullstendig avlastning som tok fra 1 til 5 timer, ble prøvehøyden (h o ) målt ved svellingens begynnelse under et trykk på 2 tonn/m 2. Ødometerskålen ble fylt med destillert vann og tiden notert. Prøven begynte øyeblikkelig å svelle, og etterhvert ble tid/svelletrykk notert. I de ca.10 første minuttene foregikk svellingen så raskt at det var umulig å følge opp med korrigering av apparaturdeformasjonen nøyaktig. For å få like betingelser ved første avlesning, ble det etter 15" ikke korrigert for apparaturdeformasjon, og svelletrykket ble altså avlest ved (h o ) på ødometermikrometeret. Ved de senere avlesninger av svelletrykket ble den reelle prøvehøyden (h o ) holdt konstant. Dette skjedde ved at det etter hvert ble korrigert for apparaturdeformasjonen, ved å foreta en "tilsynelatende" komprimering. Avlest prøvehøyde ble da lik h o + apparaturdeformasjonen for vedkommende trykk. Svelletrykket stabiliserte seg gjerne i løpet av et døgn.
27 PRØVEMATERIALE Svelleforsøkene har bestått av to deler: å finne svelletrykkets avhengighet av forbelastning og hygroskopisk vanninnhold ved svelleprosessens begynnelse, og å finne svelletrykket avhengig av tilblandinger med inaktivt materiale. I den første delen ble det benyttet en ungarsk bentonitt (handelsvare med typebetegnelse "OA"). Dette materialet hadde ikke innhold av grovere partikler og kunne brukes uten å "foredles". Det ble derfor bare skaptørket ved 105 C. Det inaktive materialet i den andre delen av forsøkene, besto av kvarts og feltspat. Dette ble nedmalt i kulemølle (100 gram i 3 minutter) og deretter dekantert 3 ganger (10 cm fallhøyde i 4 minutter). Materialet fikk derved en kornfordeling (ca. 95 % av materialet under 20 mikron) som ble funnet egnet til oppblanding av bentonitten. Det ble foretatt flere forsøk på å finne kornfordelingen av bentonitten. Brekke har med hydrometeranalyse funnet at ca.40 % av materialet er mindre enn 2 mikron for den samme bentonitt "OA" Jeg tillater meg å tvile på denne analysen. En hydrometeranalyse på et så finkornig materiale kan neppe gi holdbare verdier. Selv med en fortynning på 25 gram tørt materials til 1 liter, ble det en stående suspensjon i målesylinderen etter ca. 20 timer. - Isteden foretok jeg kornfordelingsanalyser med 3 deler feltspat (eller kvarts) og 1 del bentonitt. Tilsammen 6 gram materiale til 540 ml destillert vann. Med prof. Andreassens metode og dispergering i calgon ble kornfordelingen for blandingen funnet. Ut fra denne og den tidligere fundne for feltspat (karts), kunne bentonittens kurve beregnes. Begge disse analysene viser at bentonitten er uhyre finkornet, alt materiale er under ca. 1,5 mikron. Ved den benyttede metode, er det således umulig å få tatt opp fullstendig kornfordelingskurve for bentonitten, da metoden ikke kan sies å gi holdbare verdier for partikler under ca.1 mikron. Nå vil sannsynligvis dispergering med calgon føre til at ryggradslagene i montmorillonitten blir sprengt helt fra hverandre. Derved vil partiklene ved analysen vesentlig bestå av enkle ryggradslag. Den fremkomne kurve vil således være mer finkornet enn det som er tilfelle, og den gir muligens ikke det riktige bildet av materialet. Det ble ikke i noen av de utførte analyser observert tegn på fnokking.
28
29
30
Det ble videre målt flyte- og utrullingsgrense for bentonitten. Da den forelå som tørt materiale, ble bestemmelse av konsistensgrensene foretatt både etter ca. 1 time og etter ca. 1 døgns oppbløting. Resultatene ble: w 1 w p I p 207 % 57 % 150 % - etter 1 time 225 % 52 % 173 % - etter 1 døgn Dette viser at det er viktig for bestemmelse av plastisitetsgrensene at montmorillonitten får tid til å svelle. Likeledes ble det foretatt måling av konsistensgrenser for blandinger av bentonitt/feltspat og bentonitt/kvarts. Resultatene er vist i figur 34 og 35. Alle disse bestemmelsene ble tatt etter 1 døgns vanntilsats. Kurvene viser at verdiene for tilblandinger med feltspat ligger noe over de samme for kvarts. Dette kan sannsynligvis forklares ved at feltspaten er mer finkornet enn kvartsen. Videre er aktiviteten for blandingene tegnet inn. Som det fremgår vil innholdet av bentonitt virke sterkt inn på blandinger under 50 % bentonitt. Bentonittens hygroskopiske evne ble målt i eksikator med 100 % (99,9) relativ fuktighet, der ca. 100 gram prøve i 1 cm tykkelse ble satt inn. For hvert døgn ble det foretatt målinger av fuktighet i prøven, samt av tilsvarende relativ fuktighet i "eksikatoren" (målt med hygrometer). Etter ca. 8 døgn hadde fuktigheten innstilt seg på en nesten konstant verdi 32,5. (Det ble imidlertid målt maksimalt 37 % fuktighet i materialet). Også i "eksikatorer" med 75 og 56 % relativ fuktighet brukte samme mengde bentonitt ca. en uke på å oppnå jevn fuktighet. Under svelleforsøkene ble derfor prøvematerialet satt i "eksikatorer" ca.10 døgn før det skulle benyttes. Spesifikk vekt av bentonitt ble bestemt til 2,680, 2,700 og 2,680 g/cm 3. Det er sannsynlig at denne verdi er noe for lav (som middel ble brukt 2,68), da bestemmelse av et så finkornet materiale lett vil gi for små verdier. Resultatene stemmer imidlertid godt overens med målinger gjort av Konta (1961) for 2 ungarske bentonitter, der verdiene ble 2,60 og 2,80. For feltspat og kvarts ble spesifikk vekt funnet til 2,56 og 2,66. Brekke har foretatt kjemisk analyse av bentonitten. Denne ga: 1,04 % Na 2 O 0,47 % K 2 O 1,60 % CaO 3,22 % MgO Tilstedeværelse av K 2 O viser at det er noe illitt/hydroglimmer i prøven, noe som muligens også kommer tilsyne ved det diffuse endoterme utslaget på ca. 550 C i DTA-kurven for materialet. Figur 37 viser videre - ved det endoterme utslaget på ca. 725 C - at det er noe kalkspat tilstede. Brusing ved tilsats av saltsyre bekrefter dette. 31
32 Ut fra den kjemiske analysen er det rimelig å anta at bentonittens innhold av montmorillonitt vesentlig består av Na, Kg, og Ca som utbyttbare kationer. Ut fra plastisitetsindeks og flytegrense fremgår det av figur 38 at bentonitten ligger nær øvre området for Ca-montmorillonitt. Kurvene er - ifølge Grim - bare satt opp som rent veiledende; dessuten består sannsynligvis ikke bentonitten bare av montmorillonitt, noe som også vil forskyve konsistensgrensene. Det skulle imidlertid fremgå at leiren har egenskaper som en Ca-Mg montmorillonitt. I tillegg har Brekke foretatt røntgenanalyser av bentonitten. Ut fra disse og DTAanalysen har han anslått innholdet av montmorillonitt til ca. 75 %. Både for blandingene av bentonitt/feltspat og bentonitt/kvarts er det foretatt målinger av fri svelleevne. Tørt materiale ble drysset opp i et 10 ml. måleglass, løs lagring. Man sedimenterte den oppmålte leirmengde forsiktig opp i et 50 ml måleglass med destillert vann. Prøven sto så noen døgn før man leste av leirmaterialets høyde i glasset. Fri svelleevne (i %) er definert som det sedimenterte materialets høyde (dvs. volum) i forhold til tørrmaterialets volum. Resultatene er gitt i figur 39. Det fremgår at det er en nesten lineær stigning med innhold av bentonitt. Avvikelsene kan sannsynligvis tilskrives at det oppmålte volum på 10 ml har fått forskjellig grad av pakning. Likeledes ble det foretatt målinger av hygroskopisk evne for de samme blandinger. Ca. 5 grams prøve 1 cm. tykk ble satt i "eksikator" med 100 % fuktighet i 11 døgn. Som ventet ble det en noe nær lineær variasjon i fuktigheten med økende mengde bentonitt. Fuktighetene i blandingene av bentonitt/kvarts er noe hyere, sannsynligvis fordi disse prøvene sto ca. ½ døgn lenger i "eksikatoren". Det viste seg å være en god sammenheng mellom fri svelleevne og hygroskopisk evne for blandingene. Dette er vist i figur 41, der disse egenskaper er sammenstilt. Porøsiteten av blandingene av bentonitt/feltspat og bentonitt/kvarts ved samme pakking er angitt i figur 42. Pakkingen har vært 200 tonn/m 2 statisk belastning i ødometeret. Som det er rimelig å vente, oppnår bentonitten med sine flate og tynne ''barberbladlignende" korn en langt dårligere pakking. Dette forhold vil naturlig virke inn ved pakking av de forskjellige blandinger av bentonitt/feltspat for DTA-analyse. Resultatene av DTA er vist i figur 37. Arealene av utslaget ved 670 C er målt ifølge figur 43, dessuten er den nevnte porøsiteten for blandingene angitt. Forholdet mellom det målte areal og vekt % bentonitt er sammenstilt i figur 44. Utslagene for de 2 prøvecellene stemmer godt overens. Man skulle kanskje vente at blandingene med mye feltspat skulle gi forholdsvis større utslag på grunn av den bedre pakking, slik at kurven fikk en parabellignende form istedenfor den fremkomne S-lignende form. Hva som er årsaken til
33 dette, vet jeg ikke. Muligens gir så små materialmengder ikke samme grad av nøyaktighet i utslaget. Ellers må presiseres at den nevnte arealbestemmelse heller er en noe tvilsom kvantitativ bestemmelse. Som en ren orientering ser den imidlertid ut til å stemme bra. Det ble også tatt DTA-analyse av bentonitt med 25 % hygroskopisk fuktighet. Under oppvarmingen i apparatet må det ha foregått krympninger i materialet som til dels virket sterkt inn på og forstyrret de fremkomne diagrammer. Det syntes imidlertid som om utslagene 670 o C var noe større enn for tørt materiale. Dette er også å vente, da fuktig materiale oppnår en bedre pakking i cellen.
34 DE UTFØRTE SVELLEFORSØK Gjennomføring av laboratorieforsøkene Før selve forsøkene tok til, ble fremdriftsplanen på side 35 og 36 utarbeidet. Denne planen ble stort sett fulgt under forsøkenes del I (forsøkene med "ren" bentonitt). Det ble imidlertid foretatt noen innkjøringsforsøk for å bli fortrolig med apparaturen. Under del II ble serie f forandret. Fra seriene i del I kom det ikke frem noen spesielt gunstig kombinasjon av forbelastning og hygroskopisk fuktighet. Derfor ble denne serien isteden kjørt med blandinger av bentonitt og kvarts. Som forbelastninger i del I ble valgt 100, 200, 300 og 400 tonn/m 2. Det samme plaststemplet og kurve som er apparaturdeformasjon som Brekke hadde benyttet, ble også her brukt. Det viste seg imidlertid at plaststemplet ikke tålte de store trykk som ble brukt under forbelastningene. Det dannet seg riss på undersiden av stemplet slik at det her ble svakt skålformet under trykk. Det er rimelig å vente at dette kan ha ført til unøyaktige resultater. Innenfor samme forbelastning skulle imidlertid ikke dette forhold spille nevneverdig inn. Disse riss ble ikke oppdaget før del II av forsøkene var kommet godt igang. Det ble for disse forsøkene laget et messingstempel, noe som medførte at forsøksgangen ble så mye forandret at jeg fant det best å kjøre om alle de utførte forsøk i del II. Disse forandringene var: Apparaturdeformasjonen ble sterkt forandret. Den store vektforskjellen mellom plast- og messingstemplet førte til at den mekaniske svellingen etter avlasting (h o + h 2 ) ble redusert, noe som førte til en høyere tørr romvekt med messingstempel. Disse forhold førte naturlig til at svelletrykket målt med de 2 stempler, varierte. (mer om dette senere)
35 FREMDRIFTSPLAN FOR DIPLOMOPPGAVENS LABORATORIEFORSØK. DEL I: SVELLETRYKKETS AVHENGIGHET AV FORSKJELLIG HYGROSKOPISK FUKTIGHET AV MATERIALET OG VARIERENDE FORBELASTNINGER. Velger å kjøre serier med samme relativ fuktighet i eksikator og forskjellige forbelastninger. Hvert forsøk, bestående av bestemmelse av vanninnhold før og etter svelling, forbelastning, avlasting og svelling, antas å ta ca. 2 døgn. Serie a: Relativ fuktighet ca.16 % (dvs. materialet blir ikke hygroskopisk fuktet) og forbelastninger 100, 200, 300. t/m 2. Ut fra de resultater som fremkommer ved disse 3 forsøkene, vil det bli valgt ytterligere 3 forbelastninger med samme relativ fuktighet i eksikator. Ialt 6 forsøk som ventes å ta ca. 14 dager. Serie b: Relativ fuktighet ca. 56 % og 4 av de gunstigste forbelastninger funnet i serie a. Ialt 4 forsøk av varighet ca. 9 dager. Serie c: Relativ fuktighet ca.75 % med samme forbelastninger som brukes under serie b. 4 forsøk, ca. 9 dager. Serie d: Relativ fuktighet ca.100 % og samme forbelastninger som under serie b. 4 forsøk som tar ca. 9 dager. Samtidig med at serie a settes igang, vil det bli satt inn skaptørket bentonitt i eksikatorer med samme fuktighet som benyttes til seriene b, c, d. Det vil bli tatt prøver på fuktighetene av disse prøvene med jevne mellomrom for således å finne hvor lang tid det tar i de ulike relative fuktigheter før materialet oppnår jevn hygroskopisk fuktighet. Disse resultater vil bli nyttet når forsøksseriene b, c, og d kjøres. Mens de nevnte serier pågår, vil det bli foretatt slemmeanalyser av bentonitten, samt DTAprøver og bestemmelse av konsistensgrensene. Dessuten vil nødvendig forarbeide med nedmaling og slemming av feltspaten bli gjort, slik at den får en korngradering som er gunstig til oppblanding av bentonitten. DEL II: SVELLETRYKKETS VARIASJON UNDER VARIERENDE BLANDINGSFORHOLD MELLOM MONTMORILLONITT OG NEDMALT FELTSPAT. Antar å bruke følgende 6 blandinger av montmorillonitt/feltspat: Serie e: Ren bentonitt (finnes under seriene a, b, c, eller d) 70/30, 50/50, 30/70, 15/85 og 0/100. Forbelastning 200 t/m 2 og tørt materiale. Serie f: Samme blandingsforhold som under serie e, forbelastning og hygroskopisk fuktighet velges som gunstigste kombinasjon ut fra de resultater som er funnet i seriene a, b, c, d. Seriene e og f består av 5 forsøk hver, og regnes med å ta 12 dager hver. Mens disse 2 seriene kjøres, vil det bli foretatt forsøk med fri svelleevne og tilhørende DTAanalyser for de forskjellige blandingene. Dessuten bestemmelse av konsistensgrenser og eventuelt slemmeanalyser.
36
37 Apparaturdeformasjon. Siden jeg brukte det samme plaststemplet som var blitt benyttet av Brekke, ble ikke apparaturdeformasjonen målt. Det ble korrigert etter samme kurve som Brekke hadde satt opp. Ved kontroll da plaststemplet ble skiftet ut, viste det seg imidlertid at den deformasjonen som da ble funnet, var ganske forskjellig fra den som var benyttet. Som eksempel kan nevnes: Trykk (tonn/m 2 ) Def. ifølge Brekke (mm) Def. ved kontroll (mm) 20 0,25 0,15 0,10 42 0,35 0,20 0,15 83 0,47 0,26 0,21 125 0,54 0,31 0,23 Korrigert for mye Dette har altså ført med seg at prøven faktisk er blitt komprimert under korrigering av apparaturdeformasjonen, og har naturlig resultert i en økning av det målte svelletrykk. Man må imidlertid kunne anta at dette forhold har virket i omtrent samme grad inn på resultatene i del I, siden prøvematerialet her har vært det samme hele tiden. En kontroll gjort med messingstempel på 200 tonn/m 2 forbelastning 0 % hygroskopisk fuktighet og på 400 tonn/m 2 forbelastning, samt 10 % fuktighet synes å bekrefte dette. Her lå resultatene med messingstempel ca.10 % under de samme med plaststempel. For ytterligere å belyse hvor viktig det er å korrigere nøyaktig for apparaturdeformasjonen (se forøvrig side 11 og 12), vil jeg nevne at den omtalte feil i apparaturdeformasjonen ble funnet under forsøk med "ren" feltspat. Siden feltspaten under forbelastningen oppnådde en meget god pakning, medførte denne korrigeringen (for mye) av apparaturdeformasjonen ved den rent mekaniske svelling feltspaten fikk ved tilsats av vann (ca. 5 tonn/m 2 ) at dette inaktive materialet faktisk oppførte seg som en "sprek" svelleleire. Måling av apparaturdeformasjonen med messingstempel bekrefter Brekkes antagelse at den vesentligste del av deformasjonen kommer fra plaststemplet. For ytterligere å redusere deformasjonen (den er som figur 45 viser, meget stor ved de første belastningstrinn) samt - som tidligere nevnt (side 26) - at det medfører en sikrere avlesning, ble apparaturdeformasjonen med messingstempel målt fra et trykk på 2 tonn/m 2 (5 streker på belastningsmikrometeret). (På figur 46 er deformasjonen målt fra 2000 streker på belastningsmikrometeret, slik at dette under forsøkene ble nullstilt på 2005 streker.) Dermed er apparaturdeformasjonen faktisk blitt redusert til omtrent 1/3 av den Brekke målte, noe som også medfører en langt mindre hysterese. Disse forhold har således gjort det mulig å få langt