Reducerea potentialului de umflare-contractie a pamanturilor expansive

De multe decenii, inginerii si cercetatorii au incercat sa rezolve problemele cauzate de fundarea construc­tiilor pe anumite terenuri, incadrate in categoria celor dificile de fundare. Dintre aceste pamanturi dificile, pamanturile cu umflari si contractii mari ridica probleme majore in realizarea diverselor structuri ingineresti. Ca urmare, s-au dezvoltat diferite metode de imbunatatire a acestora, pentru a reduce, astfel, potentialul de umflare-contractie. Lucrarea de fata prezinta o aducere la zi a metodelor de stabilizare chimica, precum si rezultatele obtinute de autori in urma stabilizarii argilei de Bahlui cu ciment Portland si ciment ecologic.

Una dintre metodele cel mai des folosite, si mai putin complicate, in fundarea pe pamanturile care pre­zinta capacitatea de a se umfla sau contracta in functie de variatia umi­ditatii, este de a realiza, sub fundatia viitoarei constructii, o perna dintr-un pamant neexpansiv. Problema care apare la realizarea pernei din pamant neexpansiv este legata de existenta, in apropierea viitoarei constructii, a unui depozit de pamant de umplutura neexpansiva, astfel incat pretul transportului sa justifice folosirea materialului de aport.

In baza incercarilor efectuate, Katti (1979) [1] [2] a propus anumite domenii de variatie ale indicilor geo­tehnici, conditii de amplasament si grosimi ale straturilor de material neexpansiv folosit la realizarea pernelor. Toate cerintele pe care trebuie sa le indeplineasca materialul din perna sunt prezentate in Tabelul 1.

In cazul in care aceste depozite se gasesc la distante mari, nu se mai justifica, din punct de vedere economic, folosirea lor. In aceasta situatie se recurge la utilizarea materialelor locale, a pamanturilor care pot prezenta un anumit potential de umflare-contractie, dar care trebuie amestecate cu alte materiale de adaos sau cu diferiti lianti chimici, astfel incat proprietatile lor sa se incadreze in cerintele minime impuse in Tabelul 1.

Stabilizarea cu diversi agenti chi­mici a fost folosita, in mod frec­vent, atat in stabilizarea de adancime, cat si in cea de suprafata.

Manualul inginerului EM 1110-3-137 defineste stabilizarea si modificarea unui pamant, astfel [3]:

• stabilizarea unui pamant repre­zinta procesul de malaxare si ames­tecare a materialelor cu pamantul, pentru imbunatatirea anumitor proprietati specifice pamantului, de obicei pentru imbunatatirea proprietatilor mecanice;
• modificarea unui pamant, este definita ca fiind procesul de stabili­zare care are ca rezultat imbuna­tatirea numai a anumitor proprietati fizice, fara a conduce la cresteri semnificative ale rezistentei si durabilitatii.

Alegerea tipului de interventie asupra pamantului expansiv – stabili­zare sau modificare – se ia in functie de valoarea potentialului de umflare pe care acestea il prezinta. Cel mai folosit sistem pentru aprecierea potentialului de umflare – contractie este cel de impartire in cinci categorii: foarte mic, mic, mediu, mare si foarte mare.

METODE DE DETERMINARE A POTENTIALULUI DE UMFLARE-CONTRACTIE

Metodele folosite pentru apreci­erea potentialului de umflare-contractie al argilelor pot fi grupate in metode empirice, metode bazate pe suctiunea pamantului si respectiv, metode bazate pe incercarea edometrica (Bell si Maud, 1995; Bell si Culshau, 2001) [5]. Obtinerea unei clasificari satisfacatoare a pamanturilor expansive necesita cunoas­terea anumitor proprietati geotehnice care caracterizeaza umflarea. Dificultatea clasificarii este legata de determinarea acestor parametri. In general, se incearca determinarea, prin metode directe sau empirice, a presiunii de umflare si a umflarii procentuale.

Metodele empirice evalueaza potentialul de umflare pe baza indi­celui porilor, a umiditatii naturale, a limitei superioare si inferioare de plasticitate si indicelui de activitate.

Avand in vedere ca aceste metode se bazeaza pe determinarile reali­zate pe probe remaniate, care nu iau in considerare influenta texturii pamantului, a umiditatii naturale, precum si a suctiunii pamantului, parametri foarte importanti in relatie cu variatiile de volum ale pamantului, aceste metode ar trebui privite ca fiind simpli indicatori ai potentialului de umflare.

Metodele bazate pe suctiunea pamantului se folosesc de variatia suctiunii de la saturarea probei pana la uscare, pentru a obtine nivele de risc la variatiile de volum ale pamanturilor active (Tabelul 2).

In general, se incearca o determinare initiala a potentialului de umflare, prin metode cat mai simple si cat mai rapide, pentru ca, mai apoi, pentru pamanturile clasificate in categoria celor cu un potential de umflare foarte mare sa se faca studii amanuntite. Cei mai folositi indicatori in clasificarea indirecta a potentialului de umflare sunt limitele Atterberg, fractiunea de argila coloidala si contractia liniara [6]. Modalitatile grafice cel mai des utilizate pentru estimarea potentialului de umflare-contractie sunt prezentate in figura 1.

Pamanturile cuprinse in categoria de potential de umflare scazut nu necesita determinari amanuntite ale presiunii de umflare, iar cele incadrate in categoria medie impun un anumit grad de alerta pentru proiectanti. In acest caz, se pot face anumite studii cu privire la comportarea structurilor existente pe acel amplasament, in ultimii 5 ani. Proiectantul trebuie sa hotarasca daca incadreaza pamantul in categoria de risc mare sau redusa. Categoria de risc mare si foarte mare impune determinari de laborator amanuntite pentru estimarea umflarii si a presiunii de umflare.

Degradarile care apar in structurile ingineresti se datoreaza um­flarii diferentiale a pamantului, din cauza umezirii diferentiale a acestuia de sub fundatie si de langa aceasta. Aceasta umflare diferen­tiala trebuie comparata cu una admisibila. Obiectivul stabilizarii pamanturilor expansive este de a reduce potentialul de umflare a pamantului, prin aducerea umflarii diferentiale in limitele admisibile.

Procesul de stabilizare nu trebuie sa aiba ca obiectiv doar reducerea tasarii diferentiale sub cea admisibila, ci sa si indeplineasca anumite cerinte de durabilitate si rezistenta a structurii stabilizate.

In figura 2 se prezinta un mod de abordare a pro­blemei legate de identificarea poten­tialului de umflare a pamantului [6] si pasii care trebuie urmati in pro­iectare, precum si masurile de protectie in corelatie cu riscul estimat si asumat.

SOLUTII LA PROBLEMELE GEOTEHNICE DATORATE PAMANTURILOR EXPANSIVE

Dupa incadrarea pamantului intr-una dintre cele trei categorii de risc – scazut, mediu, mare – proiectantul are la dispozitie urmatoarele metode pentru a preveni efectele cauzate de tensiunile suplimentare induse in structura de presiunile de umflare [6]:

1. a) adaptarea structurii la variatiile de volum ale pamantului;
2. b) indepartarea stratului de pamant expansiv si inlocuirea lui cu unul cu caracteristici mai bune;
3. c) prin tehnici constructive, prevenirea variatiilor de umiditate in straturile de pamant expansiv de sub fundatie, dupa terminarea acesteia (preumezire, membrane etc.);
4. d) modificarea proprietatilor paman­tului existent si transformarea lui intr-un strat adecvat ca teren de fundare.

In aplicatiile practice, varianta (a), nu este economica; varianta (b) este, de obicei, neeconomica si impracticabila din cauza adancimii la care se gaseste pamantul expansiv sau a disponibilitatii materialelor de adaos; varianta (c) necesita studii aprofundate si timp indelungat pentru incercari adecvate. Varianta (d) este folosita adesea, deoarece proprietatile pot fi modificate mecanic prin compactare, prin amestecarea pamantului expansiv cu alte pamanturi sau pot fi modificate chimic prin adaugarea de produse chimice in pamantul expansiv.

In practica (Tabelul 1 si fig. 3) sunt intalnite diverse metode pentru reducerea potentialului de umflare-contractie a pamanturilor expansive, astfel incat dificultatile legate de folosirea acestora sa poata fi depasite. Aplicarea acestor metode va mentine intacte, pe o perioada indelungata, structurile ingineresti de tipul cladirilor, autostrazilor, barajelor din pamant, precum si fundatiile de suprafata. Cea mai buna solutie ar fi de indepartare a stratului de pamant expansiv inainte de reali­zarea structurii si inlocuirea acestuia cu o perna (Tabelul 1) realizata din pamant compactat neexpansiv. In anumite cazuri insa, s-a stabilit ca, daca stratul de pamant este de grosime mica, este suficient ca doar partea superioara a stratului de pamant expansiv sa fie indepartata si inlocuita cu un pamant neexpansiv, compactat in straturi de 23 cm.

Excavarea si indepartarea paman­tului pe o grosime mai mare de 1,5 m s-a dovedit a fi neeconomica. In cele din urma, cea mai buna precautie care se poate lua este de a evita construirea pe aceste tipuri de pamanturi.

Cealalta solutie, care utilizeaza un liant chimic pentru stabilizarea pamanturilor dificile de fundare, a implicat un efort important din partea U.S. Air Force [6], care, in anul 1969, a publicat o procedura pentru alegerea liantilor stabilizatori, cat si pentru evaluarea performantelor pamanturilor stabilizate.

In figura 3 este prezentat modul de selectie a liantilor in functie de analiza granulometrica si limitele de plasticitate.

Stabilizarea cu var a argilelor expansive

Cresterea rezistentei argilei stabilizate se datoreaza mai mult cresterii coeziunii decat frecarii dintre particule. Un avantaj al stabilizarii cu var il constituie cresterea capa­citatii portante a structurii stabilizate, ca urmare a scaderii umiditatii pamantului, prin pierderea unei parti din apa din cauza hidratarii hidro­xidului de calciu si a evaporarii provocate de caldura de hidratare a varului [8].

Pentru alegerea cantitatii optime de var, procedurile propuse de Air Force Soil Stabilization Index System (SSIS) propun patru pasi:

(1) estimarea cantitatii de var, folosind incercarea de determinare a pH-ului;

(2) determinarea rezistentei ames­tecului de var si pamant;

(3) determinarea durabilitatii amestecului;

(4) selectarea cantitatii optime de var (pasii 2 si 3 se realizeaza pentru diferite procente de var).

Canti­ta­tea initiala de var se stabileste pe baza unor determinari ale pH-ului amestecului.

Incercarile pentru determinarea pH-ului, incercari necesare pentru stabilirea cantitatii optime de var, sunt prezentate in detaliu in [6] si [7]. Un pH ridicat are ca efect o reducere a duratei de intarire a pamantului stabilizat cu var, o crestere a densitatii in stare uscata si o reducere a umiditatii optime [8].

Procedurile propuse de SSIS, in cazul stabilizarii cu var, sunt prezentate in figura 4.

Se considera ca, pentru a fi eficienta stabilizarea cu var, este necesar ca pamantul sa contina cel putin 10% minerale argiloase, aceasta conditie eliminand nisipurile din domeniul stabilizarii cu var. Un procedeu mai eficient, in privinta pamanturilor expansive, il constituie stabilizarea atat cu var aerian cat si cu ciment, acest amestec confe­rindu-i o lucrabilitate mai buna [8].

Stabilizarea cu ciment Portland

Stabilizarea consta in dezvol­tarea de legaturi de cimentatie intre silicatul de calciu si produsii aluminati de hidratare, dintre ciment si particulele pamantului, amestecul fiind alcatuit din produsele hidratarii cimentului si din granulele de ciment in curs de transformare, din produsele secundare de cimentare si dintr-o masa de pamant nemodificata, care variaza cantitativ in raport de dozajul de ciment [8].

Strategia de baza a stabilizarii cu ciment este de a reduce: limita superioara de plasticitate, indicele de plasticitate, permeabilitatea, deformatiile, poten­tialul de umflare si respectiv, de a creste limita de contractie, rezistenta si durabilitatea.

In general, pamanturile stabilizate cu ciment sunt folosite la executarea straturilor de baza si de fundatie ale structurilor rutiere, la captusirea canalelor de irigatie etc. [8].

Diferenta majora dintre stabilizarea cu ciment si stabilizarea cu var este aceea ca, in stabilizarea cu ciment, acesta contine elementele chimice necesare pentru reactiile pozzolanice, in comparatie cu stabilizarea cu var, la care pamantul trebuie sa contina o parte din aceste substante [6].

Evolutia formarii compusilor de cimentare este influentata de conti­nutul de fractiune argiloasa a pamantului si de finetea de macinare a cimentului. Mineralele din grupa montmorillonitului (preponderente in structura argilelor expansive) manifesta, fata de ciment, pe langa reactivitatea sporita si o actiune de intarziere a hidratarii si intaririi, observandu-se in pamant, dupa mai multe luni de la stabilizare, granule de ciment netransformate [9].

Valori orientative pentru proportia de ciment, raportata la masa uscata de pamant, sunt date in Tabelul 3 [3].

In urma stabilizari cu ciment are loc o imbunatatire remarcabila a proprietatilor fizico-mecanice ale paman­tului: indicele de plasticitate si permeabilitatea scad iar rezistenta la actiunea apei, a inghetului si la solicitari mecanice creste [9].

STABILIZAREA ARGILEI DE BAHLUI CU CIMENT PORTLAND SI CIMENT ECOLOGIC

Pe baza celor prezentate anterior am efectuat incercari/ determinari, atat spre incadrarea argilei de Bahlui in domeniul argilelor clasice, cat si pe argila stabilizata cu ciment.

Astfel, principalele caracteristici fizice ale argilei de Bahlui, rezultate in urma incercarilor de laborator, sunt prezentate in Tabelul 4. Pe baza datelor prezentate in acest tabel, argila de Bahlui – Romania este o argila grasa, expansiva, cu un potential mare de umflare.

Urmand pasii de proiectare prezentati in figura 2, argila studiata se incadreaza in categoria de potential de umflare foarte mare (figura 1). Se impun masuratori amanuntite de laborator pentru determinarea valorii presiunii de umflare, si respectiv, a deciziilor care trebuie luate, cu privire la limitarea efectelor defavorabile, prin reduce­rea potentialului de umflare sau folosind diverse procedee chimice sau mecanice.

Potrivit cercetatorului Dunlap [7], pentru stabilizarea argilei de Bahlui (fig. 3), in functie de distributia gra­nulometrica si limitele de plasticitate, se poate alege, ca liant chimic, cimentul Portland, dar trebuie redu­sa valoarea indicelui de plasticitate sub 30% prin amestecare cu var. Pentru aceasta, s-a folosit ciment Portland si ciment ecologic. Rezultatele de laborator pentru determinarea granulometriei si a limitelor de plasticitate sunt prezentate in figura 6, in raport de proportiile de ciment Portland (CP) si ciment ecologic (CE).

Din analiza comparativa a proprietatilor fizice (figura 6) ale amestecurilor de argila expansiva cu ciment Portland si ciment ecologic, in raport cu cele specifice argilei in stare na­tu­rala, se constata o scadere a limitei superioare de plasticitate (figura 6b), scadere care poate fi pusa pe seama redu­cerii proportiei de argila si in special, a cantitatii de argila coloidala (2m,) (figura 6a).

Contractia liniara inregistreaza o reducere de la 19,7% (structura na­turala) la 10,35% (amestec cu 5% ciment ecologic si 5% ciment Portland); pentru un amestec de doar 5% liant (ciment Portland si ciment ecologic), contractia liniara nu prezinta o scadere semnificativa (18,05%).

Din figurile 7a) si 7b) rezulta ca argila stabilizata poate fi incadrata in categoria celor cu potential de um­flare mare (figura 7a) spre mediu (figura 7b). In functie de indicii fizici folositi in clasificarea potentialului de umflare, incadrarea in categoria medie spre mare lasa la latitudinea proiectantului (figura 2) modul de abordare a problemei de proiectare. Acesta se poate baza pe experientele anterioare de proiectare, sau poate aborda problema stabilizarii in mod direct, prin evaluarea potentialului de umflare si a efectului stabilizarii asupra presiunii de umflare.

Pentru determinarea potentialului de umflare si a presiunii de umflare a argilei, atat in stare naturala cat si stabilizata, se pot folosi mai multe relatii empirice existente in literatura de specialitate [11].

CONCLUZII

Pamanturile expansive pot fi folosite ca materiale de umplutura la realizarea diverselor structuri ingineresti numai dupa ce au fost alterate fizic sau mecanic prin diferite metode. Pe baza incadrarii argilei expansive intr-una dintre cele patru categorii de risc: scazut, mediu, mare si foarte mare al potentialului de umflare, proiectantul ia anumite decizii cu privire la modul de abordare a problemelor ce pot aparea ca urmare a fundarii sau a folosirii acestor materiale in corpul viitoarelor constructii ingineresti.

Stabilizarea chimica reprezinta una dintre cele mai des folosite metode in rezolvarea acestor tipuri de pro­bleme. Studiile efectuate pana in prezent, la stabilizarea argilelor expansive, au aratat ca amestecul de var si ciment este cel mai eficient pentru reducerea potentialului de umflare.

Avand in vedere noile cerinte cu privire la protectia mediului, se incearca utilizarea liantilor ecologici pentru a reduce cantitatea de ciment Portland, care, in procesul de fabricatie, emana in atmosfera o cantitate importanta de CO2.

Introdu­cerea de noi lianti in domeniul stabilizarii chimice a argilelor expansive necesita studii aprofundate, atat in laborator cat si pe teren. Stabilizarea argilei de Bahlui cu ciment Portland si ciment ecologic a aratat o scadere a potentialului de umflare, scadere ce poate fi pusa pe seama reducerii fractiunii de argila coloidala si a limi­telor de plasticitate. Pentru un procent de amestec de 10% (5% ciment Portland si 5% ciment ecologic), potentialul de umflare scade de la 25% (fig. 7b) la o valoare cuprinsa intre 1,5 – 5%. In aceasta situatie, proiectantul poate folosi argila stabilizata ca strat de fundare, cu minime interventii la proiectarea structurii de fundare.

ACKNOWLEDGEMENT: Aceasta lucrare a beneficiat de suport financiar prin proiectul „Dezvoltarea si sustinerea de programe postdocto­rale multidisciplinare in domenii tehnice prioritare ale strategiei nationale de cercetare – dezvoltare – inovare“ 4D-POSTDOC, contract nr. POSDRU/89/1.5/S/52603, proiect cofinantat din Fondul Social European prin Programul Operational Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013.

BIBLIOGRAFIE

1. Katti R. K., Search for solution to problems in black cotton soils. Indian Geotech J 9(1)-80 (1979);
2. Lungu L, Aniculaesi M., Stanciu A., Posibilitatea realizarii fundarii prin intermediul pernelor din pamant stabilizat cu ciment. International Conference Sustainable Development in Civil Engineering, Iasi – november, 11 (2011);
3. ENGINEER MANUAL, ENGINE­ERING  AND   DESIGN,   Soil  Stabili­zation for  Pavements  Mobilization
   Construction, EM 1110-3-137, April 1984;
4. Jagadish, P. S., Pradip, K. P., Effect of lime stabilized soil cushion on strength behavior of expansive soil. Springer Science + Business Media B.V. 2010, Published online: 18 may 2010;
5. Das B. M., Principles of Foundations Engineering. PWS Publishing Co. (1995);
6. *** U.S. Department of Transportation – Design and Construction of Airport Pavements on Expansive Soils, Report No. FAA-RD-76-66, June 1976;
7. Dunlap W.A. Epps J. A., Biswas B.R., Galloway B.M., United States Air Force Soil Stabilization Index System – A Validation, AFWL-TR-73-150, Air Force Weapons Laboratory, Kirtland Air Force Base, New Mexico, (1975);
8. Nicolescu L., Consolidarea si stabilizarea pamanturilor. Editura Ceres, Bucuresti, 1981;
9. Nicolescu L., Tehnologia stabilizarii pamanturilor. Editura Ceres, Bucuresti, 1975;
10. Hoda Abd Elhady, Pro­perties of treated expansive soils. Twelfth International Colloquium on Structural and Geotechnical Engineering, 10-12 dec. 2007 Cairo – Egipt;
11. Stanciu A., Lungu L, Fundatii. Editura Tehnica, Bucuresti, 2006.

*** Articolul a fost prezentat in cadrul celei de-a XII-a Conferinte Nationale de Geotehnica si Fundatii, Iasi, 20 – 22 septembrie 2012, si publicat in volumul cu lucrarile conferintei, ISSN 1844-850x, vol. I, pag. 489-498.

Autori:
asist. univ. dr. ing. Mircea Aniculaesi – Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi“ din Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii, Departamentul de Cai de Comunicatii si Fundatii

prof. univ. dr. ing. Anghel Stanciu – Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi“ din Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii, Departamentul de Cai de Comunicatii si Fundatii, membru al Academiei Oamenilor de Stiinta din Romania

prof. univ. dr. ing. Irina Lungu – Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi“ din Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii, Departamentul de Cai de Comunicatii si Fundatii 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 112 – martie 2015, pag. 50