Geotextiles and geogrids based on basalt

Abstract

Geotekstiler og geonett brukes til ulike formål innen geoteknikk. De kan gi billigere og enklere konstruksjoner enn konvensjonelle metoder. Det sammensatte materialet som da består av jord- og armeringsmaterialet i samvirke vil ha både kompresjons- og strekkapasitet, mens jord alene har begrenset strekkapasitet. Strekkapasiteten er avhengig av hva slags materiale som brukes som armering.

De fleste eksisterende geosynteter og geo-relaterte produkter er polymerbaserte. Det er er et ønske å kutte i bruken av plast på grunn av miljøaspekter og et økende fokus på bærekraftige løsninger. Som et resultat har basalt blitt foreslått brukt i geotekstiler, geonett og andre geo-relaterte produkter. Basalt er et steinmateriale som finnes over hele verden, og stoffer kan lages av fibre fra dette steinmaterialet. For å vurdere om basalt kan være egnet eller ikke for disse produktene, er det utført fysiske, mekaniske og hydrauliske tester på utvalgte produkter. Viktige egenskaper er funnet gjennom testing og testmetodene som er brukt er evaluert. Testresultatene og helhetsbildet av basaltprodukters egnethet til geotekniske formål er diskutert.

To basaltprodukter har blitt testet gjennom studien. Ytterligere tre produkter er allerede testet og data fra disse testene er evaluert. Strekktesting er den viktigste mekaniske testen for geotekstiler og geonett. Alle produktene er testet i henhold til ISO 10319 for strekkprøving på brede prøvelegemer. Noen av produktene er også testet i henhold til ISO 10722 for mekanisk skade ved gjentatt belastning forårsaket av granulært materiale. Denne testen er relevant da den simulerer forholdene produktet blir utsatt for under installasjon. Det er utført testing i henhold til ISO 12224 for bestemmelse av motstandsdyktighet mot forvitring og ISO 12225 for bestemmelse av mikrobiologisk motstand. Disse testene indikerer hvordan materialet reagerer på miljøene det kan plasseres i. Videre er det utført krypbruddstester ved strekkbelastning i henhold til ISO 13431. Langvarige kryptester, som fortsatt pågår, er evaluert. Testresultatene gir et klart inntrykk av hva slags egenskaper materialet besitter.

Noen erfaringer ble gjort under testing av basaltproduktene. En av hovedutfordringene ved strekktesting er knyttet til grepene og glidningen som kan oppstå. Det ble gjort flere tiltak for å prøve å unngå dette. Det er brukt ulike klemmer som delt kapstan, mekaniske klemmer med bølget innside og hydrauliske klemmer med forskjellige overflater. Produktene har blitt beskyttet med gaffatape, papp, ikke-vevde produkter, PU-skum og to forskjellige epoksytyper i kontaktflaten mellom grepene og prøvestykket. Hydrauliske klemmer med Vulkollan i kontaktflaten viste seg å gi best resultat. En annen utfordring var den lave tøyningen og viktigheten av nøyaktige tøyningsmålinger. Videoekstensometre eller mer avanserte varianter gir best resultater.

Geonettene som ble testet hadde en strekkfasthet som varierte mellom ca. 54 og 74 kN/m. Geotekstilen som ble testet hadde en strekkfasthet på ca. 230 kN/m. Tilsvarende verdier finnes for lignende produkter laget av plast. Alle produktene hadde en maksimal tøyning mellom 2 og 3 % ved brudd. Disse verdiene er relativt lave. Basaltproduktene ble i liten grad påvirket av forvitring eller mikrobiologisk aktive miljøer. Produktet kryper tilnærmet ikke når det er utsatt for en kraft på 40 % av strekkfastheten over lang tid. Produktene er mindre fleksible enn tilsvarende syntetiske produkter. Skader forårsaket av granulære materialer eller andre faktorer kan by på problemer.

Strekkstyrken alene vil kunne gjøre produktene passende for bruk i geotekniske formål. Den lave tøyningen og sprø oppførselen til basaltfibrene er en utfordring, og begrenser bruksområdene. Basaltfiber er ikke en trussel mot naturen når de brytes ned på samme måte som plast er. Mulige bruksområder for basaltprodukter kan være i marine konstruksjoner og i konstruksjoner i eller nær elvesystemer, ettersom basaltproduktene ikke vil avgi mikroplast på samme måte som polymerprodukter vil. Et annet bruksområde kan være i veibygging. Mange av utfordringene knyttet til basaltprodukter er ikke løst ennå. Inntil de blir det, vil polymerprodukter foretrekkes fremfor basaltprodukter når deres egenskaper, tilgjengelighet og kommersielle aspekter tas i betraktning.

The applications for geotextiles and geogrids within geotechnical engineering are many. They may provide cheaper and easier constructions than conventional structures. The soil-reinforced matrix consisting of soil and the reinforcement material has both compression and tensile capacity, whereas soil alone has limited tensile capacity. The tensile capacity depends on the materials used as reinforcement.

The majority of existing geosynthetics and geo-related products are polymer based. There is a willingness to cut the use of plastics due to environmental aspects and a growing focus on sustainable solutions. Geotextiles, geogrids and other geo-related products made from basalt fibers are proposed as a solution. Basalt is a rock material found all over the world, and fabrics can be made from fibers produced from the rock material. To assess whether basalt may be suitable or not for these products, physical, mechanical and hydraulic testing is performed. An evaluation of key properties obtained and the test methods used is performed. The test results and the overall picture of basalt products’ suitability is discussed.

Two basalt products are tested throughout this study. Further three products have already been tested and data from these tests are evaluated. The wide width tensile test is the most important mechanical test for geotextiles and geogrids. All of the products are tested according to ISO 10319 in wide width tensile tests. Some of the products are also tested according to ISO 10722 for mechanical damage under repeated loading caused by granular material. This test is relevant as it simulates the conditions in the field during installation. Testing according to ISO 12224 to determine the resistance to weathering and ISO 12225 to determine the microbiological resistance has been performed. These tests indicate how the material reacts to the environments it may be placed in. Further on, creep rupture tests according to ISO 13431 have been performed. Long time creep tests that are still ongoing have been evaluated. The test results give a clear impression of what kind of properties the material possesses.

Some experiences were made while testing the basalt products. One of the main challenges related to tensile testing is the grips and the slippage that may occur. Several measurements were taken to try to avoid this. Different clamps as the split capstan, mechanical clamps with wavy insides and hydraulic clamps with various faces have been used. The products have been protected with duct tape, cardboard, nonwovens, PU-foam, and two different epoxy types in the grip area. Hydraulic clamps with faces made from Vulkollan proved to give the best results. Another challenge was the low strain and the importance of accurate strain measurements. Video extensometers or more advanced ones give the best results.

The tested basalt geogrids had a tensile strength varying between 54 and 74 kN/m. The tested basalt geotextile had a tensile strength of approximately 230 kN/m. These values are found for similar products made from polymers. All of the products had a maximum strain between 2 and 3 % at failure. These values are relatively low. The basalt products were not significantly affected by weathering or microbiologically active environments. The long term creep is close to zero when subjected to a force of 40 % of the tensile strength. The products are less flexible than synthetic ones. Damages caused by granular materials or other factors may offer problems.

The tensile strength alone would make the products appropriate for many applications in the built environment. The low strain and brittle nature of the basalt fibers is a challenge and limits the applications. Basalt fibers are not a threat to nature when degraded in the same way plastic fibers are. Possible applications for basalt products could be in marine applications and other areas in or near river systems, as the basalt products will not emit microplastics in the same way as polymers will. Another possible application is in road construction. Many of the challenges related to basalt products are not solved yet. Until they are, polymer based products will be preferred to basalt products when their properties, availability and commercial aspects are considered.