Επίδραση της κολλοειδούς πυριτίας στη συμπεριφορά κορεσμένων λεπτόκοκκων άμμων - Μπίκος, Ζήσης (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής. Εργαστήριο Εδαφομηχανικής, 2017)
Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την παθητική σταθεροποίηση των αμμωδών εδαφικών υλικών με κολλοειδή πυριτία. Η σταθεροποίηση των ρευστοποιήσιμων εδαφών με υγρόλυμα κολλοειδούς πυριτίας αποτελεί μια εναλλακτική μέθοδο περιορισμού του κινδύνου ρευστοποίησης, σε περιοχές με ευαίσθητες σε ρευστοποίηση υποδομές. Πρόκειται για ένα πολλά υποσχόμενο σταθεροποιητή, μιας και μπορεί να εισπιέζεται κάτω από υφιστάμενες κατασκευές και να διοχετεύεται στη ρευστοποιήσιμη εδαφική μάζα μέσω φυσικής ή τεχνητής ροής του υπογείου νερού. Επιπρόσθετα, το υγρόλυμα της κολλοειδούς πυριτίας έχει μικρό ιξώδες και ένα μεγάλο εύρος ελεγχόμενου χρόνου πήξης. Στην έρευνα αυτή, για να μελετηθεί η επίδραση του σταθεροποιητή στα μη συνεκτικά εδάφη εκτελέστηκαν δοκιμές συμπιεσόμετρου και απ’ ευθείας διάτμησης σε φυσικές και σε σταθεροποιημένες άμμους Μ31, Longstone και Fontainebleau. Οι βασικοί στόχοι της εργασίας είναι η μελέτη της επιρροής της σταθεροποίησης με κολλοειδή πυριτία στη μηχανική συμπεριφορά κορεσμένων λεπτόκοκκων αμμωδών υλικών, αλλά και πως το σχήμα και το μέγεθος των κόκκων τους επηρεάζει την απόκριση τους. Η κολλοειδής πυριτία που χρησιμοποιήθηκε, με την εμπορική ονομασία Ludox® SM, είναι μία υδάτινη διασπορά (υγρόλυμα) διακριτών, συμπαγών (μη πορωδών), σφαιρικών σωματιδίων άμορφης πυριτίας, με διαστάσεις στο κάτω όριο της κολλοειδούς κλίμακας. Τα σωματίδια, υπό κατάλληλες προϋποθέσεις, μπορούν να αναπτύξουν πολύ ισχυρούς δεσμούς συνάφειας και συνοχής. Η διάμετρος των κολλοειδών σφαιρών είναι 7 nm και η ειδική επιφάνεια τους είναι ίση με 345 m2 / g. Το υγρόλυμα Ludox® SM έχει περιεκτικότητα σε διοξείδιο του πυριτίου SiO2 ίση με 30% κατά βάρος και είναι σταθεροποιημένο σε αλκαλικό pH=10. Ο παράγοντας σταθεροποίησης του υγρολύματος είναι το οξείδιο του νατρίου Na2O. Ο όρος «σταθεροποιημένο έδαφος» σημαίνει ότι το έδαφος έχει σχηματισμένη γέλη πυριτίας μέσα στους πόρους του. Η χημική αντίδραση σχηματισμού των δεσμών ονομάζεται συμπύκνωση, σύμφωνα με την οποία δύο ομάδες σιλανόλης Si-OH στην επιφάνεια δύο σωματιδίων συνδέονται και σχηματίζουν έναν δεσμό σιλοξάνης Si–O–Si και ένα μόριο νερού H2O. Η αντίδραση της συμπύκνωσης, όπως αποκαλύπτει ο ίδιος ο όρος, οδηγεί σε συστολή της στερεάς πυριτικής φάσης και σε αποβολή και εκτοπισμό νερού. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό συμπύκνωσης είναι πολύ σημαντικοί, καθώς το υγρόλυμα πυριτίας αναμένεται να εγχυθεί στην εδαφική μάζα, στο χρονικό διάστημα που το ιξώδες του έχει χαμηλή τιμή (χαμηλότερη από 3.5–4.0 cP). Μετά από τη σύντομη περίοδο έγχυσης το υγρόλυμα αναμένεται να μετατραπεί απότομα σε γέλη, προτού απομακρυνθεί από τη στοχευόμενη περιοχή. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, η συγκέντρωση πυριτίας και αλάτων, τόσο πιο ταχύς είναι ο ρυθμός σχηματισμού δεσμών σιλοξάνης. Ο ρόλος του pH είναι περισσότερο σύνθετος και η επίδραση του δεν είναι μονότονη και αναμένεται ο χρόνος πήξης της γέλης να είναι ελάχιστος σε ενδιάμεσες τιμές pH (5<pH<7). Το παχύρευστο υγρόλυμα μετατρέπεται σταδιακά σε μία ελαστική γέλη. Η κορεσμένη γέλη είναι ένα διφασικό υλικό που αποτελείται από τον στερεό πυριτικό σκελετό και την παγιδευμένη υδάτινη φάση. Το σταθεροποιημένο κοκκώδες έδαφος αναπτύσσει ένα είδος συνεκτικότητας μετά τον σχηματισμό της γέλης μέσα στους πόρους. Η κολλοειδής πυριτία διοχετεύεται ομοιόμορφα στο εδαφικό υλικό και καλύπτει όλη την επιφάνεια των κόκκων προσδίδοντας τις ευεργετικές της ιδιότητες σε όλη την έκταση του υλικού. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, μία σειρά από δοκιμές συμπιεσόμετρου εκτελέστηκαν σε φυσικές και σε σταθεροποιημένες άμμους Μ31, Longstone και Fontainebleau. Τα σταθεροποιημένα δοκίμια παρασκευάστηκαν με εμβάπτιση ξηρού εδαφικού υλικού μέσα στο πληρωμένο με υγρόλυμα κολλοειδούς πυριτίας δαχτυλίδι στερεοποίησης και φορτίστηκαν με υψηλές τάσεις (έως 14 MPa περίπου). Η σταθεροποιημένη άμμος Μ31 εμφάνισε μεγαλύτερη ενδοσιμότητα από τη φυσική. Αντίστοιχα αποτελέσματα έδωσαν και οι δοκιμές στην άμμο Fontainebleau. Αντίθετα, στη γωνιώδη άμμο Longstone, η σταθεροποίηση δεν επηρέασε την καθίζηση του υλικού, οδηγώντας στο συμπέρασμα πως το σχήμα του κόκκου της άμμου επηρεάζει την ενδοσιμότητα του σταθεροποιημένου υλικού. Πραγματοποιήθηκε, επίσης, μία σειρά δοκιμών απ’ ευθείας διάτμησης σε φυσικές και σταθεροποιημένες άμμους Μ31 και Longstone. Η μέθοδος παρασκευής των σταθεροποιημένων δοκιμίων ήταν παρόμοια με αυτήν, που χρησιμοποιήθηκε στα δοκίμια των δοκιμών συμπιεσόμετρου. Η διάτμηση εκτελέστηκε με επιβολή σταθερής ταχύτητας 0,005 mm/min για τα σταθεροποιημένα και 0,5 mm/min για τα φυσικά δοκίμια. Τα αποτελέσματα σχεδιάζονται ως καμπύλες λόγου τάσεων τ/σ’v – οριζόντιας μετατόπισης και κατακόρυφης - οριζόντιας μετατόπισης. Η βασική διαφορά στη συμπεριφορά του σταθεροποιημένου και του φυσικού εδαφικού δοκιμίου είναι ότι το πρώτο εμφανίζει αυξημένη αντοχή σε διάτμηση καθώς και μεγαλύτερη διαστολικότητα και συνολική διαστολή. Η συμπεριφορά της σταθεροποιημένης άμμου εξαρτάται από το μέγεθος της φόρτισης, η αύξηση της οποίας συνεπάγεται μείωση της διατμητικής αντοχής και της διαστολής του υλικού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, η περιβάλλουσα αστοχίας να είναι μια καμπύλη γραμμή. Τέλος, παρατηρήθηκε πως η απόκριση της σταθεροποιημένης άμμου δεν εξαρτάται από το σχήμα των κόκκων της άμμου, παρά μόνο κατά την κρίσιμη κατάσταση.