Control Parameters for the Long-Term Tensile and Compressive Strength of Stabilized Sedimentary Silt

The yellow-layer soils of the Guabirotuba formation in Brazil are problematic due to their expansive nature and low-bearing capacity. There has been little exploration into stabilizing these soils using a calcium-based binder. In addition, existing methods for dosing lime to fine and coarse-grained soils using the porosity-to-lime index (η/Liv) have primarily focused on non-optimal compaction conditions to determine the split tensile and compressive strengths and empirical relationships between both tests while ignoring the study of optimal lime-soil mixes compaction conditions. Therefore, the objective of this research is to examine the unconfined compressive (qu) and split tensile (qt) behavior of a traditional Guabirotuba yellow silt stabilized with dolomitic hydrated lime (L) under standard, intermediate, and modified effort conditions and the correlation between qu and qt. The lime-soil blends were cured for up to 180 days, and 3-9% lime percentages were used under optimum compaction conditions (maximum dry density and optimum water content). The porosity/lime index (η/Liv), a semi-empirical index, was utilized to investigate the evolution of qu and qt over the short and long term. η/Livvaried between 6-25% by volume. Furthermore, the qt/qu index was calculated to be between 0.12-0.20, depending on the curing time, independent of lime addition and compaction effort used. Equations well-suited to a power function dosing qt and qu based on curing time and η/Livindex was proposed. Finally, some dosages of soil-lime mixtures were proposed for possible applications in geotechnical engineering, applying the porosity and volumetric binder index in optimal compaction conditions, which had not been applied before for lime-improved soils. Doi: 10.28991/CEJ-2023-09-04-03 Full Text: PD

Applying the Porosity-to-Cement Index for Estimating the Mechanical Strength, Durability, and Microstructure of Artificially Cemented Soil

Fine, expansive, and problematic soils cannot be used in fills or paving layers. Through additions to these soils, they can be converted into technically usable materials in civil construction. One methodology to make them viable for construction is through a stabilization process. Nevertheless, current methodologies regarding dosage based on compaction effort and the volumetric amount of binder used are unclear. Thus, this research describes cement-stabilized sedimentary silt's strength and durability properties from Curitiba (Brazil) for future application in paving. Splitting tensile strength, unconfined compressive strength, and loss of mass against wetting and drying cycles (W-D) were investigated in the laboratory utilizing greenish-gray silt (originating from one of the Guabirotuba Formation layers, Paraná) and high-early strength Portland cement- ARI (CPV). Utilized were cement concentrations (C) of 3, 5, 7, and 9%, molding dry unit weights (d) of 14, 15, and 16 kN/m3, curing periods (t) of 7, 14, and 28 days, and constant moisture content (w) of 23%. With an increase in cement concentration and curing time, the compacted mixes demonstrate an increase in strength, an improvement in microstructure, and a decrease in accumulated mass loss (ALM) and initial porosity (η). Using the porosity/volumetric cement content ratio (η/Civ), the lowest amount of cement required to stabilize the soil in terms of strength and durability was determined. The porosity/cement index provided an appropriate parameter for modeling the mechanical and durability properties, and a unique equation between the strength/accumulated loss of mass and the porosity/binder index was obtained for the curing times studied. Lastly, C = 5% by weight is the minimum acceptable amount for prospective subbase soil application. Doi: 10.28991/CEJ-2023-09-05-02 Full Text: PD

Sustainable Use of Recycled Asphalt Pavement in Soil Stabilization

This study addresses unused recycled asphalt pavement (RAP) incorporated into sedimentary soil from the Guabirotuba Formation in Curitiba, Southern Brazil. Different percentages of RAP, ranging from 0% to 80% by weight, were mixed with the pure soil, with and without the addition of pozzolanic Portland cement. Tests were conducted to evaluate the mixtures' compaction properties, mechanical strength, and expansion after curing for up to 28 days. The results showed that adding RAP improved the mixtures' unconfined compressive strength (qu) and splitting tensile strength (qt). Up to 60% RAP, the qu increased by 260 kPa, and the qt increased by 340 kPa compared to the pure soil. The California Bearing Ratio (CBR) tests demonstrated an 18.62% improvement when 80% RAP was added to the untreated soil. In addition, the RAP also reduced the expansion of the compacted blends, with values decreasing from 1.19% to 0.88% with 80% RAP replacement. The expansion value was further reduced to 0.86% when the cement was added. The cement-soil-RAP compacted blends showed suitability for subgrade reinforcement, meeting the criteria of expansion 2%. Additionally, 3% cement and 40% RAP mixtures were suitable as a sub-base layer, with expansion 20%. The results provide valuable insights into utilizing RAP as an alternative material in soil improvement techniques employing the novelty porosity-to-cement index. Doi: 10.28991/CEJ-2023-09-09-016 Full Text: PD

Optimización de CO2 y costo de zapatas de concreto reforzado sobre un suelo tratado con cal usando algoritmo de recocido simulado modificado

Introduction: The design of spread footings over a lime-treated soil is studied as an important topic in geotechnical and environmental engineering. With the emergence and use of algorithms, it is possible to solve optimization problems in engineering, leading, for example, to decreased amounts of materials, time, energy, and work. Objective: This research aims to optimize the CO2 emission and cost of building spread footings over a treated soil with hydrated lime using the modified simulated annealing algorithm (MSAA). Method: The parameters for shear strength (cohesion and friction angle) was calculated of a silty soil of the Guabirotuba geological formation of Curitiba (Brazil) stabilized with different lime contents (3, 5, 7 and 9%) at different curing times (30, 90, and 180 days). Then with these parameters, the geometry of the spread footings was optimized with MSAA minimizing the cost and CO2 emissions of their construction. For the design constraint of the structures the ultimate bearing capacity of the soil was used as criteria, the settlements produced by the service load, and the base safety factor Results: The results show that most of the problems converge to the same solution for costs and CO2 emissions without depending on curing time and lime content used, due to the solutions being restricted primarily by the maximum permissible settlements. Conclusions: With the increase in lime content, the cohesion of the mixtures increased for all curing times studied ant the friction angle had no major variations in relation to the amount of lime administered or to the curing time employed. Costs and carbon dioxide emissions for spread footing construction converge to the same results. In this sense, 9% lime can be avoided, and small percentages of lime (i.e. 3-5%) are appropriated to ground improvement and reduce the costs of this procedure. On the other hand, the MSAA can be designated as a robust algorithm due to having achieved almost equal results and, in some cases, better results compared with other algorithms to solve problems reported in the literature.Introducción: El diseño de cimentaciones sobre suelo tratado con cal se estudia como un tema importante en ingeniería geotécnica y ambiental. Con la aparición y el uso de algoritmos, es posible resolver problemas de optimización en ingeniería, lo que lleva, por ejemplo, a la disminución de cantidades de materiales, tiempo, energía y trabajo. Objetivo: Esta investigación tiene como objetivo optimizar la emisión de CO2 y el costo de la construcción de zapatas sobre un suelo tratado con cal hidratada utilizando el algoritmo recocido modificado (MSAA). Metodología: Se calcularon los parámetros de resistencia al corte (cohesión y ángulo de fricción) de un suelo limoso de la formación geológica Guabirotuba de Curitiba (Brasil) estabilizada con diferentes contenidos de cal (3, 5, 7 y 9%) a diferentes tiempos de curado (30, 90, y 180 días). Luego, con estos parámetros, la geometría de las zapatas se optimizó con MSAA minimizando el costo y las emisiones de CO2 de su construcción. La capacidad de carga final del suelo, los asentamientos producidos por la carga de servicio y el factor de seguridad de base fueron usados como restricciones de diseño. Resultados: Los resultados muestran que la mayoría de los problemas convergen a la misma solución para los costos y las emisiones de CO2 sin depender del tiempo de curado y del contenido de cal utilizado, debido a que las soluciones están restringidas principalmente por los asentamientos máximos permitidos. Conclusiones: Con el aumento del contenido de cal, la cohesión de las mezclas aumentó para todos los tiempos de curado estudiados y el ángulo de fricción no tuvo variaciones importantes en relación con la cantidad de cal administrada o con el tiempo de curado empleado. Los costos y la emisión de dióxido de carbono para la construcción de zapatas convergentes coinciden con los mismos resultados. En este sentido, se puede evitar el 9% de cal, y pequeños porcentajes de cal (es decir, 3-5%) se destinan a la mejora del suelo y reducen los costos de este procedimiento. Por otro lado, MSAA puede ser considerado como un algoritmo robusto debido a que ha logrado resultados casi iguales y, en algunos casos, mejores resultados en comparación con otros algoritmos para resolver problemas reportados en la literatura

ESTABILIZAÇÃO DO SOLO DA CAMADA CINZA DA FORMAÇÃO GUABIROTUBA PARA FINS DE PAVIMENTAÇÃO URBANA EM CURITIBA, BRASIL

The Guabirotuba Formation is located over the sedimentary basin of the city of Curitiba (Brazil). The gray layer of the Formation extends from 1 to 50 m deep. Although it is the most characteristic layer of the Formation, there are no studies of stabilization of these soils for urban paving purposes in the city. Thus, this paper presents an experimental study of the stabilization of a gray silt soil with Portland cement (PC) using cure times (t) of 7, 14 and 28 days. Cement contents (C) of 3, 5, 7 and 9% in relation to soil dry mass were used. After cure times, simple compressive strength (qu) and durability tests were performed using wet/dry cycles (M/S). The results show an increase of qu with increasing cement content, increasing molding density and increasing curing time. In addition, the durability of the mixtures increased when more cement was added. It was found that the values ​​of qu are dependent on the semi-empirical porosity/cement ratio (η/Civ). Finally, it was found that 5% is the minimum cement content for soil use for paving purposes.A Formação Guabirotuba está localizada sobre a Bacia Sedimentar da cidade de Curitiba (Brasil). A camada cinza da Formação se estende desde 1 até 50 m de profundidade. Embora seja a camada mais característica da Formação ainda não se tem estudos de estabilização destes solos para fins de pavimentação urbana na cidade. Assim, este artigo apresenta um estudo experimental da estabilização de um solo siltoso da camada cinza com cimento Portland (PC) empregando tempos de cura (t) de 7, 14 e 28 dias. Foram empregados teores de cimento (C) de 3, 5, 7 e 9% em relação à massa seca do solo. Após os tempos de cura foram realizados ensaios de resistência à compressão simples (qu) e de durabilidade empregando ciclos de molhagem/secagem (M/S). Os resultados demostram um aumento de qu com o aumento da quantidade de cimento, com o aumento da densidade de moldagem e com aumento do tempo de cura. Além disso, a durabilidade das misturas aumentou quando adicionado maior quantidade de cimento. Foi verificado que os valores de qu são dependentes da relação semi-empírica porosidade/cimento (η/Civ). Finalmente, foi verificado que 5% é o teor mínimo de cimento para o uso do solo para fins de pavimentação

RELAÇÃO POROSIDADE/CIMENTO COMO PARÂMETRO DE CONTROL NA ESTABILIZAÇÃO DE UM SOLO SILTOSO

This paper presents the development of the unconfined compressive (qu) and the splitting tensile strength (qt) of a chemically stabilized silt soil. For this, specimens with a volume of 196,35 cm3 were prepared using cement contents of 3%, 5%, 7% and 9% and then tested after 7 days of cure. The porosity/volumetric cement content (η/Civ) was used as the main parameter of the results analysis. The results show that with the decrease in the ratio η/Civ the values of qu and qt increase. Thus, the decrease in porosity meant an increase in qu and qt. A general estimation equation for qu and qt was developed to estimate the resistance of the mixtures with the use of η/Civ adjusted to a scalar equal to 0,45. The equations showed that it is possible to estimate the value of qu and qt of treated soil among the amounts of cement, η/Civ ratio and curing time employed in the present work. Finally, a constant ratio of qt/qu=0,15, which is independent of the voids and the volumetric content of cement, was calculated.O presente trabalho apresenta o desenvolvimento da resistência à compressão simples (qu) e da resistência à tração indireta (qt) de um solo siltoso estabilizado quimicamente. Para isso, foram moldados corpos de prova com volume de 196,35 cm3 empregando teores de cimento de 3%, 5%, 7% e 9% e posteriormente ensaiados depois de 7 dias de cura. Foi utilizada como principal parâmetro de análise dos resultados a relação porosidade/teor volumétrico de cimento (η/Civ). Os resultados exibem que com a diminuição da relação η/Civ os valores de qu e qt crescem. Assim, a diminuição da porosidade significou um aumento em qu e qt. Uma equação geral de estimativa para qu e qt foi desenvolvida para estimar a resistência das misturas com o uso de η/Civ ajustada a um escalar igual a 0,45. As equações demonstraram que é possível estimar o valor de qu e qt do solo tratado dentre as quantidades de cimento, relação η/Civ e tempo de cura empregado no presente trabalho. Finalmente, foi calculada uma relação constante de qt/qu=0,15, a qual é independente dos vazios e do teor volumétrico de cimento

Optimización de CO2 y costo de zapatas de concreto reforzado sobre un suelo tratado con cal usando algoritmo de recocido simulado modificado

Introduction: The design of spread footings over a lime-treated soil is studied as an important topic in geotechnical and environmental engineering. With the emergence and use of algorithms, it is possible to solve optimization problems in engineering, leading, for example, to decreased amounts of materials, time, energy, and work. Objective: This research aims to optimize the CO2 emission and cost of building spread footings over a treated soil with hydrated lime using the modified simulated annealing algorithm (MSAA). Method: The parameters for shear strength (cohesion and friction angle) was calculated of a silty soil of the Guabirotuba geological formation of Curitiba (Brazil) stabilized with different lime contents (3, 5, 7 and 9%) at different curing times (30, 90, and 180 days). Then with these parameters, the geometry of the spread footings was optimized with MSAA minimizing the cost and CO2 emissions of their construction. For the design constraint of the structures the ultimate bearing capacity of the soil was used as criteria, the settlements produced by the service load, and the base safety factor Results: The results show that most of the problems converge to the same solution for costs and CO2 emissions without depending on curing time and lime content used, due to the solutions being restricted primarily by the maximum permissible settlements. Conclusions: With the increase in lime content, the cohesion of the mixtures increased for all curing times studied ant the friction angle had no major variations in relation to the amount of lime administered or to the curing time employed. Costs and carbon dioxide emissions for spread footing construction converge to the same results. In this sense, 9% lime can be avoided, and small percentages of lime (i.e. 3-5%) are appropriated to ground improvement and reduce the costs of this procedure. On the other hand, the MSAA can be designated as a robust algorithm due to having achieved almost equal results and, in some cases, better results compared with other algorithms to solve problems reported in the literature.Introducción: El diseño de cimentaciones sobre suelo tratado con cal se estudia como un tema importante en ingeniería geotécnica y ambiental. Con la aparición y el uso de algoritmos, es posible resolver problemas de optimización en ingeniería, lo que lleva, por ejemplo, a la disminución de cantidades de materiales, tiempo, energía y trabajo. Objetivo: Esta investigación tiene como objetivo optimizar la emisión de CO2 y el costo de la construcción de zapatas sobre un suelo tratado con cal hidratada utilizando el algoritmo recocido modificado (MSAA). Metodología: Se calcularon los parámetros de resistencia al corte (cohesión y ángulo de fricción) de un suelo limoso de la formación geológica Guabirotuba de Curitiba (Brasil) estabilizada con diferentes contenidos de cal (3, 5, 7 y 9%) a diferentes tiempos de curado (30, 90, y 180 días). Luego, con estos parámetros, la geometría de las zapatas se optimizó con MSAA minimizando el costo y las emisiones de CO2 de su construcción. La capacidad de carga final del suelo, los asentamientos producidos por la carga de servicio y el factor de seguridad de base fueron usados como restricciones de diseño. Resultados: Los resultados muestran que la mayoría de los problemas convergen a la misma solución para los costos y las emisiones de CO2 sin depender del tiempo de curado y del contenido de cal utilizado, debido a que las soluciones están restringidas principalmente por los asentamientos máximos permitidos. Conclusiones: Con el aumento del contenido de cal, la cohesión de las mezclas aumentó para todos los tiempos de curado estudiados y el ángulo de fricción no tuvo variaciones importantes en relación con la cantidad de cal administrada o con el tiempo de curado empleado. Los costos y la emisión de dióxido de carbono para la construcción de zapatas convergentes coinciden con los mismos resultados. En este sentido, se puede evitar el 9% de cal, y pequeños porcentajes de cal (es decir, 3-5%) se destinan a la mejora del suelo y reducen los costos de este procedimiento. Por otro lado, MSAA puede ser considerado como un algoritmo robusto debido a que ha logrado resultados casi iguales y, en algunos casos, mejores resultados en comparación con otros algoritmos para resolver problemas reportados en la literatura

Variáveis que influenciam na resistência à tração e à compressão simples de dois solos sedimentares estabilizados com cimento

O presente artigo avalia o desenvolvimento da resistência à tração por compressão diametral ou tração indireta (qt) e da compressão simples (qu) de dois solos cimentados artificialmente sob cura de 28 dias. Para isso, dois solos siltosos (amarelo e rosa) característicos da Formação Guabirotuba de Curitiba/BR foram estabilizados com cimento de alta resistência inicial (ARI) com porcentagens de 3, 5, 7 e 9% em referência à massa seca dos solos. Corpos de prova de 50 mm de diâmetro e 100 mm de altura (de volume=196,35 cm3) foram moldados com diferentes teores de cimento (C), diferentes pesos específicos secos aparentes (d) e com uma umidade de moldagem () constante em 23% e depois submetidos à ensaios de compressão simples e de tração indireta. Foi usada a relação vazios/cimento representado pela relação porosidade/teor volumétrico de cimento (η/Civ) para avaliar o desenvolvimento de qu e qt além de variáveis como C, porosidade (η) e d. Os resultados demonstram um crescimento da resistência com o aumento do teor de cimento e com a diminuição dos vazios (isto é, maior peso específico seco e menor η). Uma equação de dosagem para qu e qt dos solos estudados e misturados com cimento foi desenvolvida com o uso da relação η/Civ ajustada a um expoente 0,44 para fazer compatível a variação entre η/Civ-qu qt. As equações de dosagem obtiveram coeficientes de determinação acima de 94%. Finalmente, se encontrou uma relação empírica de tração/compressão constante de 0,16 e de 0,14 para o solo amarelo e rosa, respectivamente. Palavras-chave: Solo-cimento, compressão simples, tração por compressão diametral, porosidade/cimento

Silte da Formação Guabirotuba estabilizado com resíduo da indústria da celulose e papel

A resistência à compressão simples, a resistência à tração por compressão diametral e o Índice de Suporte de Califórnia (CBR) foram sistematicamente pesquisados para analisar o desempenho de um solo siltoso da região metropolitana de Curitiba (Brasil) estabilizado com cinza da indústria da produção de papel e com cal dolomítica hidratada. Uma série de ensaios de compactação na energia Proctor normal foram realizados para calcular os parâmetros ótimos de compactação das misturas solo-cinza-cal: peso específico seco máximo (γd-max) e teor de umidade ótimo (ωo). Foram adicionados e utilizados 4 teores de cinza de celulose (5%, 10%, 15% e 20% em relação à massa seca do solo) e um teor fixo de cal (L) de 5% baseado no consumo inicial de cal modificado, estabelecido a partir da interpretação das medidas de pH realizadas em várias misturas solo-cinza-cal. Os resultados demonstram que existe um aumento no teor de umidade ótimo e uma diminuição no peso específico seco máximo das curvas de compactação com o aumento do teor de cinza de celulose. Por outro lado, os ensaios de compressão simples, tração por compressão diametral e CBR revelam que existe um acréscimo nos valores de resistência mecânica das misturas até um teor de cinza de 15%. Em adição, a Espectroscopia por Dispersão de Energia (EDS) feita em uma mistura protótipo mostra que houve uma interação química entre o solo, a cal e as partículas menores da cinza de celulose. Finalmente, equações de dosagem que permitem estimar os valores da resistência das misturas foram desenvolvidas baseadas na relação semiempirica porosidade/cal (η/Liv) tendo em consideração a massa específica e o volume dos materiais, além da energia de compactação.Palavras-chave: Solo-cinza-cal, compressão simples, tração por compressão diametral, índice porosidade/cal