5 stabilizacija vapnom 2012

METODE POBOLJANJA TLA

Stabilizacija vapnom

POSTUPCI I METODE STABILIZACIJE TLA POSTELJICE

Stabilizacija vapnom


Stabilizacija vapnom Stranica 24

4. STABILIZACIJA VAPNOM Za stabilizaciju vapnom pogodna su prvenstveno koherentna glinovita tla, dok se nekoherentna tla mogu stabilizirati na ovaj nain jedino ako sadre odreeni udio gline, no u praksi to rijee dolazi u obzir. Poznato je da je prirodno glinovito tlo vrlo osjetljivo na promjenu vlanosti i kod visokih sadraja vode postaje nepodesno kao graevinski materijal bilo da se radi u njemu ili s njim. Kako su graevinski objekti, posebice prometnice bili esto izvoeni u podrujima gdje nije bilo pogodnog vreg materijala, ljudi su jo od davnina pokuavali nekim postupcima poboljati glineni materijal, uiniti ga vrim i manje podlonim promjenama izazvanim klimatskim okolnostima. Prva poznata primjena stabilizacije vapnom datira od prije 5000 godina. To su takozvane Shensi piramide na tibetansko-mongolskom platou koje su bile sagraene od zbijene gline pomijeane s vapnom. I kineski zid izmeu zidova od opeke ima glinenu jezgru stabiliziranu vapnom, a taj su postupak Kinezi upotrebljavali i za izradu cesta i podloga za temelje mostova. Indijci su mjeavine gline i vapna upotrebljavali kao mort za zidanje a Rimljani su jo prije 2000 godina gradili ceste s vapnom i vulkanskim pepelom. Poznata Via Appia ima tri od etiri sloja kolnike konstrukcije, ukupne debljine 1,2 m stabilizirana vapnom. Ta se je praksa u mnogim zemljama zadrala do ne tako davnih dana no pisani su podaci rijetki obzirom da su se postupci i recepture prenosili veinom usmenom predajom. Poeci modernih naina stabilizacije, koji se osnivaju ne samo na iskustvu, nego i na odreenim strunim i znanstvenim osnovama bio je u SAD. Zbog vrlo slabih zemljanih cesta poetkom ovog stoljea, kao i potrebe da se poveu velike udaljenosti u SAD-u se rano poelo prouavati razne mogunosti poboljanja svojstava tla, posebice njegove vrstoe. Tako je 1908-1912. godine Dr. Strahan u Georgiji vrio opaanja i ispitivanja stabilizacije gline pomou pijeska te postavio osnove takvog naina stabilizacije. Nedugo nakon toga poele su se raditi tzv. uljane ceste, u prvo vrijeme jo na osnovi penetracije a zatim i ceste od zemljanih materijala stabilizirane hidraulinim vezivima, prvenstveno cementom. Prvi pokusi s vapnom raeni su 1920. godine u Missouriju i Iowi. Iako su raene primitivno, iz ranih se izvjetaja vidi da su se te ceste dobro drale, da su bile otporne na negativan utjecaj vlage (kia) te da su oteenja povrine nastala jedino djelovanjem prometa. Tokom i nakon II svjetskog rata zapoeo je nagli razvoj postupaka stabilizacije tla vapnom i primjena ovih postupaka kod cesta i aerodroma, posebice u SAD-u. U Europi postupak stabilizacije tla vapnom uvodi se i naglo razvija od 1955. Danas se ovaj nain rada primjenjuje irom Europskog kontinenta. 4. Mehanizam stabilizacije tla vapnom 4.1. Struktura gline i reakcije u mjeavinama gline i vapna Kao to je ve ranije navedeno za stabilizaciju vapnom nije pogodno svako tlo. U radovima mnogih autora koji su se bavili ovim vidom stabilizacije tla, napominje se da je za stabilizaciju tla vapnom od posebne vanosti frakcija materijala ispod 0,002



mm, koja se u geomehanici smatra istom glinom. Meutim ponaanje te frakcije u dodiru s vodom (plastinost) znatno se razlikuje kod pojedinih materijala razliitog porijekla. Razlog tome nije granulacija, ve mineraloki sastav gline. Prije se smatralo da su gline amorfni materijali kod kojih ne postoji odreeni raspored atoma i molekula. Pokualo ih se upoznati i definirati pomou kemijske analize, te je kao vana karakteristika u tom smislu postavljen tzv. silikatni modul:

3232

2

OFeOAl

SiO

Meutim, usporedba tog modula sa drugim svojstvima glina nije pokazala oekivane zakonitosti. Istraivanja provedena dvadesetih godina prolog stoljea pokazala su da glina ima kristalinian sastav, odnosno da se sastoji od tako zvanih minerala gline. Kod minerala gline postoje dva osnovna bloka grae:

- tetraedarska i - oktaedarska jedinica.

Osnovne jedinice (tetraedarska ili oktaedarska) veu se u lance, trake ili listove a od kojih se formiraju palete ili sendvii. Na slici 1 je prikazana silikatna tetraedarska jedinica koja se sastoji od etiri atoma kisima s pridruenim atomom silicija. Takve tetraedarske jedinice povezuju se horizontalno u lisnatu strukturu.

Slika 1. Meusobno povezane osnovne tetraedarske jedinice Na slici 2 prikazana je aluminatna oktaedarska jedinica u kojoj je jedan atom aluminija, eljeza ili magnezija uloen izmeu est hidroksida koji imaju oblik oktaedra, opet vezanih u lisnatu strukturu.



Slika 2. Meusobno povezane osnovne oktaedarske jedinice Dva ili vie takvih molekularnih listia ine minerale gline, pri emu razno povezivanje daje i razliita svojstva, odnosno vrste glinenih materijala. S inenjerskog stanovita postoje tri glavne grupe minerala glina, kaoliniti, iliti i montmoriloniti. Kaoliniti Kaolinske gline nalaze se u dobro dreniranim tlima, a nastale su u vlanim klimatskim okolnostima iz raspadnutih kristalininih stijena.

Slika 3. Mikroskopski prikazi kaolinitnih glina



Slika 4. Mikroskopski prikazi kaolinitnih glina - detalji Montmoriloniti Montmorilonitne gline karakteristine su za slabo drenirana i organska tla, a nastale su od stijena s visokim sadrajem eljeza i magnezija ili od vulkanskog pepela.



Slika 5. Mikroskopski prikazi montmorilonitnih glina



Iliti Iliti dolaze u tlima nastalim od morskih sedimenata i nekih drugih stijena.

Slika 6. Mikroskopski prikazi ilitnih glina Na slici 7 prikazana je graa kristala kaolinita. On se sastoji od dva povezana molekularna listia oktaedarskog i tetraedarskog sloja koji ine jedinstveni listi debljine oko 7 . Izmeu elementarnih listia postoje jake vodikove veze, koje mogu



sprijeiti prodiranje molekula vode i drugih iona, tako da se reetka ne iri. Sa inenjerskog stanovita kaolinit je stoga vrlo stabilna glina, relativno male plastinosti, bubrenja i slino. Dodue povrina kaolinita je kao i kod ostalih vrsta glina negativno naelektrizirana, pa privlai vodu ali je to ogranieno samo na vanjske povrine. Koliina tako adsorbirane vode, u obliku filma na vanjskim povrinama listia, zbog velike specifine povrine listia ipak nije zanemariva.

Slika 7. Shematski prikaz strukture minerala gline - kaolinit Na slici 8 prikazana je struktura kristala montmorilonita. Listii ovog minerala sastavljeni su od tri jedinice, dvije tetraedarske i jedne oktaedarske, a meusobno su povezane unutarnjim elektrostatskim vezama. Za razliku od kaolinita kod montmorilonitnih glina osim vanjskih, zbog slabih elektrostatskih veza izmeu kristalnih jedinica, adsorptivne su i unutranje povrine to omoguuje ulazak molekula vode izmeu listia i njihovo jako irenja (i do 400 ). Koliina vode koja moe ui u strukturu minerala gline zbog slabih elektrostatskih veza izmeu kristalnih jedinica daleko je vea od one koja se u obliku filma moe absorbirati na vanjskim povrinama. Kod montmorilonitnih glina, u strukturu minera glina (izmeu kristalnih jedinica) moe ui tolika koliina vode da se razmak izmeu kristalnih jedinica povea i do etrdeset puta. Posljedica je vrlo izraena sklonost bubrenju, promjeni



konzistentnog stanja gline (visoki stupanja plastinosti) i ostalim tipinim karakteristikama glina.

Slika 8. Shematski prikaz strukture minerala gline - montmorilonit Ilit ima grau slinu montmorilonitu, ali su veze izmeu kristalnih jedinica neto jae nego kod njega, tako da se i svojstva ove vrste glina nalaze negdje izmeu svojstava kaolinita i montmorilonita. Tipina svojstva ilitnih glina izraenija su od svojstava kaolinitnih glina dok su manje izraena od svojstava montmorilonitnih glina. U prethodnom je tekstu navedeno da je negativna naelektriziranost povrina glina razlog njihovoj hidrofobnosti. Naime, koloidne frakcije materijala (po teoriji to su

estice koje mogu izvoditi Brownovno gibanje, a veliine su do 1 ) kojih je u sastavu glina znatan udio imaju elektrine naboje na povrini, do kojih dolazi na slijedei nain. Kemijski spojevi, njihovi ioni, atomi i molekule tee da budu kombinirani tako da bude postignut najvei mogui stupanj elektrine neutralizacije. Ioni, atomi i molekule veu se najprije u jedinine elije, ijim prostornim ponavljanjem nastaju kristali. Unutar strukturalnog rasporeda kristala kristalne reetke elektrostatike veze ili valencije atoma potpuno su uravnoteene, ali u kutevima i povrini nisu, pa zato estice imaju negativni naboj. Takav sluaj je i kod minerala glina. Do negativnog naboja koloida dolazi i iz drugog razloga, takozvane izomorfne substitucije, tj. kada se jedan ion unutar kristalne reetke zamijeni



drugim. To je glavni izvor elektrinih naboja primjerice kod montmorilonita, gdje substitucija magnezija Mg++ za aluminij Al+++ rezultira u neuravnoteenoj valenciji. Svojim negativnim nabojem glineni minerali privlae, adsorbiraju, pozitivno nabijene katione, vodik H ili osnovne metale Na, Ca, Mg i K. Molekule vode koje se nalaze u tlu su dipolarne. Koloidne estice tla adsorbiraju pozitivno nabijene vodikove ione i stvara se adsorbirani vodeni film oko estica tla. Debljina tog filma ovisi o veliini kationa to je kation manji adsorptivna mu je sila za molekule vode vea. Radijusi iona kod nekih elemenata bez vodenog filma i s vodenim filmom dani su u tablici 1. Tablica 1. Radijusi iona nekih elemenata sa i bez vodenog filma

Element Radijus iona u Bez vodenog filma S vodenim filmom

Litij 0,78 10,03

Natrij 0,98 7,90

Kalij 1,33 5,22

Kalcij 1,06 3,15

Vidi se da primjerice kationi natrija adsorbiraju znatno deblji film vode nego kationi kalcija, ak 8 puta vei od svog promjera. Debljina filma vode oko raznih kationa varira, meutim u prirodi ne postoje estice gline bez adsorbiranog filma vode. Voda adsorbirana uz povrinu koloidne estice ima orjentiranu molekularnu strukturu slinu strukturi leda, zbog ega su joj i svojstva drugaija od normalne vode. S udaljenou od povrine estice, karakter vode se mijenja i na odreenoj udaljenosti ona dobiva svojstva slobodne vode. Jasno je da svojstva glinenog tla u velikoj mjeri ovise ba o tom sloju adsorbirane vode oko koloidnih estica, a koji je opet ovisan o karakteru kationa. Pojave do kojih dolazi u tlu, dodatkom nekog kemijskog stabilizacijskog sredstva (vapna, cementa ili nekog drugog na tritu dostupnog materijala za stabilizaciju tla) su sloene. Dolazi do promjene naelektriziranosti koloidnih estica i do odreenih kemijskih reakcija. Naime, neki se kationi zamijenjuju odreenim kationima druge vrste, to rezultira promijenjenim svojstvima tla. Zbog neuravnoteenosti elektrostatikih sila minerali od kojih se sastoje gline, negativno su naelektrizirani. Stanje naelektriziranosti koloidnih estica gline na jednostavan je nain prikazao Helmholz, slika 9.

Slika 9. Koncepcija dvostrukog sloja prema Helmholzu



On je dao koncepciju dvostrukog sloja oko koloidne estice, slika 9. Po njemu se koloidna estica gline sastoji od unutarnjeg dijela, vrste jezgre ili micele obloene slojem negativnih iona. Taj je sloj okruen vanjskim slojem pozitivno nabijenih iona, kationa, koji su s njima u ravnotei. Veze izmeu ta dva sloja nisu jake, pa ako takva estica doe u dodir s kationima druge vrste dolazi do zamjene pojedinih vrsta iona, odnosno dolazi do kationske izmjene, posljedica koje je promjena svojstava glina u velikoj mjeri. Kationska izmjena osnova je kemijske stabilizacije tla. Mogunost s kojom se kationi mogu izmjenjivati i adsorbirati naziva se kapacitet kationske izmjene. Izraava se u miliekvivalentima iona koje moe adsorbirati 100 mg tla, pri emu miliekvivalent iznosi 1 mg vodika ili adekvatni iznos bilo kojeg drugog iona, koji se moe s njim kombinirati ili ga zamijeniti. Kapacitet kationske izmjene glinenih minerala iznosi:

- za montmorilonit 80 do 100 mg/100 g, - za ilit 15 do 40 mg/100 g dok je - za kaolinit 5 do 15 mg/100 g.

Vidi se da je veliina kapaciteta kationske izmjene direktno povezana s plastinou, bubrenjem i ostalim svojstvima gline, to jest da je vea kod montmorilonita nego kod kaolinita, dok je ilit u sredini. Kod stabilizacije tla vapnom dolazi do reakcije izmeu vapna i minerala gline. Vapno se dodaje tlu ili u obliku hidrata Ca(OH)2 ili ivog vapna CaO, koje se gasi vlagom iz tla pri emu opet nastaje kalcijev hidroksid Ca(OH)2. U tlu kalcijev se hidroksid djelomino disocira u Ca ione i OH ione. Dolazi do kationske izmjene pri kojoj se natrij iz visokoplastinih glina zamijenjuje kalcijem iz vapna. Na taj se nain dobiva kalcijska glina koja ima znatno manju plastinost nego natrijska. Vapno ujedno poveava pH vrijednost tla do 12,6 to omoguava potpunu zamjenu kationa i poboljava topljivost silikata i aluminata koji se nalaze u glini. Reakcija nastala spomenutom kationskom izmjenom ima vrlo brzi tok, u tlu se tako rei momentalno nakon dodavanja vapna bitno mijenjaju svojstva glina. Poboljava se obradljivost glinenog tla, mogunost zbijanja i poetna vrstoa mjeavine tlo-vapno. Nakon toga dolazi do dugotrajne reakcije vapna sa aktivnim silikatima i mineralima gline, to jest dolazi do pucolanske reakcije. Silikati se razgrauju pri emu nastaje nova kristalna faza kalcijevi i aluminatni hidrati, koja sljepljuje estice tla i poveava mu vrstou. Iz toga se vidi da vapno nije samostalno vezivo kao to je to primjerice cement, ve da vezivo nastaje tek iz produkta reakcije vapna i glinenih komponenata tla. Iz tog je razloga neophodno da tlo bude glinovito, pri emu velik utjecaj na jakost reakcije ima mineraloki sastav glina. Reakcije koje nastaju u mjeavini tlo-vapno, od trenutka mjeanja pa do doljeg vremena nakon mijeanja detaljno je prouavao i opisao Brand. Sluei se mikroskopskim, rendgenografskim, diferencijalno-termodinamikim analizama kao i elektronskim mikroskopom utvrdio je da se reakcija odvija u etiri faze:

I. faza U poetnom stadiju nastaje disocijacija dijela dodanog kalcijevog hidrata Ca(OH)2 u Ca++ i OH- ione, zbog ega minerali gline mijenjaju svoj elektrostatiki potencijal i povrinske sile. Kalcijev hidroksid, Ca(OH)2, prelazi u amorfno stanje i ini prijelaz u



slijedei tako zvani gel stadij. Najsitnije estice tla aglomeriraju, mijenja se struktura, konzistencija i odnosi vlanost zbijenost mjeavine tla i vapna.

Slika 10. Faze reakcije u mjeavini tlo-vapno po Brandu

II. faza Gel stadij je najvaniji stadij kod stabilizacije, slika 6. Nastaje gel masa od kalcijsko silikatnih hidrata, koja vee zrna minerala i djelomino ispunjava upljine izmeu njih. Time se mijenja struktura pora, ime se vjerojatno moe objasniti smanjeno upijanje vode i otpornost prema djelovanju vode.



Iz gel mase postepeno nastaju mikroskopski kristali neoliti koji ine tako zvani neolitski stadij.

III. faza Neolitsko stadij daje materijalu porast vrstoe u odnosu na gel stadij.

IV. faza Djelovanjem CO2 iz zraka nastaje etvrti, karbonatni stadij. U karbonatnom stadiju, dolazi do stvaranja sferolitinih kalcijevih karbonata, koji ine vrsti kristalni mort i time doprinose poveanju vrstoe materijala. S obzirom da je prilikom izgradnje prometnih povrina stabilizirani sloj obino pokriven nepropusnim slojevima, ovaj stadij nema veliko znaenje za praksu. Dakle, kao to se vidi iz navedenog kod stabilizacije vapnom radi se o nizu sloenih kemijskih procesa koji brzo ili u toku duljeg vremenskog perioda utjeu na poetne i konane osobine ovog materijala a o emu e biti govora kasnije. No svakako treba napomenuti da u tlu nekada postoje tvari koje tetno utjeu na razvoj opisanih reakcija.

Slika 11. Mikroskopski snimak tla u kojem nije dolo do reakcije s vapnom Tako primjerice sulfati u nekim sluajevima, naroito ako tlo ima visoki stupanj kiselosti (visoki pH), utjeu na reakciju gline i vapna, slika . Tla koja sadre 0,5 do 1,0% sulfatnih iona, nisu pogodna za stabilizaciju vapnom. Koliina sulfata koja se moe tolerirati naravno ovisi o tipu sulfata i gline. Jedako tako i organska tla nisu pogodna za stabilizaciju vapnom.



4.2. Pogodnost tla za stabilizaciju vapnom Iz razmatranja u prethodnoj toki vidljivo je da je za stabilizaciju vapnom bitno da tlo sadri koloidne estice, odnosno minerale glina kako bi moglo doi do kemijskih reakcija koje daju stabilizacijske efekte. Radi toga se moe rei da su za stabilizaciju vapnom pogodne gline srednje do visoke plastinosti kao i krupnijezrnata nekoherentna tla (ljunkovita i pjskovita) ukoliko sadravaju dovoljnu koliinu glinovitih frakcija. Ako se radi o niskoplastinim glinama, prainama i istim nekoherentnim materijalima samo vapno nije efikasno ali mu se moe dodati neki pucolanski materijal kao to su zgura, letei pepeo, cement i slino. Pogodnost tla za stabilizaciju vapnom orjentacijski se moe odrediti na temelju granulometrijskog sastava i iz dijagrama prikazanog na slici 25. Stvarna pogodnost tla za stabilizaciju vapnom moe se odrediti jedino laboratorijskim ispitivanjem mjeavina tla s vapnom, veinom na temelju odreivanja vrstoe i otpornosti prma vodi. Razlog tome lei u injenici da na stabilizacijske efekte granulometrijski sastav glina ima mali utjecaj dok je mineraloki sastav gline odluujui. U tablici 2 su dane preporuke o vrsti veznog sredstva u odnosu na mineraloki sastav gline. Tablica 2. Preporuke za odabir vrsti veznog sredstva u odnosu na mineraloki

sastav gline

Dominantna mineraloka komponenta

Materijal za stabilizaciju

Razlozi

Alofani Vapno Za pucolansku reakciju i zgunjavanje

Klorit Cement Teoretski

Ilit Cement ili vapno Za ranu vrstou, obradljivost i naknadnu vrstou

Kaolinit Cement ili vapno Za ranu vrstou, obradljivost i naknadnu vrstou

Montmorilonit Vapno Za obradjivost i ranu vrstou

Ova tablica predstavlja prvi aproksimativni vodi za izbor veziva, ukoliko je poznat mineraloki sastav osnovnog materijala. Dakle moe se rei da su s vapnom reaktivna ona tla koja pokazuju signifikantni porast jednoosne vrstoe ukoliko su obraena vapnom. No to ne znai da i tla koja nisu reaktivna nisu pogodna za stabilizaciju, jer vrstoa nije jedino svojstvo koje ima znaenja u tom postupku. Ponekada se trae uglavnom samo poetni efekti smanjenje plastinosti, smanjenje vlanosti i poboljanje obradljivosti i ugradljivosti. Ipak vrstoa je u inenjerskim konstrukcijama vaan faktor o kome ovisi postojanost i stabilnost objekata pa o njoj treba voditi rauna.



Najvea vrstoa vapnom stabiliziranih mjeavina postie se sa glinovito-pjeskovito-ljunanim materijalom, gdje se javljaju dva vida vrstoe, kohezija uslijed pucolanskih reakcija izmeu vapna i minerala gline u glinenim frakcijama mjeavine i unutranje trenje i ispunjenost u krupnim frakcijama (ljunku). Da bi se odredilo da li je neko tlo pogodno za stabilizaciju vapnom potrebno je odrediti njegov granulometrijski sastav, granice konzistencije, odnos vlanosti i zbijenosti po Proctoru i mineraloki sastav. Dakako, ukoliko se sumnja u tetne tvari, potrebno je i njih odrediti. Iz tih se karakteristika usporedbom s razliitim ogranienjima koja daju propisi moe orjentaciono odrediti pogodnost materijala za stabilizaciju. Na slici 12. dan je dijagram iz kojeg se na osnovi granulometrijskog sastava moe odrediti pogodnost tla za pojedinane naine stabilizacije. Interesantno je da su u njemu ukljuena i praktina ogranienja za rad i to u podruju vrlo krupnih zrna i vrlo plastinih glina, jer se takva tla teko mogu strojevima mjeati ili sitniti.

Slika 12. Dijagram za orjentacijsko odreivanje pogodnosti tla za stabilizaciju

vapnom Na standard bazira ocjenu pogodnosti tla za stabilizaciju vapnom na A klasifikaciji. 4.3. Vrste vapna koje se primjenjuju kod stabilizacija tla Za stabilizaciju tla upotrebljavaju se razliite vrste vapna. O vrsti upotrebljenog vapna ovise karakteristike izvedenih stabilizacija. Isto tako postoje razlike i u pojedinim produkcijama koje proizlaze iz raznolikosti sirovine i moguim razlikama u tehnolokom procesu prerade. Ispitivanja su pokazala da razliite vrste znatno utjeu na svojstva mjeavina tlo vapno.



Slika 13. Mineral kalcijevog karbonata - vapnenca Striktno definirano vapno je kalcijev oksid (CaO) ali se u praksi tako zovu i oksidi i hidroksidi kalcija i kalcij-magnezija, tj. ivo i hidratizirano vapno proizvedeno od vapnenca ili dolomita. S obzirom na odreene neistoe sirovina moe se lako uvidjeti da postoji mnogo varijacija vapna.

Slika 13. Vapnenac



Vapno proizvedeno od istog vapnenca CaCO3 zove se visoko kalcijsko ili kalcitno. Ono proizvedeno od dolomita (CaCO3, MgCO3) naziva se visokomagnezijsko ili dolomitno vapno. Pri tome kalcitno vapno treba imati do 8% magnezijevog oksida (MgO) dok dolomitna vapna imaju 25 do 45% magnezijevog oksida (MgO). Postoje tri osnovne vrste vapna: - ivo vapno - hidratizirano vapno i - hidraulino vapno.

ivo vapno dobiva se peenjem kamena u vertikalnim ili poloenim rotacionim peima na temperaturi od oko 900C. Pri tome nastaje kalcijev oksid (CaO) ili kalcijev i magnezijev oksid (CaO+MgO). Nakon peenja dobiveno ivo vapno je u komadima veliine tucanika a za primjenu u stabilizaciji ono se melje u prah krupnoe od oko 0,1 mm.

Hidratizirano vapno dobiva se dodavanjem odreene koliine vode ivom vapnu. Za razliku od gaenog vapna gdje se ivom vapnu dodaje i vie vode nego to je potrebno, tako da se dobije kaa, u procesu hidratacije ivom se vapnu dodaje tek toliko vode da se zadovolji afinitet kalcijevog oksida, CaO prema vodi. Radi se tako da se ivo vapno melje na granulaciju do 15 mm, a zatim se gasi, pri emu se ono raspada u sitni prah. Hidratacijom ivog kalcitnog vapna dobiva se kalcijev hidroksid, Ca(OH)2 dok se hidratacijom ivog dolomitnog vapna dobije dolomitni monohidrat Ca(OH)2+MgO. Poveanim pritiskom i duljim zadravanjem uspjelo se je dobiti hidratizirano vapno oblika Ca(OH)2+Mg(OH)2, no ta vrsta vapna nema znaenja kod stabilizacije tla. Kod hidratiziranog je vapna vrlo vano da bude dovoljno sitno, kako bi imalo veliku specifinu povrinu i kako bi moglo brzo i lako stupiti u reakciju s odreenim komponentama tla. Treba napomenuti da se ivo vapno u prahu i hidratizirano vapno mogu dodatkom posebnih sredstava uiniti vodoodbojnim. To su tako zvana hidrofobizirana vapna. Pri stabilizaciji ona pokazuju jaki efekt odbijanja vode i suenja tla.

Hidraulino vapno takoer moe biti kalcitno ili dolomitno. Dobiva se peenjem vapnenca ili dolomita koji nisu isti ve sadre i do 35% gline. Svojstva tog vapna nalaze se izmeu normalnog vapna i portland cementa, tj. ovo vapno ima u sebi pucolanskih komponenti tako da djeluje i kao samostalno vezivo. U naoj se zemlji ova vrsta vapna ne upotrebljava za stabilizaciju tla. ivo i hidratizirano vapno se po svom djelovanju razlikuju u toliko to kod primjene ivog vapna na vlano tlo dolazi do breg isuivanja, s jedne strane zbog vezivanja dijela vode a s druge strane zbog isparavanja, jer se tokom reakcije javlja i toplina. Iz tog je razloga vrlo vlana tla bolje stabilizirati ivim vapnom dok se tla sa sadrajem vode oko optimalne vlanosti stabiliziraju hidratiziranim vapnom. Hidraulino se vapno zbog svojih aktivnih pucolanskih komponenti moe upotrijebiti za stabilizaciju tala koja sadre relativno malo minerala gline i kod kojih normalna vapna nisu djelotvorna. Na kraju ovog razmatranja o vapnima treba rei i da su to luine koje mogu uzrokovati opekotine na koi onih koji rukuju sa njima. Ovo se naroito odnosi na



ivo vapno. Pri radu s vapnom, stoga treba uvijek predviati potrebne tehnike i zatitne mjere kako bi se takvi efekti izbjegli. 4.4. Utjecaj vapna na fizika i geomehanika svojstva stabilizirane mjeavine Kemijske reakcije koje se uz prisustvo vode odvijaju u tlu nakon to mu se doda i rasporedi vapno, a zatim izvri zbijanje, dovode do izrazitih vrlo uoljivih promjena u strukturi materijala i u njegovim fizikalnim i geomehanikim osobinama. Glinovito tlo je zbog svojeg koloidno-kristalininog sastava i elektrostatikih odnosa na povrini i u unutar reetki glinenih minerala vrlo osjetljivo na promjene vlanosti. Ako se suhim glinama, koje su u tom stanju stabilne i vrste dodaje voda, onda one mjenjaju konzistenciju, postaju polukrute, pa zatim plastine i konano itke. To je sve praeno manjim ili veim promjenama volumena. S poveanjem vlanosti drastino pada i nosivost, tako da je kod materijala u itkom konzistentnom stanju gotovo jednaka nuli. Lako je uvidjeti koliko je takav nepostojani materijal nepovoljan u graevinskim konstrukcijama, primjerice u cestama. Isto tako vlanost predstavlja veliki problem i kod izvedbe radova jer se ne moe postii potrebna zbijenost tj. u dovoljnoj mjeri eliminirati poroznost materijala.

Slika 8. Brandova shema djelovanja vapna na glinovito tlo Na sve te pojave stabilizacija ima pozitivan uinak. to vie, obradom tla vapnom mogu se upotrebljavati i neka tla koja normalno ne zadovoljavaju kriterije za izvedbu zemljanih radova. Na Brandovoj shemi, slika 8, pregledno je prikazano djelovanje vapna na tlo. Vidljive su mnogobrojne i znaajne promjene. Ve prilikom mjeanja tla i vapna dolazi do kemijskih procesa i promjene strukture tla (stadij I po Brandu) i te se promjene oituju u ovim osobinama:



4.4.1. Prirodni sadraj vode Prirodni sadraj vode se sniava, vrlo intenzivno ukoliko se radi sa ivim vapnom. U tom sluaju vlanost tla se moe smanjiti i do 10%. Kao to je ranije reeno osim vezivanja dijela vode, dolazi i do isparavanja zbog nastanka topline u procesu gaenje ivog vapna:

CaO+H2O=Ca(OH)2+15,3 Cal. 4.4.2. Granice konzistencije, indeks plastinosti i indeks konzistencije Ubrzo nakon mjeanja tla s vapnom dolazi do promjene plastinih karakteristika mjeavine. Granica krutosti se povisuje a granica itkosti ili se sniava ili se povisuje, ali manje od granice krutosti, tako da se indeks plastinosti u svakom sluaju smanjuje. Tokom vremena dolazi do daljnjeg smanjenja plastinosti, indeks plastinosti se i dalje smanjuje. Ovakvo ponaanje ima utjecaja i na konzistentno stanje jer se indeks konzistencije znatno poveava, ak i bez veeg isuenja tla. Ponaanje jednog glinovito prainastog materijala u pogledu promjene konszistencije prikazano je na slici 9. 4.4.3. Granulometrijski sastav Struktura tla postaje evidentno krupnozrnatija. Kompletan granulometrijski sastav stabilizacije teko je odrediti u laboratoriju jer dolazi do potekoa kod areometriranja. U svakom sluaju koliina estica manjih od 0,06 mm u mjeavini znatno pada kako s vremenom tako i s koliinom dodanog vapna. 4.4.4. Odnos vlanost zbijenost Dodatkom vapna Proctorove krivulje postaju povoljnije u graevinskom smislu. Optimalna vlanost se poveava a time i mogue podruje za ugradnju. Oblik Proctorovih krivulja postaje blai, to znai da je materijal kod ugradnje manje osjetljiv na varijacije vlanosti. Maksimalna suha prostorna masa po Proctoru se sniava, ali to ne smeta, jer procesima vezanja stabilizacija dobiva bolju vrstou i nosivost, nego to je to sluaj kod osnovnog glinovitog materijala bez veziva a koji bi imao veu gustou. 4.4.5. Vodopropusnost Vodopropusnost vapnom stabiliziranih glinovitih materijala raste u odnosu na isti materijal bez dodatka vapna. To je vjerojatno zbog promjene strukture pora u stabiliziranoj mjeavini.



Slika 9. Promjena indeksa plastinosti s poveanjem postotka vapna 4.4.6. Posmina vrstoa Posmina vrstoa vapnom stabiliziranom glinovitog materijala raste. Kohezijska komponenta se poveava od veziva koje nastaje pucolanskom reakcijom izmeu vapna i minerala gline a kut trenja se isto poveava od pobojane granulacije materijla. Zbog tog svojstva mogu se primjerice nasipi od stabiliziranog materijala izvoditi sa znatno strmijim nagibom nego to bi to bilo mogue kada bi se radili od istog glinovitog tla. 4.4.7. Jednoosna vrstoa



Jednoosna vrstoa zbijene mjeavine tlo-vapno raste s vremenom pri emu je obino prvi mjesec prirast vrstoe vei dok je kasnije usporen. Dugotrajna ispitivanja pokazala su da vrstoa stabilizacije vremenom neprekidno pomalo raste.

Slika 10. Promjena tlane vrstoe uslijed dodatka vapna vrstoa raste i s porastom dodatka vapna, meutim postoji neki sadraj vapna, nakon kojeg vrstoa opada ili samo neznatno raste, a koji se moe smatrati tehniki ili ekonomski optimalnim. Taj sadraj moe varirati i u odnosu na starost stabilizacije. U praksi nije uvijek nuno da se ide do onog sadraja vapna koji daje najpovoljnije mehanike karakteristike tretiranog tla, nego do onoga koji osigurava minimalne traene kriterije za odreenu svrhu. vrstoa jako varira za razliite vrste tla, to je i logino obzirom na njihove razliite mineraloke sastave i reaktivnost a znatan utjecaj moe imati i vrsta upotrebljenog tla. Poveana tlana vrstoe i nosivost (CBR) omoguuju izradu slabije kolnike konstrukcije a otpornost na vodu omoguuje izradu posteljice koja je otporna na kiu i moe relativno dulje vremena biti nezatiena. 4.4.8. Otpornost na smrzavicu Apsolutna sigurnost vapnom stabiliziranih materijala na smrzavicu na postoji. To znai, da ukoliko predviamo da stabilizacija slui kao konstruktivni element gornjeg ustroja prometnice, da moramo posvetiti znatnu panju odreivanju pravilne mjeavine, koja e biti u dovoljnoj mjei otporna na taj utjecaj. U tom je pogledu vrlo vano da stabilizacija prije izlaganja djelovanju smrzavanja bude dovoljno stara jer tada je vezanje najveim dijelom zavreno i materijal ima veu stabilnost i



otpornost prema smrzavanju. Za postizanje otpornosti prema smrzavici esto treba pribjei i dodavanju odreenih koliina drugih veziva uz vapno, na primjer cementa, zgure i slinih materijala to jest izvesti takozvanu kompleksnu stabilizaciju. Ukoliko se ne radi o konstuktivnom elementu nego se radi o privremenoj graevinskoj mjeri, kojoj je svrha da se primjerice ulaka ugradnja materijala onda otpornost stabilizacije prema smrzavici nije znaajna. 4.4.9. Bubrenje Bubrenje se smanjuje dok se nosivost izraena indeksom CBR poveava.

Slika 10. Promjena granulometrijskog sastava tla uslijed dodatka vapna



Slika 11. Promjena Proctorove krivulje uslijed dodatka vapna 4.5. Odreivanje sastava stabilizacijske mjeavine Prije poetka rada na stabilizaciji u laboratoriju se odreuje prethodni radni sastav (receptura). Nakon odreivanja osnovnih svojstava tla koje se eli stabilizirati (granulometrijski sastav, granice konzistencije, organske tvari, Proctor) pristupa se izradi i ispitivanju mjeavina tla s raznim dodacima vapna. Pored spomenutih svojstava kod mjeavina se ispituje tlana vrstoa na valjkastim uzorcima 10 cm visine 11,7 cm ili 15,2 cm i visine 15,2 cm koji se uvaju u vlanom prostoru 7 i 28 dana. Za posteljicu se trai da minimalna tlana vrstoe bude: - nakon 7 dana 0,4 MN/m2 - nakon 28 dana 0,5 MN/m2. Na osnovi dobivenih rezultata, a osobito uzimajui u obzir kriterije za vrstou, bira se mjeavina za recepturu. Recepturom se daju ovi podaci:

- potrebna koliina vapna u mas.% u odnosu na suhu masu tla, - optimalna vlanost mjeavine tla i vapna - maksimalna suha prostorna masa mjeavine po Proctoru - vrstoa.

Potrebna koliina vapna obino se kree od 3 do 5% od mase suhog tla, izuzetno do 10% za sluajeve vrlo plastinog i mokrog tla. Na sloj glinovitog tla debljine 20 cm razastire se prema tome oko 10 do 15 kg vapna po m2.



4.6. Izvedba stabilizacije vapnom Postupak stabilizacije tla vapnom na gradilitu, najkrae opisano se sastoji od homogenog mjeanja tla s odgovarajuon koliinom vapna pri emu mjeavina u pravilu mora imati optimalnu vlanost. Mjeavina tla i vapna zbije se, zatim do traene zbijenosti i njeguje odreeno vrijeme do postizanja zahtijevanih karakteristika.

Debljina sloja kree se od 15 do 25 cm, ali je mogue raditi i stabilizirane slojeve debljine do 40 cm.



Stabilizacija tla posteljice vapnom radi se postupkom na licu mjesta (mix in place). Prije poetka stabilizacije povrina sloja zemljanog materijala pripremi se prema projektu. Sloj se zatim razrahljuje pogodnim nainom, pri emu se zavrno sitnjenje obavlja rotofrezerima.



Dubina usitnjavanja treba biti takva da se nakon mijeanja s vezivom i zbijanja dobije sloj projektirane debljine. Na razrahljeni se sloj zatim razastire potrebna koliina vapna po jedinici povrine. Razastiranje se obavlja mehanikim sredstvima koja osiguravaju dovoljnu jednolinost razastiranja.



Poslije se rotofrezerima mijea zemljani materijal i vapno sve dotle dok se ne dobije homogena mjeavina, to se provjerava prema boji mjeavine. U toku mijeanja dodaje se po potrebi odreena koliina vode kako bi se dobila optimalna vlanost mjeavine, a ako je materijal previe vlaan izlae se prethodno suncu i vjetru kako bi mu se vlanost smanjila na potrebnu mjeru.



Mjeavina se zbija odmah ili nakon nekog vremena, to ovisi o vrsti veziva, a mora biti odreeno prethodnim laboratorijskim ispitivanjima ili iskustvom. Zbijanje se obavlja jeevima, valjcima na kotaima s gumama ili glatkim valjcima do potrebne jednoline zbijenosti.



Prije izrade konstrukcije posteljica trai odreeno vrijeme njege (3 do 7 dana) kroz koje se postie znatan dio stabilizacijskog efekta, a kasnije se svojstva stabiliziranog sloja neprestano i dalje pomalo poboljavaju. Njega se obavlja vlaenjem povrine pomou auto-cisterni.

4.7. Kontrola kvalitete izrade Kontrola kvalitete obuhvaa: - prethodna ispitivanja - tekua ispitivanja u toku rada - kontrolna ispitivanja u toku rada Prethodna ispitivanja obuhvaaju sva prethodna ispitivanja komponenata i mjeavina. Prethodni radni sastav prenosi se na gradilinu mehanizaciju. To konkretno znai da koliinu vapna prema recepturi koja se daje kao % u odnosu na suhu masu tla treba preraunati na kg/m2 povrine u odnosu na debljinu sloja predvienog za stabiliziranje. Kod vanijih gradilita u prethodna ispitivanja spada i izrada pokusne dionice na



kojoj se isprobava uinak tehnolokog postupka i dokazuje mogunost postizanja traene kvalitete. Tekua ispitivanja u toku rada obavlja izvoa, a cilj im je da se kontrolira ispravnost postupka i kvaliteta izrade, te pripremi posteljica za kontrolna ispitivanja. Tekua ispitivanja obuhvaaju odreivanje ovih najvanijih karakteristika: - vlanosti - stupnja zbijenosti (trai se 100 % standardnog Proctora) - indeksa CBR - tlane vrstoe - debljine stabiliziranog sloja - tonosti poprenog profila i - ravnosti (trai se 3 cm mjereno letvom duine 4 metra) Kontrolna ispitivanja obavlja investitor, a cilj im je konana potvrda postignute kvalitete. Obuhvaaju uglavnom iste karakteristike kao i tekua ispitivanja, ali im je gustoa manja. 4.8. Uloga stabilizacije tla vapnom u konstrukciji ceste Stabilizacija tla vapnom nalazi svoju primjenu u ovim elementima ceste:

- podtlu - nasipima - posteljici - konstukciji kolnika

Podtlo i nasipi stabiliziraju se u sluajevima kada je to tehniki i ekonomski opravdano, a iskustva su pokazala da se dobivaju vrlo dobri efekti kako u pogledu dugotrajne stabilnosti tako i odvijanja radova za vrijeme procesa graenja. Stabiliziranje posteljice kod slabo nosivih glinovitih materijala (sa CBR

5 stabilizacija vapnom 2012

Documents