Stabilisering af Grønlandsk silt med brændt kalk Arktisk Teknologi

Transkript

1 11426 Arktisk Teknologi Mette Scheibel, s Brian Ravn, s Heidi Nielsen, s Diplom bygning Vejleder: Arne Villumsen BYG DTU

2 INDHOLDSFORTEGNELSE FORORD... 3 INDLEDNING... 4 FORMÅL... 5 AFGRÆNSNING... 5 FORSTUDIE... 6 BRÆNDT KALK... 6 KALKSTABILISERING AF GRØNLANDSK LER, RIVIERE ET AL. [2008]... 7 FORSØGSMETODER... 8 KORNKURVE... 8 PLASTICITETSGRÆNSE... 8 FLYDEGRÆNSE... 9 OPTIMALT INDHOLD AF BRÆNDT KALK RØNTGENDIFFRAKTOMETER PROCTOR CBR FRYSEPUNKTSBESTEMMELSE RESULTATER FOR FORSØG KORNKURVE PLASTICITETSGRÆNSE FLYDEGRÆNSE OPTIMALT INDHOLD AF BRÆNDT KALK - VISUELT RØNTGENDIFFRAKTOMETER PROCTOR OG CBR FRYSEPUNKTSBESTEMMELSE FELTARBEJDE VALG AF OMRÅDE UDFØRELSE RESULTAT AF NEDFRÆSNING KONKLUSION DISKUSSION OG PERSPEKTIVERING LITTERATUR Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 1 of 34

3 BILAGSLISTE Bilag 1 Vejledning til Røntgendiffraktometer Bilag 2 Kornstørrelsesbestemmelse Bilag 3 Konsistensgrænser Bilag 4 Røntgendiffraktogramudskrift for fintesten Bilag 5 Røntgendiffraktogramudskrift for grovtesten Bilag 6 CBR- og Proctor resultater for grønlandsk silt fra Sisimiut Bilag 7 CBR- og Proctor resultater for grønlandsk ler fra Kangerlussuaq Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 2 of 34

4 Forord Denne rapport er udarbejdet som afslutning på kursus 11426, Arktik Teknologi, 15 ECTS point. Projektet er udarbejdet i hhv. 3-ugers kursus i august 2008 samt 13-ugers kursus i efteråret Rapporten bygger på resultater fra laboratorieforsøg udført på silt fra Sisimiut samt resultater fra feltarbejde på Grønland. Hovedvejleder på projektet er professor Arne Villumsen på Institut for byggeri og anlæg, center for arktisk teknologi på DTU. Vi vil gerne takke alle dem der har hjulpet i forbindelse med projektet. Tak til Arne Villumsen for muligheden for at undersøge emnet og tak til Vita Larsen, Caroline Burger samt Niels Foged for hjælp og vejledning med forsøgsgange og tolkninger. Tak til BJ Entreprise og i særdeleshed Jeppe Mortensen for godt samarbejde og behjælpelighed med tildeling af testområde. Tak til Vejdirektoratet, herunder Gregers Hildebrandt og Mogens Larsen for medvurdering af resultater. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 3 of 34

5 Indledning Vejbygning i Grønland er erfaringsmæssigt kendt for at være problematisk, både ved opbygningen og vedligeholdelse. Det er især i områder med siltede eller lerede aflejringer med meget vand fra nedbør og permafrost problemerne opstår. Ved vejbygningens opstartsfase kan materialet være så flydende, at maskinerne ikke kan komme til på byggepladsen. Efter vejkassens opbygning slår asfalten hvert år i udsatte områder, store revner pga. sætninger i underlagsmaterialet, pga. permafrosten. Dette problem er særligt kendt i byen Sisimiut, som igennem Institut for Arktisk Teknologi på DTU har efterspurgt en løsning på problemet, som dette projekt vil forsøge at komme nærmere. I Danmark har man haft stor succes med at kalkstabilisere flydende lerarter, derfor ønskes det undersøgt fra instituttets side om det ligeledes er muligt på grønlandske lerarter. Dette projekt omhandler kalkstabilisering af grønlandsk silt fra Sisimiut, som er optaget fra et igangværende vejbygningsprojekt i Ulkebugten, med højt vandtryk fra omliggende skrænt, som derfor gør vejbygningen problematisk, se figur 1 for placering af Sisimiut og Ulkebugten. Figur 1: Placering af Sisimiut og Ulkebugten Forud for dette projekt er der blevet udarbejdet et projekt [Riviere et. al., 2008] til kursus Laboratoriepraktik, hvor egenskaberne for moræneler og grønlandsk ler blev Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 4 of 34

6 undersøgt for efterfølgende at kalkstabilisere dem og undersøge ændringen i styrke. Disse resultater vil blive brugt til sammenligning af dette projekts resultater. Formål Projektets formål er at undersøge om det er muligt at stabilisere grønlandsk silt med brændt kalk teoretisk og i praksis. De teoretiske resultater sammenlignes med resultater fra Riviere et. al [2008] projektet, og det diskuteres sammenholdt med forsøget i praksis, om det ville kunne benyttes ved vejbygning på Grønland. Følgende parametre undersøges og vurderes: Kornkurve (Slemmeanalyse) Plasticitetsgrænse og flydegrænse Mineralundersøgelse (Røntgendiffraktometer) Optimal kalkindholdsbestemmelse Indstampningsforsøg for optimalt vandindhold (Proctor) Styrketest (CBR) Frysepunktbestemmelse Endvidere udføres et testforsøg med stabilisering af flydende silt med brændt kalk, i Ulkebugten i Sisimiut. Afgrænsning Det vælges ikke at gå i dybden med kemien omkring stabiliseringen, dette vil blive gennemgået overfladisk, til eventuel overtagelse af et kemiprojekt. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 5 of 34

7 Forstudie Dette kapitel vil gennemgå fakta for brug af brændt kalk, samt konklusionen på stabilisering af grønlandsk ler med brændt kalk fra Riviere et al. [2008]. Brændt kalk Brændt kalk benyttes i Danmark til stabilisering af ikke granulære materialer som ler og silt. Når ler/silt tilsættes brændt kalk kan vandindholdet reduceres med 4-7%, da der sker en kemisk forandring ved bl.a. en ionombytning, hvor kationer erstattes med calciumioner. Under et sådant stabiliseringsforsøg bliver materialet kornet allerede efter 1 minut, og efter 1-2 timer begynder hærdningen, hvor calciumhydroxid reagerer med carbondioxid fra luften, og der dannes igen calciumcarbonat. Denne hærdning kan sammenlignes med fremstilling af mørtel, som bliver hårdt ved reaktion med luften. Brændt kalk (calciumoxid) fremstilles ved at opvarme kalk (calciumcarbonat) til ca o C, hvorefter den omdannes til calciumoxid og carbondioxid. CaCO 3( s) CaO( s) CO2 ( g) Når kalken tilsættes sker følgende reaktion, hvorved calciumionerne fremkommer. Den kemiske reaktion med temperaturstigningen til følge skyldes de stærkt basiske OH - grupper. CaO( s) H O( l) Ca ( s) 2 OH ( g) 2 De frie calciumioner bytter plads med materialets kationer og laver en stærk binding. Erfaringsmæssigt virker det brændte kalk bedst på materialer med høj ionbytningsevne, bl.a. smectitholdig ler. Idéen med at kalkstabilisere er at øge flydegrænsen for at forhindre jorden i at flyde. For de fleste typer ler ligger det naturlige vandindhold tæt på flydegrænsen, og vha. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 6 of 34

8 kalkstabilisering kan flydegrænsen øges i forhold til det naturlige vandindhold, se figur 2 for eksempel på flytning af flydegrænse ved kalkstabilisering. Figur 2: Skitsering af eksempel på flytning af flyde- og plasticitetgrænser De optegnede linier betegner styrken af leret i forhold til vandindholdet før og efter kalkstabilisering (fuldt optrukket=før, stiplet=efter). Her ses det at kalkstabiliseringen øger styrken i forhold til vandindholdet. I danske materialer med ler ligger det naturlige vandindhold typisk lidt under flydegrænsen så ved kalkstabilisering øges afstanden mellem de to. I det grønlandske materialer med ler ligger flydegrænsen ofte under det naturlige vandindhold, derved skal flydegrænsen flyttes betydeligt mere for at give effekt. Som før nævnt kan der opnås en vandreduktion på 4-7%., derved er det en forudsætning at det naturlige vandindhold ligger lavere end 4-7%- point over flydegrænsen. Kalkstabilisering af grønlandsk ler, Riviere et al. [2008] Ud fra teorien om at det brændte kalk reagerer med lermineralerne, konkluderes det efter klassifikationsforsøg at det grønlandske ler ikke er velegnet til kalkstabilisering. Dette konkluderes pga. det lave mineralindhold i leren, samt forholdet mellem det naturlige vandindhold og flydegrænsen, hvor flydegrænsen ligger mere end 4-7%-point under det naturlige vandindhold. Det naturlige vandindhold for den aktuelle prøve var ikke kendt, men ifølge C. Hejlesen fra Vejdirektoratet lå det markant højere end i Danmark. Det fremgår dog af CBR-forsøget efter kalkstabiliseringen, at bæreevnen øges og at det derfor alligevel er muligt at kalkstabilisere. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 7 of 34

9 Forsøgsmetoder Dette kapitel omhandler metoderne for de planlagte forsøg. Kornkurve Ved kornstørrelsesfordeling benyttes vejledningen fra Laboratoriehåndbogen [2001], hvor materialets tørmasse fordeles efter kornstørrelse i forskellige fraktioner. Kornstørrelserne under 0,075mm bestemmes via en hydrometeranalyse. Først vaskes prøven gennem en 0,075 mm sigte, så materialet adskilles i to prøver med kornstørrelse over og under 0,075mm. Prøven med de store korn, sigtes gennem forskellige sigter, og gennemfaldet for hver sigte afvejes. Ved hydrometeranalyse benyttes en prøve på ca. 75g, hvor der tilsættes ca. 25cm 3 peptisatorvæske, og prøven røres ud til en homogen opslemning og hældes over i sedimentationscylinder, hvor intet af prøvemassen må gå til spilde. Cylinderet fyldes med peptisator, og omrystes ved at bund og top skiftevis vendes op og ned i 2 minutter, så opslemningen homogeniseres. Efter 1 minut måles opslemningens koncentration med hydrometer, der forsigtigt sænkes ned til flydedybden, og der aflæses ved overkant af meniskus. Sådan fortsætter det igen efter 2 minutter, 4 minutter osv. Plasticitetsgrænse Ifølge vejledning fra Laboratoriehåndbogen [2001] vaskes silten gennem en sigte på 0,42mm, hvorefter der udrulles pølser med 3mm i diameter. Pølser som har mange sprækker, men som stadig er sammenhængende benyttes og vejes før og efter udtørring i varmeskab ved 105 o C for efterfølgende at bestemme vandindhold. Den endelige plasticitetsgrænse bestemmes ved middelværdi for vandindholdet. Følgende formel benyttes til bestemmelse af vandindhold m w% våd m m tør tør Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 8 of 34

10 Flydegrænse Flydegrænsen bestemmes ved to forskellige forsøg. Det første forsøg er et casa-grande slagapparat, vejledning beskrevet i Laboratoriehåndbogen [2001], hvor silten skal flyde sammen over og under 25 slag, hvorefter de pågældende vandindhold bestemmes ved vejning før og efter udtørring i varmeskab ved 105 o C. Værdierne for vandindhold og slagantal plottes i diagram, hvor der optegnes en tilnærmelsesvis ret linie, og flydegrænsen beregnes ud fra den tilnærmede linie ved 25 slag. Det andet forsøg er et faldkegleforsøg, vejledning beskrevet i Laboratoriehåndbogen [2001], hvor der benyttes en 60g kegle, der slippes når spidsen af keglen rammer prøvens overkant, hvorefter den penetrerer materialet med en værdi større og mindre end 10mm. Der bestemmes ligeledes vandindhold for hvert keglefald. Værdierne for vandindhold og penetrering plottes i diagram, hvor der optegnes en tilnærmelsesvis ret linie, og flydegrænsen beregnes ud fra den tilnærmede linie ved 10 slag. Se figur 3 for opstilling af faldkegleforsøg. Figur 3: Opstilling af faldkegleforsøg Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 9 of 34

11 Optimalt indhold af brændt kalk I Danmark benyttes ca. 2% brændt kalk, da det erfaringsmæssigt konkluderes at yderligere tilførsel af brændt kalk ikke optimerer styrken, og at materialet derfor ikke kan optage den yderligere tilsætning. Da der ingen erfaring er med brugen af brændt kalk på grønlandsk silt, testes materialet med 4% tilsætning som udgangspunkt, på det grønlandske silt ved naturligt vandindhold. Herefter vurderes tilsætningen optimal, når materialet ikke kan optage yderligere brændt kalk. Endvidere undersøges den gennemsnitlige ændring af vandindhold ved tilsætning af den valgte kalkprocent. Den brændte kalk der tilsættes skal opbevares i en lufttæt beholder, da den ellers kan mister noget af effekten, ved optagning af fugt fra luften, og den har en holdbarhed på 3mdr efter åbning. Røntgendiffraktometer Lermineralerne bestemmes ud fra to metoder ifølge vejledning om lermineralogi, se bilag 1. Den første test består af en grov test der pga. enkeltheden i testen muliggør at teste mineralogien i materialet tilsat brændt kalk. Der fortages derfor to prøver ved denne metode, én med grønlandsk silt og én med grønlandsk silt tilsat 4% brændt kalk. Endvidere er der lavet en mere præcis test af opslemmet materiale, som med større nøjagtighed måler mineralogien i leret. Det er dog ikke muligt at måle mineralogien på materialet med tilsætning pga. opslemningen, derfor benyttes denne test til at underbygge resultaterne for den ovenstående test uden tilsætning. Ved grovtesten presses en lille prøve i en metalbeholder, som placeres i røntgendiffraktometeret til måling. Ved den mere præcise test laves en tredobbelt bestemmelse af leret. Først sigtes lerfraktionen, hvor der afvejes 5g ler, som hældes i en plastflaske sammen med 200ml Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 10 of 34

12 0,002 M Na-pyro-fosfat. Prøven placeres i skvulpemaskine i minimum 18 timer, hvor leret suspenderes og sigtes gennem en 63 µm sigte. De sigtede lerpartikler hældes i en 30cm højt cylinder, som fyldes med destilleret vand. Prøven står i 15 timer og 20 minutter, hvorefter suspensionen i de øverste 20cm væske opsuges med en pumpe. Prøven placeres i en centrifuge indtil lerpartiklerne bundfældes. Lerpartiklerne smøres på 3 små glasplader, og når vandet fordampes placeres prøverne i røntgendiffraktometeret til måling. Røntgendiffraktometeret fungerer ved at der sendes en røntgenstråling med en kendt bølgelængde mod lerpræparatet i forskellige indfaldsvinkler, og måler den reflekterende stråling. Metoden genkender de forskellige lermineraler ved deres gitterafstand. Når røntgenstrålen rammer lermineralet, sker der en konstruktiv interferens ved de bestemte indfaldsvikler for bestemte gitterafstande. Sammenhængen mellem gitterafstanden, indfaldsvinklen, og bølgelængden for røntgenstrålingen beskrives ved Braggs lov. N 2 d sin Prøverne fra de mere præcise tests udsættes endvidere for hhv. ethylenglycol, opvarmning til 350ºC og 550ºC, hvor der mellem hver påvirkning, foretages målinger i røntgendiffraktometeret. Proctor Det optimale vandindhold bestemmes vha. proctorforsøg ifølge vejledning i Laboratoriehåndbogen [2001]. Proctorforsøget består af en proctorstamper og en indstampningscylinder med en aftagelig krave.. Indstampningscylinderen opfyldes 1/3, stampes 56 gange, hvorefter kraven sættes på. Cylinderen opfyldes til kravens underkant, stampes 56 gange, hvorefter der fyldes op til kravens overkant og stampes 56 gange. Kraven fjernes forsigtig og prøven afrettes med en stållineal. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 11 of 34

13 CBR CBR-maskinen på Grønland var desværre gået i stykker, derfor måtte forsøgene udføres på en mere primitiv måde, men dog efter samme princip som ved vejledning for CBR i Laboratoriehåndbogen [2001]. På Grønland var der en alternativ opstilling til rådighed med trykmåler og flytningsmåler. Til opstillingen konstrueres en cylinder på 8cm i højden og 5cm i diameter, samt en tilhørende krave på 2cm, der fastgøres til cylinderen med et spændebånd. Der svejses en bund på cylinderen der passer til opstillingen. Herefter benyttes samme fremgangsmåde, som ved proctorforsøget, hvor prøven opfyldes og stampes med vægtstang, konstrueret af en gevindstang med møtrikker, og efterfølgende afrettes med en stållineal. Den fyldte cylinder sættes i opstillingen, hvor trykhovedet sættes ned til prøven. Der presses på prøven og kraften aflæses ved hhv. 2mm og 5mm. Det vurderes at prøver der udpresser vand, ikke er tilstrækkeligt stabiliserede og at resultaterne derfor ikke er relevante. Se figur 4 for alternativ CBR-opstilling. Figur 4: Alternativ CBR-opstilling Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 12 of 34

14 Til optegning af kurve over CBR forsøgets resultater benyttes følgende formel for beregning af CBR-værdier, som ca. svarer til 1/10 af styrken. N 2mm Astempel 100 7,03MPa CBR værdi max N 5mm Astempel ,54MPa Frysepunktsbestemmelse Da vejkasser på Grønland vil være udsat for frost, undersøges det stabiliserede materiales reaktion med frost og optøning. Der laves 2 proctorprøver, som udtages fra cylinderen og pakkes ind i fedtpapair for ikke at udtørre prøven. Der måles vandindhold og udføres et styrkeforsøg med faldkegleforsøg ifølge vejledning i Laboratoriehåndbogen [2001] samt tabel opslag i instruktionsbog [Geonor] for at bestemme styrken af prøverne inden nedfrysning. Der bores et hul midt i prøven, som termometerloggerne nedstikkes i, hvorefter prøverne sættes i en flamingokasse som opfyldes med krøyerkugler og lægges i en fryser. Krøyerkuglerne medvirker en jævn nedkølning af prøverne. Prøverne nedfryses til under frysepunkt, hvorefter kassen optages til optøning. Vandindholdet samt styrken måles igen for den optøede prøve. Se figur 5 for opstilling af frysetest. Figur 5: Fryseprøverne packet ind I fedtpapir med indsatte termologger Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 13 of 34

15 Resultater for forsøg Dette kapitel omhandler resultater for alle forsøgsgangene. Alle resultater for den grønlandske silt, sammenlignes med resultater for grønlandsk ler fra projekt Riviere et al. [2008]. Kornkurve Kornstørrelsesfordelingen visualiseres i form af en kornkurve, som viser gennemfaldsprocenten op af y-aksen, som funktion af logaritmen til sigtestørrelsen. Se figur 6 for kornkurve for den grønlandske silt og bilag 2 for talresultater. Figur 6: Kornkurve for den grønlandske silt Lerindholdet aflæses ud fra gennemfaldet under 2μm, se figur 7 for lerindhold. Type af ler Lerindhold [%] Ler fra Kangerlussuaq 32,2 Ler fra Sisimiut 6,4 Figur 7: Lerindhold for grønlandsk silt og grønlandsk ler I Danmark karakteriseres ler ved at have et lerindhold over 15%. Det ses på figur 7 at der er et meget lille lerindhold i materialet fra Sisimiut i forhold til materialet i Kangerlussuaq, Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 14 of 34

16 endvidere ses det at der ikke er nok ler i materialet fra Sisimiut til at karakterisere det som en lerart. Desuden bekræftes det ud fra figur 6 at materialet fra Sisimiut domineres af silt som ligger i sigtestørrelsesintervallet 2-60μm. Plasticitetsgrænse Det var desværre ikke muligt at udføre forsøget, da materialet var meget sandet og ikke kunne udrulles til en 3mm pølse og stadig være sammenhængende. Derved klassificeres materialet som ikke-plastisk. Grunden til at materialet ikke er plastisk, kan forklares ved det lave lerindhold. Det kan også forklares ved at materialet har et meget lille plasticitetsindex, dvs. at plasticitetsgrænsen er meget tæt på flydegrænsen. Det grønlandske ler har et plasticitetsindex på 15,1%. Flydegrænse Det var desværre heller ikke muligt at udføre casa-grande forsøget. Enten flød materialet ikke sammen, ellers flød den sammen omgående. Det var derimod muligt at udføre faldkegleforsøget, se figur 8 for kurve til aflæsning af flydegrænse, se bilag 3 for talresultater. Figur 8: Kurve til aflæsning af flydegrænse ved faldkegleforsøg Det beregnes ud fra en lineær regressionslinie med y-værdien 10mm, at flydegrænsen er ved 15,4%. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 15 of 34

17 Materialets flydegrænse sammenlignes med den grønlandske ler på 21,8%, og det bemærkes at det grønlandske silt kan optage mindre vand før det flyder. En forklaring på dette kan være det lavere lerindhold i silten. Er der grønlandsk ler i materialet, kan det forklares hvorfor plasticitetsindexet ikke kan måles, da plasticitetsgrænsen i det grønlandske ler er på 15,1% og materialets flydegrænse er på 15,4%, hvilket giver et meget lille plasticitetsindex. Optimalt indhold af brændt kalk - visuelt Tilsætningen undersøges ved naturligt vandindhold for materialet på ca. 14%. Ved 4% tilsætning af brændt kalk sker en markant forbedring, hvor materialet ikke længere flyder. Ved 2% tilsætning ses også en forbedring til under flydegrænse, dog ikke så markant som ved 4%. Ved 6% tilsætning ses samme forbedring som ved 4%, dog med stort kalkoverskud i form af kalkkugler i materialet. Det vælges derfor at benytte 4% tilsætning af brændt kalk som udgangspunkt. Se figur 9 for visuel fremstilling af materialet før og efter tilsætning af 4% brændt kalk. Figur 9: Kalktilsætning i grønlandsk silt med w=14% Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 16 of 34

18 Det undersøges endvidere på syv forskellige prøver, hvor stor vandindholdsændring den brændte kalk tilfører materialet. Se figur 10 for vandindholdsændring ved tilsætning af 4% brændt kalk. Prøve 1 Prøve 2 Prøve 3 Prøve 4 Prøve 5 Prøve 6 Prøve 7 Gennemsnitlig ændring Vandindhold i materiale uden tilsætning [%] 1,5 3,5 5,4 6,7 8 10,2 12,1 - Vandindhold i materiale med 4% brændt kalk tilsætning [%] 0,5 1,9 4,1 5,4 7,3 8,1 10,4 - Ændring i vandindhold 1 1,6 1,3 1,3 0,7 2,1 1,7 1,4 Figur 10: Vandindholdsændring ved tilsætning af 4% brændt kalk Det ses på figur 10 at der er en gennemsnitlig ændring i vandindholdet på 1,4%-point. Røntgendiffraktometer Rådata fra røntgendifraktometeret består af et røntgendiffraktogram, hvor mængdeforholdene mellem de pågældende lermineraler kan bestemmes. Det antages et en given top i diagrammet relaterer til en given mængde af et givent lermineral. Arealet af den enkelte top sættes i forhold til det samlede areal af alle toppene for lermineralerne i den pågældende lerprøve. Metoden antager, at en given mængde at en type lermineral giver samme udslag på røntgendiffraktogrammet, som en tilsvarende mængde af en anden type lermineral. Antagelsen tager ikke højde for at toparealet påvirkes af bl.a. kornstørrelse og krystallisering af forskellige lermineraler. Ud fra fintesten findes følgende mineraler i siltet. Illit Kvarts Chlorit Smectit Endvidere blev der fundet en del feldspat, se bilag 4a for angivelse. Det ses af det samlede bilag 4 at silten er domineret af illit og kvarts. På bilag 4a er der er fundet stor Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 17 of 34

19 andel af illit i intervallet 8-9 samt Kvarts er fundet ved 21 og igen ved Der er endvidere fundet chlorit ved samt 25, som kendetegnes ved at forsvinde ved opvarmning til 550 o C, se bilag 4c. Der er også en minimal andel smectit i prøven, som kendetegnes ved at vandre til nærliggende toppe, da det er et aktivt lermineral, se bilag 4e. Det ses at forholdene mellem mineralerne ændrer sig, når der tilsættes kalk. På røntgendiffraktogrammet af den grove test, ses det at kvartstoppene og toppene for illit øges ved tilsætning af kalk, hvilket tyder på at kalken binder sig til disse mineraler, se bilag 5. Det bemærkes at grovtesten er svær at tolke ud fra da mineralogien ikke fremgår nær så tydeligt som på fintesten. Proctor og CBR Det vælges at teste materialet ved tilsætning af hhv. 2% og 4% brændt kalk. Der optegnes et samlet diagram for proctor resultaterne og CBR-værdierne, se figur 11, 12 og 13 for hhv. diagram uden og med tilsætning af 2% og 4% brændt kalk, samt se bilag 6 for talresultater. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 18 of 34

20 Figur 11: Proctor og CBR-forsøg med Grønlandsk silt uden tilsætning af kalk. Figur 12: Proctor og CBR-forsøg med Grønlandsk silt med tilsætning af 2% kalk. Figur 13: Proctor og CBR-forsøg med Grønlandsk silt med tilsætning af 4% kalk. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 19 of 34

21 På figur 11, 12 og 13 viser den røde kurve resultater for proctorforsøgene. Kurvernes top viser det optimale vandindhold for indstampning. Den blå kurve viser siltens styrke ved en CBR-værdi som kan omsættes til en ca.-værdi for styrken ved en faktor 10, dvs. en CBRværdi på 10% kan omsættes til en styrke på 100kPa. Sammenholdes proctorkurverne på figur 11, 12 og 13, ses at det optimale vandindhold stiger fra 6% til 8% ved tilsætning af 2% brændt kalk og en stigning fra 6% til 10% ved tilsætning af 4% brændt kalk. Sammenholdes CBR-kurverne på figur 11, 12 og 13 ses det at det ikke var muligt at måle styrke på silt med vandindhold højere end 6 uden tilsætning af brændt kalk. Ved tilsætning af 2% brændt kalk, var det muligt at måle styrke op til 10%, hvor det derimod ved tilsætning af 4% brændt kalk var muligt at måle styrke op til 14% vandindhold. Styrkemålingen ved 4% tilsætning viser en jævn kurve hvilket betyder at styrken ikke påvirkes af materialets vandindhold. I Danmark er der et krav til at CBR-værdien skal være større end 4 ( 40kPa), for at man må bygge på det. Gælder samme krav i Grønland viser disse styrkemålinger at der godt kan bygges på indstampet silt tilsæt 4% brændt kalk. Figur 11, 12 og 13 sammenlignes med CBR- og proctorværdierne for det grønlandske ler fra Kangerlussuaq, hvor der blev tilsat 2% brændt kalk, se bilag 7. Kurverne kan ikke sammenlignes direkte, da der er forskellige tilsætningsprocenter af det brændte kalk, men det bemærkes at det optimale vandindhold øges på begge materialer. Endvidere er styrken i materialet fra Kangerlussuaq umiddelbart højere end i materialet fra Sisimiut. Det bemærkes også at styrken øges ved tilsætning af brændt kalk i materialet fra Kangerlussuaq, hvorimod styrken ikke øges ved materialet fra Sisimiut. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 20 of 34

22 Frysepunktsbestemmelse Der plottes følgende resultater for temperaturændringerne ved nedfrysning og optøning af indstampet silt tilsat brændt kalk, se figur 14 og 15 for plot af resultater. Figur 14: Temperaturændringer for fryseprøve 1 Figur 15: Temperaturændringer for fryseprøve 2 Fryse- og optøningsfaser vises på en temperaturændrings kurve som et plateau, hvor der sker en konsistensændring, mens temperaturen er konstant. Figur 14 og 15 viser to ens prøver der begge har frysepunkt omkring -0,54 o C, og da ler almindeligvis fryse ved denne Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 21 of 34

23 temperatur sker der ingen frysepunktssænkning ved tilsætning af brændt kalk. Det var desværre ikke muligt at måle den aktuelle styrke ved faldkegle forsøg, som med en 400g kegle maksimalt kan måle en styrke på 245kPa med en penetrering på 4mm, hvor eksempelvis en penetrering på 8mm viser en styrke på 62kPa. Penetreringen på fryseprøverne er alle under 4mm, dvs. begge prøver har før og efter nedfrysning en styrke >245kPa. I stedet for at sammenligne styrkerne for prøverne, sammenlignes derfor penetreringerne, for at give et billede om styrken forbedres eller forværres. Se figur 16 for resultater for vandindhold og penetrering. w 0 [%] w slut [%] Penetrering før frysning [mm] Penetrering efter optøning [mm] Fryseprøve 1 8,9 8,8 1,7 1,1 Fryseprøve 2 8,8 8,6 1,1 0,9 Figur 16: Resultater for penetrering og vandindhold Der ses på figur 16 en lille forbedring af prøvernes styrke, ud fra penetreringerne før og efter optøning, dog er ændringen i penetreringen så lille at prøven ikke vurderes styrkeforbedret efter nedfrysning. Der ses heller ingen ændring i vandindhold. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 22 of 34

24 Feltarbejde Dette afsnit giver en visuel vurdering ved testforsøg af stabilisering af et stykke vej i Ulkebugten ved tilsætning af 4% brændt kalk. Først gennemgås processen for udvælgelse af område, dernæst beskrives udførelsen af kalkstabiliseringen og til sidst vurderes resultatet. Valg af område Der var på forhånd givet oplysninger om at Rambøll A/S i Grønland var bekendt med byens områder med problematisk (flydende) jord, men det viste sig at entreprenørerne var bedre kendt med området, så BJ Entreprise A/S kontaktes i stedet. BJ Entreprise A/S kontaktperson, Jeppe Mortensen fortalte at de tilfældigvis var ved at opbygge en vejkasse langs Ulkebugten, hvor jorden var meget problematisk, se figur 17 for billede af vejkassen ved Ulkebugten under opbygning. Figur 17: Ulkebugten Vejkassen langs Ulkebugten ligger for enden af en stejl skråning der er ca. 20m høj, Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 23 of 34

25 hvilket giver et stort vandtryk på vejkassen. Endvidere er jorden frossen under mulden og efterhånden som mulden fjernes optøs jorden og vandtrykket øges yderligere. Den problematiske jord mættes derved med vand, så det ikke er muligt for entreprenøren at føre maskiner eller andre køretøjer på pladsen uden at behandle jorden først. Det vælges derfor at køre op til 3m sprængsten på jorden for at gøre pladsen farbar. BJ Entreprise var meget behjælpelige og gjorde det muligt at indsamle prøver til laboratoriet, samt udvælge et område til test af tilsætning af brændt kalk. Da det skulle være muligt året efter at vende tilbage til testområdet, for at undersøge langtidsvirkningen for det brændte kalk, valgtes der i første omgang et område ca. 6m fra vejkassen op ad skrænten. Der indhentes tilladelse fra kommunen til at opgrave området, da det ligger udenfor BJ Entreprise A/S byggezone. Testområdet indhegnes 5x10m og BJ Entreprise var behjælpelige med at skrabe mulden af med en gravemaskine. Se figur 18 for valg af område og figur 19 for afgravning af muld. Figur 18: Valg af testområde 6m fra vejkasse Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 24 of 34

26 Figur 19: Afgravning af muld i testområdet Det viste sig desværre at jorden var frossen under mulden, så det derfor ikke var muligt at udføre forsøget oppe på skråningen, og det var derfor ikke muligt at teste et område der kan vendes tilbage til året efter. Jeppe Mortensen foreslår i stedet at teste kalkstabiliseringsmetoden i kanten af vejkassen, hvorefter han vil tilsende en prøve af jorden 1 måned senere, hvor området vil blive gravet op. Det nye område på 1m x 6m indhegnes, se figur 20 for materialets tilstand ved testområdet i kanten af vejkassen. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 25 of 34

27 Figur 20: Materialet i kanten af vejkassen Som det ses på figur 20 var materialet meget flydende og meget ustabil. Figuren viser endvidere den frosne kant under mulden. Udførelse De 4% brændt kalk tilsættes ved at brede kalken ud på området og efterfølgende fræse det ned i jorden. Nedfræsningen foregik med en havefræser, som kunne fræse op til 15cm ned i jorden. Ud fra en antaget densitet for jorden på 1,8 ton/m 3 beregnes det, at der skulle spredes (1800kg/m 3 x 4% x 0,15m x 1m x 6m = 64,8kg) 65kg brændt kalk ud på det udvalgte område. Se figur 21 for udførsel af test forsøget. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 26 of 34

28 Figur 21:Udførelse af kalkstabilisering Under udlægningen og nedfræsningen bar alle støvmasker og handsker ved direkte kontakt med det brændte kalk. Til trods for sikkerhedsforanstaltningerne kunne det stadig mærkes i lungerne, når det støvede og huden blev irriteret ved berøring. Resultat af nedfræsning Før nedfræsningen var jorden flydende og umuligt at stå på uden at synke i. I det samme det brændte kalk nedfræses i jorden, forsvandt den flydende konsistens og jorden blev tør og som en vandseng at gå på. Da der ingen pladevibrator var til rådighed, blev jorden stampet med vores egen vægt, hvorefter jorden fremstod som en god solid pude. Jorden gyngede dog stadigvæk ved gang henover, da der stadigvæk var flydende silt nedenunder. Testområdet virkede robust, og der sivede ikke vand op igennem. Se figur 22 for det færdige resultat. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 27 of 34

29 Figur 22: Færdigt resultat af nedfræsning 10 timer senere var den solide pude effekt forsvundet og området var igen blevet til flydende silt uden bæreevne. Det blev testet at området ikke længere kunne bære vægten af en person på 55kg. Se figur 23 for testområde efter 10 timer. Figur 23: Testområde efter 10 timer Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 28 of 34

30 Det antages at effekten fra den brændte kalk forsvandt ved tilførsel af vand. Skråningens vandtryk sørgede for at vand sivede ned både over og under området, og derved opløses effekten fra kalkstabiliseringen. Jeppe udtaler at han før testen var meget skeptisk omkring kalkstabiliseringsmetoden, men efter testen ændredes han til optimistisk. Han fortæller at man i tilfælde som ved Ulkebugten kunne bruge metoden til at lave et stabilt underlag ved at grubbe kalken ned i jorden, i stedet for at grave af og stampe stabilgrus til et stabilt underlag. Hvis metoden kunne fungere, ville det være besparende, da man kun skulle købe kalken og grubbe det ned og stampe, frem for at grave silten af, deponere det, fylde stabilgrus i og stampe det. Desuden ville Grønland selv kunne producere det brændte kalk, da de selv har kalkbrud til rådighed, hvilket sparer den dyre fragt fra Danmark. Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 29 of 34

31 Konklusion Som forventet flyttes konsistensgrænserne for materialet ved kalkstabilisering, idet materialet visuelt ændres fra flydende til fast konsistens ved tilsætning af 4% brændt kalk. Ved testforsøg blev det vist at materialet i Sisimiut ikke er en lerart pga. lerindhold på 6,4% som er under grænsen for kategorisering af en lerart. Derimod er det et siltholdigt materiale og derfor ikke helt sammenligneligt med leret fra Kangerlussuaq. Ved Ulkebugten var leret meget flydende til trods for et vandindhold på ca. 14%, hvilket skyldes en flydegrænse på 15,4%. Materialet var i laboratorieforsøg ikke plastisk, hvilket skyldes et lille plasticitetsindeks. Det konkluderes at det optimale kalkprocentsindhold for det grønlandske silt er 4%, som giver en gennemsnitlig vandindholdsreduktion på 1,4%-point. Ud fra lermineralundersøgelsen, hvor leret fandtes domineret af illit og kvarts, konkluderes det at tilsætningen af det brændte kalk påvirker mineralogien. Endvidere ses det at det ikke er mængden af lermineraler der er afgørende for effekten af kalkstabiliseringen, idet der ikke er mange mineraler i materialet pga. det lave lerindhold. Ved indstampning var det muligt at aflæse et optimalt vandindhold på hhv. 6, 8 og 10% for hhv. materialet uden tilsætning, med 2% tilsætning og med 4% tilsætning af brændt kalk. Det ses at ved tilsætning af 4% brændt kalk ændres det optimale vandindhold 4%-point, hvilket bl.a. skyldes en reduktion i vandindhold. Styrkemålingerne viser en klar forbedring fra naturligt vandindhold på 14% uden tilsætning til tilsætning af 4% brændt kalk. Før tilsætning var det ikke muligt at måle en styrke, hvor der efter tilsætning måles en styrke på ca. 250MPa, hvilket gør materialet velegnet til vejbygning. Endvidere påvirkes styrken ikke af varierende vandindhold efter tilsætning. Det konkluderes i laboratorieforsøg at styrken ikke påvirkes af temperaturændringer over og under frysepunktet for en indstampet prøve med kalktilsætning. Det praktiske testforsøg ved Ulkebugten viste ligeledes en stigning i styrke, men styrken Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 30 of 34

32 kunne ikke opretholdes pga. tilførsel af vand. Der var dog stadig optimistisk respons fra en erfaren entreprenør indenfor vejbygning. Umiddelbart var testresultatet ved Ulkebugten acceptabelt og det vurderes at metoden godt kan bruges i praksis, hvis de rigtige forudsætninger er opfyldt. Af forudsætninger kan nævnes ingen bemærkelsesværdig tilførsel af vand, hvor det må konkluderes at testområdet havde for stort vandtryk til at kunne blive kalkstabiliseret. Diskussion og perspektivering I laboratorieforsøgene var der forsøgsgange og metoder der kan forbedres. Det havde været fordelagtigt til sammenligning,hvis det havde været muligt at fastlægge mængderne af lermineralerne med talværdier i stedet for et estimeret i forhold til hinanden. Det forsøgtes at benytte et relevant program tilknyttet røntgendiffraktometer, men programmet kendte ikke de mineraler der var fundet i prøven, så det var ikke muligt. Ved CBR-forsøget benyttes en selvkonstrueret indstampningsmetode, hvilket formentlig ikke har givet en præcis indstampning af prøven, som proctorapparatet ville have gjort. Endvidere var den alternative CBR-opstilling ikke nøjagtig, da den blev drevet med håndkraft og aflæst på øjemål. Det kunne have været gavnligt for projektet at lave en fryseprøve, hvor prøven havde mulighed for at suge væske undervejs. Dette ville give et mere realistisk billede over processen i praksis. Testforsøget i Ulkebugten havde på forhånd en ringe chance for at lykkes pga. det massive vandtryk fra skrænten. Desværre kunne det ikke udføres andre steder i byen, da jorden i Sisimiut generelt er sandet. Det er muligt at vandet ikke ville have lige så stor indvirkning på området, hvis kalket var fræset længere ned, f.eks. 1m eller længere. Overfladen var nok blevet flydende, men måske havde der stadig været hold i den kalkstabiliserede pude. Overfladen kunne evt. behandles med et materiale med Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 31 of 34

33 membraneffekt, så vandet ikke kunne trænge igennem. Det kan også være at vandet ikke havde haft så stor en påvirkning, hvis jorden var blevet stampet ordentligt med en pladevibratror. Vandtrykket kan evt. også afhjælpes ved opførsel af spunsvæg mellem vej og skrænt med tilhørende dræn. Kalkstabiliseringen kan evt. testes i et andet område på Grønland, hvor der er siltet eller leret materiale til rådighed. Det kan også være at der findes et bedre tilsætningsmateriale end den brændte kalk der blev anvendt, idet jorden var mere siltet end den ler der normalt kalkstabiliseres i Danmark. Tilsætningen kunne evt. bestå af en anden kalkart eller f.eks. bitumen, som er et stof der udvindes fra olie. Fordelen ved kalk og bitumen er at Grønland har kalkbrud til rådighed, og på sigt kan blive selvproducerende af bitumen, hvis der udvindes olie ved Grønlands østkyst. Til sidst skal det tilføjes at der ved kalkstabiliseringen skal tages større sikkerhedsforanstaltninger, end i dette projekt, som sikrer luftveje og hud mod støv fra kalken. Litteratur Stabilisering af ler med brændt kalk, Alice Riviere, Mette Scheibel og Heidi Nielsen, 2008 Laboratoriehåndbogen, Dansk Geoteknisk forening, 2001 Instructions for use, Fall Cone Apparatus, Part No , Geonor Ingeniørgeologiske undersøgelse af kvartære, marine leraflejringer på vestgrønland, Niels Foged, 1979 Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 32 of 34

34 Mette Scheibel, s052198, Brian Ravn s Side 33 of 34