Characterization of Volume Change, Strength and Durability of Landfill Liner Materials with Inclusions of Industrial By-products

Abstract

Mixture of expansive soil and sand can be efficiently used in semi-arid climates, with improved hydro-mechanical properties, as a landfill barrier material or road-base. The soil mixture can further be enhanced with industrial waste by-products, also creating an area for waste recycling. In this study, sand and expansive soil were selected from abundantly found local resources. The testing program consisted of determination of an optimum mixture of sand-expansive soil-additive, which would not experience formation of macropores due to swell-shrink behavior with the climatic effects and would possess low hydraulic conductivity, as well as improved strength. The additives were selected from the by-products of the materials used in the local construction industry, and included polymeric fiber (PF) and marble waste. The first stage of this study focused on the volume change and strength properties of sand stabilized expansive soil reinforced with polymeric fiber. Zeolite was also used as an alternative material to sand, mixing it in 1:1 ratio with the expansive soil forming a stable structure with improved properties. PF inclusions of 1%, 2% and 3% by dry mass indicated that hydro-mechanical properties were improved with an optimum amount of 2%. The second phase of this study assesses the suitability of expansive soil mixed with zeolite, readily obtained from natural reserves in Turkey, to be proposed as a landfill liner in a semi-arid climate. The choice of zeolite is due to its already well understood high adsorption capacity for heavy metals as well as its pozzolanicity. The volume change, strength, and hydraulic conductivity characteristics were studied with the effect of durability through aging. The results illustrated that expansive soil-zeolite mixture when used in 1:1 ratio attained improved strength characteristics with time iv over a curing period of 90 days. Therefore, it was concluded that a locally available expansive soil mixed with zeolite could be a good alternative to sand-Na-bentonite. In the third stage of the experimental program, marble waste, abundantly found as a by-product of construction industry, was evaluated as a secondary material to be utilized as potential stabilizer to improve the volume change and strength characteristics of sand-amended expansive soil. Marble waste obtained from two different sources with different gradations, denoted as marble powder (MP) and marble dust (MD) was also assessed for possible recycling by inclusion in stabilized soil mixtures. Volume change and strength tests were conducted on expansive soilsand mixtures with 5%, 10% and 20% waste marble inclusions over curing periods of 7, 28 and 90 days. The results indicated that 10% MP and 5% MD were the optimum amounts giving the best results. However, the soil mixtures displayed brittle behavior after marble addition, hence utilization of this waste is recommended for soils exposed to lower flexural loads only. Linear correlations of swell potential with flexural strength were obtained which could be potential empirical approaches to predict flexural strength based on swell-shrinkage behavior or vice versa for the soils studied. Keywords: Polymeric fiber, marble powder, zeolite, volume change, flexural strength, unconfined compressive strength.

ÖZ: Yarı kurak iklimlerde şişen zeminlerin iklimsel nedenlerle şişme-büzülmesinden kaynaklanan binalardaki yapısal zararı ve çatlakların oluşmasını önlemek için iyileştirilmesi gerekmektedir. Şişen zeminlerin kum ile iyileştirilmesi, bu karışımın katı atık şiltesi veya yol tabanı olarak kullanılmasında etkili bir yöntemdir. Ayrıca bu karışım endüstride kullanılan atık malzemelerin de eklenmesiyle hem güçlendirilebilir hem de geri dönüşüm için bir fırsat yaratılabilir. Bu çalışmada, yerel kaynaklardan uniform kum ve şişen silt seçilmiştir. Deneysel programın amacı uygun kum, silt ve ek bir malzemenin oranlarının seçimidir. Sıkıştırılarak hazırlanan malzemenin katı atık depolama şiltesi olarak kullanılması, dolayısıyla iklimsel nedenlerle şişmebüzülmenin yaratacağı çatlakların oluşmaması ve hidrolik iletkenliğin düşük olması amaçlanmıştır. Ek malzeme olarak inşaat sektöründe kullanılan malzemelerin atıkları olan PVC boru kırpıntıları (fiber polimer) ve mermer tozu seçilmiştir. Çalışmanın birinci aşamasında kum-şişen zemin ve ek malzeme olarak fiber polimer karışımının mukavemeti ve hacimsel değişimi irdelenmiştir. Bununla birlikte kuma alternatif malzeme olarak zeolit kullanılmıştır. Kum ve zeolit, şişen zemin ile 1:1 oranında karıştırılmıştır. Kuru ağırlığın %1, %2 ve %3 oranında katılan fiber polimer oranlarından %2 katkının serbest basınç ve eğilme dayanımlarını artırdığı ve hacimsel değişimi iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Araştırmanın ikinci aşamasında ise kum yerine zeolit kullanılmış ve yarı kurak bir iklimde katı atık depolama şiltesi olabilecek bir malzeme yaratılmıştır. Zeolit ağır metal filtrasyon kapasitesinden dolayı ve iyi bir pozzolan olması nedeniyle seçilmiştir. Hacim değişimleri, mukavemet ve hidrolik iletkenlik özellikleri çalışılmış ve zamana bağlı olarak dayanıklılık çalışmaları da irdelenmiştir. Sonuçlar, bu malzemelerin 1:1 oranında kullanılırsa etkili olacağını göstermiştir. Çatlaklar nedeniyle tercihli akış kanallarının oluşması hidrolik iletkenliğin artmasına neden olur ancak bu malzeme karışımında böyle bir durum gözlemlenmemiştir. Ayrıca mukavemet zaman içerisinde artış göstermiş ve bu artışın da çalışılan süre içinde sürdürülebilir olduğu sonucuna varılmıştır. Dolayısıyla, şişen zeminin zeolit ile karışımının kum-bentonit karışımına, özellikle gelişmekte olan ve nüfus artışı görülen bölgelerde, iyi bir alternatif olduğu sonucuna varılmıştır. Deneysel çalışmanın üçüncü aşamasında ek atık malzeme olarak inşaat sektöründe çok fazla kullanılan mermer tozu seçilmiştir. Katı atık alanlarına veya doğaya atılan bu malzemenin geri dönüşümü, fazla birikimini ve tuttuğu büyük hacmi önleyecektir. Atık mermer tozu, iki değişik kaynaktan elde edilmiş ve dane boyutuna göre iki şekilde (MP ve MD) isimlendirilmiştir. Atık mermer tozu %5, %10 ve %20 oranlarında farklı kür süreleriyle (7, 28 ve 90 gün) birlikte kullanılarak, hacimsel değişim, mukavemet ve çimentolaşma özellikleri araştırılmıştır. Deney sonuçlarına göre %10 MP ve %5 MD katkının optimum miktarlar olduğu ve karışımın özelliklerinin iyileştiği sonucuna varılmıştır. Bununla birlikte, mermer tozu katkısının daha kırılgan bir malzemenin oluşmasına neden olduğu ve eğilme dayanımının biraz azaldığı da gözlemlenmiştir. Dolayısıyla bu malzemenin eğilmeye neden olabilecek yüksek yükler altında değil de hafif trafik altındaki yollarda kullanımının daha uygun olacağı kanaatine varılmıştır. Anahtar kelimeler: Fiber polimer, zeolit, mermer tozu, hacimsel değişim, eğilme dayanımı, serbest basınç dayanımı.