Great White Stone Kalk och markstabilisering Kari Kuusipuro Nordkalk Oyj Abp
Kalksten Kalksten utgör råmaterialet i kalkprodukter. Kalkstenen består nästan helt av mineralet kalcit, vars kemiska beteckning är CaCO 3 Parainen Kurevere Wolica Gotlanti
Bränd kalk Genom att bränna kalksten, dvs. genom kalcinering i ca 1200 C får man bränd kalk. Vid bränningen avgår koldioxid så att kvar blir kalciumoxid, CaO. I denna form är kalk en reaktiv kemikalie. Kalksten Bränning CaCO 3 CaO + CO 2
Släckt kalk Bränd kalk kan släckas med vatten. Härvid bildas släckt kalk, Ca(OH) 2, som också är en reaktiv produkt. CaO + H 2 O Ca(OH) 2 100 g kalk binder 32 g vatten Värmen som frigörs (1163 kj/kg) får vattnet att avdunsta Kalk sväller vid släckning Temperatur [ C] 80 60 40 20 0 Käyrä Släckningskurva 0 20 0,5 50 1 55 2 60 3 63 7 68 10 70 15 71,5 20 72 25 0 72 10 20 30 Tid [min]
Produktionskedjan Brytning Krossning Anrikning GCC Siktning Mellanlager Malning Siktning Kalkstensmjöl Kalkugn Bränd kalk Fällning PCC Siktning Malning Släckning Släckt kalk
Bindemedel för stabilisering 1(2) Bränd kalk, CaO, kan anses vara basbindemedlet vid djupstabilisering. Då metoden började tillämpas talade man om kalkpelarinstallation. Bindemedelssortimentet har sedermera utökats på 1980- och framför allt på 1990-talet då man tagit i bruk olika blandningar med två eller tre bindemedelskomponenter. I de nordiska länderna har de mest använda bindemedlet för djubstabilisering redan länge varit en blandning 1:1 av bränd kalk och standardcement (Nordkalk Terra TM KC50)
Bindemedel för stabilisering 2(2) Övriga bindemedelskomponenter Gips Släckt kalk Elfiltermjöl från kalkugn, LKD (Lime Kiln Dust) Masugnsslaggmjöl Flygaska
Kalkens omedelbara reaktioner vid stabilisering Den brända kalken släcks CaO + H 2 O Ca(OH) 2 reaktionen binder vatten / frigör värme vatten avdunstar, de kemiska reaktionerna tilltar Jonbyte Ca ++ / Na +, K +, Mg +, H + leran får en grövre struktur
Kalkens långtidsreaktioner vid stabilisering Pozzolanreaktioner en höjning av ph bryter lerans kristallstruktur och frigör kisel och aluminium (löslig och amorf kisel) slutprodukten är likartade föreningar som vid cementets hydratisering, (CASH, CSH) 2Ca(OH) 2 + Al 2 O 3 + SiO 2 C 2 AS 8H 2 O (strätlingite) Övriga reaktionsprodukter C 4 A xh 2 O C 4 A CaCO 3 CS H 2 O C 3 A 6H 2 O C 3 AS 2H 2 O
Kalkens diffundering 1(2) Kalk har en förmåga att diffundera i den omgivande leran och sålunda bidra till att göra den stabiliserade lerans kvalitet jämnare och öka kontakten mellan pelare och den omgivande marken. Diffunderbarheten kan t.ex. mätas som en förändring av ph (bilden nedan) eller i en ökning av antalet Ca-joner i den omgivande leran.. Ändring hos lerans ph invid kalkpelaren ph hos lera 13 12 11 10 9 8 7 6 0 20 40 60 80 Avstånd från kalkpelaren [mm] 360 d 180 d 90 d 30 d
Kalkens diffundering 2(2) Tvärsnitt av upplyfta pelare observera skillnaderna. Observera diffunderingszonen i pelarkanten och pelarens jämna kvalitet a) Kalk-gipspelare b) Cement-slaggpelare
Cementets reaktioner Cement är ett hydrauliskt bindemedel, dvs. det förmår reagera med vatten till ett lim. Vid stabiliseringen limmar således cementet jordpartiklarna till varandra. Reaktioner: 2C 3 S + 6H 2 O 3CS 2 3H 2 O + 3Ca(OH) 2 2C 2 S + 4H 2 O 3CS 2 3H 2 O + Ca(OH) 2 C 3 A + 6H 2 O 3CA 6H 2 O 4C 4 AF + 2Ca(OH) 2 + 10H 2 O 3C 3 A 6H 2 O + C3F 6H 2 O
Övriga bindemedelskomponenternas reaktioner Gips Ettringit bildas LKD (Lime Kiln Dust) CaO som aktiv komponent Masugnsslaggmjöl dolt hydrauliskt, med alkaliaktivering ( = Ca(OH) 2 ) likadana reaktionsprodukter som hos cement Flygaska pozzolan, kräver i allmänhet alkaliaktivering
Mängden reaktionsprodukter i lera De teoretiskt uträknade mängderna reaktionsprodukter dvs. hur mycket förstärkande reaktionsprodukter bildar 100 kg bindemedel tillsammans med vatten och lera: Bindemedel 100 kg Reaktionsprodukter med vatten [kg] Pozzolanreaktionsprodukter [kg] Tot. [kg] YSe 100 75 175 CaO - 372 372 KC50 50 224 274
Faktorer som inverkar på markens stabilisering Lera och gyttja har en mycket komplicerad struktur och variablerna är många. Med avseende på stabiliseringsreaktionerna är de mest betydande följande: vattenkvot w kornstorleksfördelning / lerhalt humushalt Hu svavelhalt S tot plasticitet, sensitivitet reagerbara föreningar (löslig/amorf Si, Al) katjonbyteskapacitet
Vattenkvot, w både för- och nackdelar av för hög vattenkvot: hållfastutvecklingen långsammare, eftersom avstånden mellan jordkornen är längre än hos torrare leror ju högre vattenkvot, desto lättare är blandningen och bindemedlets spridning på lång sikt kan leror innehållande mycket vatten uppnå bättre hållfastheter än torrare leror
Kornstorleksfördelning, lerhalt kalk (CaO, Ca(OH)2 ) reagerar med finmaterial pozzolanreaktioner ju högre lerhalt, desto större specifik yta för reaktioner
Humushalt, Hu humusämnen: fulvosyror, humussyror, huminer mörka, sura, komplexa föreningar med stora molekyler stor katjonbyteskapacitet humus binder kalcium mindre mängd kalcium för stabiliseringsreaktioner en ökning av mängden bindemedel hjälper ofta
Svavelhalt, S tot svavel försvårar i allmänhet reaktionerna hos cement och kalk svavelhaltig lera är ofta svart till färgen försvårar inte stabiliseringen hos gipshaltiga bindemedel uppmäts oftast som totala halten svavel, S tot svavel i olika former är svårt och dyrt att bestämma: elementärt svavel, monosulfider (t.ex. FeS), disulfider (t.ex. FeS 2 ), sulfat, organiskt svavel
Plasticitet, sensitivitet faktorer som inverkar på bindemedlets inblandningsförmåga snabbreagerande styv lera blandas ojämnt sensitiv, störningsbenägen lera: bindemedlet blandas lätt och slutresultatet är homogent kalken har en förmåga att diffundera i marken och sålunda förbättra inblandningsresultatet
Stabiliseringsförsök i laboratorium Bindemedlets funktion i olika jordarter testas i laboratorium med enaxialt tryckhållfasthetsprov vanligen vid stabiliseringstider på 1 och 3 månader. Sedvanliga klassificeringsprov görs även på markproverna. I Nordkalks välutrustade laboratorium sker ett kontinuerligt utvecklingsarbete beträffande bindemedel.
Bindemedlets mängd inverkan på hållfastheten Lerors och gyttjors hållfasthetsutveckling kan bemästras genom val av lämpligt bindemedel och en tillräcklig mängd bindemedel Jordarterna har ofta en tröskelhalt hos bindemedelsmängden för stabiliseringen Optimization of binder quantity, Stabilised clay (FIN), 91 d strength 1800 compressive strength [kpa] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 FT FTC FTK LC binder 60 kg/m3 90 kg/m3 120 kg/m3 160 kg/m3 200 kg/m3 240 kg/m3
Tidens inverkan på hållfastheten Kalkhaltiga bindemedel har en förmåga att fortsätta förstärkning under flera år. Vid in Situ förhållanden har man efter en 6 års härdningstid uppmätt t.o.m. sexfaldiga värden jämfört med 1 månads hållfasthetsvärden. Effect of curing time Stabilised Clay Kivikko, binder amount 150 [kg/m 3 ] compressive strength [kpa] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 FT2 FTC FTK KC50 type of binder 7 d 28 d 91 d 182 d 364 d
Djupstabiliseringsmetoden Vid pelarstabilisering sätts bindemedlet in i väggrunden med hjälp av en blandare intryckt i den mjuka jorden till förstärkande cylinderliknande pelare. Bindemedel matas in i marken då blandaren lyfts upp. Pelarnas diameter varierar i allmänhet mellan 500 mm och 800 mm. Den oftast förekommande diametern är 600 mm. I Finland kan man med den utrustning som nu används göra maximalt 15 25 meter långa pelare. Den europeiska djupstabiliseringsstandard som är under beredning kan läsas under adress: www.geoforum.com/wg10/
Pelartyper Pelartyp Fasta pelare Halvfasta pelare Mjuka pelare Dimensioneringsmetod och definition Normgivande skjuvhållfasthet Tillämpningsområde Dimensioneringsanvisning vid djupstabilisering. Vägverkets undersökningar 18/1997. TIEL 3200465. 1997 Fast, pålliknande dimensionering, all belastning på pelarna, momentkapacitet Flytspänningen överskrids inte, samverkar med jorden Eftergivlig pelare, fungerar i samverkan med jorden 150 kpa 150 kpa 100 kpa Högre bankar, tillåtna sättningar små, inte rum för motviktsbankar, gärna till fast botten Låga eller lägre bankar, små sättningar Låga höga bankar, stabiliteten ordnas med motviktsbankar, sättningar under vägbygget Anmärkning Välvning Välvning Kalk-cementpelare max. kompression 3-5 %, inte lämplig för sköra pelare.
Kvalitetskontroll vid djupstabilisering 55 mm 320 mm 112 mm A A Ø 32 mm Ø 50 mm 50 mm Leikkaus A - A Djupstabiliseringspelarnas kvalitet kontrolleras vanligen med pelarborr (bilden). Övriga borrningsmetoder är pelarvingborr och CPT 375 mm
Massastabilisering Vid massastabilisering blandas bindemedel i den mjuka jorden med en grävmaskin försedd med en speciell utrustning. Inblandningen sker i lameller både vertikalt och horisontellt, varvid det med hjälp av bindemedlet bildas en jämnt stabiliserad, homogen och plattliknande zon i marken, som utgör grunden för vägkonstruktionerna.
Skiktstabilisering Vid skiktstabilisering blandar stabiliseringsfräsen bindemedlet och vägmaterialet till en jämn massa på det stabiliserande skiktet. Arbetet utförs vid optimal vattenhalt. Sammanpackning med vält. Nordkalk Terra TM bindemedel lämpar sig också för skiktstabilisering
Arbetarskydd Kom ihåg arbetarskyddet! SKYDDSGLASÖGON! Speciellt vid hantering med tryck, såsom vid påfyllning av tank. Om olyckan är framme: Sköljning med riklig mängd vatten. Fortsätter irritationen, uppsök läkare.
Bindemedel för markstabilisering Nordkalk Terra -produkternas råmaterial Bränd kalk, CaO Cement, St.cem, CEM II/A Gips Nordkalk SL 2, Ca(OH) 2 Nordkalk LKD
Nordkalk Terra djupstabiliseringsprodukter Nordkalk Terra KC50 Bränd kalk + Standardcement. Den mest använda stabiliseringsblandningen. Nordkalk Terra GTC Gips + Nordkalk SL2 + standardcement. Lämpar sig speciellt för gyttjiga objekt som är svåra att stabilisera med kalk-cementblandning. Nordkalk Terra POZ Bränd kalk + Standardcement + Nordkalk LKD. Fungerar som kalkcementblandningen, men ger dessutom ett förmånligare priskvalitetsförhållande. Nordkalk Terra projektbaserade produkter KC-blandningar, mm.
Nordkalk Terra blandningar framställs i Lojo Nordkalks fabrik i Tytyri KC50 KC-blandningar GTC POZ
Nordkalk Terra blandningar framställs i Pargas Nordkalks kalkverk i Pargas KC50 KC-blandningar
Tytyris blandningsstationer i Lojo Den nya blandningsstationen Stabi 2 färdigställdes år 2004 Siilor 4 st 200 m 3 Utströmningsvåg vid varje silo Blandningar KC50 KC** GTC Stabi 1 -POZ -GTC