Hesham Ahmed Hussin Ismaiel

Treatment and improvement of the geotechnical properties of different soft fine-grained soils using chemical stabilization

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 13.07.2006

Abstract
Die gegenwärtige Studie ist ein Versuch, zu schätzen, wie die Anwendung von Flugasche (aus einem lokalen elektrischen Kraftwerk bei Lippendorf südlich von Leipzig, Sachsen, Deutschland), Kalkhydrat und Kalkhydrat/Flugasche die geotechnische Eigenschaften (von drei verschiedenen weichen feinkörnigen Lockermaterialien " tertiärer Ton, organisch Schluff und Verwitterungsmaterial aus Halle-Region, Sachsen-Anhalt, Deutschland) verbessern konnte. Diese geotechnische Eigenschaften sind Konsistenzgrenzen, Verdichtungseigenschaften, Einaxial-Druckfestigkeit (qu), Elastizitätsmodul (Esekant), langfristige Stabilität, Tragfähigkeitswert (CBR), indirekte Zugfestigkeit (ót) und der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert (K-Wert). Eines der wichtigsten Ziele der gegenwärtigen Studie ist, Ultraschall P-Wellengeschwindigkeit (Vp-Wert) als zerstörungsfreie Methode zu anwenden, um die Verbesserung der geotechnischen Eigenschaften der stabilisierten Böden zu beurteilen und die P-Wellengeschwindigkeitswerte der stabilisierten Böden mit den anderen geotechnischen Parametern (qu-, Esekant-, CBR-, und σt-Wert) in Beziehung zu setzen. Außerdem würde die Studie dafür entworfen, den Einfluss der Kalkhydrat-, Flugasche-, und Kalkhydrat/Flugasche-stabilisierungsprozess auf die Gefüge und die mineralogische Zusammensetzung der untersuchten Lockermaterialien mittels der Rasterelektronenmikroskopie (REM)- und Röntgen (XRD)-Analyse zu beurteilen. Weiterhin ist eines der Ziele dieser Studie, den Wärmefluss der Mischungen (chemische Additive mit Lockermaterialien) und ihrer Hydratationsreaktionen mittels der Kalorimetrie zu untersuchen. Die Ergebnisse der gegenwärtigen Studie zeigen die folgenden Befunde: Zugaben von Kalkhydrat, Flugasche und Kalkhydrat/Flugasche zu den drei verschiedenen Lockermaterialien führt zu einer Reduzierung des Plastizitätsindex und zu einer Zunahme im optimalen Wassergehalt bzw. einer Abnahme im Maximum trockner Dichte. Die Zugabe der Kalkhydrat, Flugasche und Kalkhydrat/Flugasche zu den drei verschiedenen Lockermaterialien führt zu Steigerung der qu-, CBR-, σt-, und die Vp-Werte. Die Zugabe des Kalkhydrat/Flugasche zusammen führt zu einer größeren Zunahme von geotechnischen Parameter im Vergleich zu der Zugabe von Kalkhydrat und Flugasche allein. Alle untersuchten stabilisierten Lockermaterialien haben im langfristigen Stabilitätsversuch (Frost/Tau) bestanden. Die REM-Analyse zeigte lange Kristalle (Ettringit-ähnlich), und die XRD-Analyse bestätigte nachfolgend die Bildung von Ettringit. Die Kalorimetrie zeigte eine Beschleunigung der Hydratationsreaktionen infolge eines hohen CaO-Gehalts und des Vorkommens von Calcit (im natürlichen organischen Schluff).

The present study is an attempt to estimate how the use of fly ash (from a local electric power plant at Lippendorf, South of Leipzig city, Saxony, Germany), hydrated lime, and lime/fly ash could improve the geotechnical properties [including consistency limits, compaction properties, unconfined compressive strength (qu), elasticity modulus (Esecant), durability, California bearing ratio (CBR), indirect tensile strength (σt), and the hydraulic conductivity (K-value)] of three different soft finegrained soils [tertiary clay, organic silt, and weathered soil] collected from Halle-city region, Saxony-Anhalt, Germany. One of the most significant objectives of the present study is to use the ultrasonic pwave velocity (Vp-value) testing as non-destructive method to evaluate the improvement of the geotechnical properties of the stabilized soils and to correlate the p-wave velocity values of the stabilized soils with the other geotechnical parameters (qu-, Esecant-, CBR-, and σt-value). In addition, the study is designed to evaluate the effect of lime-, fly ash-, and lime/fly ash-stabilization process on the microstructures and on the mineralogical composition of the three studied soils using scanning electron microscope (SEM)- and X-ray diffraction (XRD)-analysis, respectively. Furthermore, one of the objectives of this study is to estimate the heat flow of the soil-chemical additive mixtures and their hydration reactions using calorimetry-analysis. The results of the present study illustrated the following findings:
The addition of lime, fly ash, and lime/fly ash to the three tested soils led to a reduction of the plasticity index and contributed to an increase in the optimum moisture content and a decrease in the maximum dry density. The addition of lime, fly ash, and lime/fly ash together to the three studied soils increased the qu-, CBR-, ót-, and the Vp-values. The increase due to the addition of lime/fly ash together is greater than the increase due to lime and fly ash separately. All the tested stabilized mixtures passed successively in the freeze-thaw durability test. Additionally, the SEM-micrograph of fly ash- and lime/fly ash-stabilized weathered soil showed rod-like crystals (ettringite) and XRDanalysis confirmed the formation of ettringite. The calorimetry-analysis illustrated that the high value of CaO-content and the presence of calcite mineral in the natural organic silt contributed to an acceleration of the hydration reaction of the optimum lime- and the lime/fly ash-organic silt mixtures.

Keywords:
Behandlung, Geotechnische Parameter, Feinkörnige Lockermaterialien, Chemische Stabilisierung, Flugasche, Kalkhydrat, Tragfähigkeitswert (CBR), Ultraschallsgeschwindigkeit, Einaxial Festigkeit (qu), Lagerungszeit

Treatment, Geotechnical Parameters, Fine-grained Soils, Chemical Stabilization, Fly ash, Hydrated lime, California Bearing Ratio (CBR), Ultrasonic velocity, Compression strength (qu), Curing time

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Inhaltsverzeichnis
Front page, Abstract, Contents, List of figures (2, I-IX)
1 Introduction (1-11)
2 Materials and methods (12-36)
3 Results: Plasticity, compaction, and unconfined compressive strength (qu) (37-59)
4 Results: California Bearing Ratio (CBR) (60-67)
5 Results: Indirect tensile strength (ót) (68-78)
6 Results: Hydraulic conductivity (K) (79-84)
7 Results: Velocity of ultrasonic p-waves (Vp) (85-98)
8 Results: SEM-, XRD-, and Calorimetry-analysis (99-110)
9 Discussions, final conclusions, and suggestions for the future (111-120)
References (121-130)
Appendix (131-169)