Verhalten von Vulkanasche

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14524 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Vulkanasche (VA) ist eines der Nebenprodukte explosiver Vulkanausbrüche. Aufgrund ihrer zementären Eigenschaften können sie als Bodenstabilisator als umweltfreundlicher Bodenstabilisierungsansatz eingesetzt werden. In dieser Studie wurde der Einfluss von VA als Zusatzmaterial (bis zu 20 %) auf das Verhalten eines tonigen Bodens bei eindimensionalen Druckversuchen und einachsigen Druckversuchen untersucht. Zu diesem Zweck werden der VA-Prozenteffekt, die Aushärtungsbedingungen, d. h. der optimale Feuchtigkeitsgehalt (OMC) und die gesättigte Probe, und die Aushärtungszeit, auf den Ödometermodul und die einachsige Druckfestigkeit (UCS) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von VA den UCS unter gesättigten Bedingungen kontinuierlich erhöht. Allerdings ist diese Verbesserung für 5 % zusätzliche VA im OMC-Zustand beträchtlich und führt zu einer Verbesserung des UCS um 325 %. Die maximale Verbesserung des UCS tritt bei 20 % Zugabe von VA im gesättigten Zustand auf. Es zeigte sich auch, dass VA-Bodenmischungen bei niedrigen Stressniveaus nachhaltiger sind und der Ödometermodul mit der VA-Zugabe zunimmt. Eine längere Aushärtezeit führt aufgrund der puzzolanischen Reaktion zu einer Erhöhung der hergestellten Bindungen. Zusätzliches VA hat keinen signifikanten Einfluss auf die Konsolidierungsparameter speziell für die kurzfristige Aushärtezeit.

In den letzten Jahrzehnten wurden bei der Bodenverbesserung und Stabilisierung von Straßenbauprojekten umweltfreundliche Ansätze im Hinblick auf die Einschränkungen und verfügbaren Quellen berücksichtigt. Die angenommenen Lösungen berücksichtigen die Verwendung von Geokunststoffen1,2,3, die Zugabe von Polymer/Biopolymer zu den Böden4,5,6 oder die Zugabe verschiedener Arten von Abfallmaterialien wie Reifen oder zerkleinertem Glas7,8,9,10 ,11. Basierend auf früheren Studien ist die Bodenstabilisierung eine bedeutende und kostengünstige Methode für die Nachhaltigkeit von Straßen12. Die chemische Verbesserung von Böden ist eine der gebräuchlichsten Techniken, die im Einklang mit der Umwelt und den Projektkosten eingesetzt werden können. Heutzutage werden chemische Verbesserungen durch die Verwendung von zementhaltigen Materialien wie Zement, Kalk und Puzzolanen12,13,14,15,16 durchgeführt.

Obwohl Zement und Kalk eine hohe Leistung und Effizienz bei der Bodenstabilisierung aufweisen, können während des Herstellungsprozesses oder der Nutzung verschiedene Umweltprobleme wie Zersetzung und Verschmutzung verursacht werden12,17. Angesichts der Probleme im Zusammenhang mit Zement- und Kalkmischungen in Böden hat sich in den letzten Jahren unter Ingenieuren die Verwendung umweltfreundlicher Abfallstoffe durchgesetzt. Angesichts der bisherigen Bemühungen wird die Verwendung von Puzzolanen als Material zur Bodenverbesserung bei Forschern zu einem beliebten Thema, da es relativ keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt hat12,17. Puzzolane sind Materialien auf Kieselsäurebasis, die je nach Art ihrer Herstellung (Flugasche, Vulkanasche, Spelzasche oder andere) unterschiedlich sind. Die Verwendung von Puzzolanen kann sich positiv auf die Reduzierung der Luftverschmutzung sowie auf die Einsparung von Energie und Treibhausgasemissionen auswirken17,18.

Das Potenzial der Verwendung von Abfallmaterialien, die von landwirtschaftlichen Feldern und Industrieunternehmen erzeugt werden, nämlich Flugasche, Schlacken, Reifen, Glas und Getreideschalen, wurde kürzlich untersucht8,19,20,21,22,23,24,25,26. Flugasche und Vulkanasche (VA), die durch Kohleöfen bzw. Vulkanausbrüche verschwendet werden, können als geeigneter Ersatz für Zement/Kalk gewählt werden und auch zur Bodenstabilisierung eingesetzt werden. Zahlreiche Forscher haben das Verhalten von VA unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Um die Bodenverbesserung durch zusätzliche zementäre Materialien zu bewerten, sollten die Bindung zwischen den Partikeln und die Festigkeitseigenschaften abgeschätzt werden27. Zu diesem Zweck können herkömmliche Standardtests durchgeführt werden, wie z. B. direkte Schertests, triaxiale Tests, einachsige Tests, begrenzte Kompressionstests und California Bearing Ratios (CBR). Die Zugabe von Puzzolanen zur Bodenmasse kann die Bodeneigenschaften wie Festigkeit, Reibungswinkel, Kohäsion und CBR21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 verbessern.

Liu et al.28 fügten Geopolymere auf Flugaschebasis hinzu, um Lössböden zu stabilisieren. Das Verhältnis zwischen Flugasche und Lössboden, die in ihrer Studie verwendet wurden, betrug 10 %, 20 % und 30 %. Mit zunehmendem Flugascheanteil nehmen sowohl der Jungmodul als auch die Druckfestigkeit zu. Xiao et al.29 untersuchten den Einfluss zusätzlicher Flugasche auf die Verbesserung von Meerestonen durch einachsige Kompressionstests. Die Verbesserung hängt maßgeblich von der Aushärtungszeit, dem Flugaschegehalt und dem Wassergehalt ab. Sie gaben an, dass bei der Probe mit dem höheren Flugaschegehalt (34,5 %) und 90–150 Aushärtetagen die Druckfestigkeit stark ansteigt (bis zu 85 %). Darüber hinaus ist die Wirksamkeit einer langen Aushärtungszeit im Vergleich zu gewöhnlichem Portlandzement größer, wenn Flugasche als Zusatzmaterial verwendet wird29. Mir und Sridharan30 untersuchten die Wirkung zusätzlicher Flugasche auf den Kompressibilitätsindex toniger Bodenmischungen mithilfe eindimensionaler Kompressionstests bei drei verschiedenen Aushärtezeiten: 1, 7 und 28 Tage. Unter Langzeitbedingungen lag der optimale Prozentsatz an zusätzlicher Flugasche zur Verbesserung der Kompressibilitätseigenschaften bei etwa 20 %. Der optimale Flugaschegehalt lag für den kurzfristigen Zeitraum jedoch bei 60 %. Nach den Ergebnissen von Ma et al.31 erhöht die Verwendung von Flugasche als Stabilisator den Sekantenmodul sowie die Druckfestigkeit durch Verlängerung der Aushärtezeit.

Solanki et al.32, Pinilla et al.33 und Edil et al.34 verwendeten Flugasche als Zusatzstoff und führten mehrere CBR-Tests durch, um den Elastizitätsmodul zu bestimmen. Der Zusatz von Flugasche führt zu einer deutlichen Erhöhung des Elastizitätsmoduls. Darüber hinaus besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem Elastizitätsmodulverhalten und der Aushärtungszeit sowie dem Feuchtigkeitsgehalt. Pandian und Krishna35 befassten sich mit den Auswirkungen von zwei verschiedenen Arten von Flugasche auf CBR-Tests (Klasse C und Klasse F). Flugasche ermöglicht eine Verbesserung der mechanischen Beständigkeit. Der Unterschied zwischen diesen beiden Arten von Flugasche hängt mit der Menge an Kalzium zusammen. Dieser Stoff spielt eine wichtige Rolle bei puzzolanischen Reaktionen36. Turner37 verwendete Flugasche als Stabilisierungsmaterial für Straßen mit Zuschlagstoffbelag. Zusätzliche Flugasche hat einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeitsparameter des Untergrunds. Die Wirkung hängt maßgeblich vom Wasser/Stabilisator-Verhältnis ab. Es wurde auch beobachtet, dass die Zugabe von Flugasche zu einer etwa fünffachen Verringerung der Konstruktionsdicke führte, was wiederum die Kosteneffizienz steigerte.

Es wurden verschiedene Untersuchungen zur alleinigen Anwendung von VA oder deren Einbindung in Kalk oder Zement in verschiedenen Belagschichten, Untergründen, Deckschichten oder Untergründen durchgeführt. Bahadori et al.27 verwendeten drei verschiedene VAs, die aus verschiedenen Regionen gewonnen wurden, um Mergelböden zu stabilisieren. Der Bodenplastizitätsindex verringerte sich durch die Zugabe von VA erheblich. Der durch einachsige Druckversuche ermittelte Elastizitätsmodul stieg an. Hossain et al.12 und Hossain und Mol38 stabilisierten tonige Böden mithilfe von VA. Die Haltbarkeit der stabilisierten Bodenmasse wurde durch Untersuchung der Auswirkungen des Einweichens auf Festigkeit, Wasseraufnahmefähigkeit und Trocknungsschrumpfung bewertet. Die Zugabe eines hohen VA-Anteils (bis zu 20 %) hat eine größere Wirkung als die Verwendung einer Kombination aus Zement und VA. Hastuty und Ramadhany39 führten CBR- und uniaxiale Tests durch, um die VA-Zugabe auf die Tonleistung zu bewerten. VA-Bodenmischungen weisen höhere Festigkeits- und CBR-Werte auf. Iskandar et al.40 führten mehrere CBR- und uniaxiale Tests durch. Sie beobachteten, dass die Zugabe von VA und Gips sowohl die CBR als auch die einachsige Festigkeit um mehr oder weniger 100 % verbessert.

Die Innenstadt von Mashhad (Hauptstadt von Khorasan Razavi, einer iranischen Provinz) enthält verrottete Lehmböden, die aus feinen Partikeln bestehen. Diese feinkörnigen Böden weisen schlechte Eigenschaften wie geringe Festigkeit, mangelnde Festigkeit und geringe Steifigkeit auf. Daher ist eine Bodenstabilisierung erforderlich, um die Tragfähigkeit und die durch bauliche Belastungen verursachten Verschiebungen zu gewährleisten.

Wie in der Literatur angegeben, beziehen sich die meisten Untersuchungen auf die Bodenstabilisierung durch Flugasche und die Wirkung zusätzlicher VA ist nicht ausreichend untersucht. Nur wenige Versuche haben sich mit der Wirksamkeit von VA auf die mechanischen Eigenschaften von Böden befasst12,33,34,35,39. Die Kompressibilität und das Konsolidierungsverhalten des stabilisierten Tons als Untergrundmaterialien sind entscheidende Aspekte für den Bau von Infrastrukturen. Bisher wurde das Konsolidierungsverhalten der VA-Bodenmischung untersucht. Das Hauptziel dieser Studie besteht daher darin, das Konsolidierungsverhalten der VA-Bodenmischung unter zwei möglichen Aushärtungsbedingungen zu verstehen, nämlich dem optimalen Feuchtigkeitsgehalt (OMC) und gesättigten Bedingungen für 7, 14, 28 und 90 Tage. Darüber hinaus werden in dieser Studie erstmals die ödometrischen Eigenschaften der VA-Bodenmischung bestimmt. Die ödometrischen Eigenschaften werden häufig zur Setzungsschätzung und numerischen Modellierung verwendet. Außerdem werden die Konsolidierungsparameter, nämlich der Kompressionsindex (Cc), der Quellkoeffizient (Cs) und der Rekompressionsindex (Cr), für die gesättigten Bedingungen für die VA-Boden-Mischung bei verschiedenen Aushärtezeiten gemessen. Zu guter Letzt wird der Ödometer-Elastizitätsmodul der VA-Boden-Mischung bei verschiedenen Spannungsniveaus von 25 bis 400 kPa bestimmt. Dieser Parameter ist der wichtigste für die Setzungsschätzung. Zu diesem Zweck wurden mehrere Standardtests durchgeführt, nämlich Proctor-Tests, eindimensionale Kompressionstests und einachsige Kompressionstests. Vier VA-Anteile, 5 %, 10 %, 15 % und 20 %, werden mit tonigen Böden vermischt. Die Proben wurden im OMC unter gesättigten Bedingungen vorbereitet und ausgehärtet, die die Projektbeschränkungen vor Ort, nämlich die Wetterbedingungen, darstellen. Es wird die uniaxiale Druckfestigkeit (UCS) sowohl bei OMC als auch bei gesättigten Bedingungen bestimmt. Außerdem wurden Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersive Spektroskopie (EDS) eingesetzt, um die Bindungsbildungen vor und nach der Behandlung darzustellen.

Der für diese Forschung verwendete Boden wurde im Zentrum von Maschhad, dem Iran, gewonnen. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Bodens wurden gemäß der American Society for Testing and Materials (ASTM)41,42,43 bestimmt. Diese Eigenschaften sind in Tabelle 1 dargestellt. Der Boden wird gemäß dem Unified Soil Classification System (USCS)44 als CL-ML und gemäß dem AASHTO-Klassifizierungsstandard (ASTM D3282)45 als A-6 klassifiziert. Abbildung 1 zeigt die Korngrößenverteilungskurve des Bodens. Tabelle 2 beschreibt seine chemischen Eigenschaften und Elemente. Der maximale Anteil an chemischer Verbindung beträgt CaCO3 mit 14,55 %. CaO entsteht durch das Vorhandensein von Wasser im Boden, das CaCO3-Verbindungen enthält. Folglich reagieren zusätzliche Puzzolane, die entweder SiO2-, Al2O3- oder Fe2O3-Verbindungen enthalten, mit dem produzierten CaO und erzeugen Calciumsilikathydrat (CSH) und Calciumaluminathydrat (CAH), was zu einer Bodenverbesserung führt27.

Korngrößenverteilung im Boden.

Der in dieser Forschung verwendete Puzzolan wurde aus einer natürlichen Puzzolanmine 140 km nordwestlich von Mashhad im Iran gewonnen. Die gröberen Partikel wurden durch eine Brechmaschine und ein Sieb Nr. 200 geleitet, um sicherzustellen, dass die Partikelgrößen der VAs fein genug sind. Das spezifische Gewicht (Gs) des VA beträgt 2,05 basierend auf ASTM D854-1443. Es ist gemäß der Norm ASTM C61846 als N-puzzolanisches Material klassifiziert. Tabelle 3 beschreibt die chemischen Verbindungen und Elemente der VA, die mithilfe der Röntgenbeugungstechnik (XRD) geschätzt wurden. Abbildung 2 zeigt den in dieser Studie verwendeten Boden und VA. Abbildung 3 zeigt die Rasterelektronenmikroskop-Fotos (REM) des Bodens und der VA. In Bezug auf Korngröße und -form weist die Bodenprobe (Abb. 3a) im Vergleich zu VA (Abb. 3b) größere und glattere Partikel auf. Tatsächlich weist VA aufgrund des Zertrümmerungsprozesses eckige Partikelformen auf.

In dieser Forschung verwendete Materialien: (a) toniger Boden, (b) Vulkanasche (VA).

REM-Aufnahmen der verwendeten Materialien; (a) toniger Boden, (b) Vulkanasche (VA).

Eine Reihe von Standardtests, darunter Verdichtungs-, einachsige Kompressions- und eindimensionale Kompressionstests, wurden durchgeführt, um den Effekt der VA-Zugabe auf die Bodenverbesserungsleistungen zu untersuchen.

Diese Tests wurden unter Berücksichtigung verschiedener Aushärtezeiten und VA-Prozentsätze durchgeführt. Es ist erwähnenswert, dass zur Validierung und Kontrolle des Verbesserungsverfahrens Verdichtungs- und einachsige Tests durchgeführt wurden. Zur Untersuchung der ödometrischen Parameter und Konsolidierungsparameter wurden eindimensionale Kompressionstests durchgeführt. Für die Aushärtezeit bei den einachsigen Druckversuchen wurde ein Zeitraum von 28 Tagen berücksichtigt. In Bezug auf eindimensionale Kompressionstests fasst Tabelle 4 die verschiedenen Parameter und das Testprogramm zusammen. Die allgemeine Bezeichnung jedes Tests lautet VAnDt-X, wobei VAn den n VA-Boden-Gemisch-Prozentsatz angibt, Dt die t Aushärtungszeit in Tagen und X die Aushärtungsbedingungen. VA0, VA5, VA10, VA15 und VA20 stehen jeweils für 0, 5, 10, 15, 20 % der VA-Bodenmischungen. Diese Mischungen basieren auf früheren Untersuchungen31. Der Aushärtungsprozess erfolgt bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt (-OMC) oder unter gesättigten (-S) Bedingungen in 7, 14, 28 und 90 Tagen. Beispielsweise stellt VA5D7-S unter gesättigten Bedingungen 5 % der VA in 7 Aushärtungstagen dar. Es ist zu beachten, dass alle Tests bei einer relativen Standard-Proctor-Verdichtung (RC) von 90 % durchgeführt wurden.

Der getrocknete Boden wurde unter trockenen Bedingungen mit dem gewünschten Prozentsatz an VA gemischt. Durch Zugabe von Wasser wurde eine homogene Mischung des VA-Bodens hergestellt und anschließend kräftig gemischt. Die Mischung wurde dann in Plastiktüten verpackt und kontinuierlich durch Schütteln gemischt. Abschließend wurden die Beutel bis zur Durchführung des Tests gelagert. Unter Berücksichtigung von ASTM D69847 wurde der Standard-Proctor-Verdichtungstest durchgeführt, um die OMC und die maximale Trockendichte (MDD) der VA-Boden-Mischung (unterschiedliche VA-Gehalte) zu bestimmen. Bei diesen Tests wurde keine Aushärtezeit berücksichtigt und sie wurden unmittelbar nach der Herstellung durchgeführt. Zur Bestimmung der uniaxialen Druckfestigkeit (UCS) nach ASTM D216648 wurden zylindrische Proben mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Höhe von 100 mm verwendet. Es ist erwähnenswert, dass umgeformte Proben mit OMC auf der Grundlage der feuchten Stampfmethode49 hergestellt wurden. Alle vorbereiteten Proben wurden erneut in Plastiktüten verpackt und mehrere Tage lang in einer Aushärtungskammer mit einer kontrollierten Temperatur von 23 ± 2 °C aufbewahrt. Im Hinblick auf gesättigte Aushärtungsbedingungen wurden die Proben in einen mit Wasser gefüllten Topf ertränkt. Für die einachsigen Tests wurde eine Verschiebungskontrollbelastung mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min angewendet. Dieser Belastungsratenwert entspricht der Verformungsrate, die aufgrund der Verkehrslasten unter dem Fahrbahnuntergrund entsteht38.

An den stabilisierten Böden wurden eindimensionale Drucktests gemäß ASTM D243550 durchgeführt. Für diese Tests wurde eine zylindrische Form mit 75 mm Durchmesser und 20 mm Höhe verwendet. Die Probenvorbereitung ähnelte den Tests mit einachsiger Kompression, die Proben wurden jedoch für 7, 14, 28 und 90 Tage in eine Aushärtungskammer gelegt. Für jeden VA-Prozentsatz wurden zwei Proben rekonstituiert, nämlich für gesättigte und OMC-Testbedingungen. Darüber hinaus wurde im Hinblick auf den Sättigungszustand nach dem Zusammensetzen der porösen Steine ​​auf der Ober- und Unterseite der Probe der Topf der eindimensionalen Kompressionsvorrichtung mit Wasser gefüllt und die Temperatur des Testraums konstant bei 23 ± 2 °C gehalten (siehe Abb. 4). Der Belastungsgrad ist bei diesen Tests auf 400 kPa begrenzt, was Nebenstraßen entspricht37.

Eindimensionaler Kompressionstest; (a) unter der Belastungsanwendung, (b) Aushärten der Proben unter gesättigten Bedingungen, (c) Aushärten der Probe unter Bedingungen des optimalen Feuchtigkeitsgehalts (OMC).

Abbildung 5a zeigt die Variation der Trockendichte mit dem Feuchtigkeitsgehalt für verschiedene VA-Prozentsätze. Abbildung 5b zeigt die Ergebnisse der durchgeführten Standard-Proctor-Tests. Der prozentuale Einfluss der VA auf OMC und MDD wird dargestellt. Durch die Erhöhung des VA-Prozentsatzes von 0 auf 20 % sinkt die MDD um etwa 9 % (von 1920 auf 1750 kg/m3). Dieser Trend kann auf das spezifische VA-Gewicht und die Korngrößenverteilung der Mischung zurückgeführt werden, die auch von Hossain und Mol38 beobachtet wurden.

(a) Variation der Trockendichte mit dem Feuchtigkeitsgehalt, (b) Variation der maximalen Trockendichte (MDD) und des optimalen Feuchtigkeitsgehalts (OMC) mit dem Vulkanaschegehalt (VA).

Zunächst umhüllt zusätzliches VA-Pulver die Bodenpartikel. Es kommt zu einer gröberen Partikelbeimischung und damit zu einer Vergrößerung des Freiraumvolumens. Der freie Raum (Hohlraumanteil) vergrößert sich jedoch, bis die VA die gesamte Partikeloberfläche bedeckt. Dann füllt eine stärkere VA-Zugabe zum Boden freie Räume und der Hohlraumanteil nimmt ab38. Die Auswirkungen der Zugabe von mehr VA zum Boden werden dann gering sein. Dieses Verhalten kann auch anhand von Abb. 6 dargestellt werden, die die Variation des Hohlraumverhältnisses mit dem VA-Prozentsatz zeigt. Durch Erhöhen des VA-Prozentsatzes erhöht sich der Hohlraumanteil um 10 % und nimmt danach tendenziell ab. Diese Verringerung kann auf die Partikelgröße der VAs zurückzuführen sein.

Variation des Hohlraumverhältnisses mit dem Gehalt an Vulkanasche (VA).

Für die Variation des optimalen Feuchtigkeitsgehalts gegenüber dem VA-Prozentsatz ist ein ungünstiger Trend zu beobachten. Durch Zugabe von 20 % VA erhöht sich der OMC um bis zu 2 % und die Wassermenge steht in direktem Zusammenhang mit dem VA-Gehalt. Wie von verschiedenen Forschern wie Hossain und Mol38 angesprochen. Sie erwähnten, dass dieser Trend auf die Wasseraufnahme der VA-Bodenbeimischung für puzzolanische Reaktionen zurückzuführen sei.

Abbildung 7 zeigt die REM-Fotos für die Probe VA10D90-S. Feine VA-Körner bedecken die Tonpartikel und es entstehen chemische Bindungen. Die chemischen Bindungen enthalten CSH und CAH (helle Flecken in Abb. 7). Zur Bestimmung der Verbindungen innerhalb der Kristallbindungen wurde ein energiedispersiver Spektroskopietest (EDS) durchgeführt. Wie in Abb. 8 dargestellt, ist der Kalziumgehalt in CSH und CAH hoch. Somit entstehen die hellen Flecken, die die festen Bindungen darstellen, durch die puzzolanische Reaktion27.

REM-Aufnahme des mit VA10D90-S behandelten Bodens.

EDS-Diagramm der puzzolanischen VA10D90-S-Produkte.

Abbildung 9 zeigt die Auswirkung der Zugabe von VA auf das UCS nach 28 Aushärtungstagen. Der UCS beträgt etwa 17 kPa, während er bei stabilisierten Böden mit 20 % VA auf bis zu 147 kPa ansteigt. Nach der Aushärtung stellt dies im gesättigten Zustand eine Verbesserung von 760 % dar (Abb. 9a). Das Vorhandensein von VA im Boden induziert Widerstandsbindungen, die zu einer Verbesserung der Bodenkohäsion und einem höheren UCS führen.

Einfluss des Gehalts an Vulkanasche (VA) auf die einachsige Druckfestigkeit (UCS); (a) bei gesättigtem Zustand, (b) bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt (OMC).

Andererseits nimmt auch UCS unter Berücksichtigung der OMC-Härtungsbedingungen zu, die größte Festigkeit zeigte sich jedoch für VA5. Tatsächlich beginnt der UCS bei Zugabe von 5 % VA zum Boden bei 45 kPa bei VA0 und steigt bei VA5 stark auf 170 kPa (277 % Verbesserung) an. Dann nimmt er nichtlinear ab, wenn dem Boden zusätzliche VA zugeführt wird, auf etwa 74 kPa (64 % der Verbesserung) für VA20 (Abb. 9b). Dieser Trend wurde auch von27 beobachtet. Aufgrund des Wassermangels können die puzzolanischen Reaktionen nicht abgeschlossen werden. Dies kann die Situation verschlimmern, wenn zusätzliches VA hinzugefügt wird, was zu einem höheren Hohlraumanteil in der Bodenprobe führt. Darüber hinaus sind VA-Partikel von Natur aus nicht kohäsiv, so dass durch die Zugabe von zusätzlichem VA der UCS aufgrund des Fehlens von Bindungen abnimmt.

Insgesamt wurden 36 1-D-Kompressionstests durchgeführt, um den VA-Additionseffekt auf den Ödometermodul zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde der Sekantenelastizitätsmodul für fünf Spannungsniveaus bestimmt: 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa und 400 kPa. Abbildung 10 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven für vier verschiedene Tests: VA0D0-OMC, VA0D0-S, VA15D90-OMC und VA15D90-S. Bei einem konstanten Spannungsniveau werden durch die Zugabe von VA zum Boden die Verschiebungen sowohl für OMC- als auch für gesättigte Bedingungen im Vergleich zum Fall des nicht stabilisierten Bodens geringer. Der Sekantenelastizitätsmodul wird gemäß der folgenden Gleichung (Gl. 1) und Abb. 10 berechnet.

Eindimensionale Druckspannungs-Dehnungs-Kurve.

In dieser Studie wird ein Parameter als IF (Verbesserungsfaktor) bezeichnet. Es kann mit der folgenden Gleichung ermittelt werden:

Dabei ist Ess der Ödometermodul des stabilisierten Bodens mit VA und Ens der Ödometermodul des nicht stabilisierten Bodens (VA = 0 %) für ein konstantes Spannungsniveau. IF gibt die Setzungseigenschaften der VA-Bodenmischung an. Im folgenden Teil werden die Auswirkungen des VA-Prozentsatzes, der Aushärtezeit und des Zustands (gesättigt oder ungesättigt) auf IF diskutiert.

Abbildung 11 zeigt die Variation der VA-Prozentsätze gegenüber IF für die OMC-Bedingung. Wenn man den VA-Prozentsatz auf 15 % erhöht, erhöht sich der IF für alle Stressniveaus und sinkt für VA20. Tatsächlich wird bei einer höheren VA-Menge die höhere Setzung durch VA20 induziert, und IF verringert sich folglich.

Einfluss des Vulkanaschegehalts (VA) auf den Verbesserungsfaktor (IF) bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt (OMC).

Abbildung 12 zeigt die Ergebnisse des IF für die gesättigten eindimensionalen Kompressionstests (konventionelle Konsolidierungstests). Je mehr VA dem Boden zugesetzt wird, desto stärker steigt die IF. Tatsächlich nimmt die Setzung mit steigendem VA-Prozentsatz für gesättigte Bedingungen stetig ab. Durch den Vergleich der Ergebnisse sowohl für OMC- als auch für gesättigte Bedingungen kann die IF-Entwicklung auf den Wassermangel im VA20 zurückgeführt werden. Daher sind die hergestellten widerstandsfähigen Bindungen kleiner als in VA15. Da die Probe im gesättigten Zustand bis zum Rand mit Wasser gefüllt ist, läuft die VA-Puzzolanreaktion weiter und es wird ein höherer IF erreicht. Die VA-Kompressibilitätseigenschaften sind höher als die des Bodens30; Daher erfordert bei ungesättigten Bedingungen die Zugabe von mehr VA von 15 bis 20 % mehr Wasser für die puzzolanische Reaktion. Die Abrechnungen für VA20 werden reduziert, da in der Stichprobe mehr VA vorhanden ist.

Einfluss des Vulkanaschegehalts (VA) auf den Verbesserungsfaktor (IF) für gesättigte Bedingungen.

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei VA um eine Art zementhaltiges Material, daher hat die Aushärtezeit (puzzolanische Reaktionszeit) einen bemerkenswerten Einfluss auf die Festigkeit der Proben. In der aktuellen Studie wird der Ödometermodul der VA-Bodenbeimischung nach 7, 14, 28 und 90 Tagen Aushärtung bestimmt. Die Aushärtung wurde unter OMC- und gesättigten Bedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 13 bzw. 14. Unter beiden Bedingungen stieg die IF deutlich an. Beispielsweise stieg bei einem bestimmten Spannungsniveau, nämlich 25 kPa für VA5D7-OMC und VA5D90-OMC, der IF-Wert für die Langzeit-Aushärtungszeit um bis zu 196 % an, im Gegensatz zur Kurzzeit-Aushärtungszeit (IF7 Tage = 2,6 und IF90 Tage). = 5,1). Bei den OMC-Staaten bleibt der IF aufgrund des Mangels an ausreichend Wasser für die puzzolanische Reaktion nach 30 Tagen Aushärtezeit nahezu konstant. Während IF relativ linear zunimmt, wenn die Aushärtezeit für den gesättigten Zustand erhöht wird. Die puzzolanische Reaktion erfordert Wasser, und je mehr Wasser vorhanden ist, desto mehr Widerstandsbindungen werden erzeugt, so dass bei gesättigten Bedingungen der IF bis zu einer Aushärtezeit von 90 Tagen erheblich ansteigt.

Einfluss der Aushärtezeit auf den Verbesserungsfaktor (IF) für optimale Feuchtigkeitsgehaltsbedingungen (OMC).

Einfluss der Aushärtezeit auf den Verbesserungsfaktor (IF) für die gesättigten Bedingungen.

Wie bereits erwähnt, wird der Ödometermodul für fünf verschiedene Belastungsniveaus bestimmt. Abbildung 15 a,b zeigt die IF-Änderungen bei verschiedenen Stressniveaus für VA15 unter OMC- und gesättigten Bedingungen. Für alle Aushärtezeiten wird ein indirekter nichtlinearer Zusammenhang zwischen Spannungsniveau und IF beobachtet. Der IF nimmt mit zunehmendem Stresslevel dramatisch ab. Die während der Aushärtungszeit hergestellten Verbindungen zwischen Boden und VA können unter der Belastung aufbrechen. Denn je höher die Belastung, desto mehr Bindungen werden gelöst. In Abb. 15 ist auch zu sehen, dass die Beziehung zwischen IF und Stressniveau als Potenzfunktion interpoliert werden kann, \(IF=k{(\frac{\sigma }{{P}_{atm}})} ^{n}\) und die Maße des R-Quadrat-Werts zeigen eine gute Anpassung an die Daten an. In der interpolierten Funktion sind k und n die Konstanten, die aufgrund der Aushärtungsbedingungen, der Zeit und des VA-Gehalts variieren. Diese Parameter k und n variieren je nach Härtungsbedingungen und Spannungsniveau.

Der Verbesserungsfaktor (IF) ändert sich mit dem Stressniveau für 15 % zusätzliche Vulkanasche (VA15) für verschiedene Zustände; (a) optimaler Feuchtigkeitsgehalt (OMC), (b) gesättigt.

Wie in Abb. 16 dargestellt, zeigt die Variation von k und n mit dem Prozentsatz von VA einen analogen Trend wie in Abb. 16. 11 und 12. Zusätzliches VA erweitert die hergestellten Bindungen, wodurch die VA-Boden-Mischung spröder wird und zu höheren k-Werten führt, mit Ausnahme von VA20-OMC. Daher führt diese Brüchigkeit dazu, dass als Folge der Spannungseinwirkung mehr Risse auftreten. Außerdem sind die k-Werte für gesättigte Zustände größer als für OMC-Zustände, da mehr puzzolanische Bindungen vorhanden sind. Tatsächlich sind die Schlüsselparameter, die k beeinflussen, der VA-Prozentsatz und die Aushärtungsbedingungen (Zeit und Feuchtigkeit) und hängen von der Bildung von Bindungen ab. n hat negative Werte, was auf den Reduktionseffekt zusätzlicher VA bei höheren Stressniveaus hinweist. Ebenso sind die n-Werte bei gesättigten Bedingungen niedriger. Denn je höher der Feuchtigkeitsgehalt ist, desto weniger spröde verhält sich der Ton. Daher sind unter OMC-Bedingungen hergestellte Proben spröder als im gesättigten Zustand und n hat für die OMC-Bedingungen einen größeren Wert.

Einfluss des Vulkanaschegehalts (VA) und der Aushärtezeit auf n und k.

Abbildung 17 zeigt die eindimensionalen Kompressionstests bei gesättigten Bedingungen (konventionelle Konsolidierungstests). Abbildung 17 zeigt das typische Konsolidierungstestdiagramm für verschiedene VA-Prozentsätze nach 90 Tagen Aushärtezeit. Wie bereits erwähnt, erhöht zusätzliche VA das Hohlraumverhältnis, was zu einer Verschiebung des Diagramms nach oben führt. Der Kompressionsindex (Cc) zeigt die Fähigkeit des Bodens, sein Volumen unter äußeren Belastungen zu verringern. Abbildung 18 zeigt die Variation von Cc mit dem VA-Prozentsatz bei verschiedenen Aushärtezeiten. Wie zu sehen ist, verringert die Zugabe von VA zum Boden den Cc, während mehr VA den Cc für die kurzfristige Aushärtungszeit beeinflusst. Dieser Effekt wird wichtig, wenn die Probe 90 Tage lang ausgehärtet wird. Geformte Bindungen werden für eine kurzfristige Aushärtungszeit durch zusätzliches VA fragmentiert. Dieser Trend zur kurzfristigen Aushärtungszeit lässt sich auf die Tatsache zurückführen, dass Widerstandsbindungen bei hohen Belastungsniveaus aufbrechen und Cc bei der endgültigen Belastungserhöhung (tangentiale Steigung bei 400 kPa Belastung) bestimmt wird. Bezogen auf die Aushärtezeit von 90 Tagen sinkt der Cc-Wert beispielsweise für VA20-D7-S und VA20-D90-S auf 60 %, von 0,082 auf 0,032.

Konsolidierungskurve für unterschiedliche Vulkanaschegehalte (VA) bei 90 Tagen Aushärtezeit.

Einfluss der Vulkanasche (VA) auf den Kompressionsindex (Cc) mit der Aushärtezeit.

Der Quellkoeffizient (Cs), der die Fähigkeit des Bodens angibt, sein Volumen nach dem Entladen zu vergrößern. Abbildung 19 zeigt Veränderungen von Cs mit dem VA-Gehalt. Dementsprechend hat VA einen vernachlässigbaren Einfluss auf Cs und ausschließlich für die kurzfristige Aushärtezeit. Dennoch nimmt Cs bei langfristiger Aushärtungszeit mit zunehmendem VA-Prozentsatz ab. Puzzolanische Bindungen verhindern bei guter Verarbeitung die Quellung in begrenztem Maße. Insbesondere wird auch der Rekompressionsindex (Cc-Bestimmung beim anfänglichen Belastungszuwachs, Cr) bewertet, um die Auswirkung zusätzlicher VA auf die Siedlungseigenschaften zu ermitteln. Abbildung 20 zeigt die Cr-Änderungen mit dem VA-Gehalt. Cr nimmt mit zunehmender VA ab. Diese Reduzierung wird durch Hinzufügen zusätzlicher VA linear. Daher kann festgestellt werden, dass die Zugabe von VA zum Boden für die Konsolidierungsparameter bei niedrigeren Stressniveaus wirksam ist.

Einfluss des Gehalts an Vulkanasche (VA) auf den Quellungsindex (Cs) für verschiedene Aushärtezeiten.

Einfluss des Gehalts an Vulkanasche (VA) auf den Rekompressionsindex (Cr) für unterschiedliche Aushärtezeiten.

In dieser Studie wird die Machbarkeit der Verwendung von Vulkanasche (VA) zur Stabilisierung toniger Böden durch den Einsatz von Verdichtungs-, einachsigen Kompressions- und eindimensionalen Kompressionstests untersucht. Dem Boden wurden vier verschiedene Prozentsätze VA (d. h. 5, 10, 15 und 20 %) zugesetzt, um den VA-Effekt auf die einachsige Festigkeit sowie auf den Ödometermodul bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt (OMC) zu untersuchen vollständig gesättigte Bedingungen während der Aushärtungszeiträume von 7 bis 90 Tagen. Der Einfluss der VA auf die Konsolidierungsparameter wurde bewertet. Die Laboruntersuchungen lassen folgende Schlussfolgerungen zu:

Die Verwendung von VA erhöht das Hohlraumverhältnis und die OMC. Dies kann auf die Raum- und Bindungsbildung nach der puzzolanischen Reaktion zurückgeführt werden. Daher erhöht zusätzliches VA die Wasseraufnahme,

Für die OMC-Bedingungen beträgt der optimale Prozentsatz an zusätzlicher VA 5 % bzw. 15 % für die uniaxialen und 1-D-Kompressionstests. Während bei gesättigten Aushärtungsbedingungen für beide Tests kein optimaler VA beobachtet wurde. Mit anderen Worten wurde festgestellt, dass die Anwesenheit von Wasser die Bildung von Bindungen ermöglicht.

Die Bodensteifigkeitsparameter werden durch die Zugabe von VA deutlich verbessert, und diese Verbesserung ist für gesättigte Aushärtungsbedingungen noch wichtiger.

Was die Aushärtezeiten betrifft, so erhöht bei einem konstanten VA-Prozentsatz eine kurzfristige Aushärtung (7 Tage) den Verbesserungsfaktor (IF). Dennoch ist die Verbesserung bei langfristigen Aushärtungsbedingungen (14 Tage und mehr) deutlicher. Tatsächlich werden durch die puzzolanische Reaktion während der Aushärtungszeit mehr Bindungen hergestellt.

Hinsichtlich des Stressniveaus kann festgestellt werden, dass der Einsatz von VA bei geringer Servicebelastung produktiver wäre. Andernfalls kommt es zu einer Fragmentierung der hergestellten Bindungen, wodurch sowohl die Steifigkeit als auch die Elastizität verringert werden. Daher wäre die Stabilisierung mit VA im Gegensatz zur Verbesserung auf Fundamentbasis für die Fahrbahngestaltung von Nutzen.

Die Zugabe von VA verringert den Rekompressionsindex (Cr) stärker als den Kompressionsindex (Cc). Es hat einen geringen Einfluss auf den Schwellungsindex (Cs). Das Hinzufügen zusätzlicher zusätzlicher VA hat kurzfristig (bis zu 28 Tage) einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Konsolidierungsparameter und wird langfristig (dh 90 Tage) erheblich.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten. Die Rohdaten sind auf begründete Anfrage auch beim entsprechenden Autor erhältlich.

Vulkanasche

Calciumsilikathydrat

Calciumaluminathydrat

Rasterelektronenmikroskopie

Energiedispersive Spektroskopie

Optimaler Feuchtigkeitsgehalt

Maximale Trockendichte

Verbesserungsfaktor

Einachsige Druckfestigkeit

N-Prozentsatz der Vulkanasche-Boden-Mischung, die in t Tagen bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt ausgehärtet ist

N-Prozentsatz der Vulkanasche-Boden-Mischung, die in t Tagen im gesättigten Zustand ausgehärtet ist

Sekantenelastizitätsmodul

Vertikaler Stress

Vertikale Belastung

Ödometermodul von stabilisiertem Boden

Ödometermodul von nicht stabilisiertem Boden

Konstanter Parameter

Konstanter Parameter

Kompressionsindex

Quellkoeffizient

Rekomprimierungsindex

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Die Autoren möchten Dr. Sanjay Nimbalkar von der University of Technology Sydney ihren Dank aussprechen, der das Manuskript geduldig überprüft und konstruktive Kommentare abgegeben hat.

Fakultät für Bauingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Ferdowsi-Universität Mashhad, Mashhad, Iran

Mohammad Amin Sayyah und Saeed Abrishami

Abteilung für Bau-, Umwelt- und Meerestechnik, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ, 07030, USA

Pooya Dastpak

Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, 3SR Lab, 38000, Grenoble, Frankreich

Daniel Dias

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Mohammad Amin Sayyah: Testen, Schreiben, Konzeptualisieren, Überprüfen. Saeed Abrishami: Aufsicht, Bearbeitung, Konzeptualisierung, Methodik, Überprüfung. Pooya Dastpak: Verfassen des Originalentwurfs, Konzeptualisierung, Überprüfung, Bearbeitung. Daniel Dias: Überprüfung, Bearbeitung, Konzeptualisierung, Methodik.

Korrespondenz mit Saeed Abrishami.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sayyah, MA, Abrishami, S., Dastpak, P. et al. Verhalten von Vulkanasche-Boden-Mischungen bei eindimensionalem Kompressionstest. Sci Rep 12, 14524 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18767-8

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Eingegangen: 09. April 2022

Angenommen: 18. August 2022

Veröffentlicht: 25. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18767-8

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