ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΑΡΓΙΛΙΚΟΥ Ε∆ΑΦΟΥΣ ΜΕ Υ∆ΡΑΣΒΕΣΤΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ Ο∆ΙΚΩΝ ΕΠΙΧΩΜΑΤΩΝ LIME STABILIZATION OF SWELLING CLAY FOR IMPROVING ROAD EMBANKMENTS Ι. ΧΡΙΣΤΟ∆ΟΥΛΙΑΣ, Γεωλόγος ΑΠΘ, MSc (Eng.)ΜΕΡΟΣ 1ο Ι. Εισαγωγή Οι Goldberg (1952), Bolt (1956), Taylor (1959), Ladd (1960), έχουν ανακοινώσει ότι ο ιονικός χαρακτήρας του νερού, το οποίο διατίθεται σε µια άργιλο, είναι κυρίως υπεύθυνος για τις µεταβολές του όγκου. Επειδή ο ιοντικός χαρακτήρας του συνδυασµού νερού-αργίλου, µπορεί να τροποποιηθεί µε τη προσθήκη χηµικών ενώσεων, η χηµική σταθεροποίηση προσφέρεται για την ελαχιστοποίηση της διόγκωσης της αργίλου. Η µέθοδος αυτή έχει χρησιµοποιηθεί είτε µόνη της είτε σε συνδυασµό µε προδιαβροχή ή επανεπιχωµάτωση. Παρά το γεγονός ότι υπήρχαν αντιρρήσεις για την επιτυχία της χηµικής σταθεροποίησης (Dawson, 1959), πολλά έργα έχουν κατασκευαστεί επιτυχώς µε τη µέθοδο αυτή .Σωµατίδια αργίλου ευθυγραµµισµένα και περιβεβληµένα µε υµένα νερού που τους επιτρέπει να ολισθαίνουν, µε αποτέλεσµα χαµηλή αντοχή του αργιλώδους εδάφουςΣωµατίδια αργίλου µετά την επεξεργασία τους µε υδράσβεστο, µε εµφανή την µείωση του περιβάλλοντος νερού και την επαναδιάταξή τους, που οσηγούν σε σηµαντική αύξηση της αντοχήςΟι De Sousa Pinto, Davidson και Laguros (1962) αναφέρονται στη συνδυασµένη επίδραση υδρασβέστου και τσιµέντου σε πέντε µοντµοριλλονιτικά εδάφη. Επίσης διαπίστωσαν ότι όσο λιγότερα ανθρακικά έχει το δείγµα τόσο µεγαλύτερη ήταν η δράση της υδρασβέστου. Το βέλτιστο ποσοστό υδρασβέστου ήταν 2-6% και παρατηρήθηκε µείωση της πλαστικότητας, αύξηση ψαθυρότητας και τη; αντοχής σε θλίψη. Προσπάθειες έχουν γίνει να χρησιµοποιηθούν και άλλα χηµικά πρόσθετα. Ο Slate (1961) πειραµατίστηκε µε την προσθήκη ποσοτήτων CaCl2 σε Na-µοντµοριλλονίτη και παρατήρησε ότι ο βαθµός συµπύκνωσης βελτιώθηκε σηµαντικά. Οι Lyon και Mc Ewan (1962) µελέτησαν την επίδραση του φωσφορικού οξέος σε ποσοστά 2-5% στα µηχανικά χαρακτηριστικά της αργίλου, και διαπίστωσαν µείωση του βαθµού διόγκωσης.1 / 14Οι Katti και Barve (1962) ανάµιξαν είκοσι διαφορετικές ανόργανες ενώσεις µε διάφορα ποσοστά σε αντίστοιχα διογκούµενα εδάφη της Ινδίας µε σκοπό να µελετήσουν την επίδραση στα όρια Atterberg, και διαπίστωσαν µια τάση για βελτίωση της διογκωτικής ικανότητας.ΙΙ. Ιστορικό µελετών και ερευνών για την δράση της υδρασβέστου Η χρήση της ασβέστου στη βελτίωση των µηχανικών χαρακτηριστικών του εδάφους ήταν γνωστή στους Κινέζους πριν 3000 έτη, ως µέθοδος βελτίωσης των επαρχιακών δρόµων (Israel, 1982). Επίσης οι αρχαίοι Ρωµαίοι χρησιµοποίησαν υδράσβεστο αναµιγµένη µε ηφαιστειακή τέφρα (ποζολάνη), για να κατασκευάσουν την Απία Οδό (Israel, 1982). Η Αρχή παραγωγής της υδρασβέστου είναι απλή και συνίσταται στην απαγωγή άνθρακα από τον ασβεστόλιθο ή το δολοµίτη ώστε να σχηµατιστούν οξείδια Ca ή Mg. Η ενυδάτωση των οξειδίων αυτών σχηµατίζει υδροξύλια του Ca και Mg, που είναι η υδράσβεστος. Η υδράσβεστος άρχισε να χρησιµοποιείται ευρέως στις κατασκευές στην Αµερική από το 1940 και η χρήση της επεκτάθηκε στην Αφρική, Αυστραλία, Σκανδιναβία και Ιαπωνία Οι Spangler και Patel (1949) διαπίστωσαν σηµαντική µείωση της διόγκωσης αργίλου στην Iowa (ΗΠΑ) µε ποσοστά υδρασβέστου 2-4%. Η Ευρώπη καθυστέρησε την εφαρµογή της υδρασβέστου λόγω του χαµηλού κόστους του τσιµέντου. Μετά το 1960 άρχισε και στην Ευρώπη εφαρµογή υδρασβέστου αρχικά για έργα µικρής κλίµακας, η οποία στη συνέχεια διευρύνεται συνεχώς.Η Υδράσβεστος Ca(OH)2 αντιδρά χηµικά µε την άργιλο µεταβάλει τις µηχανικές ιδιότητές της και από πλαστική µετατρέπει σε ψαθυρή. Παρόλο που ο µηχανισµός της αντίδρασης αυτής εν µέρει έχει διερευνηθεί, η σταθεροποίηση του εδάφους προέρχεται από δύο κύριες διεργασίες, Gallaway και Buchanas (1951), Jones (1958),Ηerrin και Mitchell (1961). •Στην πρώτη διεργασία λαµβάνει χώρα µία βασική ανταλλαγή ιόντων: τα ισχυρά και µε θετικό φορτίο ιόντα ασβεστίου, αντικαθιστούν τα ασθενέστερα ιόντα του νατρίου, τα οποία βρίσκονται παραταγµένα στην επιφάνεια κάθε αργιλικού κρυστάλλου, (Jones, 1958). Παράλληλα µε αυτή την ανταλλαγή, πρόσθετα ιόντα ασβεστίου απορροφούνται µεταξύ των κρυστάλλων και αυξάνεται η πυκνότητά τους στο πλέγµα, (Herrin, 1961). Το αποτέλεσµα που προκύπτει είναι ένα έδαφος µε χαµηλή ιοντο - ανταλλακτική ικανότητα και χαµηλή δυνατότητα µεταβολής όγκου.2 / 14•Κατά την δεύτερη διεργασία, ταυτόχρονα µε την ανταλλαγή ιόντων σχηµατίζεται ένα ζελέ τσιµεντοποίησης, το οποίο δένει τα µερίδια µεταξύ τους, (Jones, 1958, Herrin, 1961). Η ιδιότητα αυτή για την υδράσβεστο έχει αποδειχθεί εργαστηριακά σε διογκούµενα και µη διογκούµενα εδάφη. Πρόσφατα το τρίπτυχο ασβέστιο-άργιλος- νερό έχουν ευρύτατα διερευνηθεί από τους Eades και Grim (1960).Το εδαφικό υλικό πριν και µετά την επεξεργασία µε υδράσβεστοΟι Goldberg και Klein (1952) έκαναν εργαστηριακές δοκιµές σε άργιλο µε µικρά ποσοστά υδρασβέστου και διαπίστωσαν ότι τα ποσοστά 2-4% υδρασβέστου είναι επαρκή να εξουδετερώσουν τη διόγκωση της αργίλου. Ο Laguros (1956) βρήκε ότι η αντοχή αυξάνει αρχικά ραγδαία, αλλά µετά η αύξηση είναι µικρότερη. Επίσης ο Jones (1958) διαπίστωσε ότι 2% υδρασβέστου κατά βάρος, µειώνει τη διόγκωση της αργίλου, ήτοι το δείγµα υπό πίεση 0,0703 kg/cm2 και διαθέσιµο νερό, µείωσε τη διόγκωση του από 10 % σε αµελητέα. O Parsons (1959) εργαζόµενος στη διεύθυνση οδοποιίας στο Kansas (ΗΠΑ) χρησιµοποίησε υδράσβεστο σε ποσοστό 5%, προκειµένου να βελτιωθεί το έδαφος της υπόβασης οδοστρώµατος. Στην πολιτεία του Missisipi (ΗΠΑ), ο ίδιος ο αναφέρει ότι έγινε εκτεταµένη χρήση υδρασβέστου σε ποσοστό 6% για τη βελτίωση οδικών υποβάσεων. Η ανάµιξη έγινε µε αναµόχλευση του εδάφους σε βάθος 15cm. Ο McDowell (1959) αναφέρει τη σταθεροποίηση πολύ διογκούµενου εδάφους µε συνδυασµένη δράση υδρασβέστου και διαποτισµού. Μετά τη πλήρη διαβροχή του εδάφους επί 28 ηµέρες, η υδράσβεστος αναµίχθηκε σε βάθος 15cm. Ο Holtz (1959) παρουσίασε εργαστηριακά αποτελέσµατα από δοκίµια µοντµοριλλονίτη, στα οποία η ανάµιξη µε υδράσβεστο, είχε σαν αποτέλεσµα τη δραστική µείωση του ορίου υδαρότητας, του δείκτη πλαστικότητας και την αύξηση του ορίου συρρίκνωσης. Οι Eades και Grim (1960), οι Davidson, Mateos και Barnes (1960), οι Hilt και Davidson (1960), οι Ruff και Davidson(1961) µε εργαστηριακή µελέτη διαπίστωσαν µείωση της µεταβολής του όγκου, αύξηση της διατµητικής αντοχής και µείωση της πλαστικότητας, σε εδάφη µοντµοριλλονίτη τα οποία αναµίχθηκαν µε υδράσβεστο. Στις περισσότερες εφαρµογές η επίδραση της στην πλαστικότητα είναι άµεση. Όπως αναφέρουν οι Davidson και Handy (1960), τα ιόντα ασβεστίου προκαλούν µείωση της πλαστικότητας και το αργιλικό έδαφος γίνεται πιο εύθρυπτο.3 / 14Οι Μitchell και Ηοοper (1961) διαπίστωσαν ότι ποσοστό 4 % υδρασβέστου µείωσε σηµαντικά τη διόγκωση σε µια οργανική διογκούµενη άργιλο. Οι Hilt και Davidson (1961) προσπάθησαν να αποµονώσουν και να προσδιορίσουν την χηµική σύσταση και τις ιδιότητες του κρυσταλλικού ζελέ, που τσιµεντοποιεί τα αργιλικά µόρια. Οι Laguros, Handy και Reign (1962), παρατηρώντας τη δράση του ασβεστίου στο µοντµοριλλονίτη, αναφέρουν ότι κάποιες µεταβολές συµβαίνουν στη χηµική σύσταση των αργιλικών ορυκτών Ο Mateous (1964) αναφέρει οτι η τιµή του CBR βελτιώνεται αµέσως µετά την ανάµιξη και αυξάνεται ανάλογα µε το ποσοστό της υδρασβέστου. Ο ίδιος περιγράφει ότι η µεγαλύτερη αύξηση του ορίου πλαστικότητας διαπιστώθηκε σε εδάφη που κυρίως αποτελούνται από µοντµοριλλονίτη, ακολουθούν τα ιλλιτικά-χλωριτικά και τέλος τα καολινιτικά εδάφη. Ο Croft (1964) αναφέρει ότι ο βαθµός µέγιστης συµπύκνωσης µειώνεται ανάλογα από τον Καολινίτη στον µοντµοριλλονίτη. Ο Gray (1980) αναφέρει αύξηση στην τιµή του CBR κατά 20-60% ύστερα από ανάµιξη του εδάφους µε 3% υδράσβεστο. Η αντοχή του αργιλικού εδάφους αυξάνει αξιόλογα µε την υδράσβεστο. Σε όλες τις περιπτώσεις µικρά ποσά υδρασβέστου απαιτούνται. Ο Sherwood (1967) αναφέρει ότι η προσθήκη του 2% υδρασβέστου προκαλεί αύξηση του ορίου πλαστικότητας από 25% σε 40%. Η προσθήκη της υδρασβέστου αυξάνει τη βέλτιστη υγρασία και µειώνει τη µέγιστη πυκνότητα κατά Proctor που επιτυγχάνεται µε τον ίδιο βαθµό συµπύκνωσης, µε παράλληλη αύξηση της αντοχής του εδάφους. Οι Andrews και O'Flaherty (1968) αναφέρουν οτι η µείωση της πυκνότητας είναι αντίστροφης ανάλογη µε την αύξηση των ορυκτών της αργίλου. Oι Ingles και Metcalf(1972) αναφέρουν ότι η αύξηση της αντοχής εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους, τον τύπο της υδρασβέστου, τα ποσοστά, το χρόνο συντήρησης, το ποσοστό υγρασίας, το ξηρό φαινόµενο βάρος. Όµως επίσης παρατηρούν ότι τα εδάφη µε µοντµοριλλονίτη δίδουν µικρότερη τελική αντοχή από ότι τα εδάφη µε Καολινίτη. Βέβαια η αύξηση της αντοχής δεν είναι απεριόριστη. Γενικά η υδράσβεστος αντιδρά µε όλα τα εδάφη που έχουν δείκτη πλαστικότητας από 1050% και άνω. Όλα τα αργιλικά ορυκτά αντιδρούν µε την υδράσβεστο, αλλά περισσότερο από όλα αντιδρούν τα αργιλικά ορυκτά µε πλέγµα τριών στρώσεων. Όταν χρησιµοποιείται υδράσβεστος για τη βελτίωσή, τους δηµιουργείται ένα ασβεστοπυριτικό ζελέ που περιβάλλει και συνδέει τα αργιλικά σωµατίδια και γεµίζει όλους τους πόρους του εδάφους. Η κρυστάλλωση του ζελέ που ακολουθεί αυξάνει την αντοχή του εδάφους. Η αντίδραση αυτή απαιτεί νερό ώστε να µπορέσουν τα ιόντα ασβεστίου και τα υδροξύλια να τσιµεντωθούν µαζί. Αντίθετα η αντίδραση σταµατά όταν λείψει το νερό. Ο Βell (1987, 1988, 1989, 1993) αναφέρει ότι η σταθεροποίηση της αργίλου µε υδράσβεστο χαρακτηρίζεται από µια ταχύτατη αντίδραση, η οποία µετατρέπει ακόµη και τις παχιές αργίλους σε ψαθυρές. Επίσης αυξάνεται η φέρουσα ικανότητα η τιµή του CBR και η αντοχή του εδάφους, η διαπερατότητα, η αντίσταση του εδάφους σε µεταβολές όγκου όπως διόγκωση-συρρίκνωση.4 / 14Μια σειρά από ερµηνείες έχουν προταθεί για τους µηχανισµούς που προκαλούν αλλαγή στα µηχανικά χαρακτηριστικά της αργίλου: • • • •Ανταλλαγή ιόντων Nιφαδοποίηση αργίλου Eνανθράκωση Ποζολανική αντίδρασηΟι πρώτες δύο γίνονται αµέσως και επηρεάζουν την πλαστικότητα και εργασιµότητα του εδάφους, τη διογκωτική ικανότητα και την αντοχή. Η τρίτη αντίδραση προσδίδει την τσιµεντοποίηση στους κόκκους του εδάφους. Η τέταρτη αντίδραση εξαρτάται από το χρόνο ωρίµανσης και αυξάνει την αντοχή του εδάφους σε θλίψη.Απεικόνιση προσρρόφησης ιόντων στο ενδοµοριακό νερό (Del Campo, 1983)Αναλυτικότερα, όταν υδράσβεστος προστεθεί στο έδαφος, πρέπει πρώτα να ικανοποιηθεί η ζήτηση του σε ιόντα ασβεστίου. Έτσι αρχικά τα ιόντα απορροφούνται αµέσως από τις επιφάνειες των κρυστάλλων και δεν υπάρχουν ελεύθερα ιόντα ασβεστίου για να αρχίσει η ποζολανική αντίδραση. Η διεργασία αυτή ονοµάστηκε πενία ασβεστίου. Όπως γίνεται αντιληπτό, το ποσοστό ασβεστίου που απαιτείται είναι ανεξάρτητο του ποσοστού ανθρακικών ενώσεων στο έδαφος και εξαρτάται µόνο από την ικανότητα ανταλλαγής ιόντων. Ποσοστό 2% -3% υδρασβέστου, είναι επαρκές για να βελτιώσει τις ιλυώδεις αργίλους, ενώ ποσοστό 3% - 8% είναι επαρκές για να βελτιώσει τις παχιές αργίλους. Η ανάµιξη παίζει σηµαντικό ρόλο, διότι όταν η υδράσβεστος εκτίθεται στον αέρα επί µακρόν, παθαίνει ενανθράκωση λόγω της επαφής της µε το ατµοσφαιρικό CΟ2. Για τον λόγο αυτό η ανάµιξη πρέπει να γίνεται εντός 24 ωρών.5 / 14Ο Wright (1973) χρησιµοποίησε ενέµατα υδρασβέστου υπό πίεση, για την βελτίωση των διογκούµενων εδαφών. Η µέθοδος αυτή βελτιώνει την φέρουσα ικανότητα του εδάφους, µειώνει την πλαστικότητα, µηδενίζει την διαφορική καθίζηση, την διόγκωση και την διάβρωση πρανών σε επιχώµατα. Το ένεµα, µε την ιδιότητα που έχει να εισχωρεί εύκολα εντός του εδάφους, δηµιουργεί στρώσεις ασβεστίου και µε την ανταλλαγή κατιόντων ασβεστίου, βελτιώνονται τα µηχανικά χαρακτηριστικά του εδάφους. Επί πλέον το ασβέστιο που περισσεύει στην επιφάνεια εφαρµογής, αναµοχλεύεται σε βάθος 15 cm, συµπυκνώνεται και δηµιουργείται µια επιπλέον σταθεροποιηµένη στρώση. Ο Anon (1975) περιγράφει οτι στο USBR χρησιµοποιήθηκε 4% υδράσβεστος, και αυτό ήταν αρκετό για να µειώσει το δείκτη πλαστικότητα από 47 % σε 12 %, Ο ίδιος όµως τονίζει, ότι σε δείγµατα καολινίτη παρατηρήθηκε αντίθετη αντίδραση δηλαδή αυξήθηκε ο δείκτης πλαστικότητας. Επίσης ο ίδιος αναφέρει (BS 1924: 1975) ότι το όριο γραµµικής συρρίκνωσης µετριάζεται και περιγράφει πειραµατικά δεδοµένα που έδειξαν ότι το όριο συρρίκνωσης µειώθηκε από 7% σε 26%, ύστερα από προσθήκη υδρασβέστου στο έδαφος (περίπου 8% κατά βάρος). Ο Bhasin (1978) αναφέρει ότι προσθήκη υδρασβέστου µειώνει το δυναµικό διόγκωσης της αργίλου Ο Holm (1979) αναφέρει ότι η τιµή του συντελεστή Young αυξήθηκε περί τις 15 φορές, µετά από ανάµιξη τριών εβδοµάδων και 35 φορές, µετά από περίοδο 16 µηνών. Ο Gray (1980) σηµειώνει αύξηση στην τιµή CBR του εδάφους κατά 20-60%, ύστερα από συντήρηση 28 ηµερών και ανάµιξη του εδάφους µε 3% υδράσβεστο. Οι Al-Rawi και Awad (1981) αναφέρουν ότι η διαπερατότητα της αργίλου αυξήθηκε µετά από ανάµιξη µε υδράσβεστο. Κατά τον Brandl (1981) το όριο υδαρότητας µειώνεται, και η µείωση αυτή είναι µεγαλύτερη όσο το ποσοστό κολλοειδών του εδάφους αυξάνεται. Ο ίδιος αναφέρει ότι η αντοχή της αργίλου σε παγετό βελτιώθηκε µετά από ανάµιξη µε 2% υδράσβεστο αναφέρει ότι η αύξηση της αντοχής διαρκεί συνεχώς δύο χρόνια και µετά παραµένει στάσιµη (µέτρησε δοκίµια επί 7 έτη). Ο Al Rawi 1981 αναφέρει ότι υπάρχει ένα βέλτιστο ποσοστό υδρασβέστου µεταξύ 4% - 8%. Από εκεί και πάνω παρατηρείται µείωση της αντοχής διότι η υδράσβεστος δεν έχει τριβή και αντοχή οπότε παύει και η αύξηση της αντοχής. ο χρόνος συντήρησης των δοκιµίων είναι σηµαντικός. Η δράση του στην αύξηση της αντοχής σχετίζεται µε το χρόνο τη θερµοκρασία και την υγρασία. Οι Christodoulias et al (1998) περιγράφουν ότι η φέρουσα ικανότητα (CBR) καθώς και η αντοχή σε θλίψη του εδάφους, αυξήθηκαν κατά 50% ύστερα από ανάµιξη µε 3-7% υδράσβεστο και συντήρηση των δοκιµίων έτη 28 ηµέρες.ΙΙΙ. Εργασιµότητα αργίλου και βελτίωση θεµελίωσης µε υδράσβεστο Είναι γενικά αποδεκτό ότι η προσθήκη της υδρασβέστου σε µια διογκούµενη άργιλο µειώνει την πλαστικότητα όσο και την διογκωτική ικανότητα της αργίλου. Επίσης αυξάνει την φέρουσα ικανότητα και την αντοχή του αργιλικού εδάφους.6 / 14Οι χηµικές διεργασίες που λαµβάνουν χώρα µεταξύ του εδάφους και της υδρασβέστου είναι σύνθετες (Jones, 1958). Μια διεργασία είναι η αντικατάσταση των ασθενών ιόντων του Νa, από τα ισχυρά ιόντα του ασβεστίου, επάνω στην επιφάνεια των κρυστάλλων. Επί πλέον, ιόντα ασβεστίου απορροφούνται και αυξάνουν τη συγκέντρωση τους στο διάλυµα, µεταξύ και γύρω από τους κρυστάλλους (Jones, 1958). Το αποτέλεσµα που προκύπτει είναι ένα νέο σωµατίδιο µε χαµηλή ικανότητα ανταλλαγής ιόντων και µηδενικό δυναµικό µεταβολής όγκου. Η δεύτερη διεργασία, που προκαλείται από την αύξηση της συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίου, είναι η κάλυψη όλων των αργιλικών κρυστάλλων µε ασβέστιο και η παραγωγή ψαθυρών σωµατιδίων. Η ιδιότητα αυτή βελτιώνει την εργασιµότητα του αργιλικού εδάφους, (Jones, 1958). Προκειµένου να βελτιωθεί µια διογκούµενη άργιλος σε βάθος ο Tsytovich (1971) αναφέρει ότι χρησιµοποιούνται πάσσαλοι υδρασβέστου. Για την εργασία αυτή προτιµάται το οξείδιο του ασβεστίου (quicklime) και όχι το υδροξύλιο του ασβεστίου (υδράσβεστος), διότι υπάρχει µεγάλη διαφορά στη ξηρή πυκνότητα των υλικών. Το οξείδιο του ασβεστίου έχει πυκνότητα 3 3,3 kg/m ενώ το υδροξύλιο του ασβεστίου έχει 2,2 .Αποτέλεσµα αυτού είναι ότι µε την ενυδάτωση το οξείδιο του ασβεστίου απλώνεται σε ευρύτερη περιοχή. Οι πάσσαλοι υδρασβέστου τοποθετούνται µε τη βοήθεια µεταλλικής σωλήνωσης, στενότερης στο κάτω άκρο, διαµέτρου 25-50 cm, µήκους 5-10 m και διασπορά 1,5 m από το κέντρο. Το υλικό εξέρχεται καθώς η σωλήνωση ανασηκώνεται. Ερχόµενη η ταχεία άσβεστος σε επαφή µε την υγρασία, διαστέλλεται και απλώνεται περισσότερο. Ο Chen (1973,1976) αναφέρει ότι το δυναµικό διόγκωσης του αργιλικού εδάφους θεµελίωσης µπορεί να περιοριστεί ή και να εξουδετερωθεί µε µία από τις παρακάτω µεθόδους: • Ισχυρό κατάβρεγµα του εδάφους, ώστε να διογκωθεί πριν την κατασκευή. • Μείωση της πυκνότητας και αντίστοιχη µείωση του βαθµού συµπύκνωσης. • Αντικατάσταση του διογκούµενου µε µη διογκούµενο έδαφος. • Βελτίωση των µηχανικών χαρακτηριστικών του εδάφους µε χηµικά πρόσθετα. • Αποµόνωση του εδάφους, ώστε να µην υφίσταται µεταβολή υγρασίας. Επίσης ο ίδιος αναφέρει ότι σε περιπτώσεις ελαφρών κατασκευών η σταθεροποίηση γίνεται κάτω από τα πέδιλα. Παροµοίως µπορεί να γίνει µια σταθεροποιηµένη ζώνη πάχους 15cm µε ποσοστό υδρασβέστου 4%-5 % υπό µορφή κοιτόστρωσης, ώστε να µην προκληθούν διαφορικές καθιζήσεις λόγω ανοµοιόµορφης διόγκωσης. Με το τρόπο αυτό µειώνεται η πιθανότητα ρωγµών από την ανάπτυξη ανοµοιόµορφων τάσεων καθώς και η είσοδος νερού κάτω από την κοιτόστρωση. Παροµοίως, µε άλλη διάταξη µπορεί να σχηµατιστεί κατακόρυφη κουρτίνα ώστε να παρεµποδίζεται η µεταφορά νερού από τα πλευρικά. Για να ελεγχθεί η επιτυχής επίδραση της υδρασβέστου στο έδαφος µίας θεµελίωσης, απαιτούνται προκαταβολικά ορισµένες δοκιµές (Israel, 1982). • Κοκκοµετρική ανάλυση του εδάφους, ώστε να προσδιοριστεί ότι περιέχει τουλάχιστον 10% άργιλο κατά βάρος (διαφορετικά δεν ενεργοποιείται η αντίδραση µε την υδράσβεστο). • Προσδιορισµός των Ορίων Atterberg πριν και µετά την ανάµιξη. • Κατασκευή δοκιµίων µε και χωρίς υδράσβεστο, ώστε να συγκριθεί η αντοχή του εδάφους και του µίγµατος, σε ανεµπόδιστη θλίψη.7 / 14Ο Rogers (1988) αναφέρει ότι η υδράσβεστος χρησιµοποιήθηκε για την επισκευή µιας οδικής ολίσθησης. Το τµήµα του επιχώµατος αναµίχθηκε µε υδράσβεστο και επανασυµπυκνώθηκε κατά στρώσεις. Επίσης αναφέρει ότι υδράσβεστος χρησιµοποιήθηκε σε επέκταση του αεροδροµίου Gatwick, (Αγγλία) προκειµένου να επεκταθεί προς µια βουρκώδη περιοχή. Όπως αναφέρει ο ίδιος, η εφαρµογή της υδρασβέστου αύξησε το όριο πλαστικότητας, µείωσε το δείκτη πλαστικότητας, αύξησε την τιµή του CBR καθώς και την θλιπτική αντοχή του εδάφους. Ο Israel (1982) αναφέρει ότι όλα τα µηχανικά χαρακτηριστικά της αργίλου βελτιώνονται µε τη προσθήκη υδρασβέστου. Βεβαίως οι ιδιότητες των µιγµάτων αργίλου-υδρασβέστου διαφέρουν και εξαρτώνται από τον τύπο του εδάφους, το χρόνο συντήρησης, τη µέθοδο ανάµιξης και το ποσοστό του ασβεστίου κατά βάρος. Πριν από κάθε εφαρµογή, απαιτείται διερεύνηση µε ένα µεγάλο εύρος ποσοστών ανάµιξης ώστε για κάθε τύπο αργίλου να εντοπίζεται το βέλτιστο ποσοστό. Κατά τον Israel (1982) µπορεί να γίνει αποδεκτό ότι, µε την ανάµιξη της υδρασβέστου βελτιώνονται τα παρακάτω χαρακτηριστικά των αργιλικών εδαφών: •Η άργιλος γίνεται ψαθυρή και αυξάνεται η εργασιµότητα διότι το νερό και η άσβεστος επιταχύνουν την αποσύνθεση των αργιλικών συσσωµατωµάτων.•Αυξάνεται η βέλτιστη υγρασία της αργίλου, διότι η υδρασβεστος αφαιρεί νερό για να προκαλέσει ανταλλαγή ιόντων.•Το όριο υδαρότητας µειώνεται, το όριο πλαστικότητας αυξάνεται και αντίστοιχα µειώνεται ο δείκτης πλαστικότητας δύο και τρεις φορές κάτω από την αρχική τιµή.•Το ποσοστό γραµµικής συρρίκνωσης µειώνεται, το όριο συρρίκνωσης αυξάνεται και αντίστοιχα η δυνατότητα µεταβολής όγκου µειώνεται.•Η αντοχή του εδάφους σε ανεµπόδιστη θλίψη αυξάνεται σε αξιοσηµείωτο βαθµό.•Το C.B.R του εδάφους αυξάνεται.•Η φέρουσα ικανότητα του εδάφους αυξάνεται.•Αυξάνεται η αντοχή του εδάφους σε διάβρωση, λόγω της συνδετικής δράσης του ασβεστίου.•Μετά από µερικές ηµέρες προστασίας, το µίγµα του εδάφους παραµένει σταθερό ακόµη και υπό πλήρη εµβάπτιση σε νερό.•Οι βάσεις και οι υποβάσεις των οδοστρωµάτων µε τη σταθεροποίηση δηµιουργούν ένα υδατοστεγή τάπητα, οπότε µειώνεται η είσοδος και έξοδος του νερού.O Sherwood, (1995), αναφέρει ότι η ανάµιξη υδρασβέστου µε ένα αργιλικό έδαφος βελτιώνει την εργασιµότητα διότι προκαλεί κροκίδωση των µορίων, αφαιρεί αµέσως υγρασία οπότε το έδαφος στεγνώνει, άρα συµπυκνώνεται εύκολα, αυξάνει την αντοχή και τη φέρουσα ικανότητα, οπότε παρέχει καλή υπόβαση για έργα οδοποιίας. Οι Ρ. Lindl και Α. Hermansson (2001) περιγράφουν ότι στην Σουηδία χρησιµοποιήθηκε υδράσβεστος για τη σταθεροποίηση της υπόβασης οδικών επιχωµάτων και ότι επειδή µειώθηκε η διαπερατότητα του εδάφους, βελτιώθηκε η αντοχή του εδάφους στην παγοπληξία.8 / 14Oι Jelisic, A., και Leppanen, M., (2001) αναφέρουν από τη Σουηδία ότι η σταθεροποίηση µε υδράσβεστο χρησιµοποιήθηκε πρόσφατα υπό µορφή ανάµιξης σε βάθος (deep mixing), προκειµένου να βελτιωθούν επιτόπου τµήµατα αυτοκινητοδρόµου που παρουσίασε µη αναµενόµενες καθιζήσεις. Ο Maraquardt, A., (2001) δηµοσίευσε άρθρο για τη σταθεροποίηση µε υδράσβεστο κατά την κατασκευή σιδηροδροµικών επιχωµάτων στη Γερµανία, προκείµενου να χρησιµοποιηθούν πτωχά αργιλικά εδάφη.IV. Σταθεροποίηση εδάφους µε ποζολάνες (Ιπτάµενη τέφρα) Ο όρος Pozzolan προέρχεται από την Ιταλία, το χωριό Pozzuoli. Οι αρχαίοι Ρωµαίοι χρησιµοποιούσαν ηφαιστειακή τέφρα που λάµβαναν από παρακείµενη έκταση, σε ανάµιξη µε ψηµένο ασβεστόλιθο για διάφορες κατασκευές όπως, η Απία Οδός, το Κολοσσιαίο, το Πάνθεον κλπ. (Israel, 1982). Μετά το 1940 άρχισαν σε ευρύτερη εφαρµογές της βελτίωσης του εδάφους µε ιπτάµενη τέφρα. Σήµερα παρά το γεγονός ότι στην Ευρώπη παράγονται από τους θερµοηλεκτρικούς σταθµούς µεγάλες ποσότητες ιπτάµενης τέφρας, η χρησιµοποίηση της στην οδοποιία είναι ασήµαντη. Η µόνη ευρεία εφαρµογή της γίνεται από την τσιµεντοβιοµηχανία, η οποία την χρησιµοποιεί για την παραγωγή τσιµέντου τύπου Πόρτλαντ.9 / 14Η ιπτάµενη τέφρα αποτελείται από σφαιρικά σωµατίδια πυριτίου και αργιλίου αναµεµιγµένου µε σίδηρο, οξείδια ασβεστίου και µαγνησίου και µικρά ποσοστά θείου και άνθρακα. Το ποσοστό οξειδίων ασβεστίου και µαγνησίου ποικίλει από 25% έως 35% και αυτό ακριβώς το τσιµεντοποιητικό στοιχείο, προσδίδει στο υλικό µία άριστη ιδιότητα για να χρησιµοποιηθεί ως σταθεροποιητής εδάφους (Ιsrael, 1982). Τα αποτελέσµατα που δίνει στη αύξηση της τιµής της ανεµπόδιστης θλίψης των αργιλικών και ιλυωδών εδαφών επεκτείνονται και στα κοκκώδη εδάφη, ιδιαίτερα αν χρησιµοποιηθεί σε µίγµα µε ποσοστά υδρασβέστου. Ο Ιsrael (1982) περιγράφει ότι το αποτέλεσµα είναι παρόµοιο µε τη χρήση τσιµέντου. Τα Αµερικανικά Πρότυπα ASTM C-595 και C-618 (1977) περιγράφουν την ποζολάνη ως αργιλοπυριτικό υλικό το οποίο, ενώ περιέχει τσιµεντοποιητικά στοιχεία, δεν αντιδρά µε το έδαφος. Εάν όµως αλεστεί και αναµιχθεί, µε την βοήθεια της υγρασίας αντιδρούν τα οξείδια που περιέχει και τσιµεντοποιείται το έδαφος στο οποίο αναµιγνύεται.V. Σταθεροποίηση εδάφους µε τσιµέντο Το τσιµέντο τύπου Portland ανακαλύφθηκε το 1824 από τον Αγγλο Joseph Aspdin. Ονοµάστηκε έτσι διότι το χρώµα του ήταν όµοιο µε αυτό του ασβεστόλιθου της νήσου Portland, κοντά στην Αγγλία. Η πρώτη εφαρµογή τσιµέντου τύπου Ρortland για σταθεροποίηση εδάφους αναφέρεται το 1904 στην περιοχή St. Louis (ΗΠΑ). Κατά τη διάρκεια του χειµώνα συνηθίζεται να αναµιγνύεται τσιµέντο µε το χώµα των δρόµων, ώστε να γίνεται εύκολη η κυκλοφορία των πεζών, των αλόγων και των αµαξών, από τις λάσπες. Ο Catton (1937) αναφέρει ικανοποιητική βελτίωση εδάφους που αναµίχθηκε µε 4% τσιµέντο. O Reid (1939) περιγράφει εφαρµογή τσιµέντου σε υπόβαση οδοστρώµατος στο Κansas (ΗΠΑ). Η άργιλος της υπόβασης αναµίχθηκε µε 6% τσιµέντο και διαπιστώθηκε µείωση της µεταβολής όγκου. Οι Spangler και Patel (1949) περιγράφουν την εργαστηριακή εφαρµογή του τσιµέντου σε διογκούµενη άργιλο της Iowa (ΗΠΑ). Παρατηρούν ότι η προσθήκη 2-4% τσιµέντου µείωσε αξιόλογα τη δυνατότητα µεταβολής όγκου. Ο Jones (1958) αναφέρει ότι στην Καλιφόρνια (ΗΠΑ) ποσοστά τσιµέντου 2%-6% µείωσαν δραστικά τη διογκωτική ικανότητα των αργίλων και ότι η δράση του τσιµέντου είναι παρόµοια µε αυτή της υδρασβέστου. Κατά το Β' Παγκόσµιο Πόλεµο οι µηχανικοί του στρατού των Η.Π.Α., χρησιµοποίησαν τσιµέντο για την σταθεροποίηση του εδάφους στη κατασκευή προχείρων στρατιωτικών αεροδροµίων, οδών και αποθηκών. Ο Jones (1958) πρόσθεσε 2-6% τσιµέντο σε δοκίµια διογκούµενης αργίλου στην Καλιφόρνια µε αποτέλεσµα να µειωθεί η µεταβολή όγκου ανάλογα µε την αύξηση των ποσοστών τσιµέντου. Η δράση της υδρασβέστου και του τσιµέντου είναι παρόµοια στη µείωση της µεταβολής όγκου, αλλά το τσιµέντο περιόρισε τη συρρίκνωση των δειγµάτων στα 25-50% περισσότερο από ότι η υδράσβεστος. Ο Johnson (1960) αναφέρει την χρήση του τσιµέντου για την σταθεροποίηση διογκούµενου εδάφους. Βέβαια και η επίδραση του τσιµέντου εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους, το ποσοστό τσιµέντου και την φυσική υγρασία. Επίσης ο Jones (1958) λέει ότι επειδή το τσιµέντο περιέχει και ασβέστιο στη σύσταση του, βελτιώνει το έδαφος παροµοίως µε την υδράσβεστο.10 / 14Σταθεροποίηση εδάφους µε τσιµέντοΤα προϊόντα της ενυδάτωσης του τσιµέντου τύπου Ρortland είναι ένυδρες ασβεστο-πυριτικές ενώσεις, ένυδρες ασβεστο-αλλουµινικές ενώσεις και ένυδρο ασβέστιο. ∆ηλαδή µε την ενυδάτωση του τσιµέντου, παράγεται ένα σηµαντικό ποσοστό ασβεστίου. Σε αυτό πιστεύεται, Croft (1967), ότι οφείλεται η βασική ιδιότητα της αντίδρασης του τσιµέντου µε την άργιλο και η τελική δράση του µειώνει το όριο υδαρότητας, τον δείκτη πλαστικότητας και την δυνατότητα µεταβολής όγκου, ενώ αντίστοιχα αυξάνεται το όριο γραµµικής συρρίκνωσης προς την µη ενεργή κατεύθυνση και η αντοχή σε ανεµπόδιστη θλίψη µεγαλώνει. Μετά το 1960 άρχισε ευρύτατα η εφαρµογή της βελτίωσης του εδάφους µε τσιµέντο σε παγκόσµια κλίµακα. Η εφαρµογή συνίσταται κυρίως στη βελτίωση της βάσης και υπόβασης της οδοστρωσίας, σε περιοχές που παρατηρείται έλλειψη αδρανών, θραυστών ή ποταµίσιων υλικών. (Israel, 1982).VI. Σταθεροποίηση εδάφους µε αλάτι Η γνώση για την χρήση του άλατος (NaCl) στην βελτίωση του εδάφους δεν είναι πρόσφατη. Ανασκόπηση σε παλαιά βιβλία φανερώνει ότι µερικούς αιώνες πριν, όταν κατά λάθος χυνόταν αλάτι στους δρόµους των Ρωµαίων είχε παρατηρηθεί ότι η επιφάνεια του δρόµου γινόταν σκληρότερη και οι τροχοί των κάρων δεν σήκωναν σκόνη. Σε έκδοση του Salt Institute του 1967, αναφέρεται ότι η εταιρία της Nova Scotia του Καναδά, χρησιµοποίησε αλατωρυχείο που ανακάλυψε κατά την διάνοιξη δρόµου, για την κατασκευή οδοστρωµάτων σταθεροποιηµένων µε αλάτι.11 / 14Ο Israel (1982) αναφέρει ότι τα παλαιότερα χρόνια στην Αµερική, οι κάτοικοι συνήθιζαν να ανακατεύουν το αργιλικό δάπεδο των στάβλων µε αλάτι, διότι είχε παρατηρηθεί ότι µε τα συνεχή πατήµατα των αλόγων, το δάπεδο γινόταν σκληρό και δεν σήκωνε σκόνη. Το 1920 µια αµερικανική εταιρία που κατασκεύαζε στην Ελλάδα έργο οδοποιίας, αντιµετώπισε πρόβληµα µε τους εργαζόµενους, οι οποίοι διαµαρτύροντο διότι υπέφεραν από τη σκόνη. Η χρησιµοποίηση θαλάσσιου νερού για τη διαβροχή του εδάφους, όχι µόνο έλυσε το πρόβληµα της σκόνης αλλά επιπλέον αύξησε τη φέρουσα ικανότητα του εδάφους, ώστε στο τέλος µειώθηκε και το πάχος της βάσης του οδοστρώµατος κατά µία στρώση. Όπως αναλυτικά περιγράφει ο Ιsrael (1982), υπάρχει ένας αριθµός, ιδιοτήτων, τις οποίες αποκτά το έδαφος όταν αναµιχθεί µε αλάτι.1. Το αλάτι συγκρατεί πρόσθετη υγρασία στο συµπυκνωµένο έδαφος και έτσι επιτυγχάνεται µείωση του διαχωρισµού των κόκκων του εδάφους, ενώ παράλληλα επιτυγχάνεται αύξηση της συνοχής των αργιλικών κόκκων.2. Το αλάτι επιδρά ως λιπαντικό ανάµεσα στους κόκκους του εδάφους και µειώνει την θραύση τους λόγω τριβής.3. Η παρουσία ιόντων Na και Cl στο αργιλικό έδαφος δηµιουργεί µια θροµβώδη δοµή στο κλάσµα της αργίλου και αυξάνει την γωνία εσωτερικής τριβής.4. Το αλάτι αυξάνει την επιφανειακή τάση µεταξύ των κόκκων του εδάφους και του νερού. 5. Η κρυστάλλωση του αλατιού κατά τη περίοδο του θέρους, τσιµεντοποιεί καλύτερα τους κόκκους του εδάφους.VII. Σταθεροποίηση εδάφους µε ασφαλτικό διάλυµα Αρχαιολογικές ανασκαφές στη Μέση Ανατολή έδειξαν ότι οι κάτοικοι της Μεσοποταµίας χρησιµοποιούσαν άσφαλτο σε ανάµιξη µε το αµµώδες έδαφος, για τη κατασκευή οδών από το 3200 π.Χ., (Αsphalt Institute, 1965). Η πρώτη σύγχρονη εφαρµογή της ασφάλτου ως υλικό επιφανειακής κάλυψης έγινε το 1802 στη Γαλλία Το 1838 σκληρή άσφαλτος εισήχθη στις Η.Π.Α. και χρησιµοποιήθηκε στη Φιλαδέλφεια. Η χρήση της απλώθηκε κατά το 1902, µε µαζική παραγωγή ασφάλτου από τα διυλιστήρια αργού πετρελαίου (Asphalt Institute, 1965).Κατά την ανάµιξη ασφάλτου και εδάφους, δεν επέρχεται χηµική αντίδραση, παρά µόνον βελτίωση των µηχανικών χαρακτηριστικών του εδάφους που οφείλονται:12 / 14•Στην αύξηση της συνοχής µεταξύ των κόκκων του εδάφους που οδηγεί σε αντίστοιχη αύξηση της φέρουσας ικανότητας.•Στην µείωση της υδροπερατότητας του εδαφικού υλικού (Israel, 1982).VIII. Σταθεροποίηση εδάφους µε άλλες χηµικές ενώσεις Οι Davidson και Glad (1949) αναφέρουν ότι η ανάµιξη οργανικών χηµικών ενώσεων ή διαλυµάτων σε εδάφη της Iowa (ΗΠΑ) µειώνει την πλαστικότητα, την διόγκωση και την συρρίκνωση του αργιλικού εδάφους. Ο Holtz (1959) περιγράφει προσπάθειες που έγιναν να σταθεροποιηθεί ένα αργιλικό έδαφος µε ηλεκτροχηµική µέθοδο χωρίς να αναφέρει επιτυχία στο αποτέλεσµα. Οι Lyon και McEwan (1962) µελέτησαν την επίδραση του φωσφορικού οξέος σε ποσοστά 25% στα µηχανικά χαρακτηριστικά της αργίλου, και διαπίστωσαν µείωση του βαθµού διόγκωσης. Οι Katti και Barve (1962) ανάµιξαν είκοσι διαφορετικές ανόργανες ενώσεις σε διάφορες αναλογίες σε διογκούµενα εδάφη στην Ινδία µε σκοπό να µελετήσουν την επίδρασή τους στα όρια Atterberg, και διαπίστωσαν µια τάση βελτίωσης της διογκωτικής ικανότητας. ∆ιάφορες ανόργανες ενώσεις όπως, πυριτικές ενώσεις του νατρίου, υδροξύλια ασβεστίου, χλωριούχο ασβέστιο και φωσφορικό οξύ έχουν χρησιµοποιηθεί σε εργαστήρια για την σταθεροποίηση αργιλικών εδαφών. Αρκετά από αυτά έδειξαν ενθαρρυντικά αποτελέσµατα στο εργαστήριο, αλλά εφαρµογή σε έργο δεν έχει επιτευχθεί διότι η τιµή τους τα κάνει απαγορευτικά (Growko, 1974). Οργανικές ενώσεις και ιδιαίτερα τα πολυµερή, έχουν χρησιµοποιηθεί ερευνητικά στο εργαστήριο για τη βελτίωση των διογκούµενων αργίλων (ουσίες µε κώδικες ονοµασίες όπως, Arguard 2HT, 4-Terf-Butyl, Fluid 705 κ.λ.π.) Όπως περιγράφουν οι Davidson και Glad (1949) οι Raedschelders et al, (1987), ο Ζλατάνος (1988) και ο Ι. Χριστοδουλιάς (1992), τα πολυµερή έχουν χρησιµοποιηθεί πειραµατικά και διαπιστώθηκε ότι µείωσαν την πλαστικότητα, την συρρίκνωση και την διόγκωση των αργιλικών δοκιµίων, αλλά επί του παρόντος η λιανική τιµή εµπορίου τα κάνει απαγορευτικά για ευρεία χρήση στην οδοποιία.13 / 14Βιβλιογραφικές αναφορές nd1.AL - RAWI, N.M., (1981). The effect of curing temperature on lime stabilisation. Proc. 2 Australian Con. on Engineering Materials, Sudney.2.BELL, F.G. and TYRER, M.J., (1987). Stabilisation and clay mineralogy Proc. Con. Foundations and Tunnels 87. Engineering Technics Press, Vol.2, Edinburgh.3.BELL, F.G., (1988). Stabilisation and treatment of clay soils with lime. Part 1. Ground Engineering, Vol.21, No 1, Jan.88.4.BELL, F.G., (1988). Stabilisation and treatment of clay soils with lime. Part 2. Ground Engineering, Vol.2, March.5.BELL, F.G., (1989). Lime stabilisation of clay soils. Bulletin of Intern. Society of Engineering Geology, No 39, Paris.6.BELL, F.G., (1993). Engineering treatment of soils. Chapman and Hall. London, UK7.BOLT, G.H., (1956). Physico - Chemical Analyses of the compressibility of pure clays.Geotechnique,Vol.6, No 2.8.B.S, 1924, (1975). Methods of test for stabilised soils. British Standards Institution, London, UK9.BRANDL, H., (1981). Alteration of soil parameters by stabilisation with lime. Proc. 10th Intern. Con. SMFE, Stockholm, Vol.3.10. DAWSON, R.F., (1959). Modern practice used in the design of Foundations for structures on expansive soils. Quarterly Colorado School of Mines, Vol. 54, No. 4. Denver, USA. 11. DE SOUSA PINTO, C., DAVIDSON, D.T., LAGUROS, J.G., (1962). Effect of Lime on Cement stabilisation of Montmorillonitic soils. Bulletin, Highway Research Board, No 353, USA. 12. GALLAWAY, B.M., BUCHANAS, S.J., (1951). Lime stabilisation of clay soil. Texas Engineering Station, Bulletin, No 124, USA. 13. GOLDBERG, I., KLEIN, A., (1952). Some effects of testing expansive clays with Calcium Hydroxide. Special Technical Publication, ASTM, No 142, USA. 14. HERRIN, M., MITCHELL, H., (1961). Lime-soil mixtures. Bulletin Highway Research Board, No 304, USA. 15. ISRAEL, R.W., (1982). Soil stabilisation and Cold Mix Recycling. Published by BOMAC Co., USA. 16. LADD, C.C., (1960). Mechanisms of swelling by compacted clay. Bulletin Highway Research Board, No 245, Pub. 731, Washington, USA. 17. TAYLOR, A.W., (1959). Ion Exchange Phenomena. ASCE Journal of Soil Mechanics, Vol. 85, No. SM-2. 18. STAMATOPOULOS, A.C., CHRISTODOULIAS, J.C., GIANNAROS, H.C., (1992). Treatment of expansive soils for reducing swell potential and increasing strength. Quarterly Journal of Engineering Geology, V.25, pp 301-312.14 / 14