تأثیر الیاف بازالت و پلی‌پروپیلن بر مقاومت فشاری محدودنشده خاک رسی تثبیت‌شده با سیمان

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه عمران، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

2 استادیار، گروه عمران، واحد نجف‌ آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

3 استادیار، گروه عمران، واحد گنبد کاووس، دانشگاه آزاد اسلامی، گنبد کاووس، ایران

چکیده

با وجود مطالعات گسترده صورت گرفته در زمینه تثبیت شیمیایی معمولی با استفاده از سیمان، آهک، خاکستر بادی و غیره، تاکنون پژوهش‌های محدودی در مورد مقایسه رفتار مکانیکی خاک‌های تثبیت‌شده با سیمان و انواع مختلف الیاف انجام شده است. استفاده از الیاف در خاک فرصت­های جدیدی را برای بهبود خصوصیات شکل­پذیری و مقاومتی خاک­های ضعیف و نرم فراهم می‌کند. هدف اصلی از این تحقیق، بررسی تأثیر زمان عمل‌آوری، میزان رطوبت اولیه و درصد الیاف پلی‌پروپیلن (PPF) یا الیاف بازالت (BF) با یا بدون افزودن سیمان بر مقاومت فشاری محدودنشده (UCS) خاک رس است. نسبت‌های مختلفی از PPF یا BF با یا بدون سیمان به خاک رس اضافه شده و تأثیر آنها بر UCS مورد ارزیابی قرار گرفته شده است. نتایج این مطالعه نشان داد که افزودن سیمان، PPF یا BF به خاک باعث افزایش قابل توجه مقاومت می شود. این افزایش برای تثبیت با سیمان برابر با 144 درصد، و همچنین برای تسلیح با الیاف PPF و BF به ترتیب برابر با 120 و 72 درصد بدست آمد،  همچنین مشاهده شد مقاومت نمونه‌های تقویت‌شده با PPF برای یک درصد خاص از الیاف، در حدود 5 برابر بیشتر از نمونه­های تقویت‌شده با BF است.  با افزایش مقدار سیمان و زمان عمل‌آوری، مقاومت نمونه‌ها منجر  به افزایش این مقاومت تا حدود 80 درصد گردید. با این حال، کرنش محوری در لحظه گسیختگی برای نمونه‌های تثبیت‌شده با سیمان با افزایش زمان عمل­آوری به میزان 26 درصد کاهش یافت. علاوه بر این، ترکیب PPF یا BF با سیمان موجب افزایش بیشتر مقاومت تک‌محوری نسبت به حالت­های جداگانه الیاف و سیمان تا 7 درصد گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Basalt and Polypropylene Fibers on Unconfined Compressive Strength of a Cement-Stabilized Clay Soil

نویسندگان [English]

  • Seyed Hadi Sahlabadi 1
  • Meysam Bayat 2
  • Mohsen Mousivand 3
  • Mohsen Saadat 2
1 Department of Civil Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
2 Department of Civil Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
3 Department of Civil Engineering, Gonbad Kavoos Branch, Islamic Azad University, Gonbad Kavoos, Iran
چکیده [English]

In the current study, the polypropylene fiber (PPF) and basalt fiber (BF) were used to enhance the shear strength of natural soil or cement stabilized soil specimens. The main objective of this research is investigating the effect of curing time, initial moisture content and PPF or BF with or without the addition of cement on the unconfined compressive strength (UCS) of clayey soil. It is found out that adding cement, PPF or BF to soil causes a remarkable increase in the UCS value. The UCS value of the PPF-reinforced specimens was observed more than that of BF-reinforced specimens. The UCS of specimens increases gradually as the cement content or curing time increases. However, the axial strain at failure for cement-stabilized specimens decreased with the increasing curing time. Furthermore, it is concluded that the increase in the UCS of combined PPF or BF and cement inclusions is much more than the increase caused by them, individually. The fiber-reinforced specimens show a more ductile behavior than the natural soil or cement-stabilized specimens. The inclusion of fibers within the cement-stabilized specimens reduces the brittleness of the response and increases the UCS and axial strain at failure, significantly. The increase in the UCS of combined fiber and cement specimens is much more than the increase caused by fiber or cement, individually.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polypropylene Fiber
  • Basalt Fiber
  • Cement
  • Unconfined Compressive Strength
  • Stabilization of Clayey Soil
- اسماعیلی، ع.، قلعه‌نوی، م. (1391) "اثر الیاف نخل خرما و آهک به عنوان ثبیت کننده طبیعی بر خصوصیات مکانیکی خشت (در شرایط محیطی با 35 درصد رطوبت)"، مسکن و محیط روستا، جلد 31، شماره 138، ص. 53-68.
 
- قربانی، علی.، سلیم زاده شوئیلی، میثم. (1397) "تثبیت خاک ماسه ای با استفاده از سیمان و خاکستر پوسته برنج و مسلح شده توسط الیاف پلی پروپیلن"، مهندسی عمران مدرس، جلد ۱۸، شماره ۵، ص. ۱۶۵-۱۷۶.
 
- کاووسی، ا.، صائبی، ج. (1395) "تثبیت خاک نامرغوب ساحلی با استفاده از سیمان و الیاف نخل خرما برای بستر روسازی‌ها"، مهندسی زیرساخت‌های حمل و نقل، جلد 2، شماره 4، ص. 61-72.
 
- محمدی، مسعود.، توفیق، وحید. (1395) "بررسی آزمایشگاهی تثبیت و تسلیح ماسه با استفاده از الیفا و اپوکسی رزین"، مجله مهندسی زیرساخت‌های حمل و نقل، جلد 2، شماره 1، ص. 103-118.
 
- مقدس، م.، رئیسی استبرق، ع.، سلطانی، ا. (1398) "ارائه معادلات تئوریک برای برآورد مقاومت فشاری و کششی خاک و خاک-سیمان مسلح شده"، نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد 13، شماره 1، ص. 155-184.
 
-Al Adili, A., Azzam, R., Spagnoli, G., & Schrader, J. (2012) “Strength of soil reinforced with fiber materials (Papyrus)”, Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 48, No. 6, pp. 241–247.
 
-Anagnostopoulos, C. A., Papaliangas, T. T., Konstantinidis, D., & Patronis, C. (2013) “Shear Strength of Sands Reinforced with Polypropylene Fibers”, Geotechnical and Geological Engineering, Vol. 31, No. 2, pp. 401–423.
 
-Aryal, S., & Kolay, P. K. (2020) “Long-Term Durability of Ordinary Portland Cement and Polypropylene Fibre Stabilized Kaolin Soil Using Wetting–Drying and Freezing–Thawing Test”, International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering, Vol. 6, No. 1, pp.1-15. https://doi.org/10.1007/s40891-020-0191-9
 
-Asgari, M. R., Baghebanzadeh Dezfuli, A., & Bayat, M. (2015) “Experimental study on stabilization of a low plasticity clayey soil with cement/lime”, Arabian Journal of Geosciences, Vol. 8, No. 3, pp. 1439–1452. https://doi.org/10.1007/s12517-013-1173-1
 
-Bayat, M., Asgari, M. R., & Mousivand, M. (2013) “Effects of cement and lime treatment on geotechnical properties of a low plasticity clay”, International Conference on Civil Engineering Architecture & Urban Sustainable Development 27&28 November 2013, Tabriz, Iran Effects.
 
-Bayat, M., & Ghalandarzadeh, A. (2019) “Influence of Depositional Method on Dynamic Properties of Granular Soil”, International Journal of Civil Engineering, Vol. 17, No. 6, pp. 907–920.
 
-Consoli, N. C., Montardo, J. P., Marques Prietto, P. D., & Pasa, G. S. (2002) “Engineering behavior of a sand reinforced with plastic waste”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 128, No. 6, pp. 462–472.
https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2002) 128:6(462)
-Ding, M., Zhang, F., Ling, X., & Lin, B. (2018) “Effects of freeze-thaw cycles on mechanical properties of polypropylene Fiber and cement stabilized clay”, Cold Regions Science and Technology, Vol. 154, No.1, pp. 155–165.
https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2018.07.004
-Freitag, D. R. (1986) “Soil randomly reinforced with fibers”, Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 112, No. 8, pp. 823–826. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9410(1986) 112:8(823)
 
-Gao, L., Hu, G., Xu, N., Fu, J., Xiang, C., & Yang, C. (2015) “Experimental Study on Unconfined Compressive Strength of Basalt Fiber Reinforced Clay Soil”, Advances in Materials Science and Engineering. vol. 2015, Article ID 561293, 8 pages, 2015. https://doi.org/10.1155/2015/ 561293
 
-Ghadir, P., & Ranjbar, N. (2018) “Clayey soil stabilization using geopolymer and Portland cement”, Construction and Building Materials, Vol. 188, No. 1, pp. 361–371. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.07.207
 
-Jiang, H., Cai, Y., & Liu, J. (2010) “Engineering properties of soils reinforced by short discrete polypropylene fiber”, Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 22, No. 12, pp. 1315–1322.
https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533. 0000129
 
-Kravchenko, E., Liu, J., Krainiukov, A., & Chang, D. (2019) “Dynamic behavior of clay modified with polypropylene fiber under freeze-thaw cycles”, Transportation Geotechnics, Vol. 21, No. 1, pp.  100282 https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2019.100282
 
-Kumar, A., & Gupta, D. (2016) “Behavior of cement-stabilized fiber-reinforced pond ash, rice husk ash-soil mixtures”, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 44, No. 3, pp. 466–474. https://doi.org/10.1016/j.geotexmem.2015.07.010
 
-Ladd, R. S. (1974) “Specimen Preparation and Cyclic Stability of Sands”, J. Geotech. Eng. Div., Vol. 100, No. 10, pp. 1180–1184. https://doi.org/10.1016/0148-9062(77)90769-0
 
-Lin, S., Lei, X., Meng, Q., & Xu, J. (2019) “Properties of biocemented, basalt-fibre-reinforced calcareous sand”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Ground Improvement, 1–9. https://doi.org/10.1680/jgrim.19.00023
 
-Lv, X., Zhou, H., Liu, X., & Song, Y. (2019) “Experimental study on the effect of basalt fiber on the shear behavior of cemented sand”, Environmental Earth Sciences, Vol. 78, No. 24, pp. 1–13.
 
-Ma, Q., & Gao, C. (2018) “Effect of basalt fiber on the dynamic mechanical properties of cement-soil in SHPB Test”, Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 30, No. 8, pp. 1–10. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533. 0002386
 
-Mirzababaei, M., Arulrajah, A., Horpibulsuk, S., Soltani, A., & Khayat, N. (2018) “Stabilization of soft clay using short fibers and poly vinyl alcohol”, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 46, No. 5, pp. 646–655. https://doi.org/10.1016/j.geotexmem.2018 .05.001
 
-Ndepete, C. P., & Sert, S. (2016) “Use of basalt fibers for soil improvement”, Acta Physica Polonica A, Vol. 130, No. 1, pp. 355–356. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.130.355
 
-Puppala, A. J., & Musenda, C. (2000) “Effects of fiber reinforcement on strength and volume change in expansive soils”, Transportation Research Record, Vol. 1736, No.1, pp. 134–140. https://doi.org/10.3141/1736-17
 
-Sharma, R. (2018) “Laboratory study on sustainable use of cement–fly ash–polypropylene fiber-stabilized dredged material”, Environment, Development and Sustainability, Vol. 20, No. 5, pp. 2139–2159. https://doi.org/10.1007/s10668-017-9982-0
 
-Shihata, S. A., & Baghdadi, Z. A. (2001) “Simplified method to assess freeze-thaw durability of soil cement”, Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 13, No. 4, pp. 243–247. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(2001) 13:4(243)
 
-Tang, C., Shi, B., Gao, W., Chen, F., & Cai, Y. (2007) “Strength and mechanical behavior of short polypropylene fiber reinforced and cement stabilized clayey soil”, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 25, No. 3, pp. 194–202. https://doi.org/10.1016/j.geotexmem. 2006.11.002
 
-Tanzadeh, R., Tanzadeh, J., honarmand, M., & Tahami, S. A. (2019) “Experimental study on the effect of basalt and glass fibers on behavior of open-graded friction course asphalt modified with nano-silica”, Construction and Building Materials, Vol. 212, No. 1, pp. 467–475. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat. 2019.04.010
 
-Tomar, A., Sharma, T., & Singh, S. (2020) “Strength properties and durability of clay soil treated with mixture of nano silica and Polypropylene fiber”, Materials Today: Proceedings, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.239
 
-Wang, D., Wang, H., Larsson, S., Benzerzour, M., Maherzi, W., & Amar, M. (2020) “Effect of basalt fiber inclusion on the mechanical properties and microstructure of cement-solidified kaolinite”, Construction and Building Materials, Vol. 241, pp. 118085. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118085
 
-Yang, B. han, Weng, X. zhong, Liu, J. zhong, Kou, Y. nan, Jiang, L., Li, H. lei, & Yan, X. cheng. (2017) “Strength characteristics of modified polypropylene fiber and cement-reinforced loess”, Journal of Central South University, Vol. 24, No. 3, pp. 560–568. https://doi.org/10.1007/s11771-017-3458-0
 
-Yilmaz, Y., & Ozaydin, V. (2013) “Compaction and shear strength characteristics of colemanite ore waste modified active belite cement stabilized high plasticity soils”, Engineering Geology, Vol. 155, No. 1, pp. 45–53. https://doi.org/10.1016/j.enggeo. 2013.01.003
 
-Zaimoglu, A. S. (2010) “Freezing-thawing behavior of fine-grained soils reinforced with polypropylene fibers”, Cold Regions Science and Technology, Vol. 60, No. 1, pp. 63–65. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2009.07.001
 
-Zhang, X., Gu, X., Lü, J., & Zhu, Z. (2016) “Experiment and simulation of creep performance of basalt fibre asphalt mortar under uniaxial compressive loadings”, Journal of Southeast University (English Edition), Vol. 32, No. 4, pp. 472–478. https://doi.org/10.3969/j.issn.1003-7985.2016.04.013