The effects of mechanical loading and carbonation on properties of soils treated with the Stabilization/Solidification (S/S) method

Aburaas, Ghassan (2023). The effects of mechanical loading and carbonation on properties of soils treated with the Stabilization/Solidification (S/S) method. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (22MB) | Prévisualisation

Résumé

In the last few decades, there has been a significant increase in the accumulation of hazardous wastes across various areas of the world. Part of the problem is that these wastes are generated daily, and their chemical characteristics limit the application of some remediation methods. Solidification/Stabilization (S/S) represents a method for treating diverse contaminants, including hazardous wastes like trace metals. Notably, this technique has garnered attention as a promising alternative owing to its capacity to offer practical resolutions for both human and environmental health (Al Tabbaa & Stegemann, 2011). Cement-based solidification/stabilization techniques have gained extensive utilization in producing stable forms of contaminated soils and curtailing the movement of contaminants into the environment.

However, the solidified/stabilized matrix structures present at sites are continually exposed to various aggressive conditions, including fluctuating loads and atmospheric carbon dioxide. Moreover, there is a lack of information regarding the long-term performance of S/S techniques under these specific environmental conditions. The presence of external loads promotes crack growth, facilitating the penetration of aggressive agents such as water into the S/S matrix. This phenomenon accelerates the deterioration of the S/S structure. Conversely, carbonation leads to the precipitation of calcite (carbonation products) into these cracks, reducing porosity and enabling self-healing processes. Self-healing, in turn, has the potential to enhance the hydraulic properties of the S/S matrix. Therefore, investigating the impact of loading and carbonation on the chemical and mechanical properties of the S/S matrix is important for comprehending the long-term stability of the structure.

The primary objective of this project entailed the simulation of environmental conditions, such as loading and exposure to CO2, on solidified sand. The simulation of the solidified matrix was achieved by inducing physicochemical alterations through the implementation of various experimental scenarios, namely: no carbonation/no loading (NC/NL), carbonation only (C), mechanical loading only (L), carbonation followed by mechanical loading (C/L), and mechanical loading followed by carbonation (L/C). Solidified samples with a water-to-cement ratio (W/C) of 2 were prepared and subjected to leaching tests using a flow-through leaching setup. These simulations were conducted using a modified triaxial cell. The experimental findings presented in this thesis elucidated the deterioration resulting from the aforementioned scenarios, which encompassed mechanical stresses and carbonation. Moreover, an investigation into the physicochemical healing of micro-cracks within the S/S matrix was carried out through hydraulic conductivity testing and X-ray CT scanning. Furthermore, the effects of these experimental scenarios were examined in relation to compressive strength, electrical conductivity, pH, leaching of aluminum, silicon, calcium, and copper, as well as thermogravimetric analysis.

Upon subjecting the samples to various test scenarios, distinct results were observed. The control scenario exhibited a marginal decrease in hydraulic conductivity, indicating a negligible impact. Conversely, carbonation exhibited significant advantages by reducing hydraulic conductivity and lowering porosity, thereby facilitating self-healing processes. Mechanical stresses induced fractures and inflicted damage upon the solidified sand, which, albeit impossible to completely eliminate, were mitigated to some extent through carbonationinduced self-healing, thereby reducing crack formation. Furthermore, the order of operations, as revealed by the CT analysis, demonstrated perceptible differences (e.g., carbonation versus loading), primarily attributed to the self-healing effects that promote partial recovery of the physical properties of the samples.

The findings of this thesis also showed different behaviors in terms of calcium leaching. The non-carbonation scenarios exhibited stable calcium leaching over an extended period. However, the presence of carbonation in the C, C/L, and L/C scenarios resulted in a significant decrease in calcium leaching. In the case of copper leaching, it was modest and stable, as evidenced by the NC/NL scenario. However, upon exposure to carbonation, three distinct phases of copper leaching were observed, namely a notable increase, followed by a partial decrease, and ultimately reaching a steady state. Mechanical stresses tended to diminish copper leaching, with no detectable copper concentration in the leachate of the L scenario after a short duration. Furthermore, the leaching test revealed a slight increase in pore volume in the NC/NL scenario, while carbonation significantly reduced the overall porosity of the sample. Conversely, the loading effect increased the total porosity in the L, C/L, and L/C scenarios.

The results indicate that the influence of stressors on leaching, void size distribution, compressive strength and permeability is complex and characterized by interactions between the stressors.

Titre traduit

Les effets de la charge mécanique et de la carbonatation sur les propriétés des sols traités avec la méthode de stabilisation/solidification (S/S)

Résumé traduit

Au cours des dernières décennies, on a constaté une augmentation significative de l'accumulation de déchets dangereux dans différentes régions du monde. Une partie du problème réside dans le fait que ces déchets sont générés quotidiennement et que leurs caractéristiques chimiques limitent l'application de certaines méthodes de remédiation. La solidification/stabilisation (S/S) représente une méthode de traitement de divers contaminants, y compris les déchets dangereux tels que les métaux traces. Notamment, cette technique a suscité l'intérêt en tant qu'alternative prometteuse grâce à sa capacité à offrir des solutions pratiques pour la santé humaine et environnementale (Al Tabbaa & Stegemann, 2011). Les techniques de solidification/stabilisation à base de ciment ont été largement utilisées pour produire des formes stables de sols contaminés et limiter le transfert des contaminants dans l'environnement.

Cependant, les structures de matrice solidifiée/stabilisée présentes sur les sites sont continuellement exposées à diverses conditions agressives, notamment des charges fluctuantes et du dioxyde de carbone atmosphérique. De plus, il existe un manque d'informations concernant les performances à long terme des techniques de S/S dans ces conditions environnementales spécifiques. La présence de charges externes favorise la propagation des fissures, facilitant la pénétration d'agents agressifs tels que l'eau dans la matrice S/S. Ce phénomène accélère la détérioration de la structure S/S. En revanche, la carbonatation entraîne la précipitation de calcite (produits de carbonatation) dans ces fissures, réduisant la porosité et permettant des processus d'autoguérison. L'autoguérison, à son tour, a le potentiel d'améliorer les propriétés hydrauliques de la matrice S/S. Par conséquent, l'étude de l'impact de la charge et de la carbonatation sur les propriétés chimiques et mécaniques de la matrice S/S est importante pour comprendre la stabilité à long terme de la structure.

L'objectif principal de ce projet consistait à simuler les conditions environnementales, telles que la charge et l'exposition au CO2, sur du sable solidifié. La simulation de la matrice solidifiée a été réalisée en induisant des altérations physico-chimiques grâce à la mise en œuvre de divers scénarios expérimentaux, à savoir : aucune carbonatation/ aucune charge (NC/NL), carbonatation seule (C), charge mécanique seule (L), carbonatation suivie de charge mécanique (C/L), et charge mécanique suivie de carbonatation (L/C). Des échantillons solidifiés avec un rapport eau/ciment (W/C) de 2 ont été préparés et soumis à des tests de lixiviation à l'aide d'une configuration de lixiviation en continu. Ces simulations ont été réalisées à l'aide d'une cellule triaxiale modifiée. Les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse ont mis en évidence la détérioration résultant des scénarios susmentionnés, qui englobaient des contraintes mécaniques et la carbonatation. De plus, une étude sur la cicatrisation physico-chimique des microfissures au sein de la matrice S/S a été réalisée grâce à des tests de conductivité hydraulique et à la tomographie par rayons X. Par ailleurs, les effets de ces scénarios expérimentaux ont été examinés en ce qui concerne la résistance à la compression, la conductivité électrique, le pH, la lixiviation de l'aluminium, du silicium, du calcium et du cuivre, ainsi que l'analyse thermogravimétrique.

Lors de l'application de divers scénarios de test sur les échantillons, des résultats distincts ont été observés. Le scénario de contrôle a présenté une légère diminution de la conductivité hydraulique, indiquant un impact négligeable. En revanche, la carbonatation a présenté des avantages significatifs en réduisant la conductivité hydraulique et en diminuant la porosité, facilitant ainsi les processus d'autoguérison. Les contraintes mécaniques ont provoqué des fractures et des dommages sur le sable solidifié, qui, bien qu'impossible à éliminer complètement, ont été atténués dans une certaine mesure grâce à l'autoguérison induite par la carbonatation, réduisant ainsi la formation de fissures. De plus, l'ordre des opérations, tel qu'indiqué par l'analyse CT, a révélé des différences perceptibles (par exemple, la carbonatation par rapport à la charge), principalement attribuées aux effets d'autoguérison qui favorisent une récupération partielle des propriétés physiques des échantillons.

Les conclusions de cette thèse ont également montré différents comportements en termes de lixiviation du calcium. Les scénarios sans carbonatation ont présenté une lixiviation stable du calcium sur une période prolongée. Cependant, la présence de carbonatation dans les scénarios C, C/L et L/C a entraîné une diminution significative de la lixiviation du calcium. En ce qui concerne la lixiviation du cuivre, elle était modeste et stable, comme en témoigne le scénario NC/NL. Cependant, lors de l'exposition à la carbonatation, trois phases distinctes de lixiviation du cuivre ont été observées, à savoir une augmentation notable, suivie d'une diminution partielle, pour finalement atteindre un état stable. Les contraintes mécaniques avaient tendance à réduire la lixiviation du cuivre, avec une concentration de cuivre non détectable dans les effluents du scénario L après une courte durée. De plus, le test de lixiviation a révélé une légère augmentation du volume des pores dans le scénario NC/NL, tandis que la carbonatation réduisait significativement la porosité globale de l'échantillon. En revanche, l'effet de charge augmentait la porosité totale dans les scénarios L, C/L et L/C.

Les résultats indiquent que l'influence facteurs de stress sur la lixiviation, la distribution de la taille des vides, la résistance à la compression et la perméabilité est complexe et caractérisée par des interactions entre les contraintes.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 146-169).
Mots-clés libres:	solidifié/stabilisé, conductivité hydraulique, carbonatation, chargement mécanique, scan micro-CT aux rayons X, résistance à la compression non confinée, métaux lourds, cellule triaxiale modifiée, phénomène d'autoguérison, test de lixiviation en continu
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Duhaime, François
Codirecteur:	Codirecteur Dubé, Jean-Sébastien
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 mars 2024 20:08
Dernière modification:	08 mars 2024 20:08
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3427

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt