Assessment of poorly compactable sands by recycling and recompaction: experimental program and packing particle analysis

Abstract

Compaction is a common ground improvement technique based on the densification of soils for an energy level and optimum water content, mainly influenced by the particle size and curve gradation. Poorly compactable sands, characterized as cohesionless, fine and uniformly graded, are a challenge for earthworks since compaction is not effective due to the lack of a larger range of particle sizes to infill the voids and the compaction energy is not relevant either. These characteristics are common to other materials, i.e., desert sand, industrial or mining by-products or quarry fines, which are mostly discarded to landfill and replaced by proper soils, causing serious environmental issues. To enlarge the technical feasibilities of poorly compactable sands, reducing construction waste and raw material consumption, a mechanical stabilization, based on a repetitive series of recycling and recompaction without binder, is experimentally explored. The behavior observed is also analyzed from reported correlations and a packing particle approach, attending to densification stage, saturation degree, recompaction series, coordination number and packing density. The improvement achieved is moderate and dependent on the cycles applied, showing a characteristic repetitive pattern in the compaction curve, and approaching the estimated minimum void ratio and the theoretical maximum packing possibilities without degradation of the material.

La compactación es una técnica habitual de mejora del terreno basada en la densificación de los suelos para obtener un nivel de energía y un contenido de agua óptimos, influidos principalmente por el tamaño de las partículas y la gradación de las curvas. Las arenas poco compactables, caracterizadas por carecer de cohesión, ser finas y tener una gradación uniforme, suponen un reto para los movimientos de tierras, ya que la compactación no es eficaz debido a la falta de una gama más amplia de tamaños de partículas para rellenar los huecos y la energía de compactación tampoco es relevante. Estas características son comunes a otros materiales, como la arena del desierto, los subproductos industriales o mineros o los finos de cantera, que en su mayoría se desechan en vertederos y se sustituyen por suelos adecuados, lo que provoca graves problemas medioambientales. Para ampliar las viabilidades técnicas de las arenas poco compactables, reduciendo los residuos de la construcción y el consumo de materias primas, se explora experimentalmente una estabilización mecánica, basada en una serie repetitiva de reciclado y recompactación sin ligante. El comportamiento observado se analiza también a partir de correlaciones reportadas y de un enfoque de empaquetamiento de partículas, atendiendo a la etapa de densificación, grado de saturación, serie de recompactación, número de coordinación y densidad de empaquetamiento. La mejora alcanzada es moderada y dependiente de los ciclos aplicados, mostrando un patrón repetitivo característico en la curva de compactación, y aproximándose a la mínima relación de vacíos estimada y a las máximas posibilidades teóricas de empaquetamiento sin degradación del material.