پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

تثبیت پایدار خاک‌های رسی بستر راه با ژئوپلیمر حاصل از ترکیب پودر شیشه زائد و پسماند کلسیم کاربید با رویکرد زیست‌محیطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
سید علی مرتضوی راوری 1
سید مرتضی مرندی 2
1 دانش آموخته دکتری، بخش مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهیدباهنر کرمان، ایران
2 استاد، بخش مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهیدباهنر کرمان، ایران
10.22034/tri.2026.570391.3429
چکیده
در سال‌های اخیر، استفاده از پسماندهای صنعتی و شهری در بهسازی خاک‌های مشکل‌دار—به‌ویژه خاک‌های رسی بستر راه‌ها—به‌عنوان یک استراتژی پایدار و دوست‌دار محیط‌زیست در مهندسی ژئوتکنیک مورد توجه قرار گرفته است. خاک‌های رسی به‌دلیل خصوصیات نامطلوبی همچون تورم‌پذیری بالا، نشست قابل‌توجه، ظرفیت باربری پایین و حساسیت به تغییرات رطوبتی، اجرای پایدار راه‌ها را با چالش‌های جدی مواجه می‌سازند. روش‌های سنتی تثبیت خاک، از جمله مصرف سیمان و آهک، علاوه بر هزینه‌بر بودن، سهم قابل‌توجهی در مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای—به‌ویژه دی‌اکسید کربن—دارند و با اصول توسعه پایدار همخوانی کاملی ندارند. در این زمینه، بازیافت پسماندهای جامد شهری و صنعتی نه تنها به‌عنوان جایگزینی هوشمندانه برای مواد مصرفی سنتی عمل می‌کند، بلکه گامی مؤثر در جهت کاهش حجم ضایعات، صرفه‌جویی در منابع معدنی و حرکت به‌سوی اقتصاد چرخشی محسوب می‌شود. در این پژوهش، از ترکیب پودر شیشه زائد (به‌عنوان پسماند شهری غنی از سیلیس) و پسماند کلسیم کاربید (حاصل فرآیند تولید گاز استیلن در صنایع شیمیایی) در قالب یک سیستم ژئوپلیمری برای تثبیت خاک رسی استفاده شده است. برای ارزیابی عملکرد این ترکیب، آزمایش‌های ژئوتکنیکی و مطالعات ریزساختاری انجام شد. یافته‌ها نشان داد که نمونه‌های خاک تثبیت‌شده با 15 درصد پودر شیشه زائد و 7 درصد پسماند کلسیم کاربید بیشترین بهبود را در پارامترهای مکانیکی از خود نشان دادند. همچنین، تحلیل‌های میکروسکوپی تأیید کردند که تشکیل محصولات ژئوپلیمری در ماتریس خاک، تراکم ساختاری و کاهش تخلخل مؤثر را به‌دنبال داشته است. این پژوهش نه تنها از دیدگاه فنی-مکانیکی، بلکه از منظر زیست‌محیطی و مدیریت پسماند، اهمیت بالایی دارد؛ چرا که استفاده از این ترکیب دوگانه می‌تواند همزمان چالش‌های فنی بهسازی بستر رسی راه و دغدغه‌های زیست‌محیطی ناشی از تجمع پسماندها را مدیریت کند. در نتیجه، یافته‌های این مطالعه می‌تواند زمینه‌ساز کاربرد گسترده‌تر مواد زائد در پروژه‌های زیرساختی پایدار و کم‌کربن باشد.
کلیدواژه‌ها
بستر رسی راه
پودر شیشه
پسماند کلسیم کاربید و ژئوپلیمر
مواد زائد
موضوعات

عنوان مقاله English

Sustainable Stabilization of Roadbed Clay Soils Using Geopolymer Derived from Waste Glass Powder and Calcium Carbide Residue: An Environmentally Friendly Approach

نویسندگان English

Seyed Ali Mortazavi Ravari 1
Seyed Morteza Marandi 2
1 Ph.D., Grad., Civil Engineering Department, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.
2 Professor of Civil Engineering Department, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.
چکیده English

In recent years, the use of industrial and municipal waste materials in stabilizing problematic soils—particularly clayey roadbeds—has emerged as a sustainable and environmentally friendly strategy in geotechnical engineering. Clay soils exhibit unfavorable characteristics such as high swell potential, significant settlement, low bearing capacity, and moisture sensitivity, posing serious challenges to sustainable road construction. Conventional soil stabilization methods, including the use of cement and lime, are not only costly but also contribute significantly to energy consumption and greenhouse gas emissions—especially CO₂—making them less compatible with sustainable development principles. In this context, recycling solid urban and industrial wastes serves not only as an intelligent alternative to traditional binders but also as an effective step toward reducing waste volume, conserving natural resources, and advancing the circular economy. This study investigates the application of a geopolymer system combining waste glass powder (WGP)—a silica-rich urban waste—and calcium carbide residue (CCR)—a by-product of acetylene gas production—for the stabilization of clay soil. A series of geotechnical tests and microstructural analyses were conducted to evaluate the performance of this composite. Results showed that soil samples stabilized with 15% WGP and 7% CCR exhibited the highest improvement in mechanical properties. Microscopic analyses confirmed the formation of geopolymeric gels (C-A-S-H and C-S-H), which enhanced structural densification and reduced effective porosity. This research holds dual significance: from both a technical-mechanical and an environmental-waste management perspective, as the synergistic use of these two wastes simultaneously addresses geotechnical challenges of soft clay stabilization and environmental concerns related to waste disposal. Therefore, the findings of this study can pave the way for broader utilization of waste-derived materials in sustainable, low-carbon infrastructure projects.

کلیدواژه‌ها English

Roadbed clay
Waste glass powder
Calcium carbide residue
Geopolymer
Waste materials
-Aswad, M. F., Al-Gharbawi, A. S., Fattah, M. Y., Mustfa, R. H., & Hameed, H. R. (2024). Improvement of clayey soil characteristics using poly acrylamide geopolymer. Transportation Infrastructure Geotechnology, 11(4), 1673-1690.‏
-Chen, Z., Gao, Y., Wei, W., Lv, Y., & Wu, Z. (2023). Stabilization of Soft Clay by a Low-Calcium Fly Ash Geopolymer. Journal of Materials in Civil Engineering, 35(11), 04023398.‏
-Contreras, R. R., Almarza, J., Rincon, L., & Ruiz, C. (2024). Green sodium hydroxide for industrial purposes. A short review. Journal of Environmental Chemical Engineering, 114972.‏
-Deng, T., Liu, H., Ni, J., Ke, H., Li, L., & Deng, Y. (2025). Pb2+ Leachability in the Cement-Based Solidified/Stabilized Contaminated Clay Under Saline and Alkaline Environments. Soil and Sediment Contamination: An International Journal. 34(2), 276-290.‏
-Diana, W., Ma’rifah, R. A., & Hartono, E. (2025). The Tensile Strength of Marine Sand Using Fly Ash-Based Geopolymer: Influence of Sodium Hydroxide Concentration and Alkaline Activator Ratio. In Journal of Physics: Conference Series­, IOP Publishing.‏Vol. 2989, No. 1, 012038.
-El-Habacha, M., Lagdali, S., Dabagh, A., Mahmoudy, G., Assouani, A., Benjelloun, M., & Zerbet, M. (2024). High efficiency of treated-phengite clay by sodium hydroxide for the Congo red dye adsorption: optimization, cost estimation, and mechanism study. Environmental Research, 259, 119542.‏
-Hosseini, S. E., Tabarsa, A., & Bahman Pour, A. (2022). Experimental study of subgrade soil stabilized with geopolymer based on glass powder and calcium carbide. Road Materials and Pavement Design, 1-16.‏
-Jamalimoghadam, M., & Bahmyari, H. (2023). Freeze–Thaw Characteristics of Slaking Marl Clay Stabilized with a Binder Based on Alkali-Activated Recycled Glass Powder. Journal of Materials in Civil Engineering, 35(11), 04023394.‏
-Kavyani, Z., Ghorbanzadeh, N., Etesami, H., & Khalili Rad, M. (2025). Lead Immobilization in Contaminated Soil Through Phosphate Bioprecipitation with Immobilized Bacteria on Biochar Surface. Soil and Sediment Contamination: An International Journal. 1-18.‏
-Matsimbe, J., Dinka, M., Olukanni, D., & Musonda, I. (2022). Geopolymer: A systematic review of methodologies. Materials, 15(19), 6852.‏
-Miraki, H., Shariatmadari, N., Ghadir, P., Jahandari, S., Tao, Z., & Siddique, R. (2022). Clayey soil stabilization using alkali-activated volcanic ash and slag. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 14(2), 576-591.‏
-Premathilaka, K. K. W., Liyanapathirana, D. S., & Leo, C. J. (2026). A Novel Geopolymer-Based Composite Material from Recycled Waste Glass. Journal of Materials in Civil Engineering, 38(3), 04025584.‏
-Pu, Y., Sun, Q., Yang, J., Wang, H., Xu, X., Wang, J., & Zhan, M. (2024), "Pollution characteristics and risk assessment of heavy metals in the soil of a municipal solid waste landfill site. Soil and Sediment Contamination: An International Journal. 1-18.‏
-Ramezani, S. J., Toufigh, M. M., & Toufigh, V. (2023). Utilization of glass powder and silica fume in sugarcane bagasse ash-based geopolymer for soil stabilization. Journal of Materials in Civil Engineering, 35(4), 04023042.‏
-Siddika, A., Hajimohammadi, A., & Sahajwalla, V. (2022). Stabilization of pores in glass foam by using a modified curing-sintering process: sustainable recycling of automotive vehicles’ waste glass. Resources, Conservation and Recycling, 179, 106145.‏
-Silva, A. C. P. D., Rodrigues, K. H. D. P., Nalon, G. H., Pitanga, H. N., Silva, N. A. B., Silva, T. O. D., & Rodrigues, M. H. R. (2025). Mechanical Behavior of Geopolymers Containing Soil and Red Mud Stabilized by Alkali Activation. Buildings, 15(17), 3105.‏
-Tabaroei, A., & Bozorgvar, F. (2025). Mechanical and microstructural enhancement of clayey soils through recycled glass powder stabilization. Scientific Reports, 15(1), 36702.‏
-Wang, D., Sun, Q., Pu, Y., Wang, J., Xu, X., & Zhan, M. (2025). Characteristics and Predictive Analysis of Heavy Metal Pollution in Typical Municipal Solid Waste Landfill Soil. Soil and Sediment Contamination: An International Journal. 1-20
-Wassie, T. A., & Demir, G. (2024). Mechanical Strength and Microstructure of Soft Soil Stabilized with Cement, Lime, and Metakaolin‐Based Geopolymer Stabilizers. Advances in Civil Engineering, 2024(1), 6613742.‏
-Zhong, W. L., Zhang, Y. H., & Fan, L. F. (2023). High-ductile engineered geopolymer composites (EGC) prepared by calcined natural clay. Journal of Building Engineering, 63, 105456.
-Zhou, Y., et al. (2020). Carbide slag-based geopolymers: Synthesis, properties and applications. Materials & Design, 195, 108998.
پژوهشنامه حمل و نقل
دوره 23، شماره 3
پاییز 1405
صفحه 141-154