Concept development for the design of a permeable paving stone

Abstract

Eine der wichtigsten Anforderungen im Baugewerbe ist die Ableitung von Wasser aus dem Straßenbelag, was häufig durch wasserdurchlässige Strukturen erreicht wird. In dieser Arbeit wird über die Herstellung von wasserdurchlässigen Pflastersteinen berichtet, die für den Bau von Gehwegen, Parkplätzen und Einfahrten verwendet werden.Die wasserdurchlässigen Pflastersteine werden aus Gesteinskörnungen hergestellt, die durch Bindemittel (Zement, Silikastaub, Fließmittel und Wasser) zusammengehalten werden. Die Bildung von Pflastersteinen wurde unter Verwendung verschiedener Arten von Zuschlagstoffen untersucht, nämlich i) Rundkorn (RK) 1-3 mm, ii) gebrochener Kantkorn (KK) 2-4 mm, iii) KK 3-5 mm und iv) KK 4-8 mm. Für die Herstellung eines Pflastersteins, wurde die Gesteinskörnungen als auch das Bindemittel in eine Schalung gegeben, gleichzeitig verdichtet (mit einem Gewicht) sowie gerüttelt (mit einer Rüttelplatte).Ein wesentlicher Teil der Forschung bestand darin, die Menge des Bindemittels (Zementsleim) in einem Block zu optimieren. Die Menge des Bindemittels sollte ausreichen, um die erforderliche mechanische Festigkeit zu gewährleisten, indem es die Gesteinskörnungen zusammenbindet, gleichzeitig aber nicht alle Hohlräume zwischen den Partikeln der Gesteinskörnungen ausfüllt, welche sonst die Fließfähigkeit des Wassers einschränken würde.Um dies zu erreichen, wurden verschiedene Bindemittelrezepturen untersucht (mit unterschiedlichen W/C-Verhältnissen und Mengen an Zusatzstoffen), bis die Konsistenz des Bindemittels optimiert war (keine Ausbreitung). Die physikalischen Eigenschaften der Gesteinskörnung, wie Feuchtigkeitsgehalt, Wasseraufnahme, Partikeldichten, Feststoffvolumenanteil, Schüttdichte und Hohlraumgehalt, wurden untersucht, um ihren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und die Wasserdurchlässigkeit der Pflastersteine zu studieren.Durch diese Forschung wurde eine Schlussfolgerung zur Optimierung des Mischungsverhältnisses gezogen. Das passende Mischungsverhältnis lag bei 28-35 % Zementleim, bezogen auf die Masse der Gesteinskörnung. Um eine ausreichende Wasserdurchlässigkeit zu gewährleisten, sollten die Pflastersteine einen Hohlraumgehalt von mindestens 20 % aufweisen, und um die erforderliche mechanische Festigkeit zu gewährleisten, sollte dieser nicht mehr als 30 % betragen.

One of the most essential requirements for construction industry is the drainage of water from pavement and is often achieved through water permeable structures. This thesis reports on the production of water permeable pavers used for the construction of sidewalks, parking lots, and driveways.The water-permeable pavers are built using aggregates which are held together by binding material (cement, silica fume, superplasticizer, and water). The formation of paving blocks was explored by using different types of aggregate, namely i) River aggregate (RA) 1-3 mm, ii) Crushed aggregate (CA) 2-4 mm, iii) CA 3-5 mm and iv) CA 4-8 mm. A block of paver with the aggregate and binding material was produced by putting them into a mold and applying compaction (with a weight) and vibration (using a vibrating table) simultaneously.An essential part of the research was to optimize the quantity of binding material (cement slurry) in a block. The amount of binding material should be sufficient to provide required mechanical strength by binding the aggregates together, while at the same time does not occupy all the interparticle voids of the aggregates (which would limit water flowability).To achieve this, different binder recipes were explored (with varying W/C ratios and amounts of admixtures) until the consistency of the binding material was optimized (zero spread). The physical properties of the aggregates, such as moisture content, water absorption, particle densities, solid volume fraction, bulk density, and void content, were investigated to study their impact on mechanical properties and water permeability of pavers.Through this research, a conclusion was drawn to optimize the mixing proportion. The appropriate mixing proportion was 28-35% of cement paste related to the mass of the aggregate. To ensure adequate water permeability, the pavers should have a void content of at least 20% and to ensure required mechanical strength, it should be no more than 30%. The mix design proposed in this thesis was able to achieve these goals and can be used in the near future by industry to produce commercial water permeable pavers.