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

De grond onder onze voeten is niet altijd een solide, onverzettelijke fundering. In veel delen van de wereld wordt de bodem gedomineerd door klei, een fijnkorrelig materiaal dat zich gedraagt als een spons. Wanneer het regent of wanneer de seizoenen veranderen, absorbeert deze klei water en zwelt deze op, waarbij het met aanzienlijke kracht omhoog duwt. Wanneer de lucht droog is, krimpt de klei en ontstaan er scheuren, waardoor het materiaal zich losmaakt van wat er bovenop rust. Deze constante cyclus van expansie en contractie is een nachtmerrie voor zowel ingenieurs als huiseigenaren, omdat het ervoor zorgt dat wegen kromtrekken, funderingen barsten en structuren ongelijkmatig verzakken. Om deze grond veilig te maken voor bebouwing, mengen ingenieurs er traditioneel gewone cement of kalk doorheen. Deze bindmiddelen harden uit en vergrendelen de bodemdeeltjes aan elkaar, waardoor een stabiele basis ontstaat. De productie van deze traditionele bindmiddelen is echter een belangrijke bron van koolstofdioxide-emissies, wat aanzienlijk bijdraagt aan de wereldwijde klimaatcrisis. Dit heeft geleid tot een zoektocht naar alternatieven die de aarde kunnen stabiliseren zonder de zware milieukosten.

Onderzoekers hebben hun aandacht gericht op industriële afvalproducten, specifiek vliegas en hoogovenslakken. Vliegas is het fijne poeder dat overblijft nadat steenkool in elektriciteitscentrales is verbrand, terwijl slak een bijproduct is van de ijzerproductie. Beide materialen zijn rijk aan de chemische ingrediënten die nodig zijn om een sterk, rotsachtig substantie te creëren wanneer ze worden gemengd met een specifieke alkalische oplossing. Dit proces, bekend als geopolimerisatie, verandert deze afvalmaterialen in een bindmiddel dat traditioneel cement kan vervangen. Een team van onderzoekers van het Indian Institute of Technology Madras en het Thiagarajar College of Engineering besloot te testen hoe goed deze industriële bijproducten de specifieke problematische klei in Madurai, India, konden temmen. Hun doel was niet alleen om te zien of de grond sterker werd, maar ook om te begrijpen hoe de behandeling de manier veranderde waarop de grond inzakt onder gewicht en hoeveel de grond krimpt wanneer deze uitdroogt.

Het team selecteerde een monster van klei van een diepte van twee meter nabij een lokale bushalte. Deze grond werd geclassificeerd als zijnde intermediair samendrukbaar, wat betekent dat het gemakkelijk indrukt onder druk, en het was matig expandeerbaar, met een hoge neiging om op te zwellen wanneer het nat is. Om deze grond te behandelen, mengden de onderzoekers het met variërende hoeveelheden vliegas en slak, waarbij ze drie verschillende concentraties voor elk materiaal creëerden: 25%, 35% en 45% van het totale droge gewicht. Ze activeerden deze mengsels met een oplossing van natriumhydroxide en natriumsilicaat, wat fungeert als de chemische trigger om het uithardingsproces te starten. Ze voegden ook een kleine hoeveelheid van een chemische vertrager toe aan de slakmengsels om te voorkomen dat ze te snel zouden uitharden. De behandelde grond werd vervolgens in cilinders geperst en een bepaalde tijd laten uitharden, variërend van nul dagen tot 28 dagen, voordat deze aan de test werd onderworpen.

De resultaten onthulden een duidelijk verhaal van transformatie. De onbehandelde klei had een zeer lage sterkte, namelijk slechts 3,63 kilogram per vierkante centimeter. Toen de onderzoekers de met vliegas behandelde grond testten, ontdekten ze dat de sterkte toenam naarmate de grond over de tijd uithardde. De beste prestatie kwam van het mengsel met 35% vliegas, dat na 28 dagen een sterkte bereikte van 17,19 kilogram per vierkante centimeter. Dit vertegenwoordigde een enorme verbetering, waardoor de grond bijna vier keer sterker was dan in haar natuurlijke staat. Echter, wanneer zij het vliegasgehalte verhoogden naar 45%, daalde de sterkte daadwerkelijk, wat suggereert dat te veel van het bindmiddel de bodemstructuur eerder verdunde dan versterkte.

Het verhaal verliep iets anders met de op slak gebaseerde mengsels. Voor de slak bleef de sterkte stijgen naarmate zij meer van het materiaal toevoegden. De hoogste geregistreerde sterkte in de gehele studie kwam van het mengsel met 45% slak, dat na 28 dagen een sterkte bereikte van 18,84 kilogram per vierkante centimeter. Dit was een toename van 419% ten opzichte van de onbehandelde klei. Omdat de sterkte nog steeds steeg bij de hoogste geteste hoeveelheid, merkten de onderzoekers op dat de ideale hoeveelheid slak zelfs hoger zou kunnen zijn dan 45%, terwijl de vliegas het optimale punt al had gepasseerd bij 35%.

Naast het enkel harder maken van de grond, veranderde de behandeling ook drastisch hoe de grond zich onder druk gedraagt. Wanneer zware belastingen op zachte klei worden geplaatst, wordt de grond samengedrukt en wordt water eruit geperst, waardoor de grond in de loop van de tijd inzakt. De onderzoekers maten dit gedrag en vonden dat de behandelde grond veel minder gevoelig was voor inklinking. Het mengsel met 35% vliegas verminderde de neiging van de grond om in te drukken met ongeveer 70%, terwijl het 45% slakmengsel de inklinking met ongeveer 84% verminderde. Bovendien zakte de behandelde grond sneller in dan de onbehandelde klei, wat betekent dat eventuele resterende inkinking sneller zou gebeuren en minder een langetermijnzorg zou vormen voor de structuren die erop gebouwd worden.

Misschien wel de meest cruciale bevinding voor regio's die gevoelig zijn voor droogte en hevige regenval, was de verandering in krimp. Onbehandelde klei krimpt aanzienlijk wanneer deze uitdroogt, wat diepe scheuren veroorzaakt die funderingen kunnen beschadigen. De geopolymeerbehandeling remde dit gedrag aanzienlijk. Het mengsel met 35% vliegas verminderde het volume van de krimp met bijna de helft, terwijl het 45% slakmengsel de krimp met ongeveer 63% verminderde. Dit betekent dat de behandelde grond veel stabieler zou blijven tijdens droge perioden, waarbij het de scheurvorming en het opzwellen die typisch zijn voor gebouwen op kleigrond, weerstaat. De onderzoekers observeerden ook dat de grond minder plastisch werd, wat betekent dat het minder waarschijnlijk is dat het permanent vervormt wanneer het nat is, wat de stabiliteit verder vergroot.

Deze bevindingen suggereren dat het gebruik van industriële bijproducten zoals vliegas en slak een krachtig, koolstofarm alternatief biedt voor traditionele cement voor het stabiliseren van moeilijke bodems. De studie identificeerde dat 35% vliegas en 45% slak de meest effectieve proporties waren binnen de geteste bereiken, waarbij zij sterktewinsten van bijna vijf keer de oorspronkelijke grond leverden en tegelijkertijd de risico's op zwellen en krimpen drastisch verminderden. Door afvalmaterialen om te zetten in een hoogwaardig bindmiddel, lost deze aanpak niet alleen een geotechnisch probleem op, maar pakt het ook een milieuprobleem aan, door een manier te bieden om op onstabiele grond te bouwen zonder de zware CO2-voetafdruk van conventionele cement. Het werk bevestigt dat deze geopolymeerbindmiddelen de problematische klei effectief kunnen transformeren tot een betrouwbaar funderingsmateriaal, klaar om de infrastructuur van de toekomst te ondersteunen.