Mineralogical mechanisms of strength improvement in cement modification

Fernando H. M. Portelinha, Dario Cardoso, Carlos Alexandre Braz

In the proceedings of: GEO2011: 64th Canadian Geotechnical Conference, 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 5th Pan-American Conference on Teaching and Learning of Geotechnical Engineering

Session: Other General

ABSTRACT: Strength properties of cement stabilization are related to soil mineral formations. In granular soils, the cement provides cementation of soils particles. In clayey soils, the cement particles form nucleus of cemented soils particles and the eventual mineral dissolutions resulted from pH soils increases. Hence, the strength improvement of stabilized soils may result from crystallization of gels formed in long term. The mechanisms of cement stabilization were well established in the 60`s, which normally is referred to stabilizers contents above to 3%. However, recent experiences has reported the use of low contents of cement in the modification of local soils for pavement applications. At this point, the objective of this paper is the investigatation of the relationship between mineralogical alterations and mechanical strength increases of a tropical soil modified with 1, 2 and 3% of cement, after 7 and 28 days of curing time. The process of mineralogical alterations was evaluated by amorphous minerals determinations via chemical sequential attack by barium chloride, ammonium oxalate and sodium hydroxide extractors, and simultaneously crystallization of minerals evaluation via XRD analyses. Unconfined compression strength (UCS) tests were carried out in order to analyze the mechanical strength of compacted mixtures. The results gained from the tests showed high quantities of amorphous minerals of calcium and silica after 7 days of curing time and decreases of these values after 28 days. In the XRD results, there was evidences of new crystalline minerals after 7 days only with 3% of cement, while the calcium silicate appeared in mixtures after 28 days with 2 and 3% of cement. In addition, highest strength increases were noted in samples after 28 days. Therefore, results support the relationship between crystalline mineral formations and strength improvement even with low contents of cement.

RESUMEN: Las propiedades resistentes de suelos estabilizados con cemento están asociadas con las formaciones minerales. En suelos granulares, el cemento promueve la cementación de las partículas del suelo. En arcillas activas, las partículas de cemento forman núcleos de partículas de suelo cimentado y pueden promover una disolución eventual de minerales debido al aumento del pH. Por lo tanto, el aumento de resistencia del suelo estabilizado puede ser producto de la cristalización de geles formados a largo plazo. Los mecanismos de estabilización de suelos con cal y cemento fueron bien establecidos en los años 60™s, los contenidos típicos oscilan normalmente alrededor de 3%. Sin embargo, ha sido reportado en experiencias recientes el uso de contenidos bajos de cemento en la modificación de suelos locales en aplicaciones para pavimentos. En este contexto, el objetivo de este artículo es investigar la relación entre las alteraciones mineralógicas y la resistencia mecánica de suelos residuales modificados con 1, 2 y 3% de cemento después de 7 y 28 días de tiempo de curado. El proceso de alteraciones mineralógicas fue evaluado realizando determinaciones de minerales amorfos a través de ataques secuenciales de extractores de cloruro de bario, oxalato de amonio e hidróxido de sodio, conjuntamente a evaluaciones de la cristalización de minerales a través de análisis XRD. Ensayos de resistencia a la compresión simple fueron realizados para analizar la resistencia mecánica de mixturas compactadas. Los resultados obtenidos de los ensayos mostraron gran cantidad de minerales amorfos de calcio y sílice después de 7 días de curado y disminuyeron después de 28 días. Dentro de los resultados de XRD no hubo evidencias de la existencia de nuevos minerales cristalinos después de 7 días de curado, mientras que luego de 28 días apareció silicato de calcio en las mezclas de 2 y 3% de cemento. Además, fueron notados los mayores aumentos de resistencia para los especímenes después de 28 días. Estas evidencias muestran la cristalización de minerales a largo plazo. En consecuencia, los resultados confirman la relación entre la formación de minerales cristalinos y la mejora de la resistencia inclusive para contenidos bajos de cemento.

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