تثبیت ماسه بادی با استفاده از ژئوپلیمر با پایه سرباره آهن و نانوسیلیس

بهلولی, محمدهادی; امام, محمدرضا; خالقی, مرتضی

doi:10.22075/jtie.2023.29893.1637

تثبیت ماسه بادی با استفاده از ژئوپلیمر با پایه سرباره آهن و نانوسیلیس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

محمدهادی بهلولی ¹

محمدرضا امام ²

مرتضی خالقی ³

¹ دانشجوی ارشد ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران و محیط‌زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

² دانشیار، دانشکده مهندسی عمران و محیط‌زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

³ دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

10.22075/jtie.2023.29893.1637

چکیده

تثبیت بستر جاده‌ها در مناطقی که دارای خاک ماسه ای ریزدانه یا به اصطلاح ماسه بادی هستند امری ضروری است. از طرفی استفاده از روش های سنتی جهت انجام این کار با توجه به پیشرفت تکنولوژی و پدیدار شدن مصالح نوین که دوستدار محیط‌زیست هستند توجیهی ندارد. از این رو در سال های اخیر، یکی از دغدغه های محققان حوزه ژئوتکنیک این شده است که با آزمایش مواد مختلف، بهترین ماده تثبیت کننده را برای این منظور انتخاب کنند. امروزه مواد ژئوپلیمری به دلیل در دسترس بودن، کاهش مصرف انرژی و کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای، به ‌عنوان یکی از بهترین مواد دوستدار محیط‌زیست برای رسیدن به این هدف مطرح هستند. از طرفی با توسعه علم نانوتکنولوژی و پی بردن محققان به خواص آن‌ها، نانو مواد نیز می‌توانند در تهیه ژئوپلیمرها مورداستفاده قرار گیرند. محققان در گذشته راجع به تثبیت برخی از انواع خاک ها با استفاده از مصالح ژئوپلیمری مطالعاتی داشته اند لیکن استفاده از مواد ژئوپلیمری بر پایه سرباره آهن و در ترکیب با نانو سیلیس، جهت تثبیت خاک ماسه ای ریزدانه موضوعی است که در گذشته مورد بررسی قرار نگرفته و در این تحقیق به آن پرداخته شده است.

این تحقیق به مطالعه اثر افزودن صفر تا ۳ درصد نانو سیلیس به مخلوط خاک ماسه‌بادی با ۵ تا ۲۰درصد ژئوپلیمر بر پایه پوزولان صنعتی حاصل از سرباره کوره آهن‌گدازی می‌پردازد. جهت رسیدن به بهترین درصد تهیه اختلاط ژئوپلیمر، از ۵-۲۰درصد محلول قلیایی با محدوده غلظت ۴ تا ۱۲ مولار استفاده شده است. هم چنین نمونه‌ها در بازه زمانی عمل آوری ۱ تا ۲۸ روز مورد بررسی قرار گرفته اند. در این راستا با توجه به افزایش فاکتورهای مورد بررسی، جهت کاهش تعداد آزمایش ها، از روش تاگوچی برای بهینه سازی طرح آزمایش استفاده شده است.

کلیدواژه‌ها

تثبیت خاک

ژئوپلیمر

سرباره آهن

نانوسیلیس

موضوعات

روسازی

عنوان مقاله English

Stabilization of a dune sandy soil with steel-slag-based geopolymer and nanosilica

نویسندگان English

MohammadHadi Bohlouli ¹

MohammadReza Imam ²

Morteza Khaleghi ³

¹ Graduate Student of Geotechnics, Department of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, I. R. Iran.

² Associate Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, I. R. Iran.

³ PhD Candidate, Department of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, I. R. Iran.

چکیده English

It is necessary to stabilize the road bed in the areas that have fine-grained sand soil or the so-called dune sand. On the other hand, there is no justification for using traditional methods to do this, considering the advancement of technology and the emergence of new materials that are environmentally friendly. In the past years, the concern of researchers in the field of geotechnics has been to choose the best stabilizing material by testing different materials to determined the possible suitability for this purpose.

Today, geopolymer materials are considered as one of the best environmentally friendly materials due to their availability, reduced consumption of energy resources, and reduced production of greenhouse gases, and on the other hand, with the development of nanotechnology and researchers' understanding of their properties, nanomaterials can also be used in the preparation of geopolymers. be placed In the past, researchers have conducted studies on the stabilization of some types of soils using geopolymeric materials, but the use of geopolymeric materials based on iron slag and in combination with nano silica to stabilize fine sand soil is a subject that has not been studied in the past. This research has been addressed.

This research studies the effect of adding 0-3% of nano-silica to the mixture of sandy soil with 5-20% of geopolymer based on industrial pozzolan obtained from iron smelting furnace slag. In order to achieve the best percentage of preparation of geopolymer mixture, 5-20% alkaline solution with a concentration range of 4-12 M has been used, and the samples have been examined in the processing time of 1-28 days. In this regard, according to the increase of the investigated factors, Taguchi test design optimization method has been used to reduce the number of tests.

کلیدواژه‌ها English

Soil Stabilization

Geopolymer

Steel Slag

Nanosilica

Abdullah, H. H., Shahin, M. A. and Walske, M. L. 2019. “Geo-mechanical behavior of clay soils stabilized at ambient temperature with fly-ash geopolymer-incorporated granulated slag”. Soils Found., 59(6): 1906-1920.

Adak, D., Sarkar, M. and Mandal, S. 2017. “Structural performance of nano-silica modified fly-ash based geopolymer concrete”. Constr. Build. Mater., 135, 430-439.

Assaedi, H., Shaikh, F. and Low, I. M. 2016. “Effect of nano-clay on mechanical and thermal properties of geopolymer”. J. Asian Ceramic Soc., 4(1): 19-28.

Bowles, J. E. 1992. “Engineering properties of soils and their measurement”. McGraw-Hill, Inc.

Chiadikobi, K., Omoboriowo, A., Chiaghanam, O., Opatola, A. and Oyebanji, O. 2011. “Flood risk assessment of port harcourt, rivers state, Nigeria”. Adv. Appl. Sci. Res., 2(6): 287-298.

Choobbasti, A. J. and Kutanaei, S. S. 2017. “Microstructure characteristics of cement-stabilized sandy soil using nanosilica”. J. Rock Mech. Geotech. Eng., 9(5): 981-988.

Deb, P. S., Sarker, P. K. and Barbhuiya, S. 2015. “Effects of nano-silica on the strength development of geopolymer cured at room temperature”. Constr. Build. Mater., 101: 675-683.

Diaz, E., Allouche, E. and Eklund, S. 2010. “Factors affecting the suitability of fly ash as source material for geopolymers”. Fuel, 89(5): 992-996.

Fakhrabadi, A., Ghadakpour, M., Choobbasti, A. J. and Kutanaei, S. S. 2021. “Evaluating the durability, microstructure and mechanical properties of a clayey-sandy soil stabilized with copper slag-based geopolymer against wetting-drying cycles”. Bull. Eng. Geol. Environ., 80(6): 5031-5051.

Ghadir, P. and Ranjbar, N. 2018. “Clayey soil stabilization using geopolymer and Portland cement”. Constr. Build. Mater., 188: 361-371.

Han, Q., Zhang, P., Wu, J., Jing, Y., Zhang, D. and Zhang, T. 2022. “Comprehensive review of the properties of fly ash-based geopolymer with additive of nano-SiO2”. Nanotech. Reviews, 11(1): 1478-1498.

Khater, H. M. 2016. “Effect of nano-silica on microstructure formation of low-cost geopolymer binder”. Nanocompos., 2(2): 84-97.

Ladd, R. S. 1978. “Preparing Test Specimen using Undercompaction”. Geotechnical Testing Journal, 1(1): 16-23. http://dx.doi.org/10.1520/GTJ10364J

Luo, Y., Meng, J., Wang, D., Jiao, L. and Xue, G. 2022. “Experimental study on mechanical properties and microstructure of metakaolin based geopolymer stabilized silty clay”. Constr. Build. Mater., 316: 125662.

Naskar, S. and Chakraborty, A. K. 2016. “Effect of nano materials in geopolymer concrete”. Perspect. Sci., 8: 273-275.

Noolu, V., Rao, G. M. and Chavali, R. V. P. 2021. “Strength and durability characteristics of GGBS geopolymer stabilized black cotton soil”. Mater. Today: Proc., 43: 2373-2376.

Phummiphan, I., Horpibulsuk, S., Rachan, R., Arulrajah, A., Shen, S.-L. and Chindaprasirt, P. 2018. “High calcium fly ash geopolymer stabilized lateritic soil and granulated blast furnace slag blends as a pavement base material”. J. Hazard. Mater., 341: 257-267.

Rivera, J. F., Orobio, A., Cristelo, N. and de Gutiérrez, R. M. 2020. “Fly ash-based geopolymer as A4 type soil stabiliser”. Transpo. Geotech., 25: 100409.

Sahoo, S. and Singh, S. P. 2022. “Strength and durability properties of expansive soil treated with geopolymer and conventional stabilizers”. Constr. Build. Mater., 328: 127078.

Singhi, B., Laskar, A. I. and Ahmed, M. A. 2016. “Investigation on soil-geopolymer with slag, fly ash and their blending”. Arab. J. Sci. Eng., 41(2): 393-400.

Stephanie Fraley, J. Z., Oom, M. and Terrien, B. 2022. “Design of experiments via Taguchi methods- Orthogonal arrays”. LibreTexts-Engineering.

Sukprasert, S., Hoy, M., Horpibulsuk, S., Arulrajah, A., Rashid, A. S. A. and Nazir, R. 2021. “Fly ash based geopolymer stabilisation of silty clay/blast furnace slag for subgrade applications”. Road Mater. Pavement Design, 22(2): 357-371.

Wang, S., Xue, Q., Zhu, Y., Li, G., Wu, Z. and Zhao, K. 2021. “Experimental study on material ratio and strength performance of geopolymer-improved soil”. Constr. Build. Mater., 267: 120469.