Shear Strength of Industrial Wastes and Their Mixtures and Stability of Embankments Made of These Materials
Abstract
1. Introduction
2. Test and Calculation Methods
3. Test Results
3.1. Physical Parameters
3.2. Shear Strength
4. Results of Stability Calculations
5. Summary
Author Contributions
Funding
Conflicts of Interest
References
- Kowalczyk, A. Zasady lokalizowania składowisk odpadów w aspekcie wód podziemnych. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów 1995, 1, 24–27. [Google Scholar]
- Sherwood, P. Alternative Materials in Road Construction; Thomas Telford Ltd.: London, UK, 2001. [Google Scholar]
- Sleeman, B.A.W.; Miht, F.G.S. Colliery Spoil in Urban Development. Adv. Min. Sci. Technol. 1987, 2, 163–177. [Google Scholar] [CrossRef]
- Skarżyńska, K.M. Reuse of coal mining wastes in civil engineering—Part 2: Utilization of minestone. Waste Manag. 1995, 15, 83–126. [Google Scholar] [CrossRef]
- Gruchot, A. Utilisation of Coal Mining Wastes and Fuel Ashes for Engineering Purposes as a Factor of Environmental Development and Protection, (in Polish: Utylizacja Odpadów Powęglowych i Poenergetycznych do Celów Inżynierskich Jako Czynnik Kształtowania i Ochrony Środowiska); Zeszyty Naukowe (Rozprawy); Uniwersytet Rolniczy im Hugona Kołłątaja: Kraków, Poland, 2016; p. 533. [Google Scholar]
- Skarżyńska, K.M. Odpady Powęglowe i Ich Zastosowanie w Inżynierii Lądowej i Wodnej; Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. H. Kołłątaja w Krakowie: Kraków, Poland, 1997. [Google Scholar]
- Drenda, J.; Różański, Z.; Słota, K.; Wrona, P. Zagrożenie pożarowe na zwałowiskach odpadów powęglowych. Górnictwo i Geoinżynieria 2007, 31, 149–157. [Google Scholar]
- Nowak, J. Wpływ stopnia termicznego przeobrażenia odpadów powęglowych na ich skład mineralny i petrograficzny. Gospod. Surowcami Miner. Miner. Resour. Manag. 2014, 30, 143–160. [Google Scholar]
- Dudas, M.J.; Warren, C.J. Submicroscopic structure and characteristics of intermediate-calcium fly ashes. In Proceedings of the Symposium Preceedings of Material Research Society, 1988; Volume 113, pp. 309–316. [Google Scholar]
- Gruchot, A.; Michniak, D. Wytrzymałość na ściskanie popiołów lotnych z dodatkiem zbrojenia rozproszonego. Acta Sci. Pol. Form. Circumiectus 2015, 14, 43–54. [Google Scholar] [CrossRef]
- Brooks, R.; Udoeyo, F.F.; Takkalapelli, K.V. Geotechnical properties of problem soils stabilized with fly ash and limestone dust in Philadelphia. J. Mater. Civ. Eng. 2011, 23, 711–716. [Google Scholar] [CrossRef]
- Gruchot, A.; Zawisza, E. Wytrzymałość na ścinanie gruntów pylastych stabilizowanych popiołami fluidalnymi. Acta Sci. Pol. Ser. Archit. 2018, 17, 37–45. [Google Scholar] [CrossRef]
- Kumar, A.; Mittal, A. Utilization of Municipal Solid Waste Ash for Stabilization of Cohesive Soil. In Environmental Geotechnology. Lecture Notes in Civil Engineering; Agnihotri, A., Reddy, K., Bansal, A., Eds.; Springer: Singapore, 2019; Volume 31. [Google Scholar]
- Gruchot, A. Wskaźnik nośności CBR kompozytów z odpadów powęglowych i popiołu lotnego. Przegląd Górniczy 2014, 2, 12–17. [Google Scholar]
- Gruchot, A. Wykorzystanie kompozytów z odpadów powęglowych i popiołu lotnego do budowy wałów przeciwpowodziowych. Przegląd Górniczy 2014, 7, 158–164. [Google Scholar]
- Wei, H.; Zhang, Y.; Cui, J.; Han, L.; Li, Z. Engineering and environmental evaluation of silty clay modified by waste fly ash and oil shale ash as a road subgrade material. Constr. Build. Mater. 2019, 196, 204–213. [Google Scholar] [CrossRef]
- Kamiński, B.; Czerniak, A. Przydatność rozkruszonych mieszanek popiołowo-żużlowo-gruntowych do konstrukcji podbudów drogowych. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich 2007, 1, 197–203. [Google Scholar]
- Blajer, M.; Stopkowicz, A.; Adamczyk, J.; Cała, M. The preliminary research of the physico-mechanical properties of aggregates based on the colliery shale, supplemented by fly ash. Arch. Min. Sci. 2019, 64, 21–34. [Google Scholar] [CrossRef]
- Skarżyńska, K.M. Reuse of coal mining wastes in civil engineering—Part 1: Properties of minestone. Waste Manag. 1995, 15, 3–42. [Google Scholar] [CrossRef]
- Gimhan, P.G.S.; Disanayaka, J.P.B.; Nasvi, M.C.M. Geotechnical engineering properties of fly ash and bottom ash: Use as civil engineering construction material. Eng. J. Inst. Eng. Sri Lanka 2018, 51, 49–57. [Google Scholar] [CrossRef]
- Martin, J.P.; Collins, R.A.; Browning, J.S.; Biehl, F.J. Properties and Use of Fly Ashes for Embankments. J. Energy Eng. 1990, 116, 71–86. [Google Scholar] [CrossRef]
- Blight, G.E.; Fourie, A.B. Catastrophe revisited—Disastrous flow failures of mine and municipal solid waste. Geotech. Geol. Eng. 2005, 23, 219–248. [Google Scholar] [CrossRef]
- Cadierno, J.F.; Romero, M.I.G.; Valdes, A.J.; del Pozo, J.M.M.; Gonzalez, J.G.; Robles, D.R.; Espinosa, J.V. Characterization of Colliery Spoils in León: Potential Uses in Rural Infrastructures. Geotech. Geol. Eng. 2014, 32, 439–452. [Google Scholar] [CrossRef]
- Carras, J.N.; Day, S.; Saghafi, A.; Roberts, O.C. Spontaneous Combustion in Open Cut Coal Mines—Recent AustralianResearch. Undergr. Coal Operators’ Conf. 2005. Available online: http://ro.uow.edu.au/coal/144 (accessed on 16 December 2019).
- Ciesielczuk, J.; Janeczek, J.; Cebulak, S. Przebieg i przyczyny endogenicznego pożaru węgla kamiennego na zerkultywowanym składowisku odpadów komunalnych w Katowicach. Przegląd Geologiczny 2013, 61, 764–772. [Google Scholar]
- Onifade, M.; Genc, B. Spontaneous combustion of coals and coal-shales. Int. J. Min. Sci. Technol. 2018, 28, 933–940. [Google Scholar] [CrossRef]
- Gao, X.; Xu, M.; Hu, Q.; Wang, Y. Leaching Behaviour of Trace Elements in Coal Spoils from Yangquan Coal Mine, Northern China. J. Earth Sci. 2016, 27, 891–900. [Google Scholar] [CrossRef]
- Saikia, B.K.; Sharma, A.; Sahu, O.P.; Baruah, B.P. Study on Physico-chemical Properties, Mineral Matters and Leaching Characteristics of Some Indian Coals and Fly Ash. J. Geol. Soc. India 2015, 86, 275–282. [Google Scholar] [CrossRef]
- Makowska, D.; Świątek, K.; Wierońska, F.; Strugała, A. Wymywanie arsenu z odpadów powęglowych: Ocean metod badawczych. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią 2018, 105, 157–172. [Google Scholar] [CrossRef]
- Gruchot, A.; Szwalec, A.; Mundała, P. Geotechnical and chemical characteristics of ash and slag mixture of Skawina Power Plant (Poland). Geologija 2012, 54, 27–34. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
- Zawisza, E. Geotechniczne i środowiskowe aspekty uszczelniania grubookruchowych odpadów powęglowych popiołami lotnymi. Zeszyty Naukowe AR w Krakowie 2001, 280. [Google Scholar]
- Steenari, B.M.; Schelander, S.; Lindqvist, O. Chemical and leaching characteristics of ash from combustion of coal, peat and wood in a 12MW CFB—A comparative study. Fuel 1999, 78, 249–258. [Google Scholar] [CrossRef]
- Zhao, S.; Duan, Y.; Lu, J.; Gupta, R.; Pudasainee, D.; Liu, S.; Liu, M.; Lu, J. Chemical speciation and leaching characteristics of hazardous trace elements in coal and fly ash from coal-fired power plants. Fuel 2018, 232, 463–469. [Google Scholar] [CrossRef]
- Gruchot, A.; Szwalec, A.; Mundała, P. Chemical and geotechnical properties of ash-slag mixture from “Czajka” landfill near Tarnów. Environ. Prot. Nat. Resour. (Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych) 2013, 24, 63–67. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
- Cholewa, M.; Szwalec, A.; Mundała, P. Ocena właściwości chemicznych i geotechnicznych mieszaniny popiołowo-żużlowej z elektrowni Skawina S.A. w modelowym badaniu zapory ziemnej. Acta Sci. Pol. Form. Circumiectus 2014, 13, 45–54. [Google Scholar] [CrossRef]
- PN-EN 13286-2:2010. Mieszanki Niezwiązane i Związane Hydraulicznie. Część 2: Metody Badań Laboratoryjnych Gęstości na Sucho i Zawartości Wody. Zagęszczanie Metodą Proktora; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2010. [Google Scholar]
- PN-EN ISO 17892-3:2016-03. Rozpoznanie i Badania Geotechniczne. Badania Laboratoryjne Gruntów. Część 3: Badanie Gęstości Właściwej; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2016. [Google Scholar]
- PN-EN ISO 17892-8:2018-05. Rozpoznanie i Badania Geotechniczne. Badania Laboratoryjne Gruntów. Część 8: Badania Trójosiowe Bez Konsolidacji i Bez Drenażu; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2018. [Google Scholar]
- PN-EN ISO 17892-1:2015-02. Rozpoznanie i Badania Geotechniczne. Badania Laboratoryjne Gruntów. Część 1: Oznaczanie Wilgotności Naturalnej; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2015. [Google Scholar]
- PN-EN 1997-1:2008. Eurokod 7. Projektowanie Geotechniczne. Część 1. Zasady ogólne; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2008. [Google Scholar]
- PN-S-02205:1998. Drogi Samochodowe. Roboty Ziemne. Wymagania i Badania; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 1998. [Google Scholar]
- PN-EN ISO 14688-2:2006. Badania Geotechniczne. Oznaczanie i Klasyfikowanie Gruntów. Część 2: Zasady Klasyfikacji; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2006. [Google Scholar]
- Skarżyńska, K.M.; Michalski, P. Zastosowanie odpadów produkcyjnych zakładów Polsko-Węgierskiej Górniczej Spółki Akcyjnej HALDEX do ziemnych robót inżynierskich. Budownictwo Węglowe–Projekty–Problemy 1989, 11, 20–24. [Google Scholar]
- Gruchot, A.; Zawisza, E.; Gubała, S. Badania wytrzymałości na ścinanie odpadów powęglowych z KWK “Wesoła” w aparacie trójosiowego ściskania. Przegląd Górniczy 2009, 7–8, 73–78. [Google Scholar]
- Filipowicz, P.; Borys, M. Wykorzystanie odpadów przemysłowych do budowy i umacniania wałów przeciwpowodziowych. Rocznik Ochrona Środowiska 2008, 10, 633–644. [Google Scholar]
- Rainbow, A.K.M. Geotechnical Properties of United Kingdom Minestone; British Coal: London, UK, 1989. [Google Scholar]
- Zawisza, E.; Zydroń, T. Badania wpływu zagęszczenia i wilgotności na wytrzymałość na ścinanie popiołów lotnych. XI Międzynarodowa Konferencja “Popioły z energetyki”. Wydawnictwo Ekotech Sp z o.o. 2004, 255–266. [Google Scholar]
- Kim, B.; Prezzi, M.; Salgado, R. Geotechnical properties of fly and bottom ash mixtures for use in highway embankments. J. Geotech. Geoenvironmental Eng. 2005, 7, 914–924. [Google Scholar] [CrossRef]
- Bera, A.K.; Ghosh, A.; Ghosh, A. Behaviour of model footing on pond ash. Geotech. Geol. Eng. 2007, 25, 315–325. [Google Scholar] [CrossRef]
- Zawisza, E.; Blak, A. Wpływ nawodniania na ściśliwość odpadów powęglowych i ich mieszanek z popiołem lotnym. Acta Sci. Pol. Form. Circumiectus 2014, 13, 111–121. [Google Scholar]
- Behera, P.K.; Sarkar, K.; Singh, A.K.; Verma, A.K.; Singh, T.N. Dump Slope Stability Analysis—A Case Study. J. Geol. Soc. India 2016, 88, 725–735. [Google Scholar] [CrossRef]
- Igwe, O.; Chukwu, C. Evaluation of the mechanical properties and critical slope parameters of mine tailings at Enyigba, South eastern, Nigeria. Int. J. Geo-Eng. 2018, 9, 7. [Google Scholar] [CrossRef]
- Igwe, O.; Chukwu, C. Slope stability analysis of mine waste dumps at a mine site in Southeastern Nigeria. Bull. Eng. Geol. Environ. 2019, 78, 2503–2517. [Google Scholar] [CrossRef]
- Kaczmarczyk, R.; Olek, B.; Stanisz, J.; Woźniak, H.; Pilecki, Z. Wpływ gruntów nasypowych na powstanie i rozwój osuwiska. Przegląd Geologiczny 2014, 62, 594–600. [Google Scholar]
- Kainthola, A.; Verma, D.; Gupte, S.S.; Singh, T.N. A Coal Mine Dump Stability Analysis. Geomaterials 2011, 1, 1–13. [Google Scholar] [CrossRef]
- Zhigang, R.T.; Chun, Z.; Yong, W.; Jiamin, W.; Manchao, H. Bo Research on Stability of an Open-Pit Mine Dump with Fiber Optic Monitoring. Geofluids 2018. [Google Scholar] [CrossRef]
- Rajak, T.K.; Yadu, L.; Pal, S.K. Analysis of Slope Stability of Fly Ash Stabilized Soil Slope. In Geotechnical Applications. Lecture Notes in Civil Engineering; Anirudhan, I.V., Maji, V., Eds.; Springer: Singapore, 2019; Volume 13, pp. 119–126. [Google Scholar]
- Van den Berge, D.R.; Castellanos, B.A.; McGuire, M.P. Comparison and Use if Failure Envelope Forms for Slope Stability Analysis. Geotech. Geol. Eng. 2019, 37, 2029–2046. [Google Scholar] [CrossRef]
- Stanisz, J.; Pilecki, Z. Preliminary results of pore pressure profiling on the Tęgoborze-Just landslide. E3S Web Conf. 2018, 66, 1–10. [Google Scholar] [CrossRef]
Parameter | Value for the Waste Materials | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
Fly Ash | Coal Mining Wastes | Composite | ||||
Unburnt | Burnt | |||||
Before | After | Before | After | |||
Test | ||||||
Fraction content [%]: | ||||||
–gravel, Gr: 63 ÷ 2 mm | 0.0 | 84.1 | 73.8 | 71.0 | 60.4 | 60.6 |
–sand, Sa: 2 ÷ 0.063 mm | 17.1 | 9.6 | 10.2 | 25.9 | 29.9 | 14.5 |
–silt, Si: 0.063 ÷ 0.002 mm | 78.4 | 4.8 | 13.0 | 2.6 | 8.0 | 22.8 |
–clay, Cl: <0.002 mm | 4.5 | 1.5 | 3.0 | 0.5 | 1.7 | 2.1 |
Uniformity coefficient [-] | 7.5 | 33.5 | 741.7 | 84.3 | 25.0 | 1000.0 |
Coefficient of curvature [-] | 1.5 | 13.2 | 114.7 | 2.3 | 2.5 | 0.2 |
Name of soil acc. to [42] | MSi | MGr | clMGr | saMGr | siMGr | |
Density of solid particles [g∙cm−3] | 2.40 | 2.25 | 2.78 | 2.33 | ||
Optimum moisture content [%] | 34.00 | 6.65 | 17.60 | 13.40 | ||
Maximum dry density of solid particles [g∙cm−3] | 1.160 | 1.760 | 1.715 | 1.690 |
© 2019 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Share and Cite
Gruchot, A.; Zydroń, T. Shear Strength of Industrial Wastes and Their Mixtures and Stability of Embankments Made of These Materials. Appl. Sci. 2020, 10, 250. https://doi.org/10.3390/app10010250
Gruchot A, Zydroń T. Shear Strength of Industrial Wastes and Their Mixtures and Stability of Embankments Made of These Materials. Applied Sciences. 2020; 10(1):250. https://doi.org/10.3390/app10010250
Chicago/Turabian StyleGruchot, Andrzej, and Tymoteusz Zydroń. 2020. "Shear Strength of Industrial Wastes and Their Mixtures and Stability of Embankments Made of These Materials" Applied Sciences 10, no. 1: 250. https://doi.org/10.3390/app10010250
APA StyleGruchot, A., & Zydroń, T. (2020). Shear Strength of Industrial Wastes and Their Mixtures and Stability of Embankments Made of These Materials. Applied Sciences, 10(1), 250. https://doi.org/10.3390/app10010250