Utilising surplus clay in earth construction

This study is a part of the Clay Barriers project launched in the beginning of the year 2006. The project is financed by the Academy of Finland. The aim of the project is to study the possibilities to utilise Finnish surplus clay by means of adding small amounts of cement in it. The project is particularly concentrating on the use of clay in impermeable barrier constructions. This work outlines the origins of the surplus clay and presents different techniques of mass stabilisation. Further, it lists some commonly used binding materials and also more rare additives. Finnish clays often behave like liquid when remoulded. To utilise such material in earth structures, stabilisation is needed to enable transportation and compression work. In barrier constructions low permeability of the clay is also an important matter. In this work, some building projects in the field of mass stabilisation are introduced, mainly covering road bases and barrier constructions. As a part of the study, clay samples from the motorway E18 construction site in Lempola were tested at the Laboratory of soil mechanics and foundation engineering. By the side of the motorway is an old shooting range with lead contaminated soil. The contaminated soil is planned to be deposited and encapsulated beside the slip road of the motorway. The clay taken near the motorway was tested whether it could be used as the barrier material. Especially strength and permeability characteristics were investigated. Tests were carried out with stabilised and unsterilized Lempola clay. The clay samples were taken from three locations: the first samples were taken from the deposit site near the slip road of the motorway, where the contaminated soil will be encapsulated, the second samples from the nearby field and the third ones from the site where clay from the road alignment had been dumped. The samples taken from the slip road and from the field had lower water content and higher clay content than the clay from the dumping site. The field clay reached very high strength when it was mixed with 3 or 5 % cement. In seven days even the clay with 3 % cement had shear strength of over 50 kPa, which is the target strength. Also, the field and slip road clays had low permeability's; in permeability oedometer tests all the samples had a coefficient of permeability less than required k -< 6.7 . 10 -10 m/s even without loading. Clay samples from dumping site did not ; reach as high strengths or low permeability's as the other samples but will probably work as barrier material after stabilisation and compaction. The construction works in Lempola will start in summer 2007. Before that the best clay material will be chosen and even more laboratory tests will be carried out to make sure the material is suitable.Diplomityö on osa Suomen Akatemian rahoittamaa Clay Barriers -projektia, joka käynnistettiin keväällä. 2006. Tutkimuksen tarkoitus on selvittää suomalaisen ylijäämäsaven hyötykäyttömahdollisuuksia pienillä sideainemäärillä. Akatemiaprojektissa keskitytään erityisesti saven käyttöön tiivisterakenteissa. Diplomityössä käsitellään ylijäämäsavien syntyä ja erilaisia stabilointitekniikoita keskittyen lähinnä massastabilointiin. Lisäksi esitellään erilaisia saven stabiloimiseen käytettyjä sideaineita Suomesta ja maailmalta sekä kohteita, jotka on toteutettu stabiloitua savea hyödyntäen. Kohteista on otettu mukaan tiivisterakenteiden lisäksi tierakenteita ja täyttöjä. Jotta savea voidaan hyödyntää rakenteissa, on sen oltava koostumukseltaan helposti työstettävää. Suomalaiset savet ovat usein häirittyinä täysin juoksevia, joten työstettävän koostumuksen saavuttamiseksi saveen saatetaan joutua lisäämään sideainetta. Tiivistysrakenteissa käytettävältä savelta vaaditaan myös riittävän pientä vedenläpäisevyyttä. Työn osana tehtiin laboratoriokokeita E18-tien varrella sijaitsevan Lempolan eritasoliittymän lyijyllä saastuneiden ampumaratamaiden eristämistä varten. Tiivistemateriaalina kohteessa on suunniteltu käytettävän sementillä stabiloitua savea. Laboratoriokokeet tehtiin Teknillisen korkeakoulun Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratoriossa. Kokeissa kiinnitettiin erityishuomiota lujuus- ja vedenläpäisevyyskokeisiin. Kokeita tehtiin sekä stabiloiduille että stabiloimattomille Lempolan savinäytteille, jotka otettiin kolmesta näytteenottopaikasta: sijoituspaikaksi suunnitellun ramppisilmukan keskeltä. läheiseltä peltoalueelta sekä läjitysalueelta, jolle oli tuotu tielinjalta kaivettua savea. Ramppisilmukasta ja peltoalueelta otetuilla näytteillä oli pienempi vesipitoisuus ja suurempi saviprosentti kuin läjitysalueen savilla. Peltoalueen savinäyte saavutti suuren lujuuden, kun siihen sekoitettiin sementtiä kolme tai viisi prosenttia saven kuivapainosta. Kolmen prosentin sementtilisäyksellä saavutettiin seitsemän päivän lujittumisajalla tiivisterakenteille suositeltu 50 kPa:n leikkauslujuus. Ramppisilmukan ja peltoalueen saven vedenläpäisevyydet olivat pienet; vedenläpäisevyysodometrikokeissa havaittiin kaikkien testattujen savinäytteiden täyttävän vedenläpäisevyysvaatimuksen k -< 6,7 x 10 -10 m/s jo ilman kuormitusta odometrikoetuloksista laskennallisesti saaduissa vedenläpäisevyysarvoissa. Läjitysalueen näytteet eivät saavuttaneet yhtä suuria lujuuksia tai pieniä vedenläpäisevyyksiä, mutta stabiloinnin ja tiivistyksen avulla niistäkin voidaan olettaa saatavan kelvollinen tiivistemateriaali. Tiivistyskerroksen rakentaminen alkaa kesällä 2007. Sitä ennen valitaan parhaiten tiivistemateriaaliksi soveltuva savi, jolle tehdään lisälaboratoriokokeita