Laboratory Experiments in The Stabilization of Clays With Hydrated Lime

Abstract

Synopsis A study of the literature shows that hydrated lime has been used with success to stabilise soils in road foundations in certain parts of the world, and an investigation has therefore been initiated to study the effect of adding lime to British soils. As published information suggested that cohesive soils would respond more favourably to lime than would granular soils, the experiments were made with a range of clays. The Paper describes the first stage of the work. Samples of unweathered clay from ten geological formations were mixed with 1, 2, 4, 7, and 10% by weight of hydrated lime, at moisture contents near the liquid and plastic limits. The samples were stored in air-tight containers for periods of 1, 6, and 12 months. These, together with a series of freshly prepared samples of similar compositions, were used for the determination of the liquid and plastic limits of the mixtures and for establishing the suction/ moisture content relationships under wetting conditions. Estimations were also made of the amount of lime taken up by the soil, and of the pH (hydrogenion concentration) of the mixtures in aqueous suspension. The properties of all the clays examined were affected by the addition of the hydrated lime. 1% of lime increased the liquid limit as measured in immediate tests, but greater percentages reduced it. When tested after storage the liquid and plastic limits of the mixtures were found to have increased, for each lime content. Chemical analyses indicated that about 1% of lime was taken up by the clay immediately after mixing and that this was accompanied by a rise in pH to values of the order of 12·5. During storage additional lime was taken up and this was accompanied by a slight fall in pH. The results have been considered in the light of current theories regarding the action of lime on clay. The results of the present experiments support the view that the immediate effects are due to flocculation of the clay particles, as a result of the replacement of adsorbed hydrogen ions by calcium ions between the natural pH of the soils (7·0–8·5) and that of the mixtures (12·0–12·5). This is followed, during storage, by bonding of the particles by calcium silicates and/or aluminates having cementing properties, and formed by chemical reaction between the lime and the clay. The work indicates that the determinations of such soil properties as exchangeable base, base exchange capacity, or liquid limit do not provide a satisfactory means of determining whether or not a clay can be stabilized with lime, and what proportion of lime is needed. The results do show, how-ever, that the cohesion between clay particles can be increased by the addition of lime, and further studies are to be made of this phenomenon and of its practical significance in road-making. Une étude du texte montre que la chaux éteinte a été: utilisée avec succés pour stabiliser des sols dans des fondations de routes en certaines parties du monde et une enquête fut en conséquence entreprise pour étudier l'effet de l'addition de chaux aux sols britanniques. Comme les renseignements publiés suggéraient que les sols cohérents réagiraient plus favorablement sous l'action de la chaux que le feraient des sols granulés, les experiénces furent faites avec une diversité d'argiles. L'article décrit la premiére étape du travail. Des échantillons d'argile fraîche préleves de dix formations géologiques furent mélanges á 1, 2, 4, 7, et 10% du poids de chaux éteinte, á teneur en eau proche des limites de liquidité et de plasticité. Les échantillons furent emmagasinés dans des récipients étanches pour des durées de 1, 6, et 12 mois. Ceux-ci, avec une série d'échantillons fraîchement préparés de compositions similaires, furent employés pour déterminer les limites de liquidité et de plasticité des mélanges et pour établir les rapports de teneur en eau/par suction dans des conditions humides. Furent évalués aussi la quantité de chaux absorbée par le sol ainsi que le term pH (concentration d'ion hydrogéne) des mélanges en suspension aqueuse. Les propriétés de toutes les argiles examinées furent affectées par l'addition de chaux éteinte. 1% de chaux augmenta la limite de liquidité dans les mesures des expériences immédiates, mais des pourcentages plus grand la réduisirent. On découvrit á la verification aprés le stockage, que les limites de liquidé et de plasticite avaient augmentées pour chaque contenu de chaux. Des analyses chimiques indiquérent une absorption d'environ 1% de la chaux par l'argile dés que le mélange fut fait, et cela accompagné par une élévation du terme pH atteignant l'ordre de 12,5. Pendant le stockage, de la chaux supplémentaire fut absorbée et avec cela eu lieu une légére baisse du terme pH. Les résultats ont ét1e considérés d'apres les théories courantes concernant l'action de la chaux sur l'argile. Les résultats des expériences actuelles confirment l'opinion suivant laquelle les effets immédiats sont dus au floconnement des particules d'argile. par suite du remplacement par des ions de calcium des ions d'hydrogene absorbés, entre le terme pH nature1 du sol (7,0–8,5) et celui des mélanges (12,0–12,5). Ceci est suivi, pendant le stockage, de la reunion des particules, causée par des silicates de calcium, ou bien (ou ainsi que) des aluminates aux propriétés de ciment, ceux-ci et ceux-la formés par réaction chimique entre la chaux et l'argile. Le travail montre que les determinations de telles propriétés du sol, en tant que base d'échange, capacité d'échange de base, ou limite de liquidité, ne donnent pas un moyen satisfaisant de déterminer si une argile peut être stabilisée par de la chaux ou non, et quelle proportion de chaux est nécessaire. Les résultats montrent bien, cependant, que la cohésion entre les particules d'argile peut être accrue par l'addition de chaux, et on va continuer les études de ce phénoméne et de sa signification pratique dans la construction des routes.