Use of alternative materials in soil stabilization: mechanical and environmental aspects

Abstract

(English) Currently, the two most raw material consumer industries are civil engineering and the pulp and paper industry. Meanwhile, these sectors face severe criticism due to their environmental impact. Additionally, by increasing more strict regulations over the disposal of pulp and paper waste into landfills, European unions are looking for the possible use of different applications of paper ash. This doctoral thesis is a part of the European Union project (Paperchain), which has the participation of 20 European partners (Spain, Portugal, Sweden, Slovenia, and France), which include construction companies, paper companies, research centres, and universities. This thesis aims to study the possibility of using waste paper fly (WPFA) and bottom ash (WPBA), which come from a recycled paper plant (energy recovery plant) in Spain. The goal is to use WPFA and WPBA as cementing materials to stabilize soil without incorporating any other traditional binder material. Therefore, an in-depth characterization of the two types of ashes (WPFA and WPBA) is carried out to determine their hydration process and strength gain. Also, when ashes are mixed with soils for stabilization, different amounts of binder, water and delay times for compaction of the samples are studied. Determining the environmental impact of WPA is an essential step to the safe use of WPA as binders. Hence, in the first place, the chemical, mineralogical, and size distribution of WPA during one year of sample collecting from the recycling paper plant was conducted. Then, release of pollutants from stabilised soils with WPFA is also studied by means of leaching test in the laboratory and the trial field. Cement and lime are prone to swell when becoming in contact with a sulfate source. Owing to similarities between the cement and WPA, the stabilized soil was placed in contact with different sulfate concentrations to determine the swelling and to assure its safe use. Finally, as most of the experiments were conducted in the laboratory, field experimental sections were carried out to verify the performance of stabilised soils with ashes. The chemical and mineralogical variation during the one-year sample collection from the paper plant demonstrated little changes in WPFA and WPBA. Hydration in both ashes is similar, when mixed with water, hydrated calcium silicates gel (C–S–H), portlandite and, in some cases, Friedel’s salt are generated. This process is slower in bottom ash (WPBA) and therefore its mechanical performance is lower compared to fly ash (WPFA). The amount of water plays an important role in swelling and the final strength of stabilised soil. To achieve better workability and minimise swelling it is important to add 30-minute delay time after mixing soil, ash and water. In addition, to obtain the greatest workability, reducing the water content by one point of Proctor value improved the strength significantly. In relation to durability results, different sulfate concentrations and temperatures had no effect on the durability of stabilized soil with WPFA. At long ages formation of ettringite is observe, in very low quantities, possibly due to the consumption of all aluminium in the system. The environmental impact assessment of WPA showed stabilized soil can be categorized as inert material. However, it should be mentioned that WPFA solely released a high amount of barium (Ba). Environmental test carried out on the experimental field trial do not show any negative effects in the environment. Finally, from a mechanical, environmental, and durability standpoint it has been successfully demonstrated that the implementation of WPFA as the sole hydraulic binder is possible.

(Español) En la actualidad, las dos industrias con mayor demanda de materias primas son la ingeniería civil y la industria de la pasta y el papel. Al mismo tiempo, estos sectores se enfrentan a fuertes criticas debido al impacto ambiental que generan. Adicionalmente, debido al incremento en regulaciones más restrictivas sobre la disposición de los residuos de la pulpa y el papel en vertederos, la Unión Europea está buscando salidas al posible uso, en diferentes aplicaciones, de este tipo de residuos. Esta tesis doctoral se enmarca dentro del proyecto europeo PaperChain, en el cual participan más de 20 socios europeos (España, Portugal, Suecia, Eslovenia y Francia), entre los que se encuentran empresas del sector de la construcción, empresas papeleras, centros de investigación y universidades. Esta tesis se propone estudiar la posibilidad de utilizar las cenizas volantes (WPFA por sus siglas en ingles) y de fondo (WPBA) provenientes de la quema de residuos de papel en una planta de valorización energética. El objetivo es utilizar las cenizas volantes y de fondo como materiales cementantes para estabilizar suelos sin incorporación adicional de ningún otro cementante tradicional. En este sentido, se realiza una caracterización profunda de los dos tipos de cenizas (WPFA y WPBA) para determinar su proceso de hidratación y ganancia de resistencia. Cuando se mezclan con suelos, para su estabilización, se estudian diferentes cantidades de aglomerante, agua y tiempos de retraso para la compactación de las muestras. La determinación del impacto ambiental de las cenizas es un paso esencial para el uso seguro de este residuo como aglomerante. Por lo tanto, en primer lugar, se llevo a cabo un análisis de la composición química, mineralógica y distribución de tamaño de partícula de las cenizas, durante un año. También se estudia la liberación de contaminantes, por medio de ensayos de lixiviación, de suelos estabilizados con cenizas tanto en laboratorio como en campo. El cemento Portland y la cal, utilizados en la estabilización de suelos, son propensos a expandir cuando entran en contacto con una fuente se sulfatos. Debido a las similitudes entre el cemento y las cenizas (WPA), el suelo estabilizado con estos materiales se puso en contacto con diferentes concentraciones de sulfato para medir la expansión y conocer la posible expansión generada y, así, garantizar su uso seguro. Finalmente, como la mayoría de los experimentos se realizaron en el laboratorio, se realizaron tramos experimentales de campo para verificar el desempeño de las cenizas. La variabilidad química y mineralógica de las muestras recogidas durante un año mostró que hay pocos cambios en las cenizas volantes (WPFA), como en las cenizas de fondo (WPBA). La hidratación en los dos tipos de cenizas es similar, cuando se mezclan con agua, se generan silicatos de calcio hidratados (SCH), portlandita y, en algunos casos, sal de Friedel. Este proceso es más lento en las cenizas de fondo (WPBA) y por lo tanto su desempeño mecánico es menor en comparación con las cenizas volantes (WPFA). La cantidad de agua juega un papel importante en el hinchamiento inicial y en la resistencia final de los suelos estabilizados. Para lograr una mejor trabajabilidad y reducir al máximo el hinchamiento es importante añadir un tiempo de retraso de 30 minutos después de mezclar el suelo, las cenizas y el agua. Además, para obtener la mayor trabajabilidad, la reducción del contenido de agua en un punto del valor Proctor mejora significativamente la resistencia a compresión. En relación a los resultados de durabilidad. las diferentes concentraciones de sulfato y temperaturas no tuvieron efecto en la expansión del suelo estabilizado con ceniza volantes (WPFA). A largas edades se observa la formación de etringita, en muy bajas cantidades, posiblemente por el consumo de todo el aluminio en el sistema.