Published January 5, 2024 | Version v1
Publication Open

Evaluation of calcium carbide residue and fly ash as sustainable binders for environmentally friendly loess soil stabilization

Creators

  • 1. Naresuan University
  • 2. Srinakharinwirot University
  • 3. University of Phayao
  • 4. Institute of Construction and Architecture
  • 5. Slovak Academy of Sciences

Description

Abstract The incorporation of waste materials into cementitious binders serves as a strategy to diminish waste volume and lower carbon emissions. This study presents an in-depth evaluation of calcium carbide residue and coal fly ash as alternative binders. The assessment of raw materials emphasized their chemical composition and potential for pozzolanic reactions. Based on these factors, the optimal ratio of Ca/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) in the raw materials was determined to be 1.5. Therefore, this study was designed to vary the raw material composition with a CaO/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) ratio ranging from 1.7 to 0.9. Upon investigating the effect of the raw material proportion on the compressive strength of pastes and mortars, the composition yielding the highest compressive strength was selected for its potential application as a stabilizer for loess soil. A mixture of calcium carbide residue and coal fly ash with a Ca/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) ratio of 1.5 resulted in the highest compressive strength at long curing periods in both pastes and mortars. Mineralogical and microstructural analyses revealed several products, beyond those formed from the pozzolanic reactions, that occurred and enhanced the compressive strength of samples. The highest performing mixture of carbide residue and coal fly ash was then used to stabilize loess soil at 10–25 wt%. The unconfined compressive strength, along with mass and strength loss due to wetting and drying cycles, was also studied. It was observed that the unconfined compressive strength of the stabilized soils remained consistent after six wet-dry cycles but decreased after twelve cycles due to microcracks. The findings suggest that carefully designed mixtures based on the chemical interactions of calcium carbide residue and coal fly ash can offer a sustainable, efficient approach for soil stabilization, potentially revolutionizing construction practices.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص يعمل دمج النفايات في المجلدات الأسمنتية كاستراتيجية لتقليل حجم النفايات وخفض انبعاثات الكربون. تقدم هذه الدراسة تقييمًا متعمقًا لبقايا كربيد الكالسيوم والرماد المتطاير للفحم كمواد رابطة بديلة. أكد تقييم المواد الخام على تركيبها الكيميائي وإمكانية تفاعلاتها البوزولانية. بناءً على هذه العوامل، تم تحديد النسبة المثلى لـ Ca/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) في المواد الخام لتكون 1.5. لذلك، تم تصميم هذه الدراسة لتغيير تركيبة المواد الخام بنسبة CaO/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) تتراوح من 1.7 إلى 0.9. عند التحقق من تأثير نسبة المواد الخام على مقاومة انضغاط المعاجين والملاط، تم اختيار التركيبة التي تنتج أعلى مقاومة انضغاط لاستخدامها المحتمل كمثبت للتربة الرخوة. أدى مزيج من بقايا كربيد الكالسيوم والرماد المتطاير للفحم مع نسبة Ca /( SiO 2 + Al 2 O 3 ) البالغة 1.5 إلى أعلى قوة انضغاط في فترات المعالجة الطويلة في كل من المعاجين والملاط. كشفت التحليلات المعدنية والهيكلية الدقيقة عن العديد من المنتجات، بخلاف تلك التي تشكلت من التفاعلات البوزولانية، التي حدثت وعززت قوة انضغاط العينات. ثم تم استخدام الخليط الأعلى أداء من بقايا الكربيد والرماد المتطاير للفحم لتثبيت التربة الرخوة عند 10–25 ٪ بالوزن. كما تمت دراسة قوة الانضغاط غير المحصورة، إلى جانب فقدان الكتلة والقوة بسبب دورات الترطيب والتجفيف. ولوحظ أن مقاومة الانضغاط غير المحصورة للتربة المستقرة ظلت ثابتة بعد ست دورات من الجفاف الرطب ولكنها انخفضت بعد اثنتي عشرة دورة بسبب التشققات الدقيقة. تشير النتائج إلى أن المخاليط المصممة بعناية بناءً على التفاعلات الكيميائية لبقايا كربيد الكالسيوم والرماد المتطاير للفحم يمكن أن توفر نهجًا مستدامًا وفعالًا لتثبيت التربة، مما قد يحدث ثورة في ممارسات البناء.

Translated Description (French)

Résumé L'incorporation de déchets dans des liants à base de ciment sert de stratégie pour diminuer le volume de déchets et réduire les émissions de carbone. Cette étude présente une évaluation approfondie des résidus de carbure de calcium et des cendres volantes de charbon comme liants alternatifs. L'évaluation des matières premières a mis l'accent sur leur composition chimique et leur potentiel de réactions pouzzolaniques. Sur la base de ces facteurs, le rapport optimal de Ca/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) dans les matières premières a été déterminé à 1,5. Par conséquent, cette étude a été conçue pour faire varier la composition de la matière première avec un rapport CaO/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) allant de 1,7 à 0,9. Après avoir étudié l'effet de la proportion de matière première sur la résistance à la compression des pâtes et des mortiers, la composition produisant la résistance à la compression la plus élevée a été sélectionnée pour son application potentielle en tant que stabilisant pour les sols loess. Un mélange de résidus de carbure de calcium et de cendres volantes de charbon avec un rapport Ca/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) de 1,5 a permis d'obtenir la résistance à la compression la plus élevée lors de longues périodes de durcissement dans les pâtes et les mortiers. Les analyses minéralogiques et microstructurales ont révélé plusieurs produits, au-delà de ceux formés à partir des réactions pouzzolaniques, qui se sont produits et ont amélioré la résistance à la compression des échantillons. Le mélange le plus performant de résidus de carbure et de cendres volantes de charbon a ensuite été utilisé pour stabiliser le sol lœss à 10–25 % en poids. La résistance à la compression non confinée, ainsi que la perte de masse et de résistance due aux cycles de mouillage et de séchage, ont également été étudiées. Il a été observé que la résistance à la compression non confinée des sols stabilisés restait constante après six cycles humide-sec, mais diminuait après douze cycles en raison de microfissures. Les résultats suggèrent que des mélanges soigneusement conçus basés sur les interactions chimiques des résidus de carbure de calcium et des cendres volantes de charbon peuvent offrir une approche durable et efficace pour la stabilisation des sols, révolutionnant potentiellement les pratiques de construction.

Translated Description (Spanish)

Resumen La incorporación de materiales de desecho en aglutinantes cementosos sirve como estrategia para disminuir el volumen de residuos y reducir las emisiones de carbono. Este estudio presenta una evaluación en profundidad de los residuos de carburo de calcio y las cenizas volantes de carbón como aglutinantes alternativos. La evaluación de las materias primas enfatizó su composición química y el potencial de reacciones puzolánicas. Con base en estos factores, se determinó que la relación óptima de Ca/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) en las materias primas era de 1.5. Por lo tanto, este estudio se diseñó para variar la composición de la materia prima con una relación CaO/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) que varía de 1.7 a 0.9. Al investigar el efecto de la proporción de materia prima en la resistencia a la compresión de pastas y morteros, se seleccionó la composición que produce la mayor resistencia a la compresión para su posible aplicación como estabilizador para el suelo de loess. Una mezcla de residuos de carburo de calcio y cenizas volantes de carbón con una relación Ca/(SiO 2 + Al 2 O 3 ) de 1,5 dio como resultado la mayor resistencia a la compresión en largos períodos de curado tanto en pastas como en morteros. Los análisis mineralógicos y microestructurales revelaron varios productos, más allá de los formados a partir de las reacciones puzolánicas, que se produjeron y mejoraron la resistencia a la compresión de las muestras. La mezcla de mayor rendimiento de residuos de carburo y cenizas volantes de carbón se utilizó para estabilizar el suelo de loess al 10–25% en peso. También se estudió la resistencia a la compresión no confinada, junto con la pérdida de masa y resistencia debido a los ciclos de humectación y secado. Se observó que la resistencia a la compresión no confinada de los suelos estabilizados se mantuvo constante después de seis ciclos de secado húmedo, pero disminuyó después de doce ciclos debido a microgrietas. Los hallazgos sugieren que las mezclas cuidadosamente diseñadas basadas en las interacciones químicas del residuo de carburo de calcio y las cenizas volantes de carbón pueden ofrecer un enfoque sostenible y eficiente para la estabilización del suelo, lo que podría revolucionar las prácticas de construcción.

Files

s41598-024-51326-x.pdf.pdf

Files (3.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:366c9a0f860a3ddcc2e3e9a3fc0a5ff0
3.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تقييم بقايا كربيد الكالسيوم والرماد المتطاير كمواد رابطة مستدامة لتثبيت التربة الرخوة الصديقة للبيئة
Translated title (French)
Évaluation des résidus de carbure de calcium et des cendres volantes en tant que liants durables pour la stabilisation écologique des sols loess
Translated title (Spanish)
Evaluación de residuos de carburo de calcio y cenizas volantes como aglutinantes sostenibles para la estabilización del suelo loess respetuoso con el medio ambiente

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4390618382
DOI
10.1038/s41598-024-51326-x

Is supplement to
https://openalex.org/W4386092630 (Other)
https://openalex.org/W4213092169 (Other)
https://openalex.org/W3009888859 (Other)
https://openalex.org/W2913654262 (Other)
https://openalex.org/W2357856063 (Other)
https://openalex.org/W2335583483 (Other)
https://openalex.org/W2270834340 (Other)
https://openalex.org/W2076527597 (Other)
https://openalex.org/W2061082743 (Other)
https://openalex.org/W1973787336 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1973787336
  • https://openalex.org/W1974144787
  • https://openalex.org/W1978534835
  • https://openalex.org/W1994400124
  • https://openalex.org/W2006565982
  • https://openalex.org/W2010774008
  • https://openalex.org/W2026866973
  • https://openalex.org/W2049767926
  • https://openalex.org/W2050061000
  • https://openalex.org/W2235168513
  • https://openalex.org/W2468829682
  • https://openalex.org/W2495555769
  • https://openalex.org/W2611141158
  • https://openalex.org/W2774417100
  • https://openalex.org/W2893223665
  • https://openalex.org/W2941594086
  • https://openalex.org/W2979868871
  • https://openalex.org/W2998581515
  • https://openalex.org/W3006427077
  • https://openalex.org/W3014099942
  • https://openalex.org/W3047010744
  • https://openalex.org/W3095199240
  • https://openalex.org/W3139422289
  • https://openalex.org/W3143823700
  • https://openalex.org/W3184581836
  • https://openalex.org/W3196418330
  • https://openalex.org/W3202581060
  • https://openalex.org/W3208889608
  • https://openalex.org/W3213892770
  • https://openalex.org/W4206961629
  • https://openalex.org/W4247334173
  • https://openalex.org/W4282961739
  • https://openalex.org/W4296222209
  • https://openalex.org/W4308292527
  • https://openalex.org/W4311111625
  • https://openalex.org/W4320923025
  • https://openalex.org/W4327923968
  • https://openalex.org/W4366000336
  • https://openalex.org/W4380085918
  • https://openalex.org/W4384163757
  • https://openalex.org/W4384701365
  • https://openalex.org/W4386314025
  • https://openalex.org/W4389002827
  • https://openalex.org/W832158781