Engineering Properties of Cement-Eucalyptus Ash Gravel Column Reinforced with Plastic Bottle Fibers

Abstract

Embankment construction on soft clay foundations often encounters excessive settlement and low stability, as the soil exhibits low shear strength and high compressibility. Supporting columns such as concrete columns, soil-cement columns, and gravel columns can be used to improve soil quality. However, these column types generally possess strength far exceeding what is required for embankment applications, resulting in high construction costs and unnecessary consumption of resources. This study therefore proposes a semi-rigid column concept, combining the properties of flexible columns (stone columns) with rigid columns (vibro-concrete columns), termed "Cement–Eucalyptus Ash Gravel Column Reinforced with Plastic Bottle Fibers." The objective is to investigate its engineering properties for construction applications while reducing material costs and environmental impact, by partially replacing cement with eucalyptus ash a waste by-product from biomass power plant combustion and by processing recycled plastic bottle waste into fibers to enhance material performance. The materials used include coarse aggregates of 4.75–9.50 mm and 9.50–19.00 mm, hydraulic cement at 340 kg/m³, and a water-to-binder ratio of 0.32. Cement was replaced with eucalyptus ash at 5%, 10%, 15%, 20%, and 25% by weight, and plastic bottle fibers (2 mm wide, 70 mm long) were added at 0.5%, 1.0%, 1.5%, and 2.0% by volume. Compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength, porosity, and coefficient of water permeability were evaluated at curing ages of 28 and 90 days, together with microstructural analysis using Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Diffraction (XRD). The results showed that aggregate size, eucalyptus ash content, and plastic fiber content all significantly affected both the strength and drainage capacity of the columns. The mixed-graded aggregate (MG) produced the highest strength due to better particle packing, while the single-sized aggregate (LG) provided better porosity and water permeability. Replacing cement with 10% eucalyptus ash yielded the highest strength along with the lowest porosity and permeability coefficient. A fiber content of 1.0% produced the highest compressive and tensile strengths, while 2.0% produced the highest flexural strength. Furthermore, strength and drainage capacity were found to be inversely related columns with higher porosity exhibited lower strength. These findings can serve as a guideline for designing mix proportions of cement–eucalyptus ash gravel columns reinforced with plastic bottle fibers to suit specific application requirements, whether prioritizing strength or drainage performance, thereby promoting efficient resource use and reduced environmental impact.

การก่อสร้างคันทางบนชั้นดินเหนียวอ่อนมักประสบปัญหาการทรุดตัวและเสถียรภาพต่ำ เนื่องจากดินมีค่ากำลังเฉือนต่ำและการยุบตัวสูง การใช้เสารองรับ เช่น เสาคอนกรีต เสาดินซีเมนต์ และเสากรวด สามารถช่วยปรับปรุงคุณภาพดินได้ อย่างไรก็ตาม เสาเหล่านี้มีความแข็งแรงสูงเกินความจำเป็นสำหรับงานคันทางดิน ส่งผลให้มีต้นทุนก่อสร้างที่มากและสิ้นเปลืองทรัพยากรดังนั้น การศึกษานี้จึงนำเสนอเสาแบบยืดหยุ่นร่วมกับเสาแบบแข็งกลายเป็นเสาแบบกึ่งแข็ง ที่มีความสามารถและคุณสมบัติขึ้นอยู่กับประเภทวัสดุที่นำมาใช้ เรียกว่า “เสากรวดซีเมนต์เถ้ายูคาลิปตัสเสริมแรงด้วยเส้นใยขวดพลาสติก” เพื่อศึกษาคุณสมบัติเชิงวิศวกรรมเพื่อนำไปใช้ในการก่อสร้าง ควบคู่กับการลดต้นทุนทรัพยากรและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม โดยการแทนที่ปูนซีเมนต์บางส่วนด้วยขี้เถ้ายูคาลิปตัสซึ่งเป็นวัสดุเหลือทิ้งจากการเผาชีวมวลของโรงไฟฟ้าพลังงานชีวมวล ขณะเดียวกันได้นำขวดพลาสติกที่จัดอยู่ในวัสดุเหลือทิ้งประเภทขยะพลาสติกรีไซเคิลมาแปรรูปเป็นเส้นใยเพื่อปรับปรุงและเสริมประสิทธิภาพของวัสดุ วัสดุที่ใช้ประกอบด้วยมวลรวมหยาบขนาด 4.75–9.50 และ 9.50–19.00 มิลลิเมตร ปูนซีเมนต์ไฮดรอลิกในปริมาณ 340 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร อัตราส่วนน้ำต่อวัสดุประสานเท่ากับ 0.32 โดยแทนที่ปูนซีเมนต์ด้วยขี้เถ้ายูคาลิปตัสในอัตราส่วนร้อยละ 5, 10, 15, 20 และ 25 โดยน้ำหนัก และใช้เส้นใยจากขวดพลาสติกขนาดความกว้าง 2 มิลลิเมตร ความยาว 70 มิลลิเมตร ในปริมาณส่วนร้อยละ 0.5, 1.0, 1.5 และ 2.0 โดยปริมาตร เพื่อศึกษากำลังรับแรงอัด กำลังรับแรงดึงแบบผ่าซีก กำลังรับแรงดัด ความพรุน และสัมประสิทธิ์การซึมผ่านของน้ำ ที่อายุบ่ม 28 และ 90 วัน ร่วมกับการศึกษาโครงสร้างจุลภาคด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) ผลการศึกษาพบว่า ขนาดมวลรวม ปริมาณเถ้ายูคาลิปตัส และปริมาณเส้นใยพลาสติก ล้วนส่งผลต่อกำลังรับแรงและความสามารถในการระบายน้ำของเสา โดยมวลรวมแบบผสม (MG) ให้กำลังรับแรงสูงสุดจากการจัดเรียงตัวที่ดี ขณะที่มวลรวมขนาดเดียว (LG) ให้ความพรุนและการไหลซึมผ่านของน้ำที่ดีกว่า การแทนที่ปูนซีเมนต์ด้วยเถ้ายูคาลิปตัสที่ร้อยละ 10 ส่งผลให้กำลังรับแรงสูงสุด ในส่วนความพรุนและสัมประสิทธิ์การไหลซึมผ่านต่ำสุด ส่วนเส้นใยพลาสติกที่ปริมาณร้อยละ 1.0 ให้กำลังรับแรงอัดและแรงดึงสูงสุด ในขณะที่ร้อยละ 2.0 ให้กำลังรับแรงดัดสูงสุด นอกจากนี้ยังพบว่ากำลังรับแรงและความสามารถในการระบายน้ำมีความสัมพันธ์แบบผกผันกัน คือ เสาที่มีความพรุนสูงจะมีกำลังรับแรงต่ำ ผลการวิจัยนี้สามารถใช้เป็นแนวทางในการออกแบบสัดส่วนผสมของเสากรวดซีเมนต์เถ้ายูคาลิปตัสเสริมแรงด้วยเส้นใยขวดพลาสติก ให้เหมาะสมกับวัตถุประสงค์การใช้งาน ไม่ว่าจะเน้นด้านกำลังรับแรงหรือด้านการระบายน้ำ อันเป็นการใช้ทรัพยากรอย่างคุ้มค่าและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม