Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

Der Boden unter unseren Füßen ist nicht immer ein fester, unnachgiebiger Untergrund. In vielen Teilen der Welt wird der Boden von Ton dominiert, einem feinkörnigen Material, das sich wie ein Schwamm verhält. Wenn es regnet oder die Jahreszeiten wechseln, absorbiert dieser Ton Wasser und quillt auf, wobei er mit erheblicher Kraft nach oben drückt. Wenn die Luft trocken ist, schrumpft er und reißt auf, wodurch er sich von dem, was auf ihm ruht, wegzieht. Dieser ständige Zyklus von Ausdehnung und Kontraktion ist ein Albtraum für Ingenieure und Hausbesitzer gleichermaßen und führt dazu, dass Straßen ausbeulen, Fundamente reißen und Bauwerke sich ungleichmäßig setzen. Um diesen Boden bausicher zu machen, mischen Ingenieure traditionell gewöhnlichen Zement oder Kalk unter. Diese Bindemittel härten aus und schließen die Bodenpartikel fest zusammen, wodurch eine stabile Basis entsteht. Die Produktion dieser traditionellen Bindemittel ist jedoch eine große Quelle für Kohlendioxidemissionen und trägt erheblich zur globalen Klimakrise bei. Dies hat die Suche nach Alternativen vorangetrieben, die die Erde stabilisieren können, ohne die schweren Umweltkosten zu verursachen.

Forscher haben ihre Aufmerksamkeit auf industrielle Abfallprodukte gelenkt, insbesondere Flugasche und granulierte Hochofenschlacke. Flugasche ist das feine Pulver, das nach der Verbrennung von Kohle in Kraftwerken übrig bleibt, während Schlacke ein Nebenprodukt der Eisenherstellung ist. Beide Materialien sind reich an den chemischen Inhaltsstoffen, die benötigt werden, um eine starke, steinähnliche Substanz zu erzeugen, wenn sie mit einer spezifischen alkalischen Lösung gemischt werden. Dieser Prozess, bekannt als Geopolymerisation, verwandelt diese Abfallmaterialien in ein Bindemittel, das herkömmlichen Zement ersetzen kann. Ein Team von Forschern am Indian Institute of Technology Madras und dem Thiagarajar College of Engineering setzte sich zum Ziel zu testen, wie gut diese industriellen Nebenprodukte eine spezifische Art von problematischem Ton aus Madurai, Indien, bändigen können. Ihr Ziel war es nicht nur zu sehen, ob der Boden stärker wurde, sondern auch zu verstehen, wie die Behandlung die Art und Weise veränderte, wie sich der Boden unter Gewicht setzt und wie stark er schrumpft, wenn er austrocknet.

Das Team wählte eine Tonprobe aus einer Tiefe von zwei Metern in der Nähe eines örtlichen Busbahnhofs aus. Dieser Boden wurde als kompressibel mit mittlerer Kompressibilität klassifiziert, was bedeutet, dass er unter Druck leicht zusammengedrückt wird, und er war mäßig expansiv, mit einer hohen Tendenz zum Quellen bei Nässe. Um diesen Boden zu behandeln, mischten die Forscher variierende Mengen an Flugasche und Schlacke unter, wodurch drei verschiedene Konzentrationen für jedes Material erzeugten: 25 %, 35 % und 45 % des gesamten Trockengewichts. Sie aktivierten diese Mischungen mit einer Lösung aus Natriumhydroxid und Natriumsilikat, die als chemischer Auslöser fungiert, um den Härtungsprozess zu starten. Sie fügten auch eine kleine Menge eines chemischen Verzögerers zu den Schlackemischungen hinzu, um zu verhindern, dass diese zu schnell aushärten. Der behandelte Boden wurde dann in Zylinder gepresst und über verschiedene Zeiträume von null Tagen bis hin zu 28 Tagen ausgehärtet, bevor er getestet wurde.

Die Ergebnisse erzählten eine klare Geschichte der Transformation. Der unbehandelte Ton hatte eine sehr geringe Festigkeit von nur 3,63 Kilogramm pro Quadratzentimeter. Als die Forscher den mit Flugasche behandelten Boden testeten, stellten sie fest, dass die Festigkeit mit zunehmender Aushärtungszeit des Bodens anstieg. Die beste Leistung wurde durch die Mischung mit 35 % Flugasche erzielt, die nach 28 Tagen eine Festigkeit von 17,19 Kilogramm pro Quadratzentimeter erreichte. Dies stellte eine massive Verbesserung dar und machte den Boden fast viermal stärker als in seinem natürlichen Zustand. Wenn sie jedoch den Flugaschegehalt auf 45 % erhöhten, sank die Festigkeit tatsächlich, was darauf hindeutete, dass zu viel Bindemittel die Bodenstruktur eher verdünnte als stärkte.

Die Geschichte verlief bei den Mischungen auf Schlackebasis etwas anders. Bei der Schlacke stieg die Festigkeit mit zunehmender Zugabe des Materials weiter an. Die höchste im gesamten Studium gemessene Festigkeit wurde mit der Mischung aus 45 % Schlacke erreicht, die nach 28 Tagen 18,84 Kilogramm pro Quadratzentimeter erreichte. Dies war eine Steigerung von 419 % gegenüber dem unbehandelten Ton. Da die Festigkeit beim höchsten getesteten Anteil noch anstieg, merkten die Forscher an, dass die ideale Menge an Schlacke sogar noch höher als 45 % sein könnte, während die Flugasche ihren optimalen Punkt bereits bei 35 % überschritten hatte.

Über das Härtermachen des Bodens hinaus veränderte die Behandlung auch dramatisch, wie sich der Boden unter Druck verhielt. Wenn schwere Lasten auf weichen Ton aufgebracht werden, komprimiert sich der Boden und Wasser wird herausgepresst, was dazu führt, dass der Boden im Laufe der Zeit einsinkt. Die Forscher maßen dieses Verhalten und fanden heraus, dass der behandelte Boden viel weniger zur Setzung neigt. Die Mischung mit 35 % Flugasche reduzierte die Kompressionsneigung des Bodens um etwa 70 %, während die 45 % Schlackemischung sie um etwa 84 % reduzierte. Darüber hinaus setzte sich der behandelte Boden schneller als der unbehandelte Ton, was bedeutet, dass jegliches verbleibende Einsinken schneller erfolgen würde und somit eine weniger langfristige Sorge für darauf errichtete Strukturen darstellt.

Perhaps die kritischste Erkenntnis für Regionen, die durch Dürren und starke Regenfälle geprägt sind, war die Veränderung des Schrumpfungsverhaltens. Unbehandelter Ton schrumpft bei der Austrocknung erheblich, was tiefe Risse verursachen kann, die Fundamente beschädigen. Die Geopolymer-Behandlung dämpfte dieses Verhalten signifikant. Die Mischung mit 35 % Flugasche reduzierte das Schrumpfvolumen um fast die Hälfte, während die 45 % Schlackemischung das Schrumpfen um etwa 63 % reduzierte. Dies bedeutet, dass der behandelte Boden während der Trockenperioden viel stabiler bleiben würde und dem Reißen und Quellen, die Gebäude auf Tonböden typischerweise plagen, widerstehen würde. Die Forscher beobachteten auch, dass der Boden weniger plastisch wurde, was bedeutet, dass er bei Nässe weniger wahrscheinlich dauerhaft deformiert wird, was die Stabilität weiter erhöht.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Verwendung von industriellen Nebenprodukten wie Flugasche und Schlacke eine leistungsstarke, kohlenstoffarme Alternative zu herkömmlichem Zement zur Stabilisierung schwieriger Böden bietet. Die Studie identifizierte 35 % Flugasche und 45 % Schlacke als die effektivsten Anteile innerhalb der getesteten Bereiche, die Festigkeitsgewinne von fast dem Fünffachen des ursprünglichen Bodens lieferten und gleichzeitig die Risiken von Quellen und Schrumpfen drastisch reduzierten. Durch die Verwandlung von Abfallmaterialien in ein Hochleistungsbindemittel löst dieser Ansatz nicht nur ein geotechnisches Problem, sondern adressiert auch ein ökologisches Problem, indem er einen Weg aufzeigt, auf instabilem Grund zu bauen, ohne den schweren CO2-Fußabdruck von herkömmlichem Zement zu hinterlassen. Die Arbeit bestätigt, dass diese Geopolymer-Bindemittel in der Lage sind, problematischen Ton effektiv in ein zuverlässiges Fundamentmaterial zu verwandeln, das bereit ist, die Infrastruktur der Zukunft zu tragen.