مطالعه آزمایشگاهی تأثیر افزودنی پودر آهن بر افزایش مقاومت فشاری خاک رسی بنتونیت

یوسفی, حامد; مرندی, سید مرتضی; حمیدی, صلاح الدین

doi:10.48301/kssa.2025.520844.3216

مطالعه آزمایشگاهی تأثیر افزودنی پودر آهن بر افزایش مقاومت فشاری خاک رسی بنتونیت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان

حامد یوسفی ¹

سید مرتضی مرندی ²

صلاح الدین حمیدی ³

¹ دانشجوی دکتری، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر، کرمان، ایران.

² استاد، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر، کرمان، ایران.

³ استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران.

10.48301/kssa.2025.520844.3216

چکیده

وجود خاک‌های رسی نرم در نقاط مختلف سطح زمین و نیز دارا بودن ویژگی‌های ژئوتکنیکی ضعیف این نوع خاک‌ها، از جمله مقاومت کم و تراکم‌پذیری زیاد، در اغلب اوقات اجرای سازه‌های مختلف بر روی این نوع خاک‌ها را با مشکل مواجه خواهد ساخت. ناپایداری حجمی خاک‌های رسی در اثر تغییرات رژیم آب‌های زیرزمینی می‌تواند آسیب جدی به سازه‌های احداث شده بر روی این نوع خاک‌ها وارد نماید. در همین راستای به منظور بهبود عملکرد این خاک‌ها، به روش‌های متناسب بهسازی می-گردند. در پژوهش حاضر جهت تثبیت خاک رس بنتونیت از افزودنی‌های پودر آهن دورریز و سیمان استفاده شد. نمونه‌های تهیه شده در دو بازه زمانی 7 و 28 روزه عمل‌آوری شده و آزمایش‌های دانه‌بندی، حدود اتربرگ و مقاومت فشاری تک محوری بر روی نمونه‌ها انجام شد. نتایج بدست آمده نشان داد که مقاومت فشاری تک محوری نمونه‌های 28 روزه در نمونه‌هایی که فقط با سیمان و یا فقط با پودر آهن تثبیت شده بود به ترتیب 6 و 12 برابر نمونه‌های 7 روزه بود. همچنین مقدار درصد بهینه پودر آهن و سیمان، به ترتیب 10 و 20 درصد وزنی خشک خاک بنتونیت تعیین شد. نتایج پژوهش بواسطه‌ی استفاده از دورریزهای مضر پودر آهن که باعث آلودگی محیط زیست و بخصوص آلودگی شدید هوا می‌شود از دیدگاه زیست‌محیطی بسیار حائز اهمیت بوده و در پروژه‌هایی که بر روی خاک رس سست اجرا می‌شود کاربرد خواهد داشت.

کلیدواژه‌ها

بنتونیت

تثبیت خاک

پودر آهن

خاک رس

مقاومت فشاری تک‌محوری

موضوعات

مهندسی عمران (ژئوتکنیک)

عنوان مقاله English

Laboratory Study on The Effect of Iron Powder Additive on Increasing the Compressive Strength of Bentonite Clay Soil

نویسندگان English

hamed yousefi ¹

Seyed Morteza Marandi ²

salaheddin hamidi ³

¹ PhD Candidate of Civil Engineering Department, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.

² Professor of Civil Engineering Department, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.

³ Assistant Professor of Civil Engineering, Kaboudarahang Faculty of Technology and Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran.

چکیده English

The presence of soft clay soils in different parts of the land and their poor geotechnical properties, such as low strength and high compressibility, pose significant challenges in construction over these soils. Volumetric instability of clay soils due to changes in the groundwater regime can cause serious damage to structures built upon them. To improve the performance of these soils, suitable methods should be employed. In this study, waste iron powder and cement additives were used to stabilise bentonite clay soil. The prepared samples were cured for 7 and 28 days, and tests including grain-size distribution, Atterberg limits, and uniaxial compressive strength were conducted. The results show that the uniaxial compressive strength of the 28-day samples was 6 and 12 times greater than that of the 7-day samples when stabilised with cement alone or iron powder alone, respectively. Additionally, the optimal percentages of iron powder and cement were 10% and 20% of the dry weight of the bentonite clay soil. These findings are particularly important from an environmental perspective, given the utilisation of waste iron powder, which otherwise causes environmental pollution, for soft clay soil stabilisation, and will be beneficial for projects constructed over such soils.

کلیدواژه‌ها English

Bentonite

Soil Stabilisation

Iron Powder

Clay Soil

Uniaxial Compressive Strength

[1] Kirsch, K., & Bell, A. (2012). Ground Improvement. 3rd ed. London: CRC Press. https://doi.org/10.1201/b13678.

[2] Ouhadi, V. R., Yong, R. N., Amiri, M., & Ouhadi, M. H. (2014). Pozzolanic consolidation of stabilized soft clays. Applied Clay Science, 95, 111-118. https://doi.org/10.1016/j.clay.2014.03.020 .

[3] Pourakbar, S., & Huat, B. K. (2017). A review of alternatives traditional cementitious binders for engineering improvement of soils. International Journal of Geotechnical Engineering, 11(2), 206-216. https://doi.org/10.1080/19386362.2016.1207042.

[4] Hamidi, S., & Marandi, S. M. (2018). Clay concrete and effect of clay minerals types on stabilized soft clay soils by epoxy resin. Applied Clay Science, 151, 92-101. https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.10.010.

[5] Bhavita Chowdary, V., Ramanamurty, V., & Pillai, R. J. (2020). Experimental evaluation of strength and durability characteristics of geopolymer stabilised soft soil for deep mixing applications. Innovative Infrastructure Solutions, 6(1), 40. https://doi.org/10.1007/s41062-020-00407-7.

[6] Chowdary, B., Ramanamurty, V., & Pillai, R. J. (2020). Fiber reinforced geopolymer treated soft clay – An innovative and sustainable alternative for soil stabilization. Materials Today: Proceedings, 32, 777-781. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.574.

[7] Corrêa-Silva, M., Miranda, T., Rouainia, M., Araújo, N., Glendinning, S., & Cristelo, N. (2020). Geomechanical behaviour of a soft soil stabilised with alkali-activated blast-furnace slags. Journal of Cleaner Production, 267, 122017. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122017.

[8] Imane, I., Souhila, R. B., Riad, B., & Inas, B. (2021). Use of Biopolymers in the Stabilization of Clay Soils. Selected Scientific Papers - Journal of Civil Engineering, 16(2), 37-53. https://doi.org/10.2478/sspjce-2021-0015.

[9] Yousefi, H., & Marandi, S. M. (2022). The Effect of Geo-grid Plates on Vertical Displacement and Shearing Force on Foundation Using Finite Element Method and Two-dimensional PLAXIS Software. Karafan Journal, 19(3), 461-476. https://doi.org/10.48301/Kssa.2021.275662.1411. (In Persian)

[10] Hatefi, M. H., Arabani, M., Payan, M., & Zanganeh Ranjbar, P. (2024). The influence of volcanic ash (VA) on the mechanical properties and freeze-thaw durability of lime kiln dust (LKD)-stabilized kaolin clayey soil. Results in Engineering, 24, 103077. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.103077.

[11] Saride, S., & Dutta, T. (2016). Effect of Fly-Ash Stabilization on Stiffness Modulus Degradation of Expansive Clays. Journal of Materials in Civil Engineering, 28. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001678.

[12] Alnaas, F., Abdelrahman, S., & Altalhe, E. (2022). Comparative Assessment of Using Glass Powder and Aluminum Waste to Improve Unconfined Strength of Clay Soil. International Journal of Science and Research (IJSR), Volume 11(Issue 9), pp. 808-812. https://www.doi.org/10.21275/SR22915033452.

[13] Debnath, D., & Chouksey, S. (2022). Experimental study of strength behavior of soft soil stabilised with alkali activated copper slag. Materials Today: Proceedings, 65. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.07.106. ‏

[14] Turan, C., Javadi, A. A., Vinai, R., & Russo, G. (2022). Effects of Fly Ash Inclusion and Alkali Activation on Physical, Mechanical, and Chemical Properties of Clay. Materials, 15(13). https://doi.org/10.3390/ma15134628.

[15] Mohammadzadeh, M., Toufigh, M., & Toufigh, V. (2022). Durability and Strength of Geopolymer with Recycled Glass Powder Base for Clay Stabilization. KSCE Journal of Civil Engineering, 27. https://doi.org/10.1007/s12205-022-0681-5.

[16] Jafari, M. M., Bagheripour, M. H., & Lakzadeh, M. (2022). Experimental Study of the Effect of Polypropylene Fiber on Mechanical Properties of Lime and Cement Stabilized Soil. Karafan Journal, 19(1), 59-81. https://doi.org/10.48301/kssa.2021.278961.1449. (In Persian)

[17] Umar, I., Lin, H., & Ibrahim, A. (2023). Laboratory Testing and Analysis of Clay Soil Stabilization Using Waste Marble Powder. Applied Sciences, 13, 9274. https://doi.org/10.3390/app13169274.

[18] Bakam, D. L., Miao, Y.-H., Illo, F., Nidelle Sausten, F., & Gnanba Joelle Loic, A. (2023). Experimental Study on Strength Behaviour of Fly Ash and Eggshell Powder Stabilized Soft Clay. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.26722.09927.

[19] Aghayan, Z., & Dabiri, R. (2024). The Effect of Lime and Coal Ash Mixture on the Geotechnical Properties of Clay for use in Engineering Embankments. jeg, 18(3), 382-410. https://doi.org/10.22034/JEG.2024.18.3.10140410. (In Persian)

[20] Chaudhary, V., Yadav, J. S., & Dutta, R. K. (2024). Impact of Nano-Silica and Cement on Geotechnical Properties of Bentonite Soil. Indian Geotechnical Journal, 54(4), 1420-1437. https://doi.org/10.1007/s40098-023-00816-2.

[21] Parvaresh, R., Dabiri, R., & Ebrahimi Asl, S. (2024). Effect of Nano-Cement Particles on the Geotechnical Properties of Dune Sand-Bentonite Mixtures. Ferdowsi Civil Engineering, 37(2), 1-24. https://doi.org/10.22067/jfcei.2024.82076.1225. (In Persian)

[22] American Society for Testing and Materials. (2016). Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil (ASTM D2166-16). ASTM. https://store.astm.org/d2166_d2166m-16.html.

[23] Golchinfar, N., & Abbasi, N. (2014). The Effects of Freezing and Thawing Cycles on Mechanical Properties of Fine-grained Soils Stabilized with Lime and Reinforced with Polypropylene Fiber. Amirkabir Journal of Civil Engineering, 45(2), 1-12. https://doi.org/10.22060/ceej.2014.306. (In Persian)

[24] Karaca, Z., & Onargan, T. (2012). A new approach to stone deformation: stone deformability index. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Construction Materials, 165(3), 189-195. https://doi.org/10.1680/coma.9.00031.