CARMEUSE: Straturi rutiere stabilizate cu liantul mineral – varul

Materialele locale din „zestrea“ straturilor rutiere se pot imbunatati, din punct de vedere al caracteristicilor fizico-mecanice, obtinandu-se o comportare optima la solicitarile traficului si ale factorilor atmosferici.

Tehnologia utilizata pe scara larga in tehnica rutiera este aceea de stabilizare cu lianti minerali, cum ar fi varul. Stabilizarea cu var se poate aplica, in mod practic, la orice pamant, mai putin la cel nisipos, la care efica­citatea scade.

Solurile argiloase sunt clasificate ca materiale mediocre sau rele pentru folosirea la fundare, umpluturi sau straturi de forma, din cauza ten­dintei de umflare in prezenta apei si de contractare prin uscare. Cu toate acestea, atunci cand varul este amestecat cu solul argilos, primul efect este de reducere a umiditatii, dupa care se modifica structura solului prin reactia de floculare. In aceasta faza, indi­cele de plasticitate este redus drastic iar solul devine friabil si granular, putand fi usor lucrabil si compac­tat. Datorita legaturilor formate de reactia puzolanica intre var si argila intarirea graduala a ames­tecului va creste semnificativ capa­citatea portanta. Solurile argiloase compactate devin straturi permanent flexibile pentru fundatii, umpluturi de terasamente si straturi de forma.

Tratarea solului cu var este o metoda care a dovedit, in timp, efici­enta fundatiilor din materiale coezive argiloase pe toate tipurile de lucrari: drumuri, autostrazi, cai ferate, piste aeroportuare etc.

Adaugarea de var la solurile cu granulatie fina creeaza diferite efecte, astfel:

1. – descresterea rapida a umidi­tatii solului, datorita reactiei chimice dintre apa si varul nestins (oxid de calciu), prin formarea hidroxidului de calciu.

2. – modificarea solului, care include reducerea plasticitatii acestuia prin a ajunge la continutul optim de umiditate, incluzand si imbunatatirea rezistentei si stabilitatii dupa compac­tare. Aceste efecte au loc, in general, intre 1 si 48 de ore.

3. – stabilizarea solului care are loc datorita coagularii argilei determinate de reactia fizico-chimica dintre componentele argilei si calciului – indusa de cresterea pH-ului, schimbarea marimii particulelor solului si efectuarea unei distributii eterogene dupa marime. Cantitatea de var adaugata este determinata in laborator, dupa analiza solului si este in functie de performantele cerute. Tratarea solului cu var produce o rezistenta de lunga durata, precum si o micsorare a umflarii si a plasti­citatii solului.

Materia organica din solurile care ar putea fi stabilizate are o limita de 2%-4%, un procent mai mare ar duce la utilizarea unor cantitati mai mari de var cu costuri implicite.

Subliniem contaminarea solului cu saruri sulfurice (0,25% – 1%) care are ca urmare necesitatea unui studiu de laborator. Concentratiile mai mari ar produce reactii de „atac“ ale sulfa­tului, prin pierderea stabilitatii si producerea de alunecari de teren.

Datorita umezelii ei naturale, argila formeaza o solutie coloidala, adica o substanta intr-o stare dispersata, cu granulatie fina, conform tabelului 1.

Prin adaugarea de var nestins (oxid de calciu) in sol, la un continut natural de umiditate, solul se va usca, datorita reactiei dintre oxidul de calciu si apa, rezultand oxid de calciu (var hidratat).

Aceasta este o reactie exotermica:

CaO + H₂O ® Ca(OH)₂ + 15,5 kCal

Hidroxidul de calciu, in prezenta apei, se va imparti in ioni de Ca2+ si OH-, care cresc pH-ul solutiei. In aceste conditii, ionii de Ca2+ vor fixa particulele de argila in jurul lor, creand macroparticule care sunt foarte stabile. Acest proces se numeste coagularea argilei.

In aceasta etapa, indicele de plasticitate este redus masiv iar solul devine friabil si granular, facilitand compactarea lui. Datorita pH-ului crescut al amestecului de sol, alumi­niul si siliciul, prezente in particu­lele de argila, sunt dizolvate. Dupa compactare, incep reactiile pozzolanice intre ionii de calciu, ionii de hidroxid, silicatii solubili si aluminiu iar prin intarire graduala, se creeaza hidratul de silicat de calciu (CSH) si hidratul de aluminat de calciu (CAH). Aceste reactii sunt similare cu procesul de hidratare al cimentului de Portland:

Ca2+ + OH- + SiO₂ ® CSH

Ca2+ + OH- + Al₂O₃ ® CAH

Tipurile de var de constructie pentru tratarea solului sunt clasificate conform EN 459-1 cu marcaj CE pentru produsele din cadrul Uniunii Europene. Doar tipurile de var de categoriile CL 90 si CL 80 sunt potrivite pentru tratarea solului.

Cerintele chimice pentru varul folosit la tratarea solului (in conformitate cu EN 459-1) sunt prezentate in tabelul 2. Acestea sunt cerintele minime, deoarece proiectantul ar putea solicita valori mai mari, pentru a optimiza consumul de var.

In cazul varului nestins, trebuie indeplinite unele cerinte aditionale in privinta distribuirii particulelor dupa marime si a reactivitatii, in conformitate cu EN 14227-11.

Cerintele fizice privitoare la distri­buirea particulelor dupa marime, pentru varul nestins, sunt prezentate in tabelul 3.

In privinta reactivitatii, varul nestins va ajunge la o temperatura de 60 0C in maxim 25 minute.

Pentru calculul consumului de var, incercarea consta in masurarea pH-ului unui amestec de sol si var, incepand prin adaugarea de var in masa de 2%. Adaugarea de var creste in trepte de 0,5%, pana se obtine o valoare superioara la 25 0C.

In laborator se determina umiditatea optima si densitatea maxima a amestecurilor de sol cu var – la cinci trepte cu umiditate diferita si pentru diferite procente de var, incepand cu 0,5%.

Densitatea maxima pentru solul natural si la cel amestecat cu var se prezinta in figura 1.

Se determina rezistenta la compresiune dupa o perioada de 7 zile si 14 zile.

Tabelele 4 si 5 dau informatii des­pre cerintele tehnice impuse de standardele europene.

Determinarea portantei in situ si in laborator, cu aparatul CBR este un test de penetrare pentru evaluarea pute­rii mecanice a fundatiilor si a stratului de terasament si a fost dezvoltata de Departamentul californian de transport. Cu cat este mai dura suprafata, cu atat este mai mare va­loarea CBR. O valoare CBR de 5 este pentru argila umeda, in timp ce nisi­pul umed ar putea avea o valoare CBR de 10. Materialul stancos macinat, de calitate foarte buna, are un CBR de peste 80. Materialul standard pentru acest test este calcarul, care are o valoare de 100. Nu este exclusa obtinerea de valori CBR mai mari de 100, pe mostre de soluri argiloase fine, tratate cu var.

Este recunoscuta ca o practica buna masurarea CBR dupa 11 zile; 7 zile se mentine proba in aer, apoi 4 zile se mentine proba in apa. In timpul primelor 7 zile, probele vor fi impiedicate sa se usuce si tem­peratura va fi mentinuta la 20±2 0C. Apoi, probele vor fi tinute in apa timp de 4 zile la o temperatura de 20±2 0C.

Rezultatele incercarii CBR, in conformitate cu EN 14227-1, sunt redate in tabelul 6.

Marirea in volum, determinata pe probe, la incercarea CBR, cufundate in apa in conformitate cu EN 13286-47 – folosind apa, care este in mod continuu aerata – este recomandata a fi sub 1%. Aceasta informatie ne da o idee privind cantitatea de var din amestecul proiectat suficienta pentru a stabiliza particulele de argila. In unele situatii, poate fi permisa o cantitate de max. 2% si chiar mai mult. Totusi, ar trebui facut un studiu complementar in conformitate cu experienta practica de la locul de aplicare.

Etapele care implica tratarea solu­lui pentru drumuri in situ sunt:

• pregatirea solului;

• imprastierea varului;

• eventual adaugare de apa si amestec (pentru umiditate optima);

• compactarea la densitate maxima;

• tratarea inainte de asternerea urmatorului strat.

Varul este dispersat folosind o masina de imprastiat, la care se monteaza un dispozitiv de cantarit. Aceasta operatie trebuie efectuata cu precizie si regularitate maxima. Alegerea tipului de var imprastiat, var nestins sau var hidratat, ar trebui facuta dupa multe studii de laborator, precum experienta contracto­rului, echipamentul pus la dispozitie si umiditatea solului.

Varul nestins sau oxidul de calciu este o forma mai concentrata de var, continand intre 20 si 24 procente de oxid de calciu – CaO – fata de varul hidratat sau stins. Astfel, 3 procente de var nestins sunt echivalente cu 4 procente de var hidratat, atunci cand conditiile permit hidra­tarea totala a varului nestins cu indeajuns de multa umiditate.

Varul nestins are o densitate vo­lumetrica mai mare, necesitand unitati de stocare mai mici. Sezonul de constructii poate fi, astfel, extins deoarece reactia exotermica dintre apa si var poate incalzi solul. Varul nestins este excelent pentru uscarea solurilor umede.

Varul hidratat poate fi folosit pentru uscarea argilei, dar nu este atat de eficient precum varul nestins. Particulele de var hidratat sunt foarte fine, astfel incat praful poate fi o problema pentru zonele populate unde varul nestins, macinat in parti­cule mai mari sau laptele de var (amestec de var cu apa) pot fi o optiune.

Daca se foloseste varul nestins, este esential ca toate particulele sa fie hidratate si bine amestecate in sol. O cantitate aditionala de apa ar putea fi necesara in timpul mixarii finale (inaintea compactarii) pentru a aduce solul la 3 procente peste continutul de umiditate optim al materialului tratat.

Compactarea initiala este, de re­gula, facuta imediat dupa mixare, folosind un cilindru compresor tip „picior de oaie“ sau un compactor vibrator lis. Dupa ce este data forma sectiunii, compactarea finala poate fi efectuata folosind un cilindru compactor cu tambur sau un cilindru compactor pneumatic. Echipamentul trebuie sa fie potrivit cu suprafata aflata in constructie.

Pe vreme calda si cand solul este umed, este de pre­ferat sa fie facuta compactarea la 2 pana la 4 ore dupa amestec, pentru a da timp varului nestins sa formeze legaturi cu apa. Daca exista risc de ploaie, compactarea solului ar trebui facuta inainte ca apa sa poata penetra din nou straturile tratate.

Suprafata fundatiei sau a terasamentului trebuie mentinuta umeda pana cand echipamentul de construc­tie incarcat poate merge peste aceasta fara a afecta suprafata. Timpul de uscare este intre 1 ora si 24 de ore, depinzand de temperaturile exterioare si de cantitatea de var adaugata, pentru a obtine portanta suficienta a drumurilor de acces temporar, necesare efectuarii transporturilor sau pentru urmatorul strat al fundamentului.

Este recomandat ca, inainte de a incepe ziua de lucru, sa se determine umiditatea solului. Daca umiditatea se situeaza sub valoarea optima, se va folosi var hidratat, eventual prin adaugarea de apa.

Se recomanda executarea, in fiecare zi, a controlului calitatii in ceea ce priveste cantitatea de var dispersata de masina de imprastiat. Aceasta cantitate de var poate fi masurata usor cu ajutorul unui cantar si a unei placi metalice cu dimensiuni de 0,5 m x 0,5 m pe care se asterne varul din masina care il imprastie. Metoda este o solutie economica, tehnica si duce la eco­nomie de timp.

Tratarea solului cu var reduce considerabil timpul de constructie, in comparatie cu excavarea si transportul la o groapa de gunoi ecolo­gica; de asemenea si agregatele noi trebuie duse si plasate pe rambleu si compactate. Aceste ope­ratiuni nu numai ca sunt costisitoare, dar sunt si mari consumatoare de timp. Tehnica tratarii solului cu var este o solutie care respecta mediul inconjurator. Se pot evita, astfel, taxele pentru gropile ecologice de gunoi unde se duce solul excavat.

Utilizarea varu­­lui la tratarea solului pentru constructia de drumuri este o metoda demonstrata, conceptul de a-l ames­teca cu soluri argiloase, conducand la obtinerea unor materiale de fundatie durabile, fiind recu­noscut in toata lumea.

BIBLIOGRAFIE

1. National Lime Association, Mixture Design and Testing Procedures, for Lime Soil, www.lime.org, October 2006;

2. National Lime Association, Lime Treated Soils save Money & Time. www.lime.org;

3. Dallas N., Little, F.A.M. Shafee Yusuf, Example problem illustrating the application, National Lime Association Mixture Design and Testing Protocol (MDTP), September 2001;

4. Dallas N. Little, Stabilization of pavement subgrades and base course, Kendall/Hunt Publishing Company, Dubuque, lowa 52002, 1995.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 79 – martie 2012, pag. 28

Autori:
Marius Onofrei, brand manager – Carmeuse Brasov
Elvira Dumitrescu, Gabriela AndrieS – Laborator constructii CCCF Bucuresti