Hydro-Mechanical Properties of Compacted Sand-bentonite Mixtures Enhanced with Cement

Abstract

Engineered barriers used in waste containment systems are usually a composite compacted material, such as sand-bentonite. The containment elements such as the landfill liners should be designed to prevent leachate and ground water permeation through them. A bentonite content of 5-15% has been recorded to have improved the performance of the composite material, providing a low hydraulic conductivity, whereas sand component contributed to the mechanical stability of the system. According to engineering specifications a hydraulic conductivity less than 10-9 m/s is required to maintain structural integrity of the containment system. Therefore, a thorough understanding of engineering behavior of the selected materials must be experimentally ascertained. This study consists of an experimental work on the hydro-mechanical behavior of sand-bentonite and sand-bentonite-cement mixtures to be proposed as barrier materials for the disposal of municipal waste in a semi-arid climate. The barriers are unsaturated on placement and remain so throughout long periods of dryness, however may become saturated during short periods of flooding, which is the expected climatic regime in a semi-arid climate. Liners may remain saturated for prolonged periods when they are subjected to permeation of leachates and/or ingress of ground water. Therefore, both saturated and unsaturated behavior is essential to study for ensuring integrity of the waste disposal facility and the sustainability of the system as well as protection of the geo-environment. In the first stage of the experimental program, based on swell potential and compressibility characteristics, two mixtures were selected which consisted of 15% Na-bentonite (SB), and 15% Na-bentonite and 5% cement (SBC) added to uniform sand respectively. SB was selected as a control material to assess the degree of iv enhancement of cement additive. In the second stage of the experimental study volume change, including swell-shrinkage, compressibility with effects of curing (28 days), salinity (1 mol. NaCl), and temperature (60C) are investigated on the 28-day cured specimens of the selected mixtures. In order to study the unsaturated behavior, the key element of unsaturated soils, the soil-water characteristic curve (SWCC) was obtained for each mixture, which were used to predict the unsaturated volume change parameters, as well as unsaturated hydraulic conductivity function. The macro-structural behavior was also explained at micro-structural level by scanning-electron microscopy study. The SEM images have revealed the thixotropic changes in the SB as well as curing effect of cement included (SBC) specimens revealing the tobermorite formation due to hydration process of cement. In the last stage of the testing program, strength tests, including unconfined compression and tensile testing were carried out. Tensile strength is considered to be as important as the compressive strength, mainly when the liners are thin and/or subjected to desiccation shrinkage in a semi-arid climate. Tensile testing methods are not within usual testing program of a geotechnical survey. Therefore, a significant emphasis is given herein to different tensile testing techniques (split tensile, flexural strength and double punch) investigating on their practical applicability to compacted buffer material. Correlations were made between all the strength tests including the compressive strength, and recommendations were derived for prediction approaches of compressive and tensile strength in the most feasible way. Finally it was concluded that when 15% bentonite included SB was selected as barrier material, the hydraulic conductivity exceeded the maximum allowed limit when subjected to a high concentration of salt permeation and when temperatures in the system rose to 60C. However, when 5% cement was included in addition to 15% bentonite, all the engineering properties have improved notably and the hydraulic conductivity remained below the maximum limit provided effective confining pressures were higher than 400 kPa.Öz:Katı atık depolama sistemlerinin sıkıştırılmış şilteleri genelde kompozit bir malzeme olan kum-bentonit kullanılarak tasarlanır. Özellikle alt katmanın katı atık sızıntısının çevreye ve yer altı suyunun da depolama sistemine girmesini önleyecek şekilde tasarlanması gerekmektedir. %5-15 arası kullanılan bentonitin kompozit malzemenin performansını artırdığı ve hidrolik iletkenliği düşük katmanlar oluşmasına yaradığı, kumun ise sistemin mekanik stabilitesini sağladığı gözlemlenmiştir. Mühendislik şartnamelerinde, geçirimsiz katmanların hidrolik iletkenliğinin 10-9 m/s’yi geçmemesi gerektiği belirtilir. Dolayısıyla seçilen malzemenin mühendislik davranışı deneysel olarak detaylı bir şekilde incelenmeli ve beklenilen özellikleri sağlayacağından emin olunmalıdır. Bu çalışma, yarı kurak bir iklim için katı atık depolama sisteminin katmanları olarak uygun olabilecek kum-bentonit ve kum-bentonit-çimento karışımları üzerinde yapılan hidro-mekanik davranışın irdelendiği deneysel çalışmayı içerir. Katmanlar, yerinde sıkıştırıldıkları anda suya doygun halde değillerdir ve bu durum yarı kurak iklimlerde görülen uzun süren kuru mevsimlerde böyle devam eder. Ancak kısa süreli de olsa sellerin olabileceği yağmurlu mevsimlerde tamamen suya doygun hale de gelebilirler. Ayrıca buna, yeraltı suyu veya katı atık sızıntıları da neden olabilir. Dolayısıyla, katı atık depolama şiltelerinin sağlıklı tasarımı için suya doygun veya doygun olmayan durumlarda da irdelenmeli ve iklimsel ve çevresel faktörlerin etkilerinin sistemin sürekliliği üzerindeki olumsuzlukları araştırılmalıdır. Bu çalışmanın ilk etabında, farklı kombinasyonlardaki kum-bentonit ve kum-bentonit-çimento karışımlarının şişme potansiyeli, kompresibilite ve hidrolik iletkenlik değerlerine göre %15 bentonit katkılı karışımla %15 bentonit ve %5 çimento katkılı iki karışım seçilmiştir. İkinci aşamada ise kürlenmiş (28 gün) numuneler üzerinde şişme-büzülme ve şişme kompresibilite deneyleri, yüksek konsantrasyonlu NaCl tuzu solüsyonunda ve ayrıca 60C ısı etkisinde çalışılmıştır. Suya doygun olmayan davranışın çalışılması için gerekli olan zemin-su muhtevası eğrileri (su tutma eğrileri) elde edilerek, suya doygun olmayan zeminlerin hacimsel değişim ve hidrolik iletkenlik davranışı tahminleri için gerekli parametreler elde edilmiştir. Çimento katkının özellikle kürden sonra geçirimsiz katmanın hacimsel değişimlerini olumlu etkilediği makro seviyede incelenirken, buna neden olan mikro değişim de “taramalı elektron mikroskopisi (SEM)” tekniğiyle de irdelenmiş ve çimentonun mekanik davranışını iyileştiren tobermorit oluşumu gözlemlenmiştir. Araştırmanın son aşamasında, basınç ve gerilme mukavemeti deneyleri farklı kür zamanlarında çalışılmıştır. Gerilme mukavemeti özellikle basınç altındaki ince katmanlar ve iklimsel nedenlerle kurumadan dolayı büzülme eğilimi olan katmanlarda, gerilme mukavemeti en az basınç mukavemeti kadar önemlidir. Gerilme mukavemeti genelde geoteknik araştırmalarda rutin metodlar arasında değildir. Dolayısıyla, bu çalışmada farklı gerilme mukavemeti ölçüm teknikleri araştırılıp, sıkıştırılmış geçirimsiz katmanlara uygulanabilirliği incelenmiştir. Farklı yöntemlerle bulunan mukavemet sonuçları arasında ilişkiler kurularak pratik yöntemlerle önceden tahmin etme ilişkilendirmeleri çalışılmıştır. Sonuç olarak, %15 bentonit katkılı kum-bentonit karışım kullanılacak olursa, tuz ve ısı etkisi altında hidrolik iletkenliğin maksimum değeri geçtiği; buna karşılık, %5 çimento katkılı karışım kullanıldığında, sadece ısının, düşük efektif basınçlar altında hidrolik iletkenliği artırdığı gözlemlenmiştir.