Improvement of Parent Material with Hydraulic Road Binders Used for Road Construction

• Autorzy: Korzeniowska J. , Ćwiąkała M. , Chrobok J.

Warianty tytułu

PL

Ulepszanie gruntów rodzimych hydraulicznymi spoiwami drogowymi do budowy dróg

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Load-bearing capacity of a road construction depends first and foremost on the parameters of a foundation that is based on parent (local) material. The improvement of the parent material with the use of hydraulic road binders, serving as the subsoil load-bearing skeleton, provides a solid base both for the base course, and subsequent layers of the pavement construction. The paper presents the role of hydraulic road binders based on fly ash produced during the combustion of lignite in the improvement of parental material. The CBR load-bearing tests of soil-binder mixtures, made from seven types of parent material and two types of hydraulic road binders, have been performed. These binders were added in the proportions: 2, 4, 6, 8 and 10% in relation to the total soil skeleton weight. The tests consisted in determining the CBR loadbearing ratio directly after having thickened the binder-free soil samples (including determining the loadbearing ration after 4 days of water saturation) and in defining the increment of that ratio upon 7 days of curing the samples of soil mixtures with the addition of binders. The test results indicate that all examined soil-binder mixtures can prove useful in earth works. Examined soils in their natural (i.e. binder-free) state are characterised by low load-bearing capacity, in particular upon having saturated thereof with water (CBR ratio remains within the limit of 1–36%). After the addition of a relatively small amount of a hydraulic road binder (e.g. 2%) – after 7 days of curing these soils were characterised by a significantly increased load-bearing capacity (CBR ratio remained within the limit of 25–190%). According to the test analysis, mean values of CBR load-bearing capacity ratios of the soil-binder mixtures with the addition of 2% to 10% of hydraulic binder remain high and remain within the limit of 94–264%, while the medians of these mixtures remain within the limit of 41–251%. Fly ashes (as a component of hydraulic road binders) occurring in soil-binder mixtures contribute to the improvement of the geotechnical properties of the parent material, including first and foremost to the increase in CBR of these mixtures. The soils characterised by a high content of the dust-silt fraction (> 15%) – that so far have been deemed useless in road construction industry – after having improved them with the hydraulic road binders based on fly ash produced during the combustion of lignite can prove useful in earth works and can constitute a valuable material for road construction.

PL

Nośność konstrukcji drogowej zależna jest przede wszystkim od parametrów fundamentu bazującego na gruntach rodzimych (miejscowych). Ulepszenie gruntów rodzimych poprzez zastosowanie w nich hydraulicznych spoiw drogowych, spełniających rolę wzmocnienia szkieletu nośnego podłoża, stwarza solidne oparcie dla podbudowy i kolejnych warstw konstrukcji nawierzchni drogowej. Praca dotyczy zastosowania hydraulicznych spoiw drogowych na bazie popiołów lotnych ze spalania węgla brunatnego do ulepszania gruntów rodzimych. Przeprowadzono badania nośności CBR mieszanek gruntowo-spoiwowych, wykonanych przy zastosowaniu siedmiu rodzajów gruntów rodzimych oraz dwóch rodzajów hydraulicznego spoiwa drogowego. Spoiwa te dodawano w proporcjach: 2, 4, 6, 8 i 10% w stosunku do całkowitej masy szkieletu gruntowego. Badania polegały na wyznaczeniu wskaźnika nośności CBR bezpośrednio po zagęszczeniu próbek gruntów bez dodatku spoiw (w tym także wyznaczenia wskaźnika nośności po 4 dobach nasycenia wodą) oraz na określeniu przyrostu tego wskaźnika po 7 dniach pielęgnacji próbek mieszanek gruntów z dodatkiem spoiw. Otrzymane wyniki badań wskazują, iż wszystkie przebadane mieszanki gruntowo-spoiwowe mogą być przydatne w wykonawstwie robót ziemnych. Przebadane grunty w stanie naturalnym (bez dodatku spoiw) charakteryzują się niską nośnością, zwłaszcza po nasyceniu wodą (CBR kształtuje się w zakresie 1–36%). Po dodaniu do nich niewielkiej ilości hydraulicznego spoiwa drogowego (np. 2%) – po 7 dniach pielęgnacji charakteryzują się znacznie wyższą nośnością (CBR kształtuje się w zakresie 25–190%). Z analizy badań wynika, iż średnie wartości wskaźników nośności CBR mieszanek gruntowo-spoiwowych przy zastosowaniu od 2 do 10% dodatku spoiwa hydraulicznego są wysokie i wynoszą w granicach 94–264%, natomiast mediany tych mieszanek w granicach 41–251%. Popioły lotne (jako składnik hydraulicznych spoiw drogowych) występujące w mieszankach gruntowospoiwowych przyczyniają się do poprawy właściwości geotechnicznych gruntów rodzimych, w tym przede wszystkim do zwiększenia nośności CBR tych mieszanek. Grunty o dużej zawartości frakcji pyłowoiłowej (> 15%) – traktowane dotychczas w drogownictwie jako nieprzydatne – po ulepszeniu ich spoiwami hydraulicznymi wytworzonymi na bazie popiołów lotnych ze spalania węgla brunatnego, mogą być przydatne w robotach ziemnych i stanowić cenny materiał do budowy dróg.

Słowa kluczowe

EN

soil improvement; fly ash produced during lignite combustion; hydraulic road binders; loadbearing capacity of soils; soil-binder mixtures

PL

ulepszanie gruntów; popioły lotne ze spalania węgla brunatnego; hydrauliczne spoiwa drogowe; nośność gruntów; mieszanki gruntowo-spoiwowe

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Poznański Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Logistyka
• Rocznik: 2014
• Tom: nr 4
• Strony: 4474--4485, CD6
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Korzeniowska J.

• Pedagogical University of Cracow, Faculty of Geography and Biology, Department of Sustainability and Environmental Management

autor

Ćwiąkała M.

• Innovative Technology Research Institute Ltd., Warsaw, Poland

autor

Chrobok J.

• Innovative Technology Research Institute Ltd., Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Ahmaruzzaman M.: A review on the utilization of fly ash, Progress in Energy and Combustion Science 36: 327–363, 2010.
• [2] Arenas C., Marrero M., Leiva C., Solís-Guzmán J., Arenas L.: High fire resistance in blocks containing coal combustion fly ashes and bottom ash, Waste Management 31: 1783–1789, 2011.
• [3] Arora S., Aydilek A.: Class F fly ash amended soils as highway base materials, Journal of Materials in Civil Engineering 17(6): 640–649, 2005.
• [4] Standard: 1970 Roads. Determination of the soil bearing ratio load index as the susceptible soil substrate.
• [5] Buhler S., Cerato A.: Stabilization of Oklahoma expansive soils using lime and class C fly ash, ASCE Geotechnical Special Publication 162: 1–10, 2007.
• [6] Camargo F.: Strength and stiffness of recycled base materials blended with fly ash, M.S. Thesis, University of Wisconsin-Madison, 2008.
• [7] Cetin B., Aydilek A., Guney Y.: Stabilization of recycled base materials with high carbon fly ash, Resources, Conservation and Recycling 54: 878–892, 2010.
• [8] Consoli N., Prietto P., Carraro J., Heineck K.: Behavior of compacted soil Ely ash-carbide lime mixtures, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 127(9): 774–82, 2001.
• [9] Dembicki E.: Earth pressure, passive pressure, and bearing capacity of the ground, Arkady, Warsaw, 1985.
• [10] Edil T., Acosta A., Benson C.: Stabilizing soft fine-grained soils with Ely ash, Journal of Materials in Civil Engineering 18(2): 283–294, 2006.
• [11] Edil T., Benson C., Bin-Shafique M., Kim W., Tanyu B., Senol A.: Field evaluation of construction alternatives for roadway over soft subgrade, Transp. Res. Rec. 1786, TRB, DC: National Research Council; Washington, 2002.
• [12] Halbiniak J., Ćwiąkała M.: Principles for the design of concretes depending on composition, Materiały Budowlane 3: 51–54, 2010.
• [13] Hatipoglu B, Edil T, Benson C.: Evaluation of base prepared from road surface gravel stabilized with fly ash, ASCE Geotechnical Special Publication 177: 288–295, 2008.
• [14] Hossain K., Lachemi M., Easa S.: Stabilized soils for construction applications incorporating natural resources of Papua New Guinea, Resources, Conservation and Recycling 51: 711–731, 2007.
• [15] Kołodziejczyk U., Ćwiąkała M., Widuch A., Halbiniak J., Rojna A.: Road foundations. Foundations made of soils or aggregates stabilized with hydraulic binders. Guidance on the design of hydraulic binder and soil-binder mixtures using combustion by-products. Warunki techniczne wykonania i odbioru dróg i mostów – Poradnik kierownika budowy i inspektora nadzoru, Wydawnictwo Verlag Dashofer, Warsaw, 2009.
• [16] Kraszewski C.: Aggregate and soils bound hydraulically in road structures, Drogownictwo 3: 98– 103, 2009.
• [17] Kraszewski C., Wilczek B.: Hydraulically bound mixtures (HBM) in road surfaces and improved substrate - introduction to the WT-5, XXIII Materials from the Technical Seminar of PSWNA, Jachranka nearby Warsaw, 2010.
• [18] Kukko H.: Stabilisation of clay with inorganic by-products, Special Issue: Eco-cementitious Materials, J. Mater. Civ. Eng. 12: 307–309, 2000.
• [19] Kumar A., Walia B., Bajaj A.: Influence of fly ash, lime, and poliester fibers on compaction and strength properties of expansive soils, Journal of Materials in Civil Engineering 19 (3): 242– 248, 2007.
• [20] Lav A., Lav M., Goktepe A.: Analysis and design of a stabilized fly ash as pavement base material, Fuel 85: 2359–2370, 2006.
• [21] Mahlaba J., Kearsley E., Kruger R.: Physical, chemical and mineralogical characterisation of hydraulically disposed fine coal ash from SASOL Synfuels, Fuel 90: 2491–2500, 2011.
• [22] Meawad A., Bojinova D., Pelovski Y.: An overview of metals recovery from thermal power plant solid wastes, Waste Management 30: 2548–2559, 2010.
• [23] Miller G., Azad S.: Influence of soil type on stabilization with cement kiln dust, Construct. Build. Mater. 14(2): 89–97, 2000.
• [24] Pedersen K., Jensen A., Skjøth-Rasmussen M., Dam-Johansen K.: A review of the interferencje of carbon containing fly ash with air entrainment in concrete, Progress in Energy and Combustion Science 34: 135–154, 2008.
• [25] PN-B-02480:1986 Construction soils. Definitions, symbols, classification and description of soil.
• [26] PN-EN 14227-3:2003 Hydraulically bound mixtures. Requirements. Fly ash bound mixtures.
• [27] PN-EN 14227-4:2003 Hydraulically bound mixtures. Fly ash used in hydraulically stabilised mixtures.
• [28] PN-EN 14227-14:2006 Hydraulically bound mixtures. Specification. Soils stabilised with fly ash.
• [29] PN-EN 13286-47:2004 Hydraulically bound and unbound mixtures. Mixtures of unbound and bound hydraulic binder. Test method for CBR ratio, immediate bearing index, and linear swelling.
• [30] Standard: 1998 Roads. Earthworks. Requirements and tests.
• [31] Rafalski L.: Road foundations. Studies and materials, Zeszyt 59, Wydawnictwo Instytutu Badawczego Dróg i Mostów, Warsaw, 2007.
• [32] Rafalski L., Kraszewski C., Wilczek J., Dreger M.: The analysis of conditions and the usability study of selected UPS in civil engineering - Study of available references, IBDiM, Warsaw, 2010.
• [33] Raupp-Pereira F., Ball R., Rocha J., Labrincha J., Allen G.: New waste based clinkers: Belite and lime formulations, Cement and Concrete Research 38: 511–521, 2008.
• [34] Regulation of the Minister of Transport and Maritime Economy of 2nd March 1999 on the technical conditions to be met by public roads and their location (JoL.1999.43.430).
• [35] Sebök T., Šimoník J., Kulísek K.: The compressive strength of samples containing fly ash with high content of calcium sulphate and calcium oxide, Cement and Concrete Research 31: 1101–1107, 2001.
• [36] Sezer A., Inan G., Yilmaz H., Ramyar K.: Utilization of a very high lime fly ash for improvement of Izmir clay, Build. Environ. 41: 150–155, 2006.
• [37] Shao L., Liu S., Du Y., Jing F., Fang L.: Experimental study on the stabilization of organic clay with fly ash and cement mixed method, ASCE Geotechnical Special Publication 179: 20–27, 2008.
• [38] Sobczyk M.: Statistics, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warsaw, 2008.
• [39] Szydło A.: Selected issues on the assessment of the road surface Bering capacity, Conference materials from: Diagnostics and evaluation of road condition, Wrocław University of Technology Press, 1997.
• [40] Walesiak M., Gatnar E.: Statistical data analysis with the use of the R. software, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warsaw, 2009.
• [41] Widuch A., Ćwiąkała M.: Use of lignite fly-ash in transport construction, Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Zielonogórskiego Nr 137, Oficyna Wydawnicza UZ, Zielona Góra, 2010.
• [42] Widuch A., Ćwiąkała M., Korzeniowska J.: Innovative road binders for soil reinforcement and improvement, Materiały konferencyjne „Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Komunikacji Rzeczpospolitej Polskiej”, LIV Techniczne Dni Drogowe, Warszawa, 2011.
• [43] Widuch A., Ćwiąkała M., Korzeniowska J., Kraszewski C.: Stabilization of soils with hydraulic Road binders based on fly ash from lignite combustion, Kwartalnik Drogi i Mosty 3: 195-214, 2012.
• [44] Guidelines for reinforcingsoil substrate in road construction. Team effort, GDDKiA i IBDiM, Warsaw, 2002.