Stabilisering av sulfidjord med flygaska och cement

EXAMENSARBETE

2007:145 CIV

Samir Mohammed Ezziyani

Stabilisering av sulfi djord med fl ygaska och cement

CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Väg- och vattenbyggnadsteknik

Institutionen för Samhällsbyggnad • Avdelningen för Geoteknik

Läsår 2006/200

Stabilisering av sulfidjord med flygaska och cement

Samir Mohammed Ezziyani

Civilingenjörprogrammet   Väg‐ och Vattenbyggnadsteknik 

Förord

Detta arbete har utförts under vintern 2006/2007 vid avdelningen för geoteknik på Luleå tekniska universitet och har omfattat 20 poäng. Examensarbetet ingår som ett moment i min utbildning till civilingenjör i väg och vattenbyggnadsteknik.

Examensarbetets början och utformning var ett resultat av en diskussion som jag hade fört kontinuerligt med Kerstin Pousette och Sven Knutsson. Mitt deltagande på en konferens om sulfidjord som ägde rum på Luleå tekniska universitet, gjorde att jag blev nyfiken på denna speciella jord som ofta framställs som en problematisk jord.

Först och främst vill jag tacka Kerstin Pousette som handlett och hjälpt mig under arbetets gång. Tack vara den kompetens hon besitter blev arbetet ett givande och roligt äventyr.

Ett tack ger jag till personalen på Institutionen för Samhällsbyggnad för deras engagemang.

Även ett stort tack till min familj och vänner som har varit med och stöttat mig under den underbara studietiden.

Luleå, Maj 2007

Samir Mohammed Ezziyani

Sammanfattning

Sulfidjord består av finkornig jord, dvs. lera och silt och innehåller höga halter av

järnmonosulfid (FeS) samt varierande halter av organiskt material. I Sverige förekommer den i ett brett stråk längs Norrlandskusten från Gävle i söder till Haparanda i norr. Då sulfidjord kommer i kontakt med syre, oxideras sulfiderna till sulfat och försurande vätejoner och metaller frigörs till omgivande miljö och ger upphov till destruktiva effekter. Urlakning av dessa ämnen kan orsaka skador hos växter och djur och medföra hälsoproblem hos

människor.

Vid byggande på och i sulfidjord vill man helst inte, av miljö- och kostnadsskäl, gräva bort sulfidjorden utan istället nyttja den som undergrund. Den alltmer ökande nyttjandegraden av sulfidjord, exempelvis vid byggande av vägar och järnvägar, kommer att öka kraven på tillförlitligheten vid bestämning av risken för skred och brott i jorden.

Syfte med arbetet är att undersöka och visa på möjligheter att stabilisera sulfidjord för bland annat väg- och järnvägsapplikationer, med inriktning på hur det aktuella bindemedlet (cement/aska) inverkar på hållfasthetstillväxten efter inblandning.

Resultat från tidigare utförda stabiliseringsprojekt i sulfidjord har sammanställts och

analyserats och legat till grund för den laboratoriestudie som genomförts. Laboratorieförsök har utförts i syfte att bestämma den naturliga jordens geotekniska och markkemiska

egenskaper. Inblandningsförsök har genomförts genom att tillverka provkroppar av stabiliseringsmedel och jord. Provkropparna fick sedan stå och härda under en tilldelad härdningstid, (28, 45 eller 60 dygn). Enaxiella tryckförsök har därefter utförts för att undersöka provens hållfasthetsegenskaper.

Erfarenheter från tidigare projekt visar många gånger på dålig stabiliseringseffekt för traditionella bindemedel som kalk/cement. Höga halter av sulfid visar sig bromsa upp

reaktionerna så mycket att ren kalk inte är ett praktiskt användbart bindemedel för sulfidjord.

För att kompensera detta ökas mängd bindemedel. Det är hållfasthetsmässigt otillräckligt och oekonomiskt. Flygaska blandat med cement i rätt proportion och mängd ger ofta bättre hållfasthet vid stabilisering i sulfidjord, jämfört med de traditionella bindemedlen.

De olika jordproverna är hämtade från tre olika områden: Sunderbyn, Ådalsbanan och Kalix.

Tillgången av material var begränsad speciellt sulfidjord från Sunderbyn. Vid försöken undersöktes tre bindemedelsvarianter cement/aska 50/50 respektive 25/75 och enbart cement.

Inblandningsmängder valdes till 100, 150, eller 200 kg/m³. Resultaten visar att

hållfasthetstillväxten påverkas av lagringstid, och inblandningsmängd. Resultaten av utförda försök indikerar också att en stabiliserad sulfidjord kan utveckla en hög hållfasthet, om det finns tillräckligt med vatten i jorden. Enbart cement och blandningarna av cement/Aska 50/50 med inblandningsmängd 200 kg/m³, var de bindemedel som gav störst stabiliseringseffekt.

Avslutningsvis kan konstateras att detta examensarbete visar att kombinationen cement/aska är ett bra stabiliseringsalternativ som ger en tillfredsställande stabiliseringseffekt för de undersökta jordarna. Det gäller då att ha en tillräcklig inblandningsmängd och lagringstid.

Stabilisering av sulfidjord kan också vara ett bättre alternativ ur en ekonomisk- och miljösynpunkt än urgrävning.

Abstract

Sulphide soils are composed of fine-grained soils that are clay and silt with a high content of iron sulphide (FeS) and varying content of organic material. In Sweden they can be found in a large zone along the coast of the northern parts of the country, from Gävle in the south to Haparanda in the north. The sulphides are oxidised to sulphates when the sulphide soil gets in contact with oxygen and acidifying hydrogen ions and metals are released to the surrounding environment and lead to destructive effects. Leaching of these substances could damage plants and animals and cause health problems for humans.

When building on or in sulphide soils, you rather don’t want to dig out the sulphide soil;

instead you use it as foundation because of the environmental and financial reasons. The increasing extent of exploitation of sulphide soils for example in construction of road and railroad will raise the standards for the reliability when assessing the risk for landslide and failure in the soil.

The aim of this study was to examine and show the possibility to stabilise sulphide soils for among others road and railroad applications, focusing on the influence of the actual binder on the increase of the strength after mixing.

Results from earlier performed projects about stabilisation of sulphide soils has been

summarised and evaluated, and have been a starting point for the laboratory study carried out.

Laboratory tests have been performed in order to determine the geotechnical properties as well as chemical properties of the natural soil. Mixtures have been conducted by making samples of binders and soil. The samples are then left to cure under a given curing time, (28, 45 or 60 days). Uniaxial compression tests have been conducted on the samples to determine compression strength and stress-strain behaviour.

Experiences from earlier projects frequently show bad stabilising effect for traditionally mixtures of binders such as lime/cement. High content of sulphide gives a slow down of the reactions so much that pure lime is practically useless as a binder for sulphide soil. The amount of binder increases in order to compensate that. It’s insufficient for the strength and wasteful. Fly ash among others, mixed with cement, often give a better stabilisation effect for sulphide soils in comparison with the traditionally mixtures of binders.

The various soil samples were brought from different areas: Sunderbyn, Ådalsbanan and Kalix. The access to material was limited specially sulphide soils from Sunderbyn. In the study, three mixtures of binders with an amount of 100, 150, or 200 kg/m³ have been added to the soil and examined. The results show that the compression strength is affected by the curing time of the sample and the amount of the binders. The results of the test indicate also that a stabilised sulphide soil may develop a high strength, if there is enough water in the soil.

Only cement and the mixtures of cement/ash 50/50 with the amount of binder 200 kg/m³ were the binders that gave the highest stabilisation effect.

Finally, this master thesis work shows as a matter of fact that the combination cement/ash is a

Innehållsförteckning

1 INLEDNING... 7

1.1 BAKGRUND... 7

1.2 PROJEKTBESKRIVNING... 7

1.2.1 Omfattning... 7

1.2.2 Mål och syfte ... 7

1.2.3 Metod ... 8

1.2.4 Avgränsning ... 8

2 SULFIDJORD... 9

2.1 BILDNING OCH FÖREKOMST... 9

2.2 KLASSISKA GEOTEKNISKA PROBLEM... 9

2.2.1 Hållfasthet ... 9

2.2.2 Kompressionsegenskaper ... 10

2.2.3 Elastiska egenskaper ... 10

2.3 KLASSISKA MILJÖGEOTEKNISKA PROBLEM... 10

2.4 M^ARKKEMI... 11

2.5 KEMISKA REAKTIONER... 11

3 STABILISERING... 13

3.1 ALLMÄNT... 13

3.2 NÅGRA TÄNKBARA STABILISERINGSMEDEL... 13

3.2.1 Kalk ... 13

3.2.2 Cement ... 13

3.2.3 Flygaska ... 13

3.2.4 Merit... 13

3.2.5 LD-slagg... 14

3.3 BINDEMEDLETS FUNKTION I JORD... 14

4 SAMMANSTÄLLNING AV PROJEKT... 15

4.1 A^LLMÄNT... 15

4.2 SUNDERBYN/LULEÅ... 15

4.2.1 Projektbeskrivning ... 15

4.2.2 Sammanfattning av resultat... 17

4.3 ÖRNSKÖLDSVIK-H^USUM... 17

4.3.1 Projektbeskrivning ... 17

4.3.2 Sammanfattning av resultat... 18

4.4 SÖDER OM UMEÅ... 19

4.4.1 Projektbeskrivning ... 19

4.4.2 Sammanfattning av resultat... 22

4.5 SAMMANFATTANDE SLUTSATS... 22

5 LABORATORIEFÖRSÖK ... 23

5.1 A^LLMÄNT... 23

5.2 MATERIAL... 23

5.2.1 Jord ... 23

5.2.2 Stabiliseringsmedel ... 24

5.3 TILLVERKNING AV STABILISERADE JORDPROV... 24

5.3.1 Allmänt ... 24

5.3.2 Naturlig jord... 24

5.3.3 Jord och bindemedel ... 25

5.3.4 Försöksomfattning... 26

5.4 ENAXIELLT TRYCKFÖRSÖK... 26

5.4.1 Allmänt ... 26

5.4.2 Beskrivning av förfarandet... 28

5.5.2 Beskrivning av utförandet ... 29

5.6 LAKFÖRSÖK... 30

5.6.1 Allmänt ... 30

5.6.2 Beskrivning av utförandet (MRM:s metod) ... 30

5.6.3 Beskrivning av utförandet (LTU:s metod)... 32

5.7 KONFLYTGRÄNS... 34

5.7.1 Allmänt ... 34

5.7.2 Försöksutförande ... 34

5.8 PLASTICITETSGRÄNS... 34

5.8.1 Allmänt ... 34

5.8.2 Försöksutförande ... 35

5.9 GLÖDGNINGSFÖRLUST... 35

5.9.1 Allmänt ... 35

5.9.2 Försöksutförande ... 35

6 RESULTAT ... 36

6.1 ALLMÄNT... 36

6.2 KONFLYTGRÄNS... 36

6.3 PLASTICITETSGRÄNS... 36

6.4 GLÖDGNINGSFÖRLUST... 37

6.5 KORNSTORLEKSFÖRDELNING... 37

6.5.1 Allmänt ... 37

6.6 LAKFÖRSÖK... 41

6.6.1 Allmänt ... 41

6.6.2 LTU:s metod... 41

6.6.3 MRM:s metod ... 41

6.7 ENAXIELLT TRYCKFÖRSÖK... 45

6.7.1 Allmänt ... 45

6.8 SAMBAND MELLAN MAXIMAL TRYCKSPÄNNING OCH DEFORMATION... 49

7 DISKUSSION ... 50

7.1 ALLMÄNT... 50

7.2 LABORATORIEUNDERSÖKNINGAR... 50

7.2.1 Inblandning ... 50

7.2.2 Rutinundersökningar... 51

7.2.3 Sedimentationsförsök ... 51

7.2.4 pH och konduktivitet... 51

7.2.5 Skjuvhållfasthet ... 52

7.3 KEMISKA OCH FYSIKALISKA PARAMETRAR... 52

7.4 FRAMTIDA FORSKNING... 53

8 SLUTSATSER ... 54

REFERENSER... 56 BILAGA 1: Sammanställning av resultat från projekten

BILAGA 2: Sammanställning av resultat från tryckförsöken

BILAGA 3: Metodbeskrivning för Lakförsök, LTU:s metod och MRM:s metod BILAGA 4: Innehållsdeklaration för bindemedel

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Idag stabiliseras i stor utsträckning enbart leror, medan stabilisering sulfidjord upplevs som problematisk. En typisk sulfidjord består av finkornig jord, dvs. lera och silt och innehåller höga halter av järnmonosulfider (FeS) samt varierande halter av organiskt material.

Under de senaste åren har intresset för sulfidjord, dess geotekniska och markkemiska egenskaper ökat. Vid urgrävning och luftkontakt, reagerar sulfidjorden med syre varvid järnmonosulfid och pyrit oxideras. Det resulterar i att pH sänks och att sulfater, järnjoner och andra metalljoner frigörs.

Vid byggande på och i sulfidjord vill man helst inte, av miljö- och kostnadsskäl, gräva bort sulfidjorden utan istället nyttja den som undergrund. Den alltmer ökande nyttjandegraden av sulfidjord, exempelvis vid byggande av vägar och järnvägar, kommer att öka kraven på tillförlitligheten vid bestämning av risken för skred och brott i jorden. Idag råder stor osäkerhet kring hur skjuvhållfasthet skall bestämmas (exempelvis vilka metoder som är lämpligast) men även hur resultaten skall tolkas för sulfidjord. Detta innebär att för låga värden utvärderas i ena fallet, med konsekvensen att materialet nyttjas dåligt och dyra konstruktioner används, och för höga värden i det andra fallet, med konsekvensen att en överskattning av skjuvhållfastheten ökar risken för skred och brott i jorden.

1.2 Projektbeskrivning

Examensarbete består av laborativa undersökningar av sulfidjord och ett utvalt bindemedel, nämligen en blandning av cement och flygaska. Inledningsvis görs en sammanställning av tre utförda projekt i Sverige inom området stabilisering av sulfidjord. Denna sammanställning ingår som en del i litteraturstudien och kommer att ligga till grund för laboratorieanalyserna.

1.2.2 Mål och syfte

Examensarbetets syfte är att undersöka och visa på möjligheter att stabilisera sulfidjord för bland annat väg- och järnvägsapplikationer, med inriktning på hur det aktuella bindemedlet inverkar på hållfasthetstillväxten efter inblandning och hur stabiliserad jords egenskaper uppträder vid olika förhållanden. För att välja rätt bindemedel vid jordstabilisering är det viktigt att förstå de kemiska och fysikaliska reaktioner som ger en förbättrad hållfasthet.

Målet med studien är att ta reda på om en kombination av bindemedlen flygaska och cement ger en tillfredsställande stabiliseringseffekt.

1.2.3 Metod

Examensarbetet börjar med en litteraturstudie om sulfidjord för att skapa grundläggande kunskaper som är viktiga för det fortsatta arbetet. I litteraturstudien ingår en sammanställning av projekt där stabilisering av sulfidjord förekommit. Laboratoriestudien bestod av

undersökningar för att bestämma egenskaper hos den aktuella sulfidjorden och blandningen jord/stabiliseringsmedel.

1.2.4 Avgränsning

Vid analys av fakta har fördjupningen begränsats mest till i Sverige utgiven litteratur då det ansetts ge tillräcklig omfattande information för att besvara frågeställningarna.

Litteraturstudien omfattar sammanställning av tidigare projekt utförda i Sverige, inom stabilisering av sulfidjord. Vidden av laboratorieundersökningen begränsas till

rutinundersökningar, lakförsök och sedimentationsanalys.

2 Sulfidjord

2.1 Bildning och förekomst

Arealen jord i världen som består av potentiellt och utvecklade sura sulfatjordar, uppskattas till 12-14 miljoner ha och återfinns huvudsakligen i Sydostasien, Västafrika och längs nordöstra Sydamerikas kust [1]. I Sverige förekommer den framför allt i ett brett stråk längs Norrlandskusten från Gävle i söder till Haparanda i norr.

Sulfidjorden har bildats som sediment vid flodmynningar och utanför kusten i den speciella avsättningsmiljö som råder i detta område. Typiskt är att miljön har varit syrefattig och vattnet i vilket sulfidjorden bildats har varit bräckt/sött. Detta innebär en miljö med brist på syre vilket förhindrar en fullständig nedbrytning av organiskt material.

Utöver redan bildade sediment sker också nybildning idag. På grund av landhöjningen ligger stora delar av de forna avsättningsområdena nu ovan vattenytan och utgör land i kustområdet.

Sulfidjordar förekommer således i låglänta delar i området, i havsbottensedimenten och upp längs älvstränderna. Sulfidjorden är därmed rikligt förekommande inom de områden där huvuddelen av Norrlands industri, bebyggelse och infrastruktur är lokaliserad.

En typisk sulfidjord består av finkornig jord, dvs. lera och silt och innehåller höga halter av järnmonosulfider (FeS) samt varierande halter av organiskt material, [2,3]. Vid hantering av sulfidjorden är parametrar som kornstorlekssammansättning, organiskt innehåll, geotekniska egenskaper samt jordens redox- och pH-miljö av intresse, [4]. En indelning i olika ”typer” av sulfidjord rekommenderas enligt tabell: 2-1.

Tabell 2-1: Förutsättningar vid klassificering av olika typer av sulfidjordar [4]

Typ W

[%] ρd S

[mg/kg TS] Fe/S Eh

[mV] pH Försurningspotential/

Försurningshastighet 1

2 3 4 5

65 - 20 48 - 70 40 - 45

50 58

1,4 - 1,6 1,6 - 1.72

1,8 1,75

1,7

>9000 6000 - 9000 3800 - 6000

1200 900

3 - 3,5 3,8 (3,5 - 4)

4 - 4,5 16,5

46

<0 0 - 500 100 - 400 100 -> 500

0 - 200

>6 3 - 6 3 - 6 4 - 6

>6

Hög/långsam Hög/långsam Hög/medel Medel/snabb

Låg/-

Kännetecknande för sulfidjord som inte reagerat med syre är att den är svart. Jorden kallas därför ibland i vardagligt tal för svartmocka. I samma takt som sulfidjorden tillåts reagera med syre blir den gråbrun/rostfärgad. Sulfidjordens reaktion med syre ökar

vätejonskoncentrationen vilket är lika med ett sänkt pH-värde. Hög sulfathalt tillsammans med lågt pH-värde underlättar dessutom lakningen av olika tungmetaller. Det låga pH-värdet tillsammans med metallföreningarna i löst form kan inverka på växter och djur, [5,6].

2.2 Klassiska geotekniska problem

Huvuddelen av jorden har på grund av sitt bildningssätt och efterföljande belastnings historia

permeabilitet samt till följd av dess spänningshistoria är den odränerade skjuvhållfastheten ofta av störst intresse, [7,8]

2.2.2 Kompressionsegenskaper

Sulfidjorden är ofta mycket kompressibel och krypbenägen. Detta förstärks om jordens temperatur ökas. Normalt utförs all laboratorieprovning i rumstemperatur, medan

temperaturen i jorden under naturliga betingelser är lägre. I södra Sverige är denna skillnad måttlig, och den enda korrigering som utförs är normalt att porvattnets viskositet och därmed sammanhängande permeabilitet och konsolideringskoefficienter räknas om till de

förhållanden som gäller för jordtemperaturen på den aktuella platsen, [7,8].

2.2.3 Elastiska egenskaper

Väg- och järnvägstrafik ger upphov till vibrationer som kan utgöra problem för såväl konstruktionen som omgivningen. Detta problem är generellt och är störst vid byggande på lös jord. För lösa leror finns empiriska samband för hur de dynamiskt-elastiska egenskaperna varierar med jordens odränerade skjuvhållfasthet och flytgräns, [9].

2.3 Klassiska miljögeotekniska problem

Sulfidjordar kan förutom Fe innehålla spårmetaller som t ex Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Pb och As.

Vid oxidation av järnsulfid frigörs metallerna tillsammans med järn, sulfat och vätejoner och kan lakas ut till sjöar och vattendrag. Urlakning av dessa ämnen och speciellt aluminium kan orsaka skador hos växter och djur och medföra hälsoproblem hos människor, [1].

Frigörandet av järnjoner kan också skapa problem i samband med olika typer av byggnationer där dräneringsledningar förekommer. Dräneringsledningarna riskerar då att bli igensatta och slutar därmed att fungera. Detta kan skapa mögelbildningar i till exempel källarkonstruktioner genom en ökad fuktbildning på grund av att grundvatten inte kan dräneras av, [1].

Sulfidjordar är ofta mycket lösa, men i underlaget för de empiriska sambanden ingår inga sulfidjordar. Det behövs en praktiskt användbar klassificeringsmetod som gör det möjligt att hantera sulfidjordar på olika sätt beroende på deras försurningspotential. Idag saknas ett givet alternativ, vilket leder till att all sulfidjord får hanteras på samma sätt, utifrån synsätt att jorden är ett miljöproblem, [10]. Detta innebär naturligtvis att tillämpligheten för den kunskap som är grundad på erfarenhet är mycket osäker. Det bedömnings- och klassificeringssystem som används i examensarbetet för att bestämma sulfidjords försurningsegenskaper, bygger på två olika metoder. En lakmetod som MRM Konsult har arbetat fram och den så kallad LTU- metoden, [4]. Det är inte givet att de är de mest lämpliga lakmetoder att använda för att undersöka sulfidjords försurningsegenskaper. Väldigt få jämförande studier av dessa två metoder har gjorts, se vidare [11].

2.4 Markkemi

Det är tillgången på organiskt och oorganiskt material, kornstorleksfördelningen och vattenmättnattsgraden som styr syreförhållanden i en jord. Sandiga jordar är nästan alltid aeroba på grund av en låg organisk halt och en hög permeabilitet. Siltiga och leriga jordar med hög organiskhalt och låg permeabilitet blir under vattenmättade förhållanden snabbt anaeroba, [5].

I en aerob eller anaerob sulfid förekommer järn i utfälld form. Järnjoner kan tillföras porvattnet om en aerob sulfidjord reduceras eller en anaerob sulfidjord oxideras. Anaeroba sulfidjordar har låg redoxpotential, detta medför att ferrijärn (Fe³⁺) reduceras till ferrojärnet (Fe²⁺) och sulfat (SO42-) till sulfid. Ferrojärnet kan sedan lagras i marken som komplexbundna och utfällda järnföreningar. Mängden komplexbundet ferrojärnet är beroende av andelen fast organiskt material i jorden. I sulfidrika jordar som oftast har en låg redoxpotential kommer ferrohydroxid (Fe (OH)2 och järnmonosulfid (FeS) att fällas ut. I en anaerob sulfidjord är pH mellan 7 och 9 och större delen av ferrojärnet (Fe²⁺) förekommer i utfälld form som till exempel järnmonosulfid och ferrohydroxid. Järnmonosulfid är en stabil förening vid pH > 6 och Eh <-100mV, [5].

2.5 Kemiska reaktioner

De främsta medverkarna i de sura sulfatjordarnas kemi är järn och svavel. Svavel kan förekomma i flera olika former med olika oxidationstal. Tabell 2-2 visar de vanligaste formerna, som förekommer i naturliga mark/vattensystem, [12].

Tabell 2-2: Några lösta och fasta svavelföreningar jämte svavlets oxidationstal, [12]

Kemisk formel Namn Svavlets oxidationstal

SO42-, HSO4-, (H2SO4) sulfat +VI

S⁰ svavel 0

FeS2 (s), S22- bisulfid -I

FeS (s), (S^2-), HS, H2S sulfid -II

Under reducerande, anaeroba förhållanden är sulfidjord stabil. Om sulfidjord kommer i kontakt med syre oxideras järnmonosulfid och pyrit. Sulfat och vätejoner frigörs och pH- värdet sänks i porvattnet, [1]. Oxidation av pyrit visas nedan i reaktion 2.1.

FeS2 (s) + 15/4 O2 + 5/2 H2O → FeOOH + 2 SO42- + 4 H⁺ (2.1) Oxidationen sker I flera steg, antingen spontant genom kemiska processer eller under

inverkan av bakterier. Vid låga pH-värden sker reaktionen snabbt och ferrojärn bildas enligt reaktion 2.2.

FeS2 (s) + 7/2 O2 + H2O → Fe²⁺+ 2 SO42- + 2 H⁺ (2.2) I syrerik miljö oxideras Fe²⁺ till Fe³⁺ under det att en vätejon per järnjon förbrukas. Reaktion

lösning och påskyndar oxidationen av pyrit, vilket medför en kraftig försurning av porvattnet, [13]. En mol oxiderad pyrit ger sexton mol vätejoner enligt reaktion 2.3.

FeS2 (s) + 14 Fe³⁺ +8 H2O →15 Fe²⁺+ 2 SO42- + 16 H⁺ (2.3) Oxidation av pyrit enligt reaktion (2.1) är en av de mest försurande processerna i naturen. Vid oxidation av järnmonosulfid är den resulterande försurning hälften så stor som vid oxidation av pyrit, [5].

FeS2 (s) + 2 H2O →Fe (OH)2 (s) + H2S (2.4) Svavelväte (H2S) som bildas oxideras sedan till sulfat och den processen ger 2H+ för varje oxiderad H2S, enligt ekvationerna 2.5 och 2.6. Då pH sjunker kommer järnhydroxiden, Fe (OH)2 att dissociera och till en början buffra vattnet, [1].

H2S + 1/2 O2 → S⁰ + H2O (2.5)

S⁰ + H2O + 3/2 O2 → 2 H⁺ + 2 SO42- (2.6)

Vilket oxidationstillstånd som dominerar, beror av tillgången på elektroner i omgivningen, det vill säga redoxpotentialen. Vid hög redoxpotential är det ont om elektroner och den oxiderade formen, sulfat, dominerar. Vid låg redoxpotential är tillgången på elektroner god, vilket gynnar de reducerade formerna, t ex sulfid, [6].

3 Stabilisering

3.1 Allmänt

Djupstabilisering av jord genom inblandning av bindemedel är den metod för jordförstärkning som oftast används vid byggande på och i lösa jordar i Sverige idag. I början användes mest kalk och cement som stabiliseringsmedel men på senare år har även andra material (slagg, aska) börjat användas mer och mer. Genom laboratorieförsök kan lämpliga inblandningar utprovas, beroende på jordart. De mekaniska effekterna av en stabilisering beror på jordens fysiska och kemiska egenskaper, stabiliseringsmedlet, samt på härdningstid, [14].

3.2 Några tänkbara stabiliseringsmedel

Osläckt kalk tillverkas genom bränning av högvärdig kalksten vid ca 900°C och består till ca 95 % av CaO. Kalken reagerar med vatten under stark värmeutveckling och bildar Ca(OH)2. Vattenfasen blir mättad av kalciumhydroxid och pH stiger till ca 12,5.

3.2.2 Cement

Vanlig byggcement är av typ portlandcement. Den tillverkas genom sammalning av cementklinker och gips, som tillsätts som en regulator för bindningstid. Cementklinkern framställs i ugnar genom hopsintring av kalksten och lera vid hög temperatur ca 1450° C. Den kemiska sammansättningen kan variera mellan olika portlandcement beroende på

råmaterialets ursprung.

3.2.3 Flygaska

Flygaska är de restprodukter som följer med de varma rökgaserna ut ur

förbränningskammaren. Den innehåller högre halt av näringsämnen och tungmetaller än övriga askor och oftast även en större andel oförbränt material än till exempel botten askan.

Färsk flygaska är väldigt basiskt, oftast har den ett pH-värde på 12. Ytterligare en egenskap som är väldigt intressant är dess självhärdande (puzzolana) egenskap.

3.2.4 Merit

Merit är ett vitt pulver (granulerad, torkad och mald masugnsslagg), något finare än cement.

Produkten framställs av torkad hyttsand.

3.2.5 LD-slagg

LD-slagg bildas av slaggbildande tillsatser (bränd kalk/dolomit) samt uppoxiderade ämnen (kisel, järn fosfor m.fl.) under blåsning av järnet till stål i LD-ugnen.

3.3 Bindemedlets funktion i jord

De reaktioner som kan ge en stabiliserande effekt i jord är dels cementets reaktion med vatten i jorden, puzzolanreaktioner mellan Ca (OH)2 från bränd kalk eller cement och puzzolana mineral i jorden eller puzzolana tillsatsmaterial samt jonbyte mellan kalciumjoner från kalken eller cementet och joner i leran, [15]. Reaktioner som ger hållfasthet visas i tabell 3-1.

Tabell 3-1: Reaktioner som ger hållfasthet. ¹⁾reagerar först hydrauliskt och bildar Ca(OH)2 som i sin tur reagerar i en puzzolan reaktion. Det är reaktionsprodukterna från den sekundära puzzolana reaktionen som ger hållfasthet. ²⁾ Avser flygaska från kolpulvereldade kraftverk och värmeverk. [15]

Bindemedel Reaktion Annat som behövs ”Hållfasthetstillväxt”

Cement Hydraulisk Vatten Dagar

Bränd kalk Puzzolan¹⁾ Vatten + puzzolan eller Puzzolan tillsatsmaterial

Månader Granulerad masugnslagg Latent hydraulisk Vatten + Ca(OH)2 från t ex

Cement eller bränd kalk Veckor Flygaska²⁾ och kiselstoft Puzzolan Vatten + Ca(OH)2 från t ex

Cement eller bränd kalk

Månader

Minimikravet är att bindemedlet tillsätts i sådan mängd att det kan bygga upp ett lastbärande skelett. Underskrids detta minimikrav erhålls ingen stabiliserande effekt, se Figur 3-1. Innan slutligt stabiliseringsmedel väljs måste alltid en teknisk förundersökning utföras där

stabiliseringsmedlets egenskaper i aktuell jord testas. Valet av stabiliseringsmedel skall alltid grunda sig på de reaktioner som ger hållfasthetstillväxt. De önskade reaktionerna måste vara möjliga i aktuell jord, [15].

4 Sammanställning av projekt

4.1 Allmänt

I kapitlet redovisas en sammanställning av projekt där sulfidjord har förekommit.

Stabiliseringsresultatet vid de olika projekten har studerats. Syftet med denna sammanställning är att undersöka vilka olika faktorer som kan ha haft betydelse för stabiliseringsresultatet. I figur 4-1 presenteras lokaliseringen av de projekt som har sammanställts.

Figur 4-1: Orterna som ingick i de sammanställda projekten

4.2 Sunderbyn/Luleå

Projektet redovisas i en forskningsrapport om stabilisering av sulfidjord och den utfördes av Mácsik, Jacobsson och Pousette vid Luleå tekniska universitet [16]. Syftet med studien var att undersöka om LD-slagg hade någon stabiliserande funktion på sulfidjord, samt om den

behöver kombineras med andra tillsatsmedel för att uppnå en stabiliserande effekt i sulfidjord.

Vidare undersöktes om LD-slagg har någon inverkan på miljön.

Jorden som användes i studien är en siltig lerig sulfidjord, från två olika djup, upptagna i en lokal i Södra Sunderbyn (Luleå). Skillnaden mellan de två djupen 2,7 m respektive 3,5 m, var en något högre vattenkvot och större glödgningsförlust hos prover från djup 2,7 m.

I studien användes tre typer av cement, kalk, LD-slagg (en restprodukt från masugn vid tillverkning av råstål) samt LD-stoff. Cementtyperna är alla av sorten standard Portland och skiljer sig genom olika tillsatser av ytaktivt material i cement 2 och cement 3. Cement 3 innehåller mer ytaktivt material än cement 2 medan cement 1 inte innehåller någon tillsats av ytaktivt material. Resultaten från enaxiella tryckförsök för stabiliserad jord från djupen 2,7 och 3,5 m presenteras nedan i figur 4-2 och 4-3.

Djup 2,7m och 28 dygn

91 79

73 71 64 62 59 48

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

LDS/C1 25/75 107 LD/C2 25/75 107 C2 78 LD/C1 25/75 106 LD/C1 25/75 107 C2 79 C1 79 LDS/C1 50/50 106 LDS 104

Bindemedel

Skjuvhållfasthet [kPa]

Figur 4-2: Skjuvhållfasthet från provning i laboratoriet, (Sunderbyn, nivå 2,7 m).

Till vänster om diagrammet anges vilket bindemedel som användes, andel av respektive bindemedel och mängden bindemedel, (Till exempel: LDS/C1 = LD-slagg/cement 1, 25/75 = 25 % LD-slagg och 75 % cement 1 och 107 = bindemedelsmängd 107 kg/m³).

Djup 3,5m och 30 dygn

188 144

139 130 120 85

80 74 58 30

20 18 17

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

K/C 25/75 180 21°C C 1 111 C3 111 LD/C1 50/50 106 C2 110 LD/C2 50/50 106 C1 52 K/C1 25/25 112 C2 51 K 111 LD 107 LD/K 50/50 112 K 53

Bindemedel

Skjuvhållfasthet [kPa]

Figur 4-3: Skjuvhållfasthet från provning i laboratoriet, (Sunderbyn, nivå 3,5 m).

4.2.2 Sammanfattning av resultat

Undersökningen visade att det går att stabilisera en lerig sulfidjord med till exempel cement, så att hållfasthets- och deformationsegenskaper förbättras.

Vid en tillsats av 13 viktprocent standardcement av TS jord uppmättes, vid ett enaxligt tryckförsök på ett laboratorietillverkat prov, en hållfasthetsökning efter 100 dagar på 14 gånger, från 20 till 290 kPa.

Vid en tillsats av 6,5 viktprocent LD-slagg + 6,5 % standardcement fås, efter 100 dagar en hållfasthetsökning runt 6 gånger ursprungsmaterialets. Vid tillsats av enbart 6,5 % standard cement blir hållfasthetsökning knappt 5 gånger. Det tyder på att LD-slagg ger ett bidrag till hållfasthetsökning.

4.3 Örnsköldsvik-Husum

Denna principstudie av kalkcementpelarförstärkning vid järnvägssträckan av Botniabanan Örnsköldsvik-Husum är genomförd av SGI på uppdrag av Banverket Norra regionen [17].

Resultaten som är sammanställda i denna rapport kommer från sektionerna (19+200) och (19+250), där sulfidhalten bedömdes vara högre och de flesta inblandningsförsöken är gjorda.

Den planerade järnvägen går över åkermark med markytan på nivåer mellan +29 och +33.

Inblandningarna har utförts med två olika typer av bindemedelsblandningar. Den första bindemedelsblandningen innehåller 25 % kalk och 75 % cement (Standard Portland). Den andra bindemedelsblandningen innehåller 50 % slagg (masugnsslagg, Merit 5000) och 50 % cement (Standard Portland). Inblandningsmängderna som testades var 120 kg/m³ samt 180 kg/m³ och de användes för båda bindemedlen. Kalkblandningarna lagrades i +21°C

respektive +41°C medan slagg blandningarna lagrades i +7°C. För cement blir temperaturen något lägre och för slagg/cement antas temperatur aldrig överstiga +10°C. Syftet med dessa val av lagringstemperaturer var att påskynda hållfasthetstillväxten. En sammanställning av resultat redovisas i figur 4-4.

Efter 21 dygn

1053 628

579 253

224

479 174

0 200 400 600 800 1000 1200

K/C 25/75 180 21°C (1-2m) S/C 50/50 180 8,2°C (1-2m) K/C 25/75 180 41°C (4-6m) K/C 25/75 120 21°C (4-6m) S/C 50/50 180 8,7°C (4-6m) K/C 25/75 180 21°C (4-6m) K/C 25/75 120 21°C (7-8m)

Bindemedel

Skjuvhållfasthet [kPa]

Figur 4-4: Erhållen skjuvhållfasthet från provning i laboratoriet, Botniabanan 19/200+19/250

Till vänster om diagrammet anges vilket bindemedel som användes, andel av respektive bindemedel, mängden bindemedel och lagringstemperatur, (Till exempel K/C =kalk/cement, 25/75 = 25 % kalk och 75 % cement, S/C = slagg/cement, 120 =120 kg/m³

bindemedelsmängd och +21^o C = lagringstemperatur 21 ^o C).

4.3.2 Sammanfattning av resultat

Inblandningsförsöken visar att det är lämpligt att förstärka med kalkcementpelare med en inblandningsmängd av 120 kg/m³ bestående av 25 % kalk och 75 % cement. Efter 21 dygn uppmättes en skjuvhållfasthet på 250 kPa.

4.4 Söder om Umeå

Denna rapport är en litteratur- och laboratoriestudie utförd av Mattias Andersson och Tomas Norrman vid Luleå Teknisk Universitet [18]. Det är en laborativ del av ett forskningsprojekt där stabilisering av sulfidjord undersöks. Syftet med arbetet var att undersöka vilken eller vilka bindemedelskombinationer respektive inblandningsmängder som är lämpligast för stabilisering av sulfidhaltiga jordar.

Den studerade sulfidjorden är hämtad från en provlokal belägen längs Botniabanans planerade dragning i Stöcke, strax söder om Umeå. Området ligger inom sulfidjordsbältet i Sverige som sträcker sig längs norrlandskusten, från Gävle i söder till Haparanda i norr.

Laboratoriestudien omfattar en inblandningsserie där jord från fyra djup från samma provlokal använts. Vid försöken undersöktes 11 bindemedelskombinationer med

inblandningsmängder 100, 150, 175, 200 eller 250 kg/m³. En sammanställning av resultat redovisas i figur 4.5-5.8.

Djup 2,5-3m och 28 dygn

1340 1240 1080 1040 980 785

630 500 460 450 99

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

C/M 50/50 150 C 100% 200 C 100% 150 C/M 70/30 150 C/M 30/70 150 K/C/G 33% 200 K/C/M 33% 150 K/C/G 33% 150 C/M 30/70 200 K/C 50/50 150 A 100% 200

Bindemedel

Maximal tryckspänning [kPa]

Figur 4-5: Maximal tryckspänning för ett genomsnitt av ett dubbelprov, för olika typer, andelar och mängder bindemedel, lagringstid 28 dygn, djup 2,5-3 m.

Till vänster om diagrammet anges vilket bindemedel som användes, andel av respektive bindemedel och mängden bindemedel.

Djup 3,5m och 28 resp. 90 dygn

680 620 610 407

402 290

280 260 250 240 230 220 200 175 130 42

0 100 200 300 400 500 600 700 800

C 100% 200 K/C/G 33% 150 90 dygn C/A 50/50 250 C 150 90 dygn K/C/G 33% 250 C/A 30/70 250 K/C 50/50 150 K/C/G 33% 200 C/M 30/70 250 90 dygn C/M 70/30 150 C/M 30/70 200 K/C/G 33% 150 C/M 30/70 150 C 100% 150 C/M 50/50 150 K/C/M 33% 150

Bindemedel

Maximal tryckspänning [kPa]

Figur 4-6: Maximal tryckspänning för genomsnitt av ett dubbelprov, för olika typer, andelar och mängder bindemedel, lagringstid 28 respektive 90 dygn, djup 3,5 m.

Djup 4m och 28 dygn

1820 1220

930 900 725 650 590 560 420 310 300 220 215

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

C/M 30/70 250 C/A 50/50 250 C/M 30/70 200 C/A 30/70 250 C 100% 150 C/M 30/70 150 C/M 70/30 150 C/M 50/50 150 K/C/G 33% 250 K/C/G 33% 200 K/C 50/50 150 K/C/M 33% 150 K/C/G 33% 150

Bindemedel

Maximal tryckspänning [kPa]

Figur 4-7: Maximal tryckspänning för genomsnitt av ett dubbelprov, för olika typer, andelar och mängder bindemedel, lagringstid 28 dygn, djup 4 m.

Djup 5m och 28 dygn

1105 819

588 538

0 200 400 600 800 1000 1200

C/M 30/70 150 C 100% 150 K/C/G 33% 150 K/C 50/50 150

Bindemedel

M aximal tryckspänning [kPa]

Figur 4-8: Maximal tryckspänning för genomsnitt av ett dubbelprov, för olika typer, andelar och mängder bindemedel, lagringstid 28 dygn, djup 5 m.

4.4.2 Sammanfattning av resultat

De enaxiella tryckförsöken utförda på de stabiliserade proven visar att jord från djupen 3,5 m och 4 m ger lägst hållfasthet medan prov från djupen 2,5-3 m och 5 m uppvisar en hög hållfasthet. Av de bindemedel som undersökts ger kalk/cement/gips (K/C/G), i lika delar (33

%), det jämnaste resultatet genom jordprofilen, dvs. minsta variationen av hållfasthet med djupet. Cement/aska 50/50, som ej undersökts i lika stor omfattning som K/C/G 33 % utan enbart på djupen 3,5 m och 4 m, ger relativt hög hållfasthet. Kalk/cement 50/50 och kalk/cement/merit (33 %) ger överlag lägst hållfasthet.

4.5 Sammanfattande slutsats

Generellt kan sägas att bindemedlet kalk/cement uppvisar relativt låg hållfasthet hos en stabiliserad jord som innehåller sulfid. Kalken verkar ha en relativt långsam

hållfasthetstillväxt. Ökad inblandningsmängd bindemedel leder ofta till en hållfasthetsökning, men det är oekonomiskt.

Lagringstiden har störst betydelse för hållfasthetstillväxten för de prover som innehåller stor andel kalk och mindre andel cement. I Umeå gav cement (100 %, 200 kg/m³) och cement/aska (50/50, 250 kg/m³) en maximal tryckspänning på drygt 600 kPa efter 28 dygn. Dessa kan jämföras med K/C/G 33 % 150 kg/m3 som efter 90 dygn också uppnår en tryckspänning på ca 600 kPa. Cement/kalk 50/50 och kalk/cement/merit ger lägst hållfasthetstillväxt. I

Örnsköldsvik förstärktes kalkcementpelare med en inblandningsmängd av 120 kg/m³

bestående av 25 % kalk och 75 % cement. Efter 21 dygn uppmättes en skjuvhållfasthet på 250 kPa. Noterbart är att prover innehållande en större andel cement och mindre andel kalk har en snabb hållfasthetstillväxt. Kalken verka har en relativt långsam hållfasthetstillväxt.

Lagringstiden har störst betydelse för hållfasthetstillväxten för de prover som innehåller stor andel kalk och mindre andel cement.

Denna slutsats och det faktum att aska är en restprodukt, det vill säga att den kostar mindre att producera, gör att kombinationen cement/aska är ett intressant alternativ som är värt att titta närmare på.

Val av blandningsmängden styrs av kravet på hållfasthet. Vid stabilisering av sulfidjord för till exempel väg- och järnvägsapplikationer fordras en hög säkerhet och därmed ett högt krav på hållfasthet. I det här examensarbetet användes bindemedlen cement/aska och enbart cement i proportioner 50/50, 25/75 och 100 %. Inblandningsmängder valdes till 100, 150 och 200 kg/m³. Anledning till detta val är den slutsatsen som drogs efter utvärdering av de

sammanställda projekten.

5 Laboratorieförsök

5.1 Allmänt

Laboratoriestudien utfördes för att undersöka de aktuella bindemedelsblandningarna, samt bestämma de geotekniska och markkemiska egenskaperna hos den naturliga jorden.

Laboratorieundersökningar är utförda enligt svensk standard, [19] och omfattar följande

• Vattenkvot

• Konflytgräns

• Plasticitetsgräns

• glödningsförlust

• Sedimentationsanalys

• Enaxiellt tryckförsök

• Lakförsök (mätning av pH och konduktivitet)

5.2 Material

Jordproverna är hämtade från tre olika områden: Sunderbyn, Ådalsbanan och Kalix.

Tillgången av material var begränsad speciellt sulfidjord från Sunderbyn. Jordprovtagningen i Kalix utfördes med hjälp av borrbandvagn från 3,5-4 m och 5-7 m djup. I icke-oxiderat tillstånd var jorden helt svart. Författaren var närvarande på provtagningsområdet i Kalix och hjälpte till med skruvprovtagning. Två borrhåll upprättades med ett avstånd på 10 meter från varandra. Provtagningsdjupen var 3 m, 4 m, 5 m, 6 m, och 7 m. Efter varje provtagning

omhändertogs de störda proverna i en plastpåse som därefter förslöts ordentligt för att undvika syreangrepp under lagringstiden. Fotografier från provtagningen visas i figur 5-1.

Figur 5-1: Bilderna visar skruvprovtagning med hjälp av bl.a. en borrbandvagn försedd med en dator.

5.2.2 Stabiliseringsmedel

För stabilisering användes en cement/aska blandning i proportionerna 25/75, 50/50 och 100 %. Mängderna var 100, 150 och 200 kg/m³. Cementen var en standard portlandcement.

Flygaskan är hämtad från avdelning för avfallsteknik. Innehållsdeklarationer för bindemedlen presenteras i bilaga 3.

5.3 Tillverkning av stabiliserade jordprov

Stabilisering av sulfidjord utfördes på laboratorium enligt en svensk standard, [19].

Sulfidjorden blandades till en jämn massa, därefter tillsattes önskad mängd

stabiliseringsmedel. Mängden stabiliseringsmedel valdes så att stabiliseringen förväntades ge en önskad effekt med avseende på hållfasthet. Inblandningen pågick i ungefär 4 minuter, till dess att massan ansågs vara homogen.

5.3.2 Naturlig jord

Mängden jord som behövdes uppskattades baserat på antalet provkroppar som skulle framställas. Provets ursprung identifierades och därefter tömdes påsarna varvid innehållet vägdes och placerades i ett kärl för blandning. Efter detta erhölls en blandning som bedömdes vara homogen. Dubbelprov tillverkades för att öka noggrannhet i resultaten från de enaxiella tryckförsöken.

Figur 5-2: Blandning av jord och bindemedel i en degblandare.

5.3.3 Jord och bindemedel

Blandningen verkställdes i en degblandare och pågick tills massan bedömdes vara homogen, efter ungefär 4-5 minuter. Insidan av provtuberna behandlades med vaselin för att jorden inte skulle klibba fast när den senare skulle pressas ur provtuben. Packning av provkroppen genomfördes i jämna lager (ungefär 2 cm tjocka skikt). För varje lager belastades provet med 100 kPa i ungefär 5 sekunder. Innan följande lager lades på fårades ytan ytterligare med en kniv för att undvika vidhäftningsproblem i skarven. Ändytorna jämnades sedan av med en spatel för att få en slät yta för senare belastning. Bilderna 5-2 och 5-3 visar de ingående momenten som beskrivs i texten.

Figur 5-3: Packning med 100 kPa tryck under 5 sek för varje nytt tillfört lager. Ändytorna jämnades sedan av med en spatel för att få en så slät yta som möjligt.

Provet vägdes och densiteten beräknades. Plastmellanlägg lades mot ändytorna och gummilocken sattes på plats. Gummilocken tejpades fast i provtuben i syfte att förhindra oxidation under lagringstiden. Proven lagrades i kylskåp med temperatur +7 ⁰C i 28, 45 och 60 dygn. Bilden 5-4 visar färdig tillverkade provkroppar som skulle lagras i ett kylskåp i 28 dygn . Resultat för de olika mätningarna redovisas i nästa kapitel.

Figur 5-4: Lagring av provkroppar i kylskåp med temperatur +7 ⁰C.

5.3.4 Försöksomfattning

Stabiliseringen delades upp i olika tillfällen för tillverkning av provkroppar. Under första tillfället studerades två olika sulfidjordar från Sunderbyn. Ett stabiliseringsmedel användes cement/aska i proportionerna 50/50 och en inblandningsmängd av 200 kg/m³ för varje nivå.

Under andra tillfället studerades två olika sulfidjordar från Ådalsbanan. Två

stabiliseringsmedel användes cement/aska i proportionerna 50/50 och 25/75 för varje nivå och en inblandningsmängd av 100 kg/m³ för båda nivåer.

Under tredje tillfället studerades tre olika sulfidjordar från Kalix. Tre stabiliseringsmedel användes cement/aska och bara cement i proportionerna 50/50 och 25/75 respektive 100 % och en inblandningsmängd på 150 och 200 kg/m³ för varje nivå.

5.4 Enaxiellt tryckförsök

Enaxiellt tryckförsök är en relativt enkel metod för att bestämma jordens odränerade skjuvhållfasthet. Skjuvhållfasthet är en viktig parameter när det handlar om beskrivning av hållfasthetsegenskaper för de aktuella jordarna. Den används för att beräkna hur stor last en jord kan utsättas för innan den går i brott. Speciellt är denna parameter avgörande vid stabilisering av bland annat bankar och slänter.

Figur 5-5: Försöksuppställning för enaxiellt tryckförsök med tillhörande logger och dator.

Last och deformation lagrades i en dator och plottades kontinuerligt under försökets gång.

Maxvärdet noterades för varje försök ifall det skulle uppstå något fel senare vid överföring av data.

Figur 5-6: Bilderna visar provets deformation samt när det går i brott. Skjuvbrottets ytplan lutar nästan 45⁰.

5.4.2 Beskrivning av förfarandet

Vid enaxiellt tryckförsök placerades provkroppen i en tryckpress som bilder 5-5 och 5-6 visar, varefter det komprimerades i vertikalled med en konstant deformationshastighet. Belastningen var deformationsstyrd med 1,5 mm axialdeformation per minut. Provet fortsatte att tryckas efter uppnått toppvärde på tryckspänning, varvid deformationen fick fortsätta tills

provkroppens lastupptagande förmåga reducerats kraftigt och stora deformationer erhållits.

Vertikaltryck och deformation registrerades under processen. Den odränerade skjuvhållfastheten motsvarar halva värdet av den maximala tryckspänningen.

Tryckspänningen hos provkropparna har bedömts utifrån belastning och axiell deformation enligt ekvation (5.1).

Densitet och vattenkvot dokumenterades för varje prov och vattenkvoten bestämdes genom att ta prover av varje söndertryckt provkropp. Erhållna resultat redovisas i bilaga 3.

σ = F/A0 (1 − ε) (5.1)

där

σ= Tryckspänning, Pa F = Kraft, N

A0=Ursprunglig tvärsnittsarea, m² ε = Axiell deformation

Okulärt bedömdes ofta men inte alltid att brottet för de olika provkropparna var ett skjuvbrott, dvs. en ytplan som lutar 45⁰. Några prov hade en ytplan som lutade mer än 45⁰. En ungefärlig skjuvhållfasthet går att utvärdera genom att halvera den erhållna tryckspänningen.

5.5 Sedimentationsanalys

Sedimentationsförsök utfördes med pipettmetoden, enligt Byggforskningens informationsblad [20]. Syftet med försöket är att ta fram kornfördelningskurvor på finjorden för de olika

typerna av sulfidjord.

Figur 5-7: Bilderna visar några av momenten utförda vid sedimentationsanalys.

5.5.2 Beskrivning av utförandet

Ungefär trettio gram sulfidjord förbereddes, slammades upp och våtsiktades för att kunna avskilja grovjordsfraktionerna. Detta skedde under tillförande av ytterligare avjoniserat vatten för att alla partiklar med diameter mindre än 0,063 mm skulle passera genom sikten.

Till uppslamningen adderades en dispergeringsvätska bestående av Natriumpyrofosfat (Na4P2O7) löst i destillerat vatten. Blandningen fick sedan stå i en ultraljudsapparat under 15 minuter. Materialet som fastnade i sikten placerades i ett filter och torkades i ugn vid 105°C under ett dygn. Detta sker för att kunna bestämma partiklarnas torra massa.

Materialet som, tillsammans med drygt 0,8 liter vatten, passerade sikten hälldes upp i ett mätglas med en skala upp till 1000 ml. En tiondel av den färdiga suspensionen ska bestå av dispergeringsvätska. Dispergeringsvätskan används för att förhindra flockulering under sedimentationsförsöket.

Försöket utfördes i ett rum med konstant temperatur (+20°C) för att säkerställa vätskans viskositet. Innan mätningar påbörjades rördes provet kraftigt om så att partiklarna skulle fördelas jämnt i hela suspensionen. Direkt efter omrörningen togs ett nollprov för att ta reda på andelen finjord i suspensionen.

Prov på 10 ml togs upp med en pipett enligt ett tidsschema som omfattade åtta mätningar. De första fyra proven sögs från ett djup av tio centimeter under ytan för att sedan till de sista delproven övergå till fem centimeters djup. Varje delprov placerades i en skål som vägdes noggrant och fick stå och torka i ugn vid en temperatur på 105^o C under ett dygn.

Vid konstant fallhastighet hos kornen, kan tyngdkraften som påverkar kornen sättas lika med summan av lyftkraften hos vätskan och friktionskraften.

( )

18

k w g

v h d

t

ρ ρ η

− ×

= = ×

× (5.2)

v = fallhastighet

h = fallhöjd el. avstånd mellan pipettens spets och suspensionens yta t = falltid eller sedimentationstid

ρk = korndensitet ρw = vätskans densitet

g = tyngdkraftens acceleration η = vätskans viskositet

d = korndiameter

Ekvationen kan skrivas om till:

(

)

d h

g t

η ρ ρ

= × ×

− × (5.3)

Parametrarna som kunde erhållas från de olika mätningarna användes sedan för att rita upp en kornstorlekskurva

5.6 Lakförsök

Lakförsök utfördes för att undersöka om parametrar som pH, och konduktivitet, har en avgörande roll när det gäller stabilisering av sulfidjord. Två metoder har genomförts: MRM:s metod och LTU:s metod. Detaljerad beskrivning av de två metoderna återfinns i bilaga 4

5.6.2 Beskrivning av utförandet (MRM:s metod)

Lakförsök på sulfidjord utfördes i ett första steg på ett anaerobt prov (ursprungligt prov ej påverkat av syre efter provtagning). I ett andra steg lakades ett aerobt prov (lufttorkat prov).

Det lufttorkade provet lakades därefter aerobt i flera steg (upp till 10 eller mer). Efter första lufttorkningen, torkades provet i ugn (105°C).

Anaerob lakning

25 g torr substans anaerob jord lades i en bägare. Avjoniserat vatten tillsattes så att L/S- kvoten (liquid/solid) blir 5. Mängden vatten som tillsattes var 125 g minus jordens

vatteninnehåll. Provet slammades upp med hjälp av en glasstav och rördes om. Provet fick därefter stå ½ - 1 timme innan pH och konduktivitet mättes direkt i provets vattenfas.

Aerob lakning

25 g torkat och sönderdelat prov vägdes upp och placerades i ett filter som vikts och placerats i en tratt. 75 g avjoniserat vatten vägdes upp och hälldes över provet. Vattnet som runnit igenom provet och filtret samlades upp i en bägare. pH och konduktivitet mättes direkt på vattnet i bägaren och mängden lakvatten vägdes. Härigenom bestämdes lakvattenmängden som passerade genom provet. Denna mängd användes vid redovisningen i form av L/S- förhållande. Filtret med det nu blöta provet torkades igen. I det första steget torkades provet i luft och i de efterföljande i ugn (105°C i cirka ett dygn). Torkning och lakning upprepades upp till 10 gånger. Bilden 5-7 visar lakförsök under utförande.

Figur 5-8: Aerob och anaerob lakning vid användning av MRM:s metod

När resultaten ska tolkas, bedöms parametrarna var för sig, se figur 5-9, och sedan görs en sammanvägd bedömning. Ett diagram finns som hjälpmedel för en förenklad och grov bedömning, se figur 5-10. Diagrammet är indelat i fyra områden, från bedömning svagt försurande till mycket starkt försurande. Ett sätt att ange ett mått på försurningshastigheten är att ta reda på antal aeroba laksteg till dess att pH är lägre än 4, [11].

Figur 5-9: Bedömningsmall för försurningshastighet och försurnings effekt, [11].

Figur 5-10: Diagrammet visar fyra olika områden för bedömning av försurningsegenskaper, [11].

5.6.3 Beskrivning av utförandet (LTU:s metod) Anaerob lakning

Mängden vatten som tillsattes är 50g minus jordens vatteninnehåll. Därefter sattes lock på och flaskan skakades under 30 sekunder.

Provet fick därefter stå under 4 timmar innan mätning av pH och konduktivitet påbörjades.

Vattnets och jordens färg antecknades.

Figur 5-11: Aerob och anaerob lakning vid användning LTU:s metod.

Aerob lakning

10 g torkat prov vägdes upp och krossades fint i en mortel. Provet lades i en flaska. 50 g vatten tillsattes vilket ger L/S = 5. Provet rördes om och skakades i 30 sekunder. Inget lock sattes på flaskan.

Provet fick stå i 4 timmar för att hinna delvis sedimentera. pH och konduktivitet mättes i provets vattenfas. Vattnets och jordens färg antecknades.

Provet fick stå ytterligare 1-2 dygn så att i stort sett allt jordmaterial sedimenterade. Vattnet som var i stort sett klart, pippetterades bort. Provet fick sedan torka i en ugn (105ºC) i 24 timmar. Det betyder att det vatten jorden innehåller torkas bort och de joner som finns lösta i vattnet blir kvar i jorden.

Ytterligare ett aerobt lakningssteg utfördes genom att 50 g vatten tillsattes. Provet rördes om och skakades i 30 sekunder och fick sedan stå 4 timmar utan lock. Därefter mättes pH och konduktivitet i provets vattenfas. Det aeroba lakningssteget kan upprepas flera gången.

5.7 Konflytgräns

Flytgräns utfördes för att ta redo på vid vilken vattenkvot jorden övergår från plastiskt till flytande konsistens.

Figur 5-12: Bilden visar konens nedfall och vidare nedsjunkning i provet

5.7.2 Försöksutförande

Konförsök utfördes på omrörda prov från de aktuella sulfidjordarna. En kon som har en vinkel av 60^○och en massa av 60 g, placerades med spetsen vid provets övre yta och sedan fick den falla fritt ned i provet, se figur 5-12. Sedan mättes intryckets djup (intrycket bör ligga mellan 7 och 15 mm, annars ska provet torkas med papper eller blötas med destillerat vatten tills den önskat resultat uppnås). Fem konförsök utfördes och efter det bestämdes provets vattenkvot.

Konflytgränsen räknas fram med hjälp av nedsjunkning och provets vattenkvot enligt ekvation (5.4)

wL = M x w + N (5.4)

där

w = vattenkvot

M och N är värden som erhålls från en tabell, och de bestäms av konnedsjunkningen, [21].

5.8 Plasticitetsgräns

Bestämning av plasticitetsgräns utfördes för att ta reda på den lägsta vattenkvot vid vilken

Figur 5-13: Bilden visar provets utrullning på ett papper till en tråd.

5.8.2 Försöksutförande

Provet formades till en boll och utrullades med handflatan på ett papper till en tråd, se figur 5-13. Tråden fick inte bli mindre än 3 mm, annars skulle provet omformas igen och

proceduren börjas om tills tråden går sönder vid en tjocklek av 3 mm, [21].

När provet gick sönder vid en tjocklek av 3 mm, alltså vid plasticitetsgränsen, bestämdes därefter provets vattenkvot. Resultatet redovisas i nästa kapitel.

5.9 Glödgningsförlust

Halten av organisktmaterial, huvudsakligen humus, påverkar jordens mekaniska egenskaper och måste därför bestämmas. Inom geoteknik används ofta glödgningsförlusten som ett ungefärligt mått på jords organiska halt. Med glödningsförlusten avses förhållandet mellan massaförlusten på grund av glödning och den torra jordens massa, [22].

5.9.2 Försöksutförande

Provet fick stå och torka ett helt dygn, därefter maldes det till pulver i en mortel. En degel vägs tom och fylls därefter med ungefär 10-20 g av det malda materialet, varefter ny vägning gjordes.

Degel med prov placerades i en ugn med en temperatur på 800° C i en timme. Med vetskap om ingående och utgående massa beräknades glödgningsförlusten. Resultaten presenteras i nästa kapitel.