The stiffness of lime and lime-cement stabilised capping layers

Abstract

During the last decade, the need has been emphasized both by the industry and also several academic institutions to move away from the current empirical pavement foundation design approach and towards an analytical procedure that requires measurement of the load carrying capabilities of the employed materials both in the laboratory, prior to construction, and upon completion of the foundation construction, to ensure compliance. Due to the wide range of materials available for road foundation construction emphasis has been given so far only on fine-grained and granular soils while the area of recycled or chemically stabilised materials is still grey. Especially in the case of chemical stabilisation, additional effort is required to accurately investigate the load-deformation potentials since the performance is improved with time (curing) and this in turn depends on the boundary conditions of curing, i.e. temperature and water availability. At the moment a procedure to adequately simulate likely worst case scenario field curing conditions does not exist. This research investigates the effects of repeated loading on lime and lime-cement stabilised clay that has been realistically cured according to a newly introduced curing model that has specifically been developed for the needs of this Thesis. The results demonstrated that the small degree of confinement that exists insitu, as far as surface stabilisation is concerned, cannot be ignored when curing in the laboratory due to the fact that it significantly contributes to the structural integrity of the stabilised layer during water absorption/attack. The behaviour of stabilised clay under increasing levels of repeated loading proved in many ways similar to that of untreated clay, however significant differences also occurred. Hence, while the stiffness in most of the cases remained constant after the application of a repeated stress equal to 0.5% qmax (undrained shear strength) permanent deformation became unstable at much lower level than the 1% permanent strain limit that is valid for untreated clays. Overall, the addition of small amounts of stabilisers improved not only the strength of the material but also the elastic and plastic properties while at the same time reduced the susceptibility of the material to permanent deformation upon ‘wetting’.

Την τελευταία δεκαετία έχει διατυπωθεί η ανάγκη τόσο από την κατασκευαστική όσο και την ακαδημαϊκή κοινότητα προκειμένου η υφιστάμενη εμπειρική διαδικασία σχεδιασμού της θεμελίωσης των οδοστρωμάτων να αντικατασταθεί με μια περισσότερο αναλυτική επιστημονική διαδικασία η οποία θα επιτρέπει την αξιολόγηση των χρησιμοποιούμενων υλικών τόσο εργαστηριακά πριν την κατασκευή όσο και μετά την κατασκευή της θεμελίωσης ώστε να εξασφαλιστεί η τελική ποιότητα. Έμφαση προς την κατεύθυνση αυτή έχει δοθεί προς το παρόν μόνο όσον αφορά συνεκτικά και μη συνεκτικά εδάφη ενώ ο τομέας των χημικά βελτιωμένων εδαφών παραμένει ως επί το πλείστον αχαρτογράφητος. Ειδικά στην περίπτωση της χημικής βελτίωσης, απαιτείται πρόσθετη προσπάθεια για την ακριβή διερεύνηση των δυνατοτήτων φέρουσας ικανότητας και παραμόρφωσης των υλικών αφού η απόδοσή τους και στους δύο τομείς βελτιώνεται με το χρόνο (ωρίμανση) παράμετρος που με τη σειρά της εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τη διαθεσιμότητα νερού καθώς και την εκτροπική τάση κατά τη διάρκεια της ωρίμανσης. Προς το παρόν δεν υπάρχει διαδικασία για την επαρκή προσομοίωση των πιθανών συνθηκών ωρίμανσης πεδίου. Η παρούσα μελέτη διερευνά τις επιπτώσεις της δυναμικής φόρτισης σε βελτιωμένα με άσβεστο και άσβεστο-τσιμέντο αργιλικά εδάφη τα οποία έχουν ωριμάσει υπό ρεαλιστικές συνθήκες σύμφωνα με ένα νέο μοντέλο το οποίο έχει αναπτυχθεί ειδικά για τις ανάγκες αυτής της διατριβής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μικρού μεγέθους εκτροπικές τάσεις οι οποίες υφίστανται κατά την επιτόπου ωρίμανση του βελτιωμένου εδάφους δεν μπορούν να αγνοηθούν κατά την ωρίμανση στο εργαστήριο λόγω του γεγονότος ότι συμβάλλουν σημαντικά στη δομική ακεραιότητα της βελτιωμένης εδαφικής στρώσης κατά την απορρόφηση/έντονη παρουσία ύδατος. Η συμπεριφορά της βελτιωμένης αργιλικής στρώσης υπό αυξανόμενα επίπεδα δυναμικής φόρτισης αποδείχθηκε κατά πολλούς τρόπους παρόμοια με αυτή της μη επεξεργασμένης αργίλου, ωστόσο υπήρξαν επίσης σημαντικές διαφορές. Συνολικά, η προσθήκη μικρών ποσοτήτων ασβέστου ή ασβέστου-τσιμέντου βελτίωσε όχι μόνο την φέρουσα ικανότητα της αργιλικής στρώσης αλλά και τις ελαστικές και μη ελαστικές της ιδιότητες ενώ ταυτόχρονα μείωσε την ευαισθησία του υλικού σε μη ελαστικές παραμορφώσεις σε περιπτώσεις έντονης παρουσίας ύδατος.