文摘

循环经济鼓励可持续的生产和消费路堤geomaterials及其综合利用回收废料在公路、铁路、机场、和地下结构。Geomaterials组成high-plastic软膨胀性粘土构成过度沉降在循环流量/铁路/机场加载导致不均匀的几何上覆层。本文演示了多目标优化改善膨胀性粘土(C)岩土特征通过成本效益agro-wastes添加剂在微程序级(以3%对12%稻壳灰,即。RHA) nanolevel(以0.6%对1.5%稻壳绿色nano-SiO派生而来2,即,NS), and synergistic micro to nanolevel (NS-RHA). The swell potential, resilient modulus (MR), initial elastic modulus (Es), unconfined compressive strength (UCT), and California bearing ratio (CBR) of C and its blends were determined. The chemical characterization of C and its blends were conducted through Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and optical microscopic tests. The outcome of this study depicted that the cost ratio for the optimized composite, i.e., (1.2% NS-9% RHA)/(9% RHA) is 1.22 whereas stiffness ratio MR (NS-RHA)/MR(RHA) and Es (NS-RHA)/Es(RHA) and strength ratio UCT(NS-RHA)/UCT(RHA) and CBR(NS-RHA)/CBR(RHA) were found to be 2.0, 1.64, 2.17, and 2.82, respectively. FTIR revealed the chemical compatibility between C, RHA, & NS from durability perspective. Cost-stiffness results of this study can be applied by geotechnical experts to economize the green stabilization of C by use of agro-waste for sustainable development.

1。介绍

全球可持续路堤材料所需的岩土工程专家的耐用性、成本效益和优化角度对土木工程基础设施(1- - - - - -10]。城市化在世界各地正在发生快速通道(11)由于土壤有问题的网站也对土壤的需求改进(稳定)。

所有从a - 1土壤a - 7 (AASHTO分类)可以用作地基梁在人行道上。高塑性粘土膨胀的一个常见问题的土壤,需要使用前的稳定轴承或建筑材料在堤防。这些膨胀粘土在干燥条件足够强劲,但增加的水分,这些土壤松散的力量大大12,13]。膨胀性粘土路基承载力低的被认为是一个昂贵的问题(14)的稳定是一个可行的解决方案,以提高剪切强度和减少水磁化率(15]。此外,膨胀粘土作为路基容易大型定居点导致形成不均匀的几何在路堤(16- - - - - -18]。从岩土的角度在人行道与膨胀粘土地基的建造,通常感兴趣的更重要的参数是弹性模量(先生),弹性模量(Es)、无侧限抗压强度(节点)和加州承载比(CBR)指数。先生是在路面设计用来模拟动态半正矢交通荷载。Es估计从应力-应变曲线的节点可以用于人行道的保守设计,(19),它可以评估从直线绘制应力-应变曲线多达50%的峰值应力(20.]。CBR是至关重要的参数用于路面厚度的估算。

柔性路面组件如面层、基层、底基层通常有足够的弹性和传播立体的车辆载荷的膨胀性粘土路基下面层耗散(12,13]。

传统microstabilizers尤其是水泥、石灰和粉煤灰在频繁使用全球改善膨胀性粘土在过去的几十年里(21- - - - - -24]。水泥和石灰稳定的主要缺点是有害气体的排放,如有限公司2,所以2,没有x在环境中,超过他们的有利影响25- - - - - -27]。这些microstabilizers增加膨胀性粘土的pH值12,造成了环境问题17]。粉煤灰(煤燃烧产物)由于其高pH值降低了植物的养分访问当与膨胀粘土混合时,所以采用绿色添加剂稳定趋势在岩土工程和路面工程师(28- - - - - -30.]。

环保microstabilizers源自agro-wastes正在迅速取代传统microstabilizers膨胀粘土(18]。秸秆、甘蔗渣和外壳是agro-wastes的流行形式使用。增加使用秸秆microstabilizers销毁减少支出的膨胀粘土水泥早些时候使用丰富的(12,13]。皮来源于大米(RH)显示潜力的microstabilization膨胀粘土质土壤。此外,稻壳灰的潜力(RHA)也证明了膨胀性粘土稳定微级。RH十分可在全世界水稻生产国的废品碾米过程。化学分析表明,35%的纤维素,半纤维素35%,20%的木质素和火山灰可以获得10 - 20%稻壳干燥重量的基础上的31日]。RHA可以作为绿色添加剂因其高火山灰活性(32]。RHA由燃烧稻壳在600°C高数量的硅,低数量的氧化和高特定的表面观察到。

常见的纳米粒子用于土壤铝oxide-Al2O3、钛oxide-TiO2、硅oxide-SiO2这些纳米颗粒、碳纳米管等。可以稳定(nanostabilization)土壤的结构在纳米级(100海里)。纳米粒子的使用需要意义方面的粒子间的空间概念,即。,土壤颗粒之间的孔隙。纳米颗粒导致孔隙液体粘性凝胶转变,增强土壤剪切阻力。土壤的nanostabilization改善其结构,物理和化学属性由于孔隙的填充nanolevel [18]。此外,nanostabilization增强土壤的承载潜力的原因33]。各种研究早些时候描述颗粒间的空间和潜力的膨胀性粘土与nanosilica密度。

稳定的土壤微尺度(使用RH / RHA /水泥/石灰粉煤灰/)不显著改变母体材料的属性。因为,microstabilizers通常降低可塑性的火山灰土壤和促进行动。Nanostabilization非常活跃和改变父母的夹层结构土壤和提高密度和分子间引力最终导致刚度的增加(弹性和弹性模)的混合。这些纳米粒子影响微观结构,物理、化学和岩土性质。此外,纳米粒子的使用给予混合火山灰的行动。

成本效益和环保的萃取的nanosilica RHA可以通过化学和燃烧的方法。文献[18]介绍了微程序级的综合效应(水泥)和nanolevel (nanosilica)泥灰岩粘土和发现nanosilica四倍有效与水泥稳定粘土泥灰岩。

纳米和微粒子的个体效应需要与纳米粒子+ microsynergy的综合效应。先前的研究呈现的细节改善强度和塑性软膨胀粘土用RHA nano-SiO2独立。有罕见的协同组合的影响研究(绿色和成本效益)的微观和nanolevel粒子的弹性模量(先生),弹性模量(Es),节点和CBR的膨胀性粘土。追随者是这项研究的目标:(我)评估最佳剂量的微、纳米和微纳秸秆添加剂协同绿色稳定的销毁膨胀性粘土(2)先生的最优比例的确定,Es,开普敦大学,CBR为纳米微级稳定和比较成本比率为纳米microsynergistic混合RHA和NS膨胀性粘土(3)膨胀性粘土的特性及其混合RHA和NS通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和光学显微镜测试

2。材料和方法

膨胀性粘土样品(C)被比重在实验室特点,天然含水量、分级,界限含水量,工程分类、抗剪强度、整合和修改普罗克特压实测试。所有的测试进行了按照有关ASTM标准。描述这种类型的粘土被描述由朗et al。25]。稻壳是来自拉合尔附近碾米机,巴基斯坦。稻壳是在1000 rpm磨床4分钟准备稻壳粉(RH)。获得的颗粒大小范围从0.6毫米到0.063毫米。稻壳灰(RHA)是通过控制燃烧RH的600°C。RHA特点是比重在实验室,塑性指数和loss-of-ignition测试。商用nano-SiO2(NS)采购。NS的性质等物理状态,粒子大小、表面积、颗粒密度、纯度、pH值在实验室测定。

图1显示了粘土的物理样本,稻壳、稻壳灰,nano-SiO2使用。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图1
外表的样本使用粘土(a), (b)稻壳,(c)稻壳灰,nano-SiO (d)2。

RHA比例的3%,6%,9%,和12%,NS比例的0.6%,0.9%,1.2%,和1.5%的人在C和准备样品测定膨胀潜力,无侧限抗压强度(节点),弹性模量,加州承载比(CBR)。RHA和NS被选中的比例保持在查看这些材料的典型的指导方针范围与粘土混合从先前的研究12- - - - - -14,32]。表1- - - - - -3实验中使用的测试矩阵的细节。

表1
膨胀性粘土+稻壳灰复合测试矩阵。
表2
膨胀性粘土和nanosilica综合测试矩阵。
表3
膨胀性粘土,稻壳灰和nanosilica复合测试矩阵。

C及其混合准备RHA和NS(表1)受到膨胀潜力评价(ASTM D4546),无侧限抗压强度()强度(ASTM D2166),弹性模量(AASHTO t - 307),加州承载比(CBR) (ASTM D1883)测试。2的长度直径比是用于样品制备。1毫米/分钟的应变率垂直轴向受雇期间节点测试。弹性模量(Es)是来自节点的应力-应变曲线的初始部分测试。峰值应力,即。,unconfined compressive strength (UCT), was also observed from the UCT stress-strain curves which depict the shear strength of the clay without any confining pressure. The resilient modulus (MR) test was performed on cyclic triaxial test machine. Cyclic haversine shaped load was applied for on each test specimen, and the last five cycles were selected for the measurement of load, horizontal deformation, and vertical deformation. In CBR tests, during saturation and shearing phases, a standard dead load of 10 lbs. was applied. The samples of C, C + RHA, C + NS, and C + RHA + NS prepared for UCT tests are shown in Figure2。


图2
节点测试的粘土样品及其混合。

晶体结构的C和RHA也进行了x射线衍射(XRD)技术。C的特征成分,RH RHA, NS, C + RHA + NS(最佳混合)也决定通过傅里叶变换红外(FTIR)光谱和光学显微镜测试。样品准备的调色板红外光谱测试如图3。


图3
调色板的红外光谱测试,即。,(一)soil, (b) rice husk, (c) rice husk ash, (d) nanosilica, and (e) optimum blend of (a), (c), & (d).

为了比较不同添加剂与粘土的成本影响,成本分析也进行了刚度。

3所示。结果和讨论

膨胀性粘土的岩土工程特性表进行了总结4。

表4
总结岩土工程特征的膨胀性粘土(C)。

C样品主要组成的罚款。,clay and silt in proportion of 73% and 23%, respectively. A fraction of 4% fine sand was also observed in the sample. The specific gravity of C was found 2.68 with plasticity index (PI) of 43%. The C was classified as medium to high-plastic clay (CH) in accordance with unified soil classification system (USCS). Such soils exhibit expansive nature, i.e., free swell potential 30% and swell pressure 232 kPa. The compression index of 0.44 was observed in C. The shear strength was found, i.e., cohesion of 61 kPa with friction angle of 100. The rice husk ash (RHA) and nanosilica characteristic properties are tabulated in Tables5和6,分别。

表5
RHA属性。
表6
物理性质的nano-SiO2。

RHA展品深灰色的颜色和无塑性的行为与典型点火(缺失值的1%的损失。

nanosilica粉显示中性行为平均粒子密度0.134克/厘米2。

RHA和NS的影响在自由膨胀粘土如图的潜力4。注意到,3%,6%,9%,和12% RHA造成16%,24%,28%,和32%的减少膨胀C . C的潜力也有0.6%的改善,0.9%,1.2%,和1.5% NS,导致24%,40%,44%,和48%的减少自由膨胀潜力。此外,C也与RHA + NS混合复合材料。协同组合的3%、6%、9%和12% RHA 0.6%, 0.9%, 1.2%,和1.5% NS C的膨胀潜力大大减少与个体的混合C用RHA或NS呈现在图4。


图4
自由膨胀的粘土和粘土混合加上RHA和NS协同。

RHA 9%加上1.2% NS的最佳协同混合显示,72%减少自由膨胀之间比例进行了研究。RHA混合显示的比例和RHA NS超过9%和1.2% NS提出更高的自由膨胀值由于分散稳定剂的影响。

RHA C是与不同比例混合,观察到,3%,6%,9%,和12% RHA造成1.36,1.66,2.3,和1.92倍的无侧限抗压强度增加(节点)。C也改善了0.6%,0.9%,1.2%,和1.5% NS,导致增加了1.62,2.23,2.87,开普敦大学43倍。此外,C还混合着RHA + NS复合材料。协同组合的3%、6%、9%和12% RHA 0.6%, 0.9%, 1.2%,和1.5% NS大幅增加了C的节点与个体的混合C用RHA或NS呈现在图5。


图5
节点的混合粘土和粘土+ RHA和NS。

RHA的综合效应和NS增强节点从53个kPa(粘土)到265 kPa,即。高5倍,添加的RHA 9%和1.2%的NS优化内容。

节点图的应力-应变曲线6表明,应力与应变提高线性部分增加RHA和NS。RHA C是与不同比例混合,观察到,3%,6%,9%,和12% RHA造成1.07,1.17,1.44,和1.24倍增加,弹性模量(Es)的粘土。C也混合了0.6%,0.9%,1.2%,和1.5% NS导致增加了1.15,1.28,1.8,和1.33倍的Es C .此外,C也改善了协同RHA + NS的复合材料。复合材料的3%、6%、9%和12% RHA 0.6%, 0.9%, 1.2%,和1.5% NS大幅增加了C的Es与个体的混合C用RHA或NS呈现在图6。


图6
Es的粘土和粘土混合加上RHA和NS。

RHA和NS的综合效应增强的Es 54 MPa(本机粘土)128 MPa,即。,2。37times as compared with C, by the addition of optimized contents of 9% RHA and 1.2% of NS.

RHA和NS弹性模量的影响(先生)的粘土如图7。RHA C是与不同比例混合,观察到,3%,6%,9%,和12% RHA造成1.14,1.2,1.39,和1.28倍增加,C先生还与NS改善导致增加1.26,1.43,1.8,和1.67倍增加,此外,C还混合着RHA + NS复合材料。协同组合的3%、6%、9%和12% RHA 0.6%, 0.9%, 1.2%,和1.5% NS大幅增加了C先生与个体的混合C用RHA或NS呈现在图7。


图7
混合粘土和粘土+ RHA先生和NS。

9% RHA + 1.2% NS的最佳协同融合提出了弹性模量研究混合的价值最高,即。,2。79times as compared with C. The proportions blends showing the RHA and NS beyond 9% RHA and 1.2% NS presented lower MR values due to dispersive effects of stabilizers as an effect of excessive quantities of RHA and NS. Past studies like Lang et al. [25]表明,添加1.5% nano-SiO2本地粘土土壤提出了降低过度纳米粒子的优势由于色散效应。

增加最大干密度(γ距离)和最佳含水量下降(OMC)观察,因为RHA和NS。的增加γ距离被认为是20.7%,29%,47.5%,9%的混合优化RHA, 1.2% NS,分别和9% RHA + 1.2% NS混合。类似的趋势也发生在浸泡的情况下CBR值。

RHA C是与不同比例混合,观察到,3%,6%,9%,和12% RHA造成1.04,1.15,1.28,和1.19倍提高CBR如图8。C还与NS改善导致增加1.23,1.60,1.85,和1.43倍CBR与C .此外,C也与RHA + NS混合复合材料。协同组合的3%、6%、9%和12% RHA 0.6%, 0.9%, 1.2%,和1.5% NS大幅增加了C的CBR与个体的混合C用RHA或NS呈现在图8。


图8
CBR的粘土和粘土混合加上RHA和NS。

协同优化的混合9% RHA + 1.2% NS显示最高提高CBR,即。,3.62倍C。

被验证的数据统计分析,发现健康状况良好,没有离群值。

表7和8总结了本地粘土的化学成分(C)和稻壳灰(RHA)观察通过x射线荧光分析。

表7
膨胀性粘土的化学成分(C)从x射线荧光分析(ASTM D5381)。
表8
稻壳灰的化学成分(RHA) x射线荧光分析(ASTM D5381)。

C和RHA材料主要由二氧化硅48.6%和78.2%,分别。观察氧化铝在RHA C的14.7%和3.7%。氧化铁在RHA发现C的8.4%和1.1%。在C在RHA氧化钠是3.1%,这个数据是0.6%。在C语言中,在RHA氧化钾为0.67%,这个数据是2.4%。氧化镁4.3%存在于C, RHA的0.9%。氧化钙12.3% C样品和1.5% RHA样本。所有主要的化合物在C和RHA样品中化学成分被发现普遍;因此,良好的亲和力之间材料混合搅拌后观察。

图9显示了个人的傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析C, RH, RHA、NS和协同优化的混合C RHA 9% + 1.2% NS。峰值不义之财贴上1到12的红外光谱测试结果(图9)进行了分析34),和细节的债券,即。,single, double, triple, and foot prints in C, RHA, NS, and synergetic optimum blend are summarized in Table9。官能团及其量化频率也确定了C, RHA, NS,最佳混合34]。


图9
红外光谱。
表9
红外光谱测试的总结分析和波数强度和各自的峰值不义之财。

红外光谱结果的解释细节图所示9并提出了表10解释如下。在3650和3250厘米的范围−1,广泛吸收债券被观察到在所有样本显示氢键的存在。锋利的债券观察3500厘米−1地区结合相关的所有样品说明氧的存在。的峰出现在3000和3200厘米−1反映出芳香环的存在。碳(碳碳单键)在NS由于峰值为3000厘米−1。没有发现醛峰在典型的范围2700到2800厘米−1。没有明显的峰出现在2000到2200厘米−1因此,没有观察到任何样品碳碳三键。约1700厘米−1,尖锐的峰出现在所有样品展示一些羰基双键的样本。在1600厘米左右−1,峰出现在所有样品通知碳碳双键的存在。在1500厘米−1芳香环,观察信号显示在双键地区也存在。乙烯相关化合物也在1000厘米−1在指纹地区。相似的峰是所有调查材料中观察到的趋势显示类似的成分光谱和分析地区(单键,三键、双键和指纹)。所有使用材料及其组合,即。,C, RH, RHA, NS, and optimum blend, chemical compatibility was observed in FTIR spectroscopy except NS where single bond of carbon was observed in single bond analysis zone.

表10
红外光谱测试结果的解释按指南科茨& Nandiyanto [34,35]。

C的光学显微图像,RHA, NS, C + RHA + NS最佳混合呈现在图10。光学图像的解释是按照指南的皮雷et al。36]。结果总结在表11。孔隙大小分布(小型,中型,大型),不规则(角、片状和延长),方向(水平、圆周、随机),和大孔隙空间和空间分布(保税、中间和细长的)评估。中小孔隙大小分布和孔隙中观察到的样本。在C及其最优混合RHA和NS,角,片状,细长的分数违规行为被观察到。RHA的主要方向和NS粉末观察圆周/珠状的,而C及其最优混合展出的组合圆周/珠状的,水平和随机取向。大孔隙中可以看到所有样本标记为国米和intra-assemblage毛孔在图10。观察空间分布的形式聚合矩阵组成的保税、中间,细长的总量在C和其最佳的混合。RHA和NS,然而,主要表现出保税空间分布。


图10
光学显微图像。
表11
对光学图像分析结果的解读。

最佳的光学显微镜分析表明,粘土稳定剂1.2%的NS和9% RHA最佳本地粘土充填孔隙空间展出。因此,最优值的密度、刚度和强度参数验证。

微程序级的成本评估稳定(RHA)与nanolevel (NS)和微观+ nanolevel协同混合(C + RHA + NS)基于合成最佳刚度进行了。RHA和NS利率作为1.5美元/公斤和2.5美元/公斤,分别。在领域,建筑设备的成本,混合、扩散,和压实的稳定剂,即。膨胀性粘土,RHA和NS,几乎是相同的。因此,成本分析在本研究只涵盖RHA和NS的成本。成本(1.2% ns) /成本的比例(9% rha)个人稳定剂,即。,NS and RHA, to achieve optimum stiffness and strength for treatment of one ton of clay, is $30/$135 = 0.22, whereas the optimal ratio for synergistic blend is Cost(1.2%NS–12%RHA)/Cost(12%RHA), i.e., $165/$135 = 1.22 which shows much higher enhancement in stiffness and strength of clay as the optimum ratios of MR (1.2%NS–9%RHA)/MR(9%RHA) = 2.0, Es (1.2%NS–9%RHA)/Es(9%RHA) = 1.64, UCT(1.2%NS-9%RHA)/UCT(9%RHA) = 2.17, and CBR(1.2%NS-9%RHA)/CBR(9%RHA) = 2.82. It was observed that the optimal blends of synergistic ratios show the RHA plus NS blends showing higher stiffness and strength ratios as compared with cost ratio of the corresponding blends. From Figures5- - - - - -8先生,这是观察到的比率(RHA-NS) / (RHA)先生,Es (RHA-NS) / Es (RHA),节点(RHA-NS) /节点(RHA)和CBR (RHA-NS) / CBR (RHA)是1.6,1.3,1.8,和2.3倍成本(RHA-NS) /成本(RHA),分别为最佳剂量的1.2%的NS + 9%的微程序级RHA,验证具有成本效益的解决方案可以使路基膨胀性粘土稳定的生物相容性。

它是观察从图11为最优的混合(RHA) 1.2% NS + 9% / 9% RHA,成本的比例混合的比例低于刚度和强度参数如无花果所示。5,6,7,8。除此之外最优融合,刚度比降低和成本比增加使混合不经济,例如,12% + 1.5% NS混合是不经济的,因为它显示了较低的刚度和强度比率由于色散效应和更高的成本比率。


图11
成本和稳定剂(RHA和NS)的内容。

4所示。结论

本研究的目的是持续稳定的高塑性膨胀性粘土绿色秸秆添加剂销毁在三个层次,即。,microlevel (by rice husk ash), nanolevel (by rice husk-derived nanosilica), and synergistic nano to microlevel (by blends of nanosilica and rice husk ash). FTIR, XRD, optical microscopic, and cost analysis were performed for each levels of stabilization for feasible blends evaluation to be used in amelioration of expansive clay. The following conclusions were addressed in this study:(1)最优协同剂的微纳米颗粒稳定的膨胀性粘土被观察到1.2%的nanosilica (NS)和9%的稻壳灰(RHA)导致弹性模量(MR)的提高,弹性模量(Es)、无侧限抗压强度(节点)和加州承载比(CBR)为2.79,2.37,5.0,和3.62倍,分别和自由膨胀指数减少72%相比,本机膨胀性粘土。(2)优化内容的比例RHA, NS,先生和RHA-NS协同稳定阶段,Es,开普敦大学,和CBR观察到不止一个,即先生,先生(RHA-NS) / (RHA), Es (RHA-NS) / Es (RHA),节点(RHA-NS) /节点(RHA)和CBR (RHA-NS) / CBR (RHA)为2.0,1.64,2.17,和2.82,分别。因此,它在更可持续的稳定的混合结果。(3)成本(RHA-NS) /成本的比率(RHA)最佳剂量被评估为1.22。先生的分析还描绘这个比例(RHA-NS) / (RHA)先生,Es (RHA-NS) / Es (RHA),节点(RHA-NS) /节点(RHA)和CBR (RHA-NS) / CBR (RHA)是1.6,1.3,1.8,和2.3倍成本(RHA-NS) /成本(RHA),分别为最佳剂量的1.2%的大米husk-derived nanosilica + 9%的微程序级稻壳灰,验证具有成本效益的解决方案可以使路基膨胀性粘土稳定的生物相容性。(4)傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示C之间的化学兼容性,RHA & NS,未来可能的耐用性视角。最佳的光学显微镜分析表明,粘土稳定剂1.2%的NS和9% RHA最佳本地粘土充填孔隙空间展出。因此,它验证最优值的密度、刚度和强度参数。

这项研究应该扩展到探索提出了混合的耐久性。优化的强度和耐用性是C的函数,RHA, NS混合的数量。

数据可用性

数据支持当前的研究可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是在巴基斯坦高等教育委员会的支持下,NRPU 9631。