Development of controlled low strength material (CLSM) from alkaline-activated industrial by-products for pavement engineering application

Abstract

The study of construction materials improvement and development have never been stopped in order to reduce the problems caused, improve the advantage of their properties, decrease cost, or save the environment. It creates more value when the waste material can be applied to any purposes above. This research aims to study the controlled low strength material (CLSM) mixtures produced from manufacturing waste. The composition selected for this study are fly ash (FA) and bottom ash (BA) collected from the Mae Moh power plant, and electric arc furnace slag (EAFs) acquired from the steel industry. An alkaline activator chosen is sodium hydroxide (NaOH) which is a strong base to activate the CLSM properties. The CLSM is utilized as pavement materials. This study focuses on the basic properties and mechanical properties. Samples were prepared by 6 and 10 molar NaOH solution as an alkaline activator. BA is used instead of sand at the ratio of BA to the binder of 1.5 and 2.0. EAFs and FA are used as binders in the ratio of EAFs to the binder of 0, 10, 20, and 30%. Each CLSM mixture was examined to observe basic properties of a slump, setting time, bleeding, and unit weight. The mechanical properties CLSM mixture were also tested to see the unconfined compressive strength (UCS), resilient modulus (MR). Besides, p-wave and s-wave velocities were studied by free-free resonant (FFR) method. The results of the basic properties test reveal that an increase of the EAFs to the binder did not affect the flowability. Whereas an increase of BA content to the binder results in a considerable reduction in the flowability. It is also found that the bigger EAFs and the higher of NaOH concentration lead to the shorter setting time. The results of the mechanical properties show that an increase in UCS is resulted from the increment of EAFs and the NaOH concentration. For MR test, it was observed that the MR decreases when the deviator stress increases. The FFR test results, show that p-wave and s-wave velocities of CLSM increase in relation to longer curing time. From all tests, the mechanical properties can be concluded that the mixture of AA10/S20/B1.5 using 10 molar NaOH solution, BA to binder ratio of 1.5, and EAFs ratio 20% binder is the most suitable mixture for applying in the pavement construction. The UCS value at 7 days of mixture AA10/S20/B1.5 is 2,596 kPa achieving Thailand Department of Highways standard of 2,413 kPa. The UCS value at 28 days is 3.5 MPa achieving the requirement of ACI229R which specific UCS at 28 days shall be <8.3 MPa for pavement backfilling. In addition, the MR at 28 days of mixture AA10/S20/B1.5 is 308 MPa reaching the recommendation of Austroad (2017) which shall be at least at 300 MPa.

วัสดุก่อสร้างได้ถูกพัฒนาและปรับปรุงคุณภาพเพื่อลดต้นทุนการผลิต หรือคำนึงถึงผลกระทบ ต่อสิ่งแวดล้อม รวมถึงสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับวัสดุเหลือทิ้งสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์ เพื่อศึกษาหาอัตราส่วนผสมของวัสดุควบคุมกำลังต่ำ (controlled low strength material, CLSM) โดยใช้วัสดุเหลือทิ้ง จากโรงงานอุตสาหกรรม ประกอบไปด้วยเถ้าลอย และเถ้าหนักจากโรงไฟฟ้าแม่เมาะ ตะกรันเหล็กเตาหลอมไฟฟ้า จากอุตสาหกรรมการผลิตเหล็ก และสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซต์ที่มีคุณสมบัติเป็นเบสสูงเพื่อเป็นตัวชะละลาย สำหรับนำไปใช้ประโยชน์ในทางวิศวกรรมผิวทาง โดยจะศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานทางวิศวกรรม และคุณสมบัติด้านกำลังของ CLSM ใช้สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซต์ที่ความเข้มข้น 6 และ 10 โมลาร์เป็นตัวชะละลาย และแทนที่ทรายด้วยเถ้าหนักในอัตราส่วนเถ้าหนักต่อวัสดุประสาน 1.5 และ 2 และใช้เถ้าลอยและตะกรันเหล็กเป็นวัสดุประสานในอัตราส่วนตะกรันเหล็กต่อวัสดุประสานร้อยละ 0 10 20 และ 30 ตัวอย่าง CLSM จะถูกนำมาทดสอบคุณสมบัติพื้นฐานประกอบไปด้วย การยุบตัว ระยะเวลาการก่อตัว การเยิ้มน้ำ หน่วยน้ำหนัก และทดสอบคุณสมบัติด้านกำลัง ประกอบไปด้วย กำลังรับแรงอัดแกนเดียว ค่าโมดูลัสคืนตัว และค่าความเร็วคลื่นที่เดินทางผ่านตัวอย่างด้วยวิธีการสั่นพ้องอิสระ จากผลการทดสอบคุณสมบัติพื้นฐาน พบว่า การเพิ่มร้อยละตะกรันเหล็กต่อวัสดุประสานไม่ส่ง ผลกระทบต่อการไหลแผ่ ในขณะเดียวกันการเพิ่มเถ้าหนักต่อวัสดุประสานส่งผลทำให้การไหลแผ่ลดลง ส่วนการเพิ่มตะกรันเหล็กเตาหลอมไฟฟ้าต่อวัสดุประสาน และการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของสารละลาย NaOH ส่งผลทำให้ระยะเวลาการก่อตัวเริ่มต้นของ CLSM ลดลง ส่วนผลการทดสอบคุณสมบัติด้านกำลัง พบว่า กำลังรับแรงอัด แกนเดียวของ CLSM เพิ่มขึ้นตามปริมาณร้อยละตะกรันเหล็ก และการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของสารละลาย NaOH ส่วนค่าโมดูลัสคืนตัวมีค่าลดลงเมื่อความเค้นเบี่ยงเบนมีค่าเพิ่มขึ้น และการทดสอบความเร็วคลื่นของ CLSM พบว่า ความเร็วคลื่นปฐมภูมิ (p-wave) และความเร็วคลื่นทุติยภูมิ (s-wave) มีค่าเพิ่มขึ้นตามระยะเวลาการบ่มที่เพิ่มขึ้น จากผลการทดสอบคุณสมบัติด้านกำลังสรุปได้ว่าตัวอย่าง AA10/S20/B1.5 ที่ใช้สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซต์ ความเข้มข้น 10 โมลาร์ อัตราส่วนเถ้าหนักต่อวัสดุประสาน 1.5 และอัตราส่วนตะกรันเหล็กต่อวัสดุประสานร้อยละ 20 เป็นตัวอย่างที่เหมาะสมที่สุดในด้านการนำไปใช้ในการก่อสร้างเป็นชั้นโครงสร้างทาง โดยมีกำลังรับแรงอัดแกนเดียวที่ 7 วันเท่ากับ 2,596 kPa ผ่านมาตรฐานกรมทางหลวงสำหรับพื้นทางหินคลุกผสมซีเมนต์ (DOH, 2013) ที่ต้องมีค่าไม่น้อยกว่า 2,413 kPa และกำลังรับแรงอัดแกนเดียวที่ 28 วันเท่ากับ 3.5 MPa ผ่านมาตรฐาน ACI229R-99 (1999) ซึ่งระบุค่ากำลังรับแรงอัดของ CLSM ที่อายุ 28 วันต้องมีค่าน้อยกว่าหรือเท่ากับ 8.3 MPa สำหรับงานถมที่อาจจะต้องมีงานรื้อถอนในภายหลัง ส่วนค่าโมดูลัสคืนตัวที่ 28 วันมีค่าเท่ากับ 308 MPa ผ่านมาตรฐานชั้นพื้นทางประเภทกรวดคุณภาพ (Austroad, 2017) ที่ต้องมีค่าไม่น้อยกว่า 300 MPa