title: Σταθεροποίηση και βελτίωση των γεωτεχνικών ιδιοτήτων μαργαϊκών εδαφών μέσω αλκαλικής ενεργοποίησης

title: Stabilization and improvement of geotechnical properties of marly soils through alkali activation
Creators: name: Βαθη Δημητρα
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Ο ασβέστης και το τσιμέντο Portland είναι τα πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενα συνδετικά υλικά για τη σταθεροποίηση χαλαρών εδαφών και σχηματισμών. Ωστόσο, η παραγωγή τους προκαλεί υψηλές εκπομπές άνθρακα. Στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας και στην προσπάθεια της άμβλυνσης του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής γίνεται μελέτη για την σταθεροποίηση εδαφών με υλικά πιο φιλικά προς το περιβάλλον, δηλ. η παραγωγή τους έχει χαμηλότερο αποτύπωμα άνθρακα. Η παρούσα διατριβή, επικεντρώθηκε στην διερεύνηση της αλκαλικής ενεργοποίησης ως διεργασίας σταθεροποίησης χαλαρών σχηματισμών με υψηλή περιεκτικότητα σε ασβεστίτη, όπως είναι τα μαργαϊκά εδάφη. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση προσθετικών υλικών με αναγνωρισμένη ικανότητα αλκαλικής ενεργοποίησης όπως σκωρία ηλεκτρικής καμίνου και μετακαολίνης.
Οι προς σταθεροποίηση σχηματισμοί προέρχονται από την περιοχή της Πτολεμαΐδας. Η σκωρία προέρχεται από ηλεκτρική κάμινο παραγωγής FeNi σε θερμοκρασία 1450 oC. Ο μετακαολίνης παρήχθη από πύρωση καολίνη σε θερμοκρασία 750 oC για 2 h. Για την αλκαλική ενεργοποίηση χρησιμοποιήθηκαν διαλύματα NaOH ή KOH διαφορετικής μοριακότητας (2 - 8 moĿL-1) και Na2SiO3 σε αναλογία 1:1. Η αλκαλική ενεργοποίηση μελετήθηκε επίσης και για μίγματα μάργας και προσθετικών υλικών σε διάφορες αναλογίες, σε θερμοκρασίες ωρίμανσης 25, 40, 60 και 80 οC μετά από περίοδο γήρανσης 7 και 28 ημερών. Οι μετρήσεις της αντοχής σε θλίψη έδειξαν ότι η αλκαλική ενεργοποίηση μίγματος μαργαϊκών εδαφών και σκωρίας ηλεκτρικής καμίνου σε ποσοστά 50:50 έδωσε δοκίμια με υψηλή αντοχή, με μέγιστη τιμή 23 ΜPa. Ακόμη, ικανοποιητικές ήταν οι αντοχές με προσθήκη μικρότερου ποσοστού σκωρίας, 30% κ.β (περίπου 14.5 MPa) μετά από περίοδο ωρίμανσης 1 ημέρας και γήρανσης 28 ημερών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αντίστοιχα αποτελέσματα προέκυψαν και από την αλκαλική ενεργοποίηση μίγματος μαργαϊκών εδαφών με μετακαολίνη με μέγιστη αντοχή σε θλίψη 18.5 MPa στις ίδιες συνθήκες.
Για τη μελέτη της ορυκτολογίας, τον προσδιορισμό της μικροδομής των παραχθέντων δοκιμίων που λαμβάνουν χώρα κατά την αλκαλική ενεργοποίηση, έγιναν αναλύσεις με περίθλαση ακτίνων Χ, (X-Ray Diffraction, XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR), και Hλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (Scanning electron microscopy, SEM).
description: The most commonly used binders for soil stabilization are Portland cement and lime. However, due to the high carbon footprint of the cement production recent research efforts focus on the use of other more environmentally friendly binders. The present MSc thesis aims to assess the alkali activation potential of marly soils, also after mixing them with slag or metakaolin at various ratios. The marly soils were obtained from the area of Ptolemais in NW Greece. The slag used in the present study derived from an electric arc furnace during the production of ferronickel (FeNi) at 1450 oC. Metakaolin was produced from the calcination of kaolin at 750 oC. The activating solution used was a mixture of NaOH or KOH and Na2SiO3 solutions at 1:1 ratio.
The effect of various operating parameters, including the molarity of NaOH / KOH (2 to 8 moĿL-1), curing temperature (25 to 80 oC), curing period 24 hours and ageing period (7 or 28 days) on the compressive strength of the produced alkali activated materials (AAMs) was explored.
The experimental results indicate that alkali activation of mixtures of marly soil with slag or metakaolin at ratios 70:30 is a feasible option for the stabilization of clayey soils and the produced specimens acquire compressive strength that exceeds 14.5 MPa. When the ratio of marly soil:slag is 50:50 the compressive strength of the produced specimens obtains its max. value, 23 MPa. Similar results were obtained from the alkali activation of mixtures of marly soils and metakaolin. The max. compressive strength in this case was 18.5 MPa.
Χ-ray Diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM) were used to elucidate the mineralogy and the microstructural characteristics of the produced specimens that took place during AAM synthesis.