Development of a new method for aggregate quality control in civil engineering applications

Tayebi, Alireza

Civil engineering has fulfilled many different needs of human life. It has provided much ease, comfort, and pleasantness to daily life through such conveniences as the construction of homes, buildings, skyscrapers, railways, subways, roads, and tunnels. Each of these applications of civil engineering would not be possible without the use of natural crushed stone. In fact, natural crushed stone and aggregates are the building block of all of the aforementioned constructions. As a result, worldwide production and consumption of aggregates is steadily increasing. Due to a limited quantity of natural resources and the millions of years needed for their renewal, quality management of raw materials is key to sustainable development and continued success. Hand in hand, sustainable development policies are imperative to the optimal usage of the reserves. Quality control and quality assurance are the two main elements of quality management. Different methods and procedures have been proposed in order to maintain consistent quality of the aggregates, as the principal constituent of various forms of civil engineering constructions. Railroad construction and asphalt production are two key usages of aggregates. The quality of the aggregates in the aforementioned applications plays a significant role in life span of the product. High quality aggregate, while more costly at the beginning, increases the life cycle and life cycle value, decreases life cycle costs, and in turn leads to improved public service quality, a substantial parameter of sustainable policy. The disintegration and breakdown of aggregates over time has been the subject of many bodies of research throughout the years, resulting in the publication of various procedures and methods to be utilized in determining hard rock quality and durability. However, the proposed previous methods are time-consuming, non-reproducible, and non-representative. Therefore, they are not able to recognize the quality of aggregates in a correct manner. Use of aggregates with lack of sufficient quality results in their physical, chemical, and mechanical failure. The aggregate quality issue becomes more critical when it comes to the usage of aggregates for railway-ballast/asphalt production. In the first part of this study, two parameters were developed for the purpose of quality assurance and quality control of aggregate for railway ballast applications. Based on the results of thousands of field and laboratory experiments, these two parameters, loss on ignition (LOI) and magnetic susceptibility (MAG), can identify the quality of aggregate prior to its exploitation and production. LOI and MAG were implemented in three igneous hard rock quarries and have shown to provide accurate results in a more effective and efficient manner. The stripping of asphalt, which is a problem often confronted with the asphalt industry, is another important topic discussed in this thesis. Shortly after initial construction, many asphalt roads need to be re-asphalted, frequently due to a loss of adhesion between the aggregate surface and the bitumen layer. In order to eliminate this phenomenon, different mechanisms and theories have been presented over the past century, though the problem has never been truly clarified nor solved. The stripping of asphalt has its consequences: loss of stability and swelling of the asphalt. The second part of this study discusses the problem of asphalt affinity. More than 1300 asphalt samples were prepared and tested in order to identify and recognize the main problem and consequently develop appropriate preventative strategies to improve the quality of asphalt concrete for use in roads. With regard to this issue a new concept, the Water Discharge Theory, is presented. This theory explains that the loss in affinity between aggregate surface and bitumen layer is a function of aggregate´s inherent water content. With a basis in this theory, the impact of LOI and MAG values of asphalt aggregates on the quality of the asphalt were studied. According to our obtained results the direct effects of LOI and MAG (values of aggregates) on stripping and consequently on quality of asphalt were confirmed. Online recognition of aggregate quality for railway ballasts and asphalt applications was achieved through the development of the two new parameters, LOI and MAG. These parameters proved successful in three different quarries. Based on the application purposes, threshold values for each parameter were also determined.

Das Bauingenieurwesen erfüllt die unterschiedlichsten Anforderungen des menschlichen Lebens. Viele Vorteile und Annehmlichkeiten im täglichen Leben wie Häuser, Hochhäuser, Eisenbahnen, U-Bahnen, Straßen und Tunnel wären ohne dieses undenkbar. Diese Ingenieurleistungen wären jedoch ohne die Verwendung von gebrochenem Naturstein nicht möglich, da diese eine wichtige Grundlage der oben genannten Bauwerke sind. Als Folge dessen steigen die weltweite Produktion und der Verbrauch von Gesteinskörnungen stetig an. Auf Grund der begrenzten Menge an natürlichen Ressourcen und der Jahrmillionen die deren Erneuerung bedarf, ist ein Qualitätsmanagement für die Rohstoffe der Schlüssel für eine nachhaltige Entwicklung und einen stetigen Erfolg. Einhergehend mit einer Methode zur nachhaltigen Gewinnung ist die optimale Ausnutzung der Reserven erforderlich. Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung sind die zwei Hauptelemente des Qualitätsmanagements. Verschiedene Methoden und Verfahren werden empfohlen, um eine gleichbleibende Qualität der Gesteinskörnungen zu gewährleisten. Gesteinskörnungen werden zum Beispiel als Gleisschotter und zur Asphaltproduktion eingesetzt. Die Qualität der Gesteinskörnungen ist entscheidend für die Lebensdauer dieser Produkte. Gesteinskörnungen mit hoher Qualität mögen zu Beginn kostenintensiver sein, haben dafür aber eine längere Lebensdauer und verursachen geringere Unterhaltungskosten. Der Zerfall von Gesteinskörnungen war Gegenstand vieler wissenschaftlicher Untersuchungen in den letzten Jahrzehnten. Daraus resultierten Veröffentlichungen sowie verschiedene Verfahren und Methoden, um die Qualität und Haltbarkeit von Festgesteinen zu bestimmen. Die bisherigen Methoden sind jedoch zeitintensiv, nicht reproduzierbar und nicht repräsentativ. Deswegen ist es nicht möglich, mit diesen Methoden die Gesteinsqualität in erforderlicher Weise zu ermitteln. Die Verwendung von Gesteinskörnungen mit geringer Qualität führt zu physikalischen, chemischen und mechanischen Problemen. Das Thema der Qualität von Gesteinskörnungen ist von besonderer Bedeutung, wenn diese als Gleisschotter oder zur Herstellung von Asphalt verwendet werden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden zwei Parameter entwickelt, die zur Bestimmung und Kontrolle der Qualität von Gesteinskörnungen dienen, die als Gleisschotter verwendet werden. Basierend auf den Ergebnissen von tausenden Feld- und Laboruntersuchungen konnten zwei Parameter, Glühverlust (LOI) und magnetische Suszeptibilität (MAG), identifiziert werden, mit deren Hilfe die Qualität von Gesteinskörnungen vor der Gewinnung und Aufbereitung bestimmt werden kann. Die Parameter LOI und MAG wurden in drei verschiedenen magmatischen Steinbrüchen zur Bestimmung der Gesteinsqualität verwendet und lieferten effektiv und effizient zuverlässige Ergebnisse. „Stripping“, das ein großes Problem für die Asphaltindustrie darstellt, ist das zweite wichtige Thema diese Arbeit. Kurz nach dem Einbau müssen viele Asphaltdecken erneuert werden, weil die Haftung zwischen der Oberfläche der Gesteinskörnungen und dem Bitumen verloren geht. Bei dem Versuch dieses Problem zu lösen, sind im letzten Jahrhundert viele Verfahren und Theorien entwickelt worden. Dennoch konnte das Problem nie gelöst werden. Stabilitätsverlust und Quellung sind die Konsequenzen des „Strippings“. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird das Problem fehlender Affinität zwischen Gesteinskörnungen und Bitumen im Asphalt untersucht. Mehr als 1300 Asphaltprobenkörper wurden hergestellt und untersucht, um das Hauptproblem zu identifizieren und zu bestimmen. Daraus resultierend wurde eine zielgerichtete präventive Strategie entwickelt, um die Qualität des Asphalts zu verbessern. In Bezug auf dieses Thema wird ein neues Konzept präsentiert: Water Discharge Theory. Diese Theorie besagt, dass der Verlust der Affinität zwischen der Oberfläche der Gesteinskörnungen und dem Bitumen eine Funktion des Wassergehalts der Gesteinskörnungen ist. Basierend auf dieser Theorie wurde der Einfluss von LOI und MAG der zur Herstellung des Asphalts verwendeten Gesteinskörnungen auf die Asphaltqualität untersucht. Anhand der erhaltenden Resultate konnte der direkte Einfluss von LOI- und MAG-Werten der Gesteinskörnungen auf das „Stripping“ und demzufolge auch auf die Asphaltqualität bestimmt werden. Durch die Entwicklung eines Analyseverfahrens auf Basis der zwei Parameter LOI und MAG ist die Online Bestimmung der Qualität von Gesteinskörnungen, die als Gleisschotter und im Asphalt verwendet werden, möglich. Die oben genannten Parameter sind in drei verschiedenen Steinbrüchen erfolgreich überprüft worden. Basierend auf den jeweiligen Verwendungszweck konnten Grenzwerte für die beiden Parameter bestimmt werden.

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Tayebi, Alireza: Development of a new method for aggregate quality control in civil engineering applications. 2015.

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