有机硅烷和木质素磺酸盐稳定的道路:性能在两年的时间跨度

文摘

挪威E39新高速公路的建设包括延长隧道的挖掘系统,导致大量的岩石。等,这些资源可持续的成本效益的应用是由当地用作建筑材料的层的道路。研究了两种类型的非传统添加剂来改善聚合物的力学性能;这是特别有用的对于那些不满足设计要求的岩石在自然状态。这项工作主要关注两个创新稳定技术的现场应用基于有机硅烷和木质素磺酸盐。这些添加剂代理的性能特点是考虑三个典型道路基础层部分建立在目的根据实际实践和添加水(没有治疗),有机硅烷,木质素磺酸盐。测试部分受到气候行动只是无论是交通还是表面应用课程。调查覆盖了两年,层的刚度、变形和抗渗透评估利用轻量级挠度计和动态圆锥贯入仪。有机硅烷和木质素磺酸盐显著提高治疗基地层的力学性能。

1。介绍

通过实现“ferry-free沿海公路路线E39”项目中,挪威公路管理局(NPRA)旨在提高生存能力从特隆赫姆挪威西南部海岸克里斯蒂安桑海岸约1100公里的总长度(1,2]。项目包括延长隧道系统的创建,从而导致生成大量的岩石。等,一个可持续的方式使用这些自然资源作为建筑材料是由其使用的层的道路建在靠近隧道的基础设施。该解决方案将从几个观点和产生显著的优势减少自然资源的消耗和相关污染物排放(3- - - - - -7]。此外,可持续和环保解决方案的重要性是世界上越来越重要以及在挪威国家奉行气候中立(8]。

为了避免遇到过早损坏(9),挪威路面设计手动指定一些要求释放颗粒材料(UGMs)用于道路的层(10,11];其中,洛杉矶(LA)值(12)和microdeval(身边)值(13)通常是最严格的标准来完成(14]。沿着公路对齐地质传播在很大程度上是满足设计要求的各种岩石和由(“强有力”的总量,一般火成岩),而其他岩石(“弱”聚集,通常沉积岩和变质岩)不(15]。

一些传统的稳定技术已经彻底改善力学性能特征的层,例如,水泥、沥青、粉煤灰、石灰和石膏16- - - - - -21]。最近,两个非传统稳定代理取得了可喜的成果来改善骨料压碎岩的力学响应(22- - - - - -24]。这两种添加剂都是基于有机硅烷和木质素磺酸盐,这里也被称为聚合物(P)代理和lignin-based (L)代理,分别。

考虑到之前的调查处理的稳定电位P-based L-based产品主要是基于实验室检测进行粘土和粉砂质材料(25- - - - - -32),本研究扩展了先前的发现包括一个现场试验压碎岩骨料覆盖两年的时间跨度。建造了三个典型的基础道路部分根据实际的挪威施工实践和添加水(没有治疗),分别为有机硅烷和木质素磺酸盐。测试部分只有受到气候行动,无论是交通还是表面课程是应用。在两年的时间跨度,刚度和变形性能评估使用一个轻量级的挠度计(LWD) [33)和动态圆锥贯入仪(DCP) [34]。需求总量,实现标准代码被用于这项研究为执行现场试验提供足够数量的“软弱”总量并不可行。

2。材料和方法

2.1。压碎岩骨料

的现场试验进行Vassfjellet位置接近特隆赫姆(Trøndelag、挪威)。岩石在这个地方,主要特点是变质反应,尤其富含辉长岩、变辉长岩和绿片岩(35];此外,他们通常用于道路建设在挪威的中央部分36]。x射线衍射(XRD)和x射线荧光(光谱仪)初步分析是全面描述了骨料。力量D8推进仪器显示与波长的1.79钴管用于执行XRD分析和检查成分基于里特维德的方法,以及最丰富的矿产的比例在图1。角闪石(角闪石)、绿泥石、钠长石,长石和斜黝帘石(绿帘石)是主要的矿物质。光谱仪分析是获得使用PANalytical Zetium 4千瓦x射线光谱仪。主要的元素以及损失点火(减量)报道在表1,硅的主要组件。

根据指定的要求挪威路面设计手册N200灯(10,11),压碎的岩石可以用作建筑材料在公路的底基层基础和考虑洛杉矶标准测试的结果(LA价值)和microdeval标准测试(身边的价值)。作为基本层的阈值设置为30和15,压碎的岩石源于Vassfjellet实现代码需求(LA = 18.2和身边的= 14.2)。无论如何,这并不阻碍研究的总体目标,即评估有机硅烷和木质素磺酸盐是否可以提高碎岩石的力学性能;因此,实现贫困岩石骨料甚至可能更大的改进。图2(一个)显示了谷物曲线用于现场调查以及级配范围(37];最大总大小是32毫米。最优含水率(OMC)也被评估38),发现等于5%,容重约等于2.5吨/米³如图2 (b)。

2.2。稳定技术

现有的非传统技术有效稳定的粗级配的道路可分为(39]:合成聚合物、有机石油、有机石油、粘土和盐水的盐。有机硅烷是一种合成的聚合物,而木质素磺酸盐是一种有机石油产品。安全数据表的添加剂不报告任何环境危害,和退化环境是可以接受的40,41]。目前,大量的研究侧重于聚合物和植物性技术是最新的稳定的解决方案(42]。

聚合物稳定剂在60年代中首次引入合成单体尺寸从0.05μ米到5μ米直径(43,44]。他们稳定过程是基于聚结,这表明建立一个乳液蒸发后形成薄膜的物理债券(45]。聚合物产品可分为丙烯酸酯、聚氨酯、丁苯、乙酸(46]。有机硅烷是一种纳米级nonleachable和紫外线和热稳定丙烯酸酯基于两个组件,即乳剂基于乙酸和甲醇(C1)组件,基于丙二醇分散和alkoxy-alkyl甲硅烷基(C2)组件。之后结合硅酸盐聚合表面形成自然存在硅氧烷联系(= Si-O-Si =),添加剂促进4-6-nm一层的形成疏水烷基硅氧烷如图3(30.,47- - - - - -49]。的主要物理性质有机硅烷用于这项研究被发表在表2。化学绑定是损坏如果暴露在基本物质(50)或温度高于200°C (51]。

木质素磺酸盐是一种由有机聚合物的亲水和疏水基团;它是一种可再生的物质产生木质素提取的纸和纸浆工业。该产品是水溶性的和无毒的25,28,52]。由于其胶结性能,木质素磺酸盐如图聚合粒子结合在一起4(31日]。应用作为公路的稳定剂时,潜在的浸出湿条件下可以通过提供一个合适的路面排水部分受阻或表面处理。木质素磺酸盐的主要物理特性用于这项研究被发表在表3。考虑到产生物理胶结作用(小或没有化学效应),它已经表明,稳定过程可能与减少表面积增加,即提高当从fine-graded土壤粗级配骨料(申请39]。

2.3。测试区域和测试程序

现场测试是在一个开放的空间位于一个采石场Vassfjellet (Trøndelag、挪威)。考虑图报告的粒度分布曲线2(一个),三个基本层部分建造和治疗根据三种不同的过程:水只/未经处理的(10节),聚合物添加剂(L1),和lignin-based添加剂(位置L2)。每个部分的宽度、长度和厚度近似为3.5 m×10 m×17厘米厚,分别。主要运营阶段构建的道路测试位置见图52018年5月完成;进一步的信息关于施工过程中可以找到(24]。表4报告使用的外加剂。

重量轻的挠度计(LWD)是一个single-person-use便携式仪器用于测定的力学性能测试部分和描述他们的空间分布33,53,54]。这次调查中使用的设备是由高分子聚合物制造公司55]。对道路基础层的测试由脉冲负载应用通过钢板;检波器记录板运动的速度。LWD由以下部分组成如图6:加载机制处理(1),释放机构(2),(3)泡沫水平,导杆允许下降体重从72厘米(4),10公斤减重(5)区,交通锁销(6),与预应力盘式弹簧弹性元件(7)。负载板直径30厘米包括一顶帽子和一个传感器(8),传感器插座连接测量电缆(9),和一个负载板带处理(10)。传感器是测量解决定位下盖(8)的负载板(56]。定义加载机制生成一个冲击荷载,加载下的层板的总沉降测量;7.07 kN,最大冲击力影响的持续时间是17.0±1.5女士,和偏转范围测量是0.1±0.02毫米到2.0毫米。完成后三个测量,偏转传感器(检波器)评估平均结算年代_米和弹性模量E_LWD根据圆板半空间理论假设均匀,各向同性、线弹性材料的行为(58,59]。不同于落锤挠度计(FWD)设备、LWD采用短负载脉冲和一个较小的力作用[60,61年]。

动态圆锥贯入仪(DCP)设备也被用来评价的稳定电位P-based和L-based技术除了LWD的抗渗透。这个测试是通过驱动金属锥到基地层通过释放一个8公斤体重从575 mm的距离如图6(34,57]。DCP作为进一步采用实际的方法,以更好地评估外加剂的性能除了LWD随着DCP结果可能相关的其他属性,例如,弹性模量和承载力62年- - - - - -64年]。

LWD测量进行每日在第一次50天开始施工完成后(2018年5月和6月)。此外,LWD测试也进行了从115年110天(2018年9月),从370年365天(2019年5月),从每天730到735年建设完成后(2020年5月)。DCP测试期间执行115天,370天,735天。现场调查从而覆盖了两年的时间跨度。LWD和DCP测量每个位置进行了15点,这里提出了平均值。

测量操作完成后停止了下雨的降水。Skjetlein并且每天Saupstad气象站记录的降水数量和平均最低和最高温度65年];平均值报告在本研究根据距离加权法(66年]。两个气象站选择最接近的测试网站,大约位于采石场5公里。

3所示。结果与讨论

3.1。聚合涂层和现场条件

探讨了表面未经处理和治疗碎岩石在实验室通过两个方式如图7。显微镜的操作在40 x放大使得侦察的主要矿物质,即角闪石、长石、绿帘石节报道2。1。P-based和L-based添加剂骨料表面完全覆盖。有机硅烷的特点是球形结构(气泡)创建与发泡过程,而木质素磺酸盐形成一个不规则的多边形结构相关mesh-shaped涂层。扫描电镜(SEM)微观结构及形貌进行分析也进行调查使用的发射电流10μ10 kV和加速电压。有机硅烷和木质素磺酸盐完全覆盖基体表面聚合的小分散粒子不再可见。

测试部分的密度是评价,由于开挖方法(67年),计算容积密度ρ_b、干密度ρ_d和水的含量显示在图8。木质素磺酸盐的用量在位置L2显著高于其他两个位置使用的外加剂;因此,位置L2过饱和的,这里的测量5天后进行。

在两年的时间跨度,测试部分暴露在温度变化中描述的人物9。在这方面,人物10报道更多的细节关于LWD时和DCP测量进行。从第一天到50天(2018年5月和6月),5°C之间的平均温度是由和过小的降雨(图20°C10 ());这种情况是非常干燥和温暖的挪威上下文(68年]。考虑到三天时间帧110天115(2018年9月),每天365 - 370(2019年5月),和每天730 - 735(2020年5月)平均气温12.5°C, 5.4°C和10.0°C和累积的降水量13.4毫米,21.1毫米,6.7毫米,分别(数字10 (b)- - - - - -10 (d))。

三个道路部分的表面在两年的时间跨度是描绘在图11。在这方面,最明显的差异对于骨料表面可以观察到施工完成后未经处理的矩阵只包含水和材料处理有机硅烷和木质素磺酸盐显示一个不那么粗糙表面颜色褪成灰色和棕色,分别。后来,由于测试的完整的暴露部分自然行为,稳定的外观表面变得略有不同。即使两年后,添加剂没有完全外套碎岩石的表面,和约束矩阵的存在仍然可以清晰地观察到在聚合时仔细检查表面。

3.2。重量轻挠度计测量

LWD的第一序列测量在第一次执行后50天完成道路建设部分。数据12(一)和12弹性模量(b)报告E_LWD和结算年代_LWD,分别。在此期间,L1有机硅烷处理注册的最高位置E_LWD值(163.5 MPa)和最低的年代_LWD值(0.14毫米)。同时,木质素磺酸盐的影响变得明显以较慢的速度(最有可能由于最初的过饱和位置L2)和最高的价值E_LWD和年代_LWD为lignosulfonate-based治疗材料等于133.4 MPa和0.18毫米,分别。此外,尽管所有的测试部分的表面没有分级根据截面促进排水,值得注意的是,降雨雪L0未经处理的位置只产生了重大影响,而小的日常变化观察L1和L2的位置。数据12(c) -12(d)报告E_LWD和年代_LWD分别在每天110 - 115。这些测量证明治疗区域有机械性能明显高于L0位置。的平均值E_LWD42.2 MPa, 102.5 MPa, 103.9 MPa,和的平均值年代_LWD0.46毫米,0.22毫米,0.23毫米L0、L1、L2,分别。测量与天相比50天,大量的降水发生在50和110天可以解释为较小的值测量期间每天110 - 115。数据12(e) -12(f)显示机械性能经过一年的建设,即每天365 - 370年期间,尽管一般价值的减少E_LWD和年代_LWD,治疗位置继续执行比未经处理的位置。的平均值E_LWD41.0 MPa, 88.7 MPa, 82.2 MPa,和的平均值年代_LWD0.57毫米,0.26毫米,0.28毫米L0、L1、L2,分别。考虑到测量取得了两年之后,即每天730 - 735年期间,显然,有机硅烷和木质素磺酸盐继续带来正面的影响。的平均值E_LWD40.4 MPa, 77.6 MPa, 74.7 MPa,和的平均值年代_LWD0.58毫米,0.28毫米,0.31毫米L0、L1、L2,分别。

考虑整个机械性能测量的一般趋势在为期两年的寿命,有机硅烷和木质素磺酸盐表现令人满意,获得更好的结果比未经处理的材料。提到例如弹性模量,平均价值115天后,1年,2年42.2 MPa, 41.0 MPa,未经处理的总量和40.4 MPa, 102.5 MPa, 88.7 MPa,和77.6 MPa P-based处理材料,和103.9 MPa, 82.2 MPa,分别和74.7 MPa L-based处理材料。即使稳定总量总是表现得比未经处理的材料,慢慢减少机械反应前的注册,这种现象可以归因于他们完全暴露在大气中的行为如雨雪。例如,可行的解决方案,防止或减少这种影响将由覆盖与上覆(即治疗课程。、沥青)课程或者确保一个良好的排水系统的存在(例如,横向剖面和沟渠)。

3.3。动态圆锥贯入仪测量

DCP测试由7测量序列与3吹。图13显示累积渗透的深度CP_DCP层表面的测量在每个序列。结果指位置L0只包含4序列,即12一吹,更多的打击足以穿透整个层的厚度(17厘米)。总的来说,治疗地点L1和L2 L0总是硬比未经处理的位置。考虑到趋势在两年的时间跨度,位置L0经历了最大的变化;另一方面,有机硅烷和木质素磺酸盐的应用被证明是一个有效的方法L1和L2稳定这两个位置。尽管减少机械响应随时间最有可能由于总暴露在气候行动,稳定材料总是表现得比未经处理的总量。就像前面提到的3.2,添加剂的不利影响有效性幻想过自然降雨可能会减少或妨碍通过实施一些好的建设实践。

DCP累积渗透的结果和调查结果来自LWD设备在良好的协议既测试表明,(i)稳定道路部分表现得比未经处理的区域,(ii)的力学响应与有机硅烷和木质素磺酸盐随时间逐渐减少。

进一步描述结果源于两个测试设备,数字14比较的值最大累积渗透CP_DCP和结算年代_LWD分别从DCP和LWD。总的来说,趋势是在良好的协议所有的评估值为每个测试部分随时间增加。两个量之间的关系可以被定义为

考虑到实验值在图14采用最小二乘法,计算表明一个在这次调查值是0.0032。

4所示。结论

研究两个非传统稳定剂的使用基于特征有机硅烷和木质素磺酸盐提高骨料压碎岩的力学性能中用作建筑材料的层道路人行道。有机硅烷的反应与硅酸盐自然出现在骨料表面形成化学共价极性键,而木质素磺酸盐的身体一起巩固了骨料颗粒。最初完全覆盖的表面处理材料的添加剂;探讨了显微镜和SEM。稳定技术的有效性评估在现场试验显示三个基地道路部分,每一个都添加了只有水(治疗)、有机硅烷、木质素磺酸盐。测试有一个时间期限覆盖两年,无论是交通还是表面课程应用;层只是受到自然气候行动。机械性能的刚度、变形,抗渗透在LWD和DCP的特征。可以得出以下结论:(1)有机硅烷和木质素磺酸盐是有效的技术来提高碎岩石的力学性能作为骨料在基础层的必经之路。LWD和DCP测量执行两年的时间内框架强调了持续稳定剂的有效性。(2)根据收集到的数据在第一次50天,有机硅烷有更快速稳定效应相比,木质素磺酸盐;然而,类似的性能测量时观察到另一个时期。(3)结果源于LWD和DCP是在良好的协议测试设备表示,稳定的总量比未经处理的执行和相关的力学响应研究添加剂技术随着时间的推移逐渐减少。(4)测试部分是建立包括总量,实现标准代码的需求。因此,使用调查非传统稳定剂会导致更大的好处对于那些不符合的“软弱”总量需求指定的设计手册。

为未来的研究工作作为输入,有些因素可以指示方向展开调查。即使本研究的测试结果是积极的,结果可能是广义更多采用其他岩石类型。此外,包含不同添加剂的混合比例百分比以及暴露于不同气候和温度可以调查。最后,复合改性的聚合物和lignin-based稳定剂也可以探索。

数据可用性

数据可通过联系在diego.barbieri@ntnu.no通讯作者。

信息披露

这项工作的主要结果发表于“2021年世界运输公约”(2021年6月15 - 19,西安,中国)的标题“道路基础层的性能稳定的有机硅烷和木质素磺酸盐在两年的时间跨度。”

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

提供的支持请实验室助理Jan埃里克·莫尔德Lervik弯曲,莉丝贝约翰森,Torill Sørløkk,和Laurentius Tijhuis大大承认。有机硅烷添加剂是由火花,发问者,挪威和Zydex行业,瓦尔道拉,印度。木质素磺酸盐添加剂是由Borregaard Sarpsborg,挪威。所提供的材料和现场试验地区Franzefoss Pukkverk avd。Heimdal Vassfjell,挪威。这项研究是由挪威公路管理局(批准号25134404)。

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