Improving the properties of sediment using geopolymers derived from palm oil fuel ash and rubber ash for pavement engineering

Abstract

This study evaluates the feasibility of upgrading dredged sediment from Kwan Phayao for use as pavement materials by geopolymer stabilization with two biomass ashes: palm oil fuel ash (POFA; denoted P) and rubber ash (denoted R). Mix designs employed sediment-to-ash ratios (S:FA) of 90:10 to 70:30, sodium silicate–to–sodium hydroxide ratios (Na2SiO3/NaOH) of 0.67, 1.0, and 1.5, and liquid-to-ash ratios (L/FA) of 0.4, 0.5, and 0.6, using 8 M NaOH. Fundamental properties were determined by Atterberg limits, specific gravity, particle-size distribution, and Modified Proctor compaction. Engineering performance was assessed via unconfined compressive strength (UCS) at 7, 28, 60, and 90 days, wet–dry durability, resilient modulus (MR), wave-velocity testing by the free-free resonance (FFR) method, and microstructural analysis by scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Results show that UCS increased with ash replacement and curing time. The intermediate liquid-to-ash level (L/FA ≈ 0.5) consistently delivered higher strengths, and a Na2SiO3/NaOH ratio of 1.5 outperformed 1.0 and 0.67. The S70–P30 mixture exhibited standout performance with sustained strength development between 28 and 90 days. Overall, the treated materials met relevant specifications for subbase and base layers, with several mixtures satisfying base-course requirements. Wet–dry cycling indicated that POFA mixtures were more durable than R mixtures. MR was positively correlated with UCS, and measured wave velocity increased with stiffness and internal continuity, consistent with strength trends. SEM/EDS provided clear evidence of a continuous N–A–S–H gel network in POFA systems and the coexistence of C–(A)–S–H in R systems, which filled micro-voids and enhanced interparticle bonding, yielding a denser, more connected matrix. Collectively, the findings demonstrate that biomass-ash geopolymers can effectively upgrade Kwan Phayao dredged sediment for pavement applications, with S70–P30 at an intermediate L/FA and Na2SiO3/NaOH = 1.5 achieving superior strength, durability, and resilience while promoting the valorization of waste resources in pavement engineering

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการยกระดับดินตะกอนกว๊านพะเยาให้ใช้เป็นวัสดุสำหรับงานวิศวกรรมผิวทาง โดยใช้ตัวประสานจีโอโพลิเมอร์จากเถ้าชีวมวลสองชนิด ได้แก่ เถ้าปาล์มและเถ้ายาง ออกแบบส่วนผสมด้วยสัดส่วนดินตะกอน:เถ้า (S:FA) 90:10–70:30 อัตราส่วน Na2SiO3/NaOH = 0.67, 1.0 และ1.5 และสัดส่วนของเหลวต่อเถ้า (L/FA) = 0.4, 0.5 และ0.6 (ใช้ความเข้มข้น NaOH 8 Molar) ประเมินคุณสมบัติพื้นฐานของดิน ได้แก่ การทดสอบหาขีดพิกัดอัตเตอร์เบิร์ก การทดสอบหาค่าความถ่วงจำเพาะ การหาขนาดคละ การบดอัดสูงกว่ามาตรฐาน และการทดสอบด้านกำลังประกอบไปด้วย การทดสอบกำลังรับแรงอัดแกนเดี่ยว (UCS) อายุบ่ม 7, 28, 60 และ 90 วัน การทดสอบความคงทนในสภาวะเปียกสลับแห้ง การทดสอบโมดูลัสคืนตัว (MR) การทดสอบหาความเร็วเฉือนหรือเรโซแนนซ์อิสระ และการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาค SEM/EDS ผลการทดสอบพบว่า UCS เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนการแทนที่เถ้าและอายุบ่ม โดย L/FA = ระดับกลางให้ค่ากำลังเด่นอย่างสม่ำเสมอ และอัตราส่วน Na2SiO3/NaOH ที่ 1.5 ให้กำลังมากกว่า 1.0, และ 0.67 ส่วนผสมที่โดดเด่นคือส่วนผสมดินตะกอน 70 เปอร์เซ็นต์ต่อเถ้า 30 เปอร์เซ็นต์ (S70–P30) ซึ่งให้กำลังสูงพัฒนาต่อเนื่องในช่วง 28–90 ภาพรวมผ่านเกณฑ์วัสดุชั้นรองพื้นทางและชั้นพื้นทาง และหลายส่วนผสมผ่านเกณฑ์ การทดสอบเปียกสลับแห้งพบว่าส่วนผสมเถ้าปาล์มมีความคงทนมากกว่าเถ้ายาง ค่าผลทดสอบ MR สัมพันธ์ทางบวกกับ UCS ส่วนค่าความเร็วคลื่นพบว่าเพิ่มตามความแข็งและความต่อเนื่องของโครงสร้างภายในสอดคล้องกับแนวโน้มกำลัง และผลการ SEM/EDS แสดงหลักฐานชัดเจนถึงการก่อรูปของเจล N-A-S-H ที่มีความต่อเนื่องในกลุ่มเถ้าปาล์ม และการเกิดร่วมของเจล C-(A)-S-H ในกลุ่มเถ้ายาง ซึ่งมีบทบาทในการอุดช่องว่างระดับจุลภาคและเสริมการยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค ส่งผลให้เมทริกซ์มีความหนาแน่นและความเชื่อมต่อสูงขึ้น จากผลทั้งหมดสรุปได้ว่าการใช้จีโอโพลิเมอร์จากเถ้าชีวมวลสามารถยกระดับดินตะกอนกว๊านพะเยาให้เหมาะสมต่อการใช้งานเป็นวัสดุชั้นทาง โดยเฉพาะส่วนผสม S70–P30 ที่สัดส่วนของเหลวต่อเถ้าอยู่ช่วงสมดุล และใช้อัตราส่วน Na2SiO3/NaOH 1.5 ซึ่งให้ผลเด่นทั้งด้านกำลัง ความทนทาน และความสามารถในการคืนตัว พร้อมทั้งเอื้อต่อการใช้ทรัพยากรเหลือทิ้งอย่างคุ้มค่าในงานวิศวกรรมทาง