بررسی تاثیر نانوسیلیس‌ در تثبیت خاک رس و اصلاح مشخصات مکانیکی و حجمی آن در بستر راه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

2 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، موسسه آموزش عالی پویندگان دانش، چالوس، ایران

چکیده

در سال‌های اخیر فناوری نانو سبب تحولات بسیاری در دانش شده و محققین در زمینه‌های مختلف از آن بهره گرفته‌اند. نانو ذرات به دلیل ویژگی‌های خاص فیزیکی و شیمیایی در بسیاری از علوم برای ساخت مواد جدید و با قابلیت‌های منحصر به فرد به کار می‌روند. در این تحقیق تاثیر نانوسیلیس بعنوان یکی از محصولات فناوری نانو، با نقش پوزولان مصنوعی و بسیار فعال با سیمان مورد بررسی قرار گرفته است. در ارتباط با کاربرد نانوسیلیس در اصلاح و بهسازی مشخصات خاک‌های مختلف، مطالعات محدودی صورت گرفته است که در این مطالعه آزمایشگاهی، به بررسی خواص فیزیکی، حجمی و مکانیکی خاکهای ضعیف تثبیت شده با سیمان حاوی نانو سیلیس از طریق آزمایش‌های متفاوت حدود اتربرگ، مقاومت فشاری تک محوری، باربری کالیفرنیا و تورم پرداخته شده است. به علاوه، جهت مطالعه ریزساختار خمیر سیمان حاوی نانو سیلیس از آزمایش‌های طیف‌سنجی تفرق اشعه ایکس و تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز استفاده شده است. نتایج این تحقیق نشان دهنده افزایش قابل توجه مشخصات مکانیکی نظیر مقاومت فشاری تک محوری و باربری کالیفرنیا با افزایش نانوسیلیس در کوتاه مدت می‌باشد بطوریکه با اصلاح سیمان با افزودن 10 درصد نانو سیلیس (بر حسب وزن سیمان)، مقاومت فشاری تک محوری 25 درصد و باربری کالیفرنیا  45 درصد در طی 7 روز افزایش یافت. این روند در نمونه های 28 روزه تا 65 درصد خواهد بود. این نتایج همچنین حاکی از کاهش قابل توجه پتانسیل تورم خاک دارد. در نهایت یک طرح بهینه برای تثبیت بسترهای حاوی رس ضعیف با استفاده از سیمان اصلاح‌شده با نانوسیلیس جهت کاربردهای کوتاه مدت و دراز مدت ارائه می‌شود که در مقاصد عملی می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation the Effect of Nano-Silica in Stabilization of Clay Soil and Improve the Mechanical and Volumetric Properties of Subgrade

نویسندگان [English]

  • S. Ghaffarpour Jahromi 1
  • Z. Yazdi Ravandi 2
1 Assistant Professor, Shahid Rajaee Teacher Training University, Iran
2 M.Sc., Grad., Pouyandegan Danesh University, Iran
چکیده [English]

The process of soil stabilization refers to changing the physical properties of soil in order to improve its strength, durability, or other qualities. Typically, this is important for road construction, and other concerns related to the building and maintenance of infrastructure.  Soil that has been stabilized will have a vastly improved weight bearing capability, and will also be significantly more resistant to being damaged by water, frost, or inclement conditions.
Soil stabilization a general term for any physical, chemical, biological, or combined method of changing a natural soil to meet an engineering purpose. Improvements include increasing the weight bearing capabilities, tensile strength, and overall performance of in-situ subsoil's, sands, and other waste materials in order to strengthen road surfaces. In this research the physical and mechanical tests such as Atterberg Limits, Proctor compaction test, unconfined compressive strength and California bearing ratio was investigated with different cement and nanoparticle content and optimum  nanoparticles was obtained. The results showed that liquid limit and plasticity limit of the soil stabilized with cement and nanoparticles were increased, thus leading to increased plasticity index. Furthermore, the Proctor compaction test results showed that an increase in the nanoparticles resulted decrease in the optimum moisture content and an increase in the maximum drying density. The results of unconfined compressive strength and CBR tests showed that adding nanoparticles even slightly improved mechanical properties combined soil-cement the desired results in geotechnical engineering for the implementation of development projects. The results of this research also show that failure strain of specimens by adding cement and Cement-Nano have been reduced however strain failure can increase with time of production. Using the information obtained from this research is clear that nanoparticles can be the perfect choice to remediation of problematic sugared soil.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soil stabilization
  • Nano Material
  • nano silica
  • Volumetric properties
  • Uniaxial Strength Tests
  • CBR Test

-احدی، ر. جلیلی، م. و نیکخواه شهمیرزادی، م.، (1393)،"­بررسی تاثیر افزودنی‌های نانو بر خواص مهندسی مصالح خاکی (مطالعه موردی خاک رس زنجان)"، اولین کنفرانس ملی مکانیک خاک و مهندسی پی، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران.

-American Society for Testing and Materials-ASTM (2000), "One-Dimensional Swell or Settlement Potential of Cohesive Soils" Designation: D4546-2000.

-Bahmani, S.H., Huat, B.B., Asadi, A. and Farzadnia, N. (2014), "Stabilization of residual soil using SiO2 nanoparticles and cement" Construction and Building Materials, Vol. 64, pp. 350-359.

-Bhattacharja, S., Javedi, I. and Alan, H. (2003), "Stabilization of clay soils by Portland cement or lime–a critical review of literature" PCA R&D Serial 2066, pp. 60-67.

-Buddhima, I., Jian, C. and Cholachat, R. (2015), "Ground Improvement: Case Histories", Oxford, 1st Edition; UK: Elsevier.

-Changizi, F. and Haddad, A. (2015), "Strength properties of soft clay treated with mixture of nano-SiO2 and recycled polyester fiber", Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, Vol. 7, No. 4,
pp. 367-378.

-Dupas, J. and Pecker, A. (1979), "Static and dynamic properties of sand-cement", Journal of the Geotechnical Engineering Division, Vol. 105, No. 3, pp. 419-436.

-Feynman, R. (1959), "There’s plenty of room at the bottom", report from speech given at annual meeting of the American Physical Society. Engineering Society, Vol. 23,
pp. 22-36.

-Ghazi, H., Baziar, M.H. and Mirkazemi, S.M. (2011), "The effects of nano-material additieves on the basic properties of soil", 14th Asian Regional Conference of Geotechnical, Hong-Kong.

-Gholami, M., and Shiva, S. (2015), "Effect of Sampling Method on Strength of Stabilized Silty Sands with Colloidal Nano Silica", Journal of Civil Engineering Research, Vol. 5, No.6, pp. 129-135.

-Gholilou R., and Nikraz, H. (2014), "The Reasons for Introducing Nano-silica in Cementations Layer in Pavement", Electronic Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 19, pp. 1761-1768.

-Gutierrez, M.S. (2005), "Potential Applications of Nano-mechanics in Geotechnical Engineering", In Proceeding of the International Workshop on Micro-Geomechanics across Multiple Strain Scales, Cambridge, UK.

-Kadivar, M., Barkhordari, K. and Kadivar, M. (2012), "Nanotechnology in Geotechnical Engineering", In Advanced Materials Research, Trans Tech Publications, Vol. 261, No. 1, pp. 524-528.

-Kim, S., Hooton, R., Cho, T. and Lee, J. (2014), “Comparison of innovative Nano fly ash with conventional fly ash and nano-silica”. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 41, No. 5, pp. 396-402.

-Li, N., Wang, W., Ye, J., Tao, F. and Chi, X. (2015), "Short Age Direct Shear Behavior of Seashore Soft Soil Reinforced by Cement and Nano-Titanium Dioxide", Electronic Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 20, No. 3, pp. 1087-1093.

-Lo, S. and Wardani, S. (2002) "Strength and dilatancy of silt stabilized by a cement and fly ash mixture", Canadian Geotechnical Journal, Vol. 39, No. 1, pp. 77-89.

-Luo, H.L., Hsiao, D.H., Lin, D.F. and Lin, C.K. (2012), "Cohesive Soil Stabilized Using Sewage Sludge Ash/Cement and Nano Aluminum Oxide", International Journal of Transportation Science and Technology, Vol. 1, No. 1, pp. 83-100.

-Majeedi, Z.H. and Taha, M.R. (2013), "A Review of Stabilization of Soils by using Nanomaterials", Australian Journal of Basic and Applied Sciences, Vol. 7, No. 20­,
pp. 576-581.

-Majeedi, Z.H., Taha, M.R. and Jawad, I.T. (2014), "Stabilization of soft soil using nanomaterials", Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, Vol. 8, No. 4, pp. 503-509.

-Mitchell, J.K. and Freitag, D. (1961), "Review and Evaluation of Soil-Cement Pavements", Transactions of the American Society of Civil Engineers, Vol. 126, No. 1, pp. 1123-1144.

Mohammadi, M. and Niazian, M. (2013), "Investigation of nano-clay effect on geotechnical properties of Rasht clay", International Journal of Advanced Scientific and Technical Research, 3(3); pp.37-46.

-Neville, A. M.  and  Brooks,  J. (2010), "Concrete Technology",  2nd Revised edition Edition,  Longman Scientific & Technical, Harlow.

-Ng, C.W.W. and Coo, J. (2014), "Hydraulic conductivity of clay mixed with nanomaterials", Canadian Geotechnical Journal, Vol. 52, No. 6, pp. 808-811.

-Seyedi, G. and Mirkazemi, S.M. (2013), "Application of nanomaterial to stabilize a weak soil", International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, Missouri USA.

-Shahin, S., Fayed, L. and Ahmad, E. (2015) "Review of Nano additives in stabilization of Soil", 7th International Conference on Nano-Technology in Construction, Sharm El-Sheikh, Egypt.

-Zhang, G. (2007), "Soil nanoparticles and their influence on engineering properties of soils", In Geo-Denver ­Congress: New Peaks in Geomechanics, pp. 1-13.

-Zhang, S., Wang, W., Song, X., Chi, X. and Lu., T. (2014), "Direct shear behavior of nanometer magnesia reinforced cement soil with 28d age", The Open Mechanical Engineering Journal, Vol. 8, pp. 509-513.