Evaluation of Hydrated Lime Stabilization of Sulfate Bearing Expansive Soils

Abstract

Calcium-based stabilizers such as calcium oxide (lime) have been used extensively to improve the soil properties of expansive soils. However, in recent years, it has been reported that the presence of sulfate in lime stabilized soil caused abnormal volume changes in expansive soils due to the formation of the secondary minerals: ettringites. Ettringites are known as the highly expansive crystalline minerals. The increasing sulfate heave problems in lime treated expansive soils prompted an important research need in such areas. This research focuses on the understanding of the behavior of the lime treated soils in the absence and presence of sulfate in the soil and to evaluate the effectiveness of ground granulated blastfurnace slag (GGBS) on the lime-induced heave of sulfate bearing clay soils. In this study, an expansive clay with low sulfate level (640 ppm) was used as a control soil and lime was used as an additive for the treatment of this soil. Three different sulfate concentrations: 2000, 5000 and 10000 ppm were used to evaluate the effect of sulfate on the lime treated soils. In order to eliminate the harmful effect of sulfate in the lime treated soils, ground granulated blastfurnace slag was used. Atterberg limits, linear shrinkage, swell, compressibility, consolidated undrained triaxial CU, and cyclic swell-shrink tests were conducted on the natural, and the lime treated soils with the absence and presence of sulfate. Three different curing times (0, 30 and 365 days), three different mellowing times (1, 2 and 3 days) and two different temperatures (25, 40C) were used to evaluate the behavior of the lime treated soils in the presence and absence of sulfate. Test results revealed that lime, in the absence of sulfate, is very effective in reducing the plasticity and the swell potential and increasing the strength of the expansive soil. However, the presence of 5000 and 10000 ppm sulfate concentration in the limetreated soils caused the plasticity and the swell potentials to increase abnormally due to the formation of the ettringite minerals. High concentration of sulfate eliminated the remedial effect of lime in expansive soil and caused the swell to increase. The swell potential of the lime-treated soil with 10000 ppm sulfate concentration became three times higher than the control soil’s swell potential. Test results showed that the formation of the ettringite minerals in the lime treated soil with 5000 and 10000 ppm sulfate concentration was further accelerated with the increase in temperature (40C). Consolidated undrained triaxial, CU tests, showed that the shear strength of the lime treated soils decreased with the increase in the sulfate concentration and curing time. In the absence of sulfate, the effective stress path of the lime treated soil followed the same trend as overconsolidated clay. However, in the presence of sulfate, the effective stress path of the lime treated soil with 10000 ppm sulfate concentration became similar to that of a normally consolidated soil. The shear strength of the lime treated soil subjected to 10000 ppm sulfate decreased dramatically at 365 days curing time. The statistical ANOVA analysis results also verified the experimental findings that with the increase in sulfate concentration and the curing time, the sulfate concentrations and the cell pressures had statistically significant effect on the shear strength. The detrimental effect of sulfate in the lime treated soils was eliminated by adding slag into the lime treated soil. Addition of 6% slag into the lime treated soils prohibited the formation of the ettringite minerals and the increase in the swell potential values was prevented. In the presence of 6% slag, the swell potential of the lime-treated soil with 10,000 ppm sulfate concentration decreased from 8% to 1% whereas the lime-treated soil with 5000 ppm sulfate concentration showed no swelling. In the scanning electron micrograph of the lime treated soil subjected to 10000 ppm sulfate solutions, the growth of the ettringite minerals was easily observed.

Öz: Kireç gibi kalsiyum esaslı iyleştiriciler şişen zeminlerin zemin özelliklerini iyileştirmek için kullanılır. Ancak, son yıllarda, kireçle iyileştirilmiş zeminlerdeki sülfat varlığı etrenjit mineralini oluşturduğundan dolayı zeminde anormal şişmelere sebep olmaktadır. Etrinjit yüksek şişme kapasitesine sahip mineral olarak bilinmektedir. Sülfat varlığından dolayı kireçle iyileştirilmiş zeminlerde şişmelerin olması bu alanda önemli araştırmaların yapılmasını gerektirmektedir. Bu araştırmada sülfatlı ve sülfatsız zeminlerin kireçle iyileştirilmesi sonucundaki davranışları ve cürufun sülfat içeren zeminlerdeki kireç kaynaklı şişmeler üzerindeki etkinliği değerlendirmektedir. Bu çalışmada düşük sülfat seviyeli (640 ppm) şişen zemin ve bu zemini iyleştirmek için katkı maddesi olarak da kireç kullanılmıştır. Sülfatın kireçle iyileştirilmiş zeminlerdeki etkisini görmek için üç farklı sülfat konsantrasyonu kulanılmıştır; bunlar 2000, 5000 and 10000 ppm’dir. Kireçle iyileştirilmiş zeminde sülfatın zararlı etkisini ortadan kaldırmak için, cüruf kullanılmıştır. Kıvam limitleri, büzülme, şişme, kompresibilite, drenajsız üç eksenli CU ve şişme-büzülme deneyleri doğal zeminde, kireçle iyileştirilmiş sülfatlı ve sülfatsız zeminlerde yapılmıştır. Üç farklı kür süresi (0, 30 ve 365 gün), üç farklı sıkıştırma gecikme süresi (1, 2 ve 3 gün) ve iki farklı sıcaklık (25C, 40C) kullanılmıştır. Test sonuçları kirecin plastisite ve şişme potansiyelini azaltmada ve mukavemeti artırmada çok etkili olduğunu ortaya koymuştur. Bununla birlikte, 5000 ve 10000 ppm sülfat konsantrasyonuna sahip kireçle iyileştirilmiş zeminlerde etrenjit oluşması plastisite ve şişme potansiyelinin anormal artmasına neden olmuştur. Yüksek sülfatlı zeminler kirecin iyileştirici etkisini ortadan kaldırmakta ve şişmeyi artırmaktadır.10000 ppm sülfatlı zeminde şişme doğal zemine göre üç kat artmıştır. Deney sonuçları sıcaklığın (400C) artmasıyla şişme potansiyelini hızlandırdığını ve artırdığını göstermektedir. Drenajsız üç eksenli (CU deneyi) deneyleri kesme kuvvetinin kireçle iyileştirilmiş zeminlerde sulfat konsantrasyonunun ve kür süresinin artmasıyla düştüğünü göstermektedir. Sülfatın olmadığı zeminlerin kireç iyileştirmesi sonrasında aşırı konsolide zeminlerle ayni davranışı göstermiştir. Bununla birlikte, sülfat varlığında, kireçle iyileştirilmiş 10000 ppm sülfata sahip zeminin normal konsolide zemine benzer davranışlar göstermiştir. Ayrıca, 365 gün kür süresine sahip 10000 ppm sülfatlı kireçle iyleştirilmiş zeminde kesme kuvetinde dramatik bir düşüş elde edilmiştir. İstatistiksel ANOVA analizi sonuçları da kür zaman artışı ile, sülfat konsantrasyonları ve hücre basınçlarının kesme gücü üzerinde istatistiksel olarak anlamlı bir etkisi olduğunu deneysel bulgular doğrulamıştır. Kireç iyleştirilmiş zeminde sülfatın zararlı etkisi kireçle iyleştirilmiş zemin içine cüruf eklenmesi ile ortadan kaldırılmıştır. Cürufun kireçle iyileştirilmiş 10000 ppm sulfatlı zemine eklenmesiyle şişme potansiyeli %8’den %1’e düşmüş, 5000 ppm sülfatlı toprakta ise şişme sıfırlanmıştır. 10000 ppm sülfatlı kireçle iyileştirilmiş zeminde taramalı elektron mikroskobu incelemesi sonrasında etrenjit oluşumu rahatlıkla gözlemlenmiştir. Anahtar kelimeler: ANOVA, Cüruf, Efektif gerilme yolu, Etrenjit, İyleştirme, Kireç, Olgunlaşma, Şişen zemin, Üç eksenli test.