Mikrovyztužování zemin vlákny zhotovenými pomocí 3D tisku

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl oceněn odbornou porotou konference a okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

Vyztužování zemin pro dosažení vyšších pevnostních parametrů anebo zvýšení jejich mechanické odolnosti je využíváno řadu let. Mimo dnes běžně používané zemní konstrukce, kde jsou využívána geosyntetika (geomříže, geobuňky), je možné zvýšit mechanickou odolnost zemin i tzv. rozptýlenou výztuží, známou spíše z betonových konstrukcí. Jako rozptýlená výztuž do betonových konstrukcí jsou používána vlákna z plastických hmot (polypropylen, polyethylen) a vlákna ocelová. Pro mikrovyztužování zemin je možné použít stejné typy vláken. Pro vlákna z plastických hmot je společným ukazatelem přímý tvar a hladký povrch. To způsobuje nižší interakci mezi vlákny a zeminou, a tím dosažení nižší výsledné pevnosti kompozitu než v případě vláken s hrubým povrchem či modifikací tvaru. Taková úprava vláken zajistí významnější přenos vnějšího zatížení do výztužných vláken.

Hlavním cílem této práce je ověřit, zda komplexnější tvary rozptýlené výztuže mohou přispět ke zvýšení odolnosti kompozitu zemina-vlákna vůči vnějšímu zatížení více než použití hladkých vláken. Vlákna používaná v této práci jsou vyrobena aditivní technologií 3D tisku. Pro ověření předpokládané hypotézy bylo použito několika typů vláken s různým tvarem či zakončením. Sledovaným parametrem byla dosažená maximální pevnost kompozitu zemina-vlákna zjišťovaná v triaxiálním přístroji konsolidovanou odvodněnou zkouškou. Použitou zeminou byl mírně jílovitý hrubozrnný písek CSa, zatříděný dle ČSN EN ISO 14688-1 [1].

2. Literární přehled/popis současného stavu

Vyztužování materiálů vlákny je obecně známo po staletí. Prvním takto používaným materiálem byly nepálené cihly, vyztužené především rostlinnými zbytky obilovin. Dnes je vyztužování vlákny spojeno především s betony vyztužovanými ocelovými nebo plastickými vlákny pro dosažení větší pevnosti a houževnatosti. Vyztužování zemin vlákny se věnovala celá řada autorů. Zejména však šlo o vlákna, jejichž tvar byl přímý a povrch hladký. Také se většina prací zabývala vyztužováním nesoudržných zemin, písků, a to o různé frakci.

Vlivu vyztužení písků různými vlákny, a to z plastických hmot, přírodním a ocelovým, se věnovali např. Gray a Ohashi [2]. Laboratorní zkoušky prováděli v krabicovém smykovém přístroji. Dále také jejich studie obsahuje vývoj modelu a metody pro určení zvýšené pevnosti písku vlivem vyztužení.

Podobnou cestou se ubírali ve své práci Michalowski a Čermák [3]. Jejich odvodněné zkoušky vyztužených zemin v triaxiálním přístroji na píscích vedly k zjištění, že je možné dosáhnout až 70% zvýšení vrcholové pevnosti písku. Ve své práci využívali několika typů vláken a jejich různého poměru v připraveném kompozitu. Závěrem jejich práce bylo, s využitím poznatků z laboratorních zkoušek, vytvoření materiálového modelu pro vyztuženou zeminu.

Řadu vláken, a to z rýžových a pšeničných klasů či jutová a polypropylenová vlákna, využil ve svém výzkumu Wei et al. [4]. Zkoušky jednoosé stlačitelnosti zeminy s polypropylenovými vlákny ukázaly na 125% zvýšení pevnosti oproti zemině nevyztužené vlákny. Další vzorky kromě vyztužení vlákny zlepšoval i vápnem. Pojiva přidaná do vlákny vyztužených zemin nejsou neobvyklá [5] a [6].

Noorzad a Zarinkolaei [7] použili ve své práci písek vyztužovaný polypropylenovými vlákny. Laboratorní zkoušky prováděli v krabicovém smykovém přístroji a triaxiálním přístroji. Nejvyšších poměrů zlepšení zeminy vlákny dosáhli u vláken 18 mm dlouhých při komorových tlacích 50 kPa. Faktor zlepšení byl na úrovni hodnoty 6.7, tedy 670 %. Při zkouškách však bylo zjištěno, že faktor zlepšení se snižuje se zvyšujícím se komorovým napětím.

Popis kompozitu zemina-výztuž

Standardní třífázový diagram zeminy se skládá z pevné fáze, kapalné a plynné. V případě vyztužené zeminy jsou součástí pevné fáze, obvykle složené pouze ze zrn zeminy, i výztužná vlákna. Ilustrace třífázového diagramu vyztužené zeminy je uvedena na Obr. 1.

Pro další laboratorní činnosti bylo nutné stanovit základní parametry kompozitu. V první řadě číslo pórovitosti e (1) [8]. I přes doplnění pevné fáze výztužnými vlákny definice čísla pórovitosti zůstala nezměněna.

kde je

V_v

objem pórů,

V_s

objem pevné fáze,

V_s^s

objem pevných částic zeminy,

V_s^f

objem výztužných vláken.

Dále bylo nutné definovat poměr výztužných vláken v kompozitu p^*_v,f (2). Ten byl definován objemově, jako objem vláken ku objemu pevných částic zeminy.

3. Metodika

Výztužná vlákna

V této studii bylo použito 5 typů vláken. Jelikož se vlákna s jiným než přímým tvarem nebo hladkým povrchem nevyskytují na trhu, byla součástí této studie i výroba vláken. K výrobě vláken byla použita běžně dostupná komerční 3D tiskárna. Z řady technologií aditivní výroby byla v této práci využita technologie nazývaná fused deposition modelling (FDM) [9]. Připravený 3D model objektu je rozdělen po výšce na vrstvy. Po těchto vrstvách je roztavená plastická hmota kladena postupně na sebe do doby dokončení objektu.

Tvary navržených vláken byly inspirovány rozptýlenou ocelovou výztuží do betonu a také vlastní invencí autorů studie a jsou uvedeny na Obr. 2. Základním vláknem vytvořeným i pro porovnání účinků vyztužení bylo vlákno přímé, v této studii nazýváno jako varianta 1. Druhé vlákno, varianta 2, je vlákno s analogickým tvarem jako vlákna používaná do betonu s vlnkovitým tvarem. Vlákno varianty 3 připomíná tvarem žebříček a bylo vytvořeno autory studie. Varianta 4, vlákno s konci zakončenými háčkem jsou opět vlákna podobná vláknům používaným v betonu. V průběhu testů bylo vytvořeno i páté vlákno, varianta 5, které svým tvarem vytváří interakci se zrny pouze koncovými prvky, tzv. kotvičkami. Při návrhu velikosti vláken bylo použito doporučení velikosti vlákna z provedených testů dle Wei et al. [4], které má být kratší než polovina průměru vzorku v rozmezí 30–40 % průměru vzorku. Dalším omezením velikosti vlákna, avšak v minimálních rozměrech, byly technické schopnosti 3D tisku technologií FDM. Tím byly stanoveny rozměry přímého vlákna a jeho objem. Rozměr přímého vlákna byl 0,48 mm tloušťka, 1 mm šířka a 20 mm délka. Pro zachování stejného počtu vláken v připraveném vzorku, a tím pádem stejného množství vláken na vzniklé ploše porušení, byla další vlákna vytvořena se stejným objemem jako přímá vlákna (9,60 mm³), a to zkracováním jejich délky. Důležitým krokem byla i volba materiálu pro výrobu vláken. Tiskárny založené na principu FDM používají různé plastické hmoty. Jako materiál pro výrobu vláken bylo zvoleno PET-G. Tento známý a odolný polyester, doplněný o přídavek glykolu z důvodu lepších tiskových vlastností a zvýšení houževnatosti, je běžně používaný materiál pro aditivní metodu výroby objektů a vyznačuje se dobrým chováním při vrstvení taveného materiálu.

Testovací plán

Hlavní částí této studie jsou laboratorní zkoušky pro ověření vyšší interakce modifikovaných vláken a zeminy, a tím vyšší dosažené pevnosti. Dle zmíněné literatury bylo k testování použito písku o různé zrnitosti a také různých typů laboratorních zkoušek. Z krabicových smykových zkoušek, prostých tlakových a triaxiálních, byla zvolena pro tuto studii poslední jmenovaná, triaxiální zkouška typu CD, tedy konsolidovaná odvodněná triaxiální zkouška. Jedná se o standartně prováděnou zkoušku pro zjištění pevnostních parametrů zemin. Skládá se ze sycení pórů vzorku vodou, následně je vzorek konsolidován s možností odtoku vody ze vzorku a závěrečnou fází je smýkání, které probíhá odvodněně, pórový tlak je tedy konstantní po celou dobu smýkání.

Vzorky použité pro testování měly válcový tvar a rozměry 50 mm v průměru a 100 mm na výšku. Připravená směs písku obsahovala 4 % výztužných vláken v objemovém poměru dle (2). Míra hutnění byla dána číslem pórovitosti odpovídajícímu maximální objemové hmotnosti sušiny γ_d,max získaným z Proctorovy zkoušky na nevyztuženém písku. Příprava vzorku probíhala hutněním s pomocí ručního pěchu po vrstvách. Výška jednotlivých vrstev byla měřena s cílem dosáhnout stejných počátečních podmínek pro všechny testované vzorky. Každá vrstva kompozitu byla připravována separátně, pro zajištění homogenního rozložení výztužných vláken ve vzorku. Hutněn na stejné číslo pórovitosti byl i vzorek nevyztuženého písku.

První částí laboratorní zkoušky bylo provedení tzv. perkolace. Tato procedura slouží pro naplnění většiny pórů zeminy vodou. Perkolace byla provedena odvzdušněnou vodou, která byla do vzorku pomalou rychlostí přivedena jeho spodní podstavou. Vzorek byl tímto způsobem sycen přes spodní podstavu vzorku s odtékáním vody horní podstavou vzorku. Ukončení perkolace nastalo po konstantním odtoku vody ze vzorku a nárůstu tlaku pórové vody po uzavření odtokového ventilu. Zvýšení tlaku poukazuje na vyplnění pórů vodou, které touto metodou mohou být vyplněny. Následovalo standardní sycení, do celkového tlaku 600 kPa, kde plné nasycení bylo kontrolováno procedurou B-test. Vzorek byl po plném nasycení zkonsolidován na hodnotu středního efektivního napětí 150 kPa. Stanovení rychlosti smýkání bylo provedeno dle ČSN EN ISO 17892-9 [10] z rychlosti konsolidace vzorku a následně zvoleno jako 0,025 mm/min. Testování vzorků probíhalo s automatickým záznamem všech veličin důležitých pro následné vyhodnocení zkoušek.

Vyhodnocení

Z laboratorních zkoušek na vyztuženém i nevyztuženém písku, bylo provedeno standardní vyhodnocení triaxiálních zkoušek. Ze záznamu osového a objemového převáření vzorku a na základě sledovaného přetváření vzorku byl vybrán vztah pro změnu plochy vzorku (3), která je důležitá pro správné vyhodnocení napětí ve vzorku, jelikož plocha není v průběhu smýkání konstantní.

kde je

A

aktuální plocha vzorku,

A₀

původní plocha vzorku,

ε_a

osové přetvoření,

ε_v

objemové přetvoření.

Kritéria pro kvantifikaci vlivu vláken na zlepšení vlastností půdy jsou uvedena ve vztazích (4) a (5) [8]. Vyhodnocení míry zlepšení vyztužením je dáno vztahem (4). Tento parametr bude využíván jako hlavní hodnotící kritérium pro určení míry zlepšení vyztužené zeminy oproti zemině nevyztužené. Faktor zlepšení I_df je definován jako nárůst deviátoru napětí u vyztužené zeminy k deviátoru napětí u nevyztužené zeminy.

kde je

(σ₁ − σ₃)_pR

maximální deviátorové napětí dosažené u vyztužené zeminy,

(σ₁ − σ₃)_pU

maximální dosažené deviátorové napětí u nevyztužené zeminy.

Dalším sledovaným parametrem je index I_b (5). Index vyjadřuje velikost povrcholového poklesu deviátorového napětí.

kde je

(σ₁ − σ₃)_p

maximální dosažený deviátor napětí,

(σ₁ − σ₃)_ult

finální deviátorové napětí zkoušky.

4. Výsledky

Výsledky laboratorní zkoušek jsou uvedeny v Tab. 1 a na Obr. 3. V Tab. 1 jsou uvedeny hodnoty získané z triaxiálních zkoušek. Maximální deviátorové napětí (σ₁ − σ₃)_p , deviátorové napětí při osovém přetvoření 9 % (σ₁ − σ₃)_9% , faktor zlepšení a index vyjadřující po vrcholový pokles deviátoru napětí. Deviátorové napětí pro osové přetvoření 9 %, bylo zvoleno jako finální, z důvodu protržení membrány u jedné ze zkoušek.

Na Obr. 3 jsou zobrazeny průběhy veličin měřených nebo vyhodnocených z triaxiálních zkoušek. V první části je závislost deviátorového napětí na osovém přetvoření. V druhé části jsou zobrazeny objemové změny vs. osové přetvoření.

5. Diskuse

Z prezentovaných výsledků v předchozí kapitole je zřejmé, že vyztužení zeminy vlákny mělo ve všech případech výrazný vliv na zvýšení maximálního dosaženého deviátoru napětí. V případě přímé výztuže došlo ke zvýšení deviátoru napětí o 63 %. Další modifikace tvaru vedla k dalšímu zvýšení deviátoru napětí. Nejvyšší deviátor napětí byl dosažen u výztužného vlákna s háčkem na koncích s faktorem zlepšení 153 %. Další výztuže nevykazovaly tak výrazné zlepšení v dosaženém deviátoru ve srovnání s přímou výztuží.

V diagramu průběhu objemových změn můžeme vidět, že v případě vyztužené zeminy docházelo v první fázi smýkání k vyšší kontraktanci materiálu než v případě nevyztužené zeminy. Největší komprese vzorku v počáteční fázi smýkání nastala u vzorku vyztuženého profilovanými vlákny. Tento jev zřejmě nastal kvůli obtížnému hutnění písku při přípravě vzorku, kdy různá profilování výztužných vláken nedovolila dosáhnout požadovaného stupně zhutnění v okolí vláken. Po počátečním stlačování vzorku nastala dilatance, která je opět nejvýraznější u profilované výztuže. Při smýkání pravděpodobně byla zrna písku nadzvedávána právě pilovým tvarem výztuže. Významné negativní objemové změny však nastaly i v případě ostatních komplexních tvarů výztuže. Podobné chování bylo pozorováno i na kontaktech horninových bloků, kde je rozhodující profil jejich povrchu [10]. Vyšší drsnost povrchu má za následek vyšší úhel dilatance a vyšší smykovou pevnost.

Dalším jevem, který se pojí s výše uvedeným pozorováním, je snížení počáteční tuhosti vzorků vyztužených zemin. To může být způsobeno opět sníženým stupněm zhutnění materiálu v okolí výztužných vláken. Druhým důsledkem pozorovaným i v [2], kde byla použita polyamidová vlákna, je tuhost materiálu výztuže. U vláken ocelových stejný jev nenastával. Tuhost výztužných vláken tak zřejmě ovlivňuje celkovou tuhost vyztužené zeminy.

6. Závěr

Prezentované výsledky laboratorních zkoušek na kompozitu písku s výztužnými vlákny prokázaly, že použití vláken s komplexnějším tvarem nebo zakončením vedou k vyšším dosaženým pevnostem než v případě použití přímého vlákna. To potvrzuje vyšší interakci mezi vlákny a zrny zeminy. Dosaženo bylo však nižších počátečních tuhostí testovaného kompozitu oproti nevyztužené zemině. Z dosavadních výsledků zkoušek bylo zjištěno, že vyšších pevností dosáhly kompozity s výztužnými vlákny s různým zakončením oproti kompozitům s vlákny, která mají komplexnější tvar.

Výzkum v této oblasti se bude dále zaměřovat na použití písku s jemnější zrnitostí, kde menší zrna písku se mohou lépe zaklínit do komplexních struktur výztužných vláken. Mimo to je v dostupné literatuře uvedeno, že poměr velikosti vláken a zrn zeminy má vliv na výslednou pevnost. V dalších krocích výzkumu bude provedeno porovnání vlivu objemového podílu a velikosti výztužných vláken na výslednou pevnost kompozitu.

Poděkování

Tento výzkum je podporován Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci projektu FAST-S-19-5724 Zkoumání vlivu geometrie vlákna zhotoveného technologií 3D tisku na mechanické chování zeminy zlepšené rozptýlenou výztuží.

Použité zdroje

1. ČSN EN ISO 14688-1: Geotechnický průzkum a zkoušení – Pojmenování a zatřiďování zemin – Část 1: Pojmenování a popis. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2018.
2. GRAY, Donald H. a Harukazu OHASHI. Mechanics of Fiber Reinforcement in Sand. Journal of Geotechnical Engineering [online]. 1983, 109(3), 335-353. ISSN 0733-9410.
3. MICHALOWSKI, Radoslaw L. a Jan ČERMÁK. Triaxial Compression of Sand Reinforced with Fibers. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering [online]. 2003, 129(2), 125-136. ISSN 1090-0241.
4. WEI, Li, Shou Xi CHAI, Hu Yuan ZHANG a Qian SHI. Mechanical properties of soil reinforced with both lime and four kinds of fiber. Construction and Building Materials [online]. 2018, 172, 300-308. ISSN 09500618.
5. OLGUN, M. Effects of polypropylene fiber inclusion on the strength and volume change characteristics of cement-fly ash stabilized clay soil. Geosynthetics International [online]. 2013, 20(4), 263-275. ISSN 1072-6349.
6. CHEN, Mu, Shui-Long SHEN, Arul ARULRAJAH, Huai-Na WU, Dong-Wei HOU a Ye-Shuang XU. Laboratory evaluation on the effectiveness of polypropylene fibers on the strength of fiber-reinforced and cement-stabilized Shanghai soft clay. Geotextiles and Geomembranes [online]. 2015, 43(6), 515-523. ISSN 02661144.
7. R. Noorzad and S. T. G. Zarinkolaei, “Comparison of Mechanical Properties of Fibre-Reinforced Sand under Triaxial Compression and Direct Shear”, Open Geosciences, vol. 7, no. 1, pp. 547-558, Jan. 2015.
8. SHUKLA, Sanjay Kumar. Fundamentals of Fibre-Reinforced Soil Engineering [online]. Singapore: Springer Singapore, 2017. Developments in Geotechnical Engineering. ISBN 978-981-10-3061-1.
9. STŘÍTESKÝ, Ondřej, Martin BACH a Martin BACH. Základy 3D tisku s Josefem Průšou [online]. Praha: Prusa Research, 2019. Dostupné z: https://www.prusa3d.cz/.
10. ČSN EN ISO 17892-9: Geotechnický průzkum a zkoušení – Laboratorní zkoušky zemin – Část 9: Konsolidovaná triaxiální zkouška v tlaku vodou nasycených zemin. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2018.
11. BARTON, N. The shear strength of rock and rock joints [online]. 1976, 13(9), 255-279. ISSN 01489062.