Fundamental mechanism of cement in stabilizing Champlain Sea clay

Moulay Youssef Monsif, Jinyuan Liu, Naresh Gurpersaud

In the proceedings of: GeoSt. John's 2019: 72nd Canadian Geotechnical Conference

Session: Laboratory Testing

ABSTRACT: Champlain Sea clay is prominent along the St. Lawrence valley in Eastern Canada. It has an open fabric structure formed during its deposition in seawater and tends to lose its strength when disturbed. There are not many ground improvement techniques readily available to address geotechnical challenges in sensitive Champlain Sea clay. The fundamental mechanisms of cement in stabilizing Champlain Sea clay were investigated in this study using Scanning Electron Microscopy (SEM) method. Specimen were mixed with different types of cement binders under different dosages. A total of five binders were used in this study and all dosages are per cubic metre of treated soil: 1) General Use (GU) Portland cement with three dosages of 50, 100 and 200 kg/m3 , 2) 50 kg/m3 of cement blended with 8% of silica fume (HSF), 3) 67 kg/m3 of cement blended with Cement Kiln Dust (CKD3:1) at a cement-to-CKD ratio of 3:1, 4) 100 kg/m3 of cement blended with CKD with a cement-to-CKD ratio of 1:1 and 5) 67 kg/m3 cement blended with slag with a cement-to-slag ratio of 3:1. A series of SEM were conducted to investigate the microstructural change and phase composition of the stabilized soil. The morphology changes and growth of reaction products such as calcium silicate hydrate (CSH) and ettringite were evident based on the SEM observations. Improvement in soil strength is due to the reduction of pore spaces resulting from the growing and binding of reaction products with soil particles. Among the five different binders, the most efficient one is found to be GU in term of strength increase based on unconfined compressive strength test results. This phenomenon becomes even more prominent with an increasing curing time.

RÉSUMÉ: L'argile de la mer de Champlain est eminent dans l'est du Canada. Il a une structure de tissu ouverte formée lors de son dépôt dans l'eau de mer et a tendance à perdre de sa résistance lorsqu'il est perturbé. Il nexiste pas beaucoup de techniques damélioration des sols permettant de relever les défis géotechniques de largile sensible de la mer de Champlain. Les mécanismes fondamentaux du ciment dans la stabilisation de l'argile de la mer Champlain à l'aide de la méthode de microscopie électronique à balayage (SEM) ont été étudiés. Les échantillons ont été mélangés avec différents liants de ciment sous différentes doses. Cinq liants au total ont été utilisés dans cette étude et tous les dosages sont calculés par mètre cube de sol: 1) Ciment Portland à usage général (GU) avec trois dosages: 50, 100 et 200 kg, 2) 50 kg de ciment Portland mélangé à 8% de fumée de silice (HSF), 3) 67 kg de poussière de four à ciment (CKD3:1) avec un rapport ciment à CKD de 3:1, 4) 100 kg de poussière de four à ciment (CKD1:1) avec un ciment rapport CKD de 1:1 et 5) 67 kg de ciment mélangé à du laitier (CS) avec un rapport ciment-laitier de 3:1. Une série de SEM ont été menées pour étudier le changement microstructural et la composition en phases du sol stabilisé. Les changements de morphologie et la croissance de produits de réaction tels que l'hydrate de silicate de calcium (CSH) et l'ettringite étaient évidents d'après les observations au SEM. L'amélioration de la résistance du sol est due à la réduction des espaces poreux résultant de la croissance et de la liaison des produits de la réaction avec les particules du sol. Parmi les cinq liants différents, le plus efficace semble être le GU. Ce phénomène devient encore plus important avec le temps de la cure.

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