Powszechnie w Polsce stabilizację gruntu opisuje się zazwyczaj dwoma parametrami badanymi w laboratorium: wytrzymałością na ściskanie oraz wskaźnikiem mrozoodporności. Najnowsze normy wprowadzają jednak pojęcie modułu sprężystości stabilizacji gruntu, który jest istotnym uzupełnieniem parametrów materiałowych. CO TO JEST MODUŁ SPRĘŻYSTOŚCI? I jakie informacje nam wnosi? O tym w niniejszym artykule.
Moduł sprężystości
Należy zacząć od tego czym jest moduł sprężystości, zwany też modułem Younga. Podstawowa definicja mówi nam, że jest to zależność odkształcenia liniowego materiału od naprężenia jakie w nim występuje. Idea jest prosta: każdy materiał, do którego przyłożymy jakiekolwiek naprężenie ulegnie w związku z tym naprężeniem deformacji. Z zależności od tego jak dużej deformacji ulegnie materiał przy danym naprężeniu możemy na tej podstawie obliczyć moduł sprężystości.
Ważne jest to, że moduł sprężystości określamy w zakresie sprężystej pracy materiału. Zakres ten obejmuje tę wartość przyłożonego obciążenia, które nie powoduje trwałej deformacji w materiale. Jeżeli obciążenie wywoła trwałą deformację, mówimy wtedy od odkształceniu plastycznym. Dla przykładu można porównać dwa materiału: beton i stal. Beton jest materiałem kruchym, który praktycznie pracuje w dużej mierze w zakresie sprężystym, a przekroczenie naprężenie krytycznego powoduje jego zniszczenie. Stal natomiast ma znacznie większy zakres odkształceń plastycznych, gdzie obciążenie powoduje jej deformację, ale nie ostateczne zniszczenie.
W bardziej teoretycznym spojrzeniu, moduł sprężystości umożliwia obliczenie zmiany wymiarów izotropowych i elastycznych materiałów pod obciążeniem rozciągającym lub ściskającym. W uproszczeniu parametr ten wyznacza o ile próbka materiału rozciąga się lub skraca się pod wpływem działania siły osiowej. Moduł Younga odnosi się bezpośrednio do przypadków naprężenia jednoosiowego, to znaczy naprężenia rozciągającego lub ściskającego w jednym kierunku i braku naprężenia w innych kierunkach. Służy również do przewidywania ugięcia, które wystąpi w statycznie wyznaczalnej belce, gdy obciążenie zostanie przyłożone w punkcie pomiędzy podporami. Inne obliczenia sprężyste zwykle wymagają użycia jednej dodatkowej właściwości sprężystej, takiej jak moduł ścinania, moduł objętościowy lub współczynnik Poissona. Dowolne dwa z tych parametrów są wystarczające, aby w pełni opisać elastyczność materiału izotropowego.
Zmienna praca materiału pod obciążeniem
Moduł sprężystości reprezentuje czynnik proporcjonalności w prawie Hooke'a, które wiąże naprężenie i odkształcenie. Jednak prawo Hooke'a obowiązuje tylko przy założeniu elastycznej i liniowej pracy materiału. Każdy prawdziwy materiał ostatecznie ulegnie awarii i pęknie, gdy zostanie rozciągnięty na bardzo dużą odległość lub z bardzo dużą siłą; jednak wszystkie materiały stałe wykazują zachowanie prawa Hooke dla wystarczająco małych naprężeń lub odkształceń.
Jeśli zakres, w którym obowiązuje prawo Hooke'a, jest wystarczająco duży w porównaniu z typowym naprężeniem, jakie planuje się przyłożyć do materiału, materiał ten uważa się za liniowy. W przeciwnym razie (jeśli typowe naprężenie, które można zastosować, jest poza zakresem liniowym), materiał jest uważany za nieliniowy.
Między innymi stal, włókno węglowe i szkło są zwykle uważane za materiały liniowe, podczas gdy inne materiały, takie jak guma i grunt, są nieliniowe. Nie jest to jednak absolutna klasyfikacja: jeśli do materiału nieliniowego zostaną przyłożone bardzo małe naprężenia lub odkształcenia, reakcja będzie liniowa, ale jeśli do materiału liniowego zastosowane zostaną bardzo duże naprężenia lub odkształcenie, teoria liniowa nie będzie wystarczająco.
Anizotropia i temperatura
Moduł sprężystości nie zawsze jest taki sam we wszystkich kierunkach pracy materiału. Dużo materiałów (jak na przykład metale i ceramika) jest izotropowych, a ich właściwości mechaniczne są takie same we wszystkich kierunkach. Istnieją jednak materiały anizotropowe, a moduł Younga zmienia się w zależności od kierunku działania siły. Przykładem takiego odmiennego zachowania materiału w zależności od kierunku działania siły jest obciążanie drewna czy kompozytów węglowych.
Moduł sprężystości niektórych materiałów (jak np. metali) zmienia się również w zależności od temperatury. Przeważnie wraz ze wzrostem temperatury moduł Younga maleje. W drogownictwie można tę zasadę zaobserwować podczas przyjmowania modułu sztywności mieszanek mineralno-asfaltowych do projektowania. Im wyższa temperatura tym bardziej "miękkie" stają się warstwy MMA, co w konsekwencji powoduje, że do projektowania przyjmujemy niższy moduł dla okresów letnich i wyższy dla okresów zimowych.
Stabilizacja gruntu
Opisanie stabilizacji modułem sprężystości pozwala nam w większym stopniu zrozumieć jego pracę. Wiąże się to z faktem, że moduł sprężystości jest zależny nie od ostatecznej wytrzymałości materiału, ale od sposobu jego pracy w trakcie obciążenia. W praktyce w trakcie wykonywania takiego badania otrzymujemy wykres krzywej zależności naprężenia od odkształcenia. Jest to parametr na tyle istotny, że został wprowadzony do najnowszej normy na stabilizację gruntu tj. PN-EN-14227-15. Moduł sprężystości stabilizacji gruntu rośnie wraz z dozowaniem spoiwa hydraulicznego i jest zależny głównie od uziarnienia mieszanki gruntowej. Dla wyższego dozowania spoiwa hydraulicznego stabilizację gruntu można traktować jako chudy beton, co może ułatwić aproksymację modułu na etapie projektowania.
Wiedząc jak stabilizacja gruntu zachowuje się podczas przykładania obciążenia lepiej jesteśmy w stanie zrozumieć mechanizmy powstawania pęknięć, które prowadzą do degradacji warstwy. Tego rodzaju badanie doskonale pokazuje również różnicę w zachowaniu się stabilizacji różnego rodzaju gruntów. Inaczej reaguje na obciążenie stabilizacja cementem gruntu piaszczystego, a inaczej gliny czy iłu. Mając taką wiedzę jesteśmy w stanie już na etapie projektowania recepty zminimalizować ryzyko spękań eksploatowanej warstwy poprzez dobór mieszanki gruntowej o odpowiedniej zawartości frakcji. Związane jest to z tym, że ziarna grubszych frakcji pełnią rolę pewnego rodzaju szkieletu nośnego, a frakcje drobne w postaci agregatów gruntów spoistych są amortyzatorami sił zewnętrznych i nadają strukturze pewną podatność.
Badanie modułu spreżystości
Standardowe badanie modułu sprężystości opiera się na tensometrach zamocowanych na próbce, którą poddaje się obciążeniu siłą zewnętrzną. Zasady wykonywania takiego badania podaje norma PN-EN-13286-43. Ograniczeniem tej metody jest niepełny obraz deformacji próbki, a jedynie punktowe informacje o odkształceniu. Uzupełnieniem takiego badania jest zastosowanie optycznych metod pomiaru odkształceń jak na przykład Cyfrowa Korelacja Obrazu. Pozwala ona na analizę zachowania próbki stabilizacji pod obciążeniem praktycznie w każdym widocznym punkcie. Dzięki temu możemy wyłapać np. niejednorodności w wykonaniu próbki, czy wpływ grubszej fakcji na rozkład odkształcenia.
Sama idea optycznych pomiarów deformacji materiałów jest w założeniu dość prosta. Polega ona na obserwacji interesującego nas obszaru próbki za pomocą cyfrowych kamer sprzężonych z odpowiednim oprogramowaniem i zazwyczaj maszyną wytrzymałościową. Kamery takie potrafią wyłapać nawet najmniejsze przemieszczenia punktów na próbce, takie które są niewidoczne dla ludzkiego oka. Na podstawie przemieszczeń poszczególnych punktów dostajemy mapę deformacji całego obszaru. Takie informacje połączone ze znanym nam obciążeniem, które te deformacje wywołało, pozwala nam m.in. obliczyć moduł sprężystości próbki w danym punkcie.
Efekt skali
Optyczny pomiar deformacji całej powierzchni próbki pozwala zaobserwować również jak zmieniają się naprężenia w materiale w zależności od wielkości próbki oraz sposobu i miejsca przyłożenia obciążenia. Małe próbki, szczególnie w przypadku mało jednorodnego materiału jakim jest stabilizacja gruntu (nawet poprawnie i dokładnie wymieszanego) w przeciwieństwie do na przykład stali są znacznie bardziej narażone na "zakłócenia" wyników spowodowane nawet niewielką nierównością powierzchni obciążanej. Efektem tego jest znaczna różnica pomierzonych modułów bezpośrednio w okolicy powierzchni obciążonej, a środkiem próbki.
Im próbka jest większa tym wpływ tych zakłóceń jest mniejszy i mamy lepszy obraz jak faktycznie warstwa stabilizacji będzie się zachowywała w warunkach rzeczywistych. Warto jednak pamiętać, że w przypadku stabilizacji gruntu, badając mniejsze próbki zazwyczaj otrzymujemy niższe wyniki. Oznacza to, że weryfikując na przykład założenia projektowe stoimy po stronie bezpiecznej ponieważ gotowa warstwa wbudowana w drodze będzie znacznie lepiej rozkładała i przenosiła obciążenia, a to będzie się przekładało na brak "skupisk" naprężeń, które łatwo zaobserwować w warunkach laboratoryjnych.
Cykliczność obciążeń
Zagadnienie konsolidacji gruntu, czyli procesu zagęszczania gruntu pod własnym lub zewnętrznym obciążeniem, jest zjawiskiem znanym w przypadku gruntów. W przypadku typowej stabilizacji zawierającej zazwyczaj ponad 5% cementu w stosunku do masy gruntu, zjawisko to przestaje występować z uwagi na sztywną strukturę materiału. W przypadku stabilizacji hydrofobowej, szczególnie podczas badania modułu sprężystości, można zaobserwować ciekawe zjawisko dalszej konsolidacji materiału, mimo jego zwartej i nośnej struktury.
Podczas przykładania cyklicznych obciążeń, w pierwszej kolejności, można zaobserwować pewnego rodzaju porządkowanie struktury materiału. Efekt ten objawia się zwiększeniem jednorodności otrzymywanych wyników na powierzchni próbki oraz wzrostem wartości modułów sprężystości. W dalszym etapie obciążania można zaobserwować powolny wzrost modułów sprężystości, będącego wynikiem konsolidacji materiału stabilizacji hydrofobowej.
Zjawisko takie będzie występować również w makroskali warstwy wbudowanej w konstrukcji drogi. Ciągłe obciążenia od przejeżdżających pojazdów i generowane przez nie wibracje powoduje, że materiał stabilizacji hydrofobowej może konsolidować w sposób jaki pokazują to badania laboratoryjne. W efekcie to przekłada się na wydłużenie trwałości zmęczeniowej całej konstrukcji nawierzchni drogi w porównaniu do rozwiązań tradycyjnych.
