Static and Dynamic Behaviour of Sand-Rubber Chips Mixtures

  • Reinforcing sand soils using tyre rubber chips is a novel technology that is under investigation to optimize its engineering application. Previous studies concentrated on static behaviour and very few on cyclic and dynamic behaviour of sand rubber mixtures leaving gaps that need to be addressed. This research focuses on evaluating the static, cyclic and dynamic behaviours of sand rubber mixtures. The basic properties of sands S2, S3, S4, rubber chips and sand rubber chips mixtures at 10/20/30% rubber chips content by dry mass were first evaluated in order to obtain the parameters essential for subsequent testing. Oedometer, direct shear with larger box 300x300 mm and static triaxial compression tests were performed to assess the static behaviour of the composite material. Further, dynamic cyclic triaxial tests were performed to evaluate the cyclic behaviour of saturated, dry and wet mixtures. All specimens were first isotropically consolidated at 100 kPa. For saturated material a static deviatoric stress of 45 kPa was imposed prior to cycling to simulate the field anisotropic consolidation condition. Cycling was applied stress-controlled with amplitude of 50kPa. Both undrained and drained tests were performed. Cyclic tests in dry or wet conditions were also performed under anisotropic consolidation condition with the application of different stress amplitudes. For all cyclic tests the loading frequency was 1 Hz. With regard to dynamic behaviour of the mixtures, the resonant column tests were conducted. Calibration was first performed yielding a frequency dependent drive head inertia. Wet mixture specimens were prepared at relative density of 50% and tested at various confining stresses. Note that all specimens tested in both triaxial and resonant column were 100 mm diameter. The results from the entire investigation are promising. In summary, rubber chips in the range of 4 to 14 mm mixed with sands were found to increase the shear resistance of the mixtures. They yield an increase of the cyclic resistance under saturated condition, to a decrease of stiffness and to an increase of damping ratio. Increased confining stress increased the shear modulus reduction and decreased damping ratio of the mixtures. Increased rubber content increased both shear modulus reduction and damping ratio. Several new design equations were proposed that can be used to compute the compression deformation, pore pressure ratio, maximum shear modulus and minimum damping ratio, as well as the modulus reduction with shear strain. Finally, chips content around 20% to 30% by dry mass can be used to reinforce sandy soils. The use of this novel composite material in civil engineering application could consume a large volume of scrap tyres and at the same time contribute to cleaning environment and saving natural resources.
  • Die Verstärkung von Sandböden mit Reifengummichips aus Altreifen ist eine neuartige Technologie, die derzeit untersucht wird, um ihre technische Anwendung zu optimieren. Die bisherigen Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf das statische Verhalten und nur sehr wenige auf das zyklische und dynamische Verhalten von Sand-Gummi-Mischungen. Es bestehen somit Wissenslücken, die geschlossen werden müssen. Die vorliegende Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Untersuchung des statischen, zyklischen und dynamischen Verhaltens von Sand-Gummi-Mischungen. Zunächst werden die Grundeigenschaften der Sande S2, S3 und S4, der Gummichips und der Mischungen aus Sand und Gummichips mit 10/20/30 % Gummianteil bezogen auf die Trockenmasse bestimmt, um die für die anschließende Prüfung wesentlichen Parameter zu ermitteln. Oedometer, Rahmenscherversuche in der großen Scherbox mit Abmessungen 300 x 300 mm sowie statische triaxiale Kompressionsversuche wurden durchgeführt, um das statische Verhalten des Verbundmaterials zu erfassen. Außerdem wurden dynamische zyklische Triaxialtests durchgeführt, um daraus das zyklische Verhalten von gesättigten, trockenen und feuchten Mischungen zu bewerten. Alle Proben wurden zunächst bei 100 kPa isotrop konsolidiert. Für gesättigtes Material wurde vor der zyklischen Beanspruchung eine statische Deviatorspannung von 45 kPa eingeprägt, um die anisotrope Konsolidierung im Feld zu simulieren. Zyklische Belastung wurde kraftgesteuert mit einer Amplitude von 50kPa angewandt. Es wurden sowohl undränierte als auch dränierte Versuche durchgeführt. Zyklische Versuche unter trockenen oder feuchten Bedingungen wurden ebenfalls unter anisotropen Konsolidierungsbedingungen mit Anwendung unterschiedlicher Spannungsamplituden durchgeführt. Für alle zyklischen Versuche betrug die Belastungsfrequenz 1 Hz. Hinsichtlich des dynamischen Verhaltens der Mischungen wurden Resonanzsäulenversuche durchgeführt. Zuerst wurde eine Kalibrierung vorgenommen, die ein frequenzabhängiges Massenträgheitsmoment für den Antriebskopf ergab. Proben aus feuchten Mischungen wurden bei einer bezogenen Lagerungsdichte von 50 % hergestellt und bei verschiedenen Zelldrücken getestet. Alle untersuchten Proben, sowohl in den Triaxial- als auch in den Resonanzsäulenversuchen, hatten einen Durchmesser von 100 mm. Die Untersuchungen lieferten sehr interessante Ergebnisse. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass Gummichips mit Größen zwischen 4 und 14 mm, gemischt mit Sand, die Scherfestigkeit der Mischungen erhöhen. Sie führen zu einer Erhöhung des zyklischen Widerstands bei voller Sättigung, zu einer Verringerung der Steifigkeit und zu einer Erhöhung des Dämpfungsgrads. Eine Erhöhung des allseitigen Drucks führt zu einer stärkeren Reduktion des Schubmoduls und zu einer Abnahme des Dämpfungsverhältnisses der Mischungen. Ein erhöhter Gummigehalt erhöhte sowohl die Abnahme des Schubmoduls als auch das Dämpfungsverhältnis. Es wurden mehrere neue Gleichungen vorgeschlagen zur Berechnung der Zusammendrückung, des Porenwasserdruckverhältnisses, des maximalen Schubmoduls und des minimalen Dämpfungsverhältnisses sowie der Schubmodulabnahme mit der Dehnung. Es stellte sich heraus, dass ein Chipanteil von etwa 20 bis 30 % Trockenmasse zur Bewehrung von Sandböden verwendet werden kann. Der Einsatz dieses neuartigen Verbundmaterials im Grundbau könnte eine große Menge an Altreifen verwerten und gleichzeitig zur Reinigung der Umwelt und Schonung der natürlichen Ressourcen beitragen.

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Metadaten
Author:Gerard Banzibaganye
URN:urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-67497
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6749
ISBN:978-3-95974-173-6
Series (Serial Number):Veröffentlichungen des Fachgebietes Bodenmechanik und Grundbau der Technischen Universität Kaiserslautern (19)
Advisor:Christos VrettosORCiD
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Date of Publication (online):2022/02/18
Year of first Publication:2022
Publishing Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2022/02/07
Date of the Publication (Server):2022/02/18
Page Number:XII, 148
Faculties / Organisational entities:Kaiserslautern - Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung (CC BY 4.0)