شماره ركورد
33804
پديد آورنده
محمد حيدر
عنوان
ارائه مدلي براي كاهش ضخامت لايههاي روسازي با تثبيت بستر ضعيف ماسهاي با استفاده از ژئوپليمر
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي- دوره پرديس دانشگاهي
رشته تحصيلي
راه و ترابري
سال تحصيل
1399
تاريخ دفاع
1404/6/24
استاد راهنما
حسن زياري
استاد مشاور
علاء شعبان
دانشكده
مهندسي عمران
چكيده
تثبيت و بهبود خاكهاي ضعيف و با دانهبندي نامطلوب در پروژههاي راهسازي يك فناوري پركاربرد و ارزشمند است. با توجه به اثرات مخرب زيستمحيطي و هزينههاي گزاف مرتبط با صنعت سيمان، محققان بهدنبال يافتن جايگزينهاي طبيعي، پايدار و كم كربن براي سيمان پرتلند به منظور تثبيت خاكها هستند. اين مطالعه تحقيقاتي اثر استفاده از ضايعات صنعتي (خاكستر لجن كاغذ (PSA)) و مواد پوزولاني طبيعي (متاكائولين (MK)) را در نسبتهاي مختلف براي تثبيت خاك (SP)، بهبود خواص مكانيكي و ايجاد روسازي پايدار بررسي ميكند. در اين پژوهش، تأثير افزودن مقادير مختلف MK و PSA (5، 10 و 15 درصد) بر خواص مكانيكي خاك بررسي شد. علاوه بر اين، آزمايشهاي ژئوتكنيكي با استفاده از آزمايش مقاومت فشاري تكمحوري (UCS)، مدول يانگ (Es)، نسبت باربري كاليفرنيا (CBR) و آزمايش برش مستقيم (DST)، عملكرد مقاومت خاك تثبيتشده با ژئوپليمر را ارزيابي كردند. همچنين ريز ساختار خاك تثبيتشده و كاني شناسي شيميايي با استفاده از SEM و XRD مورد بررسي قرار گرفت. همچنين، هدف از اين تحقيق اندازهگيري ضريب عكس العمل خاك بستر (Ks) با توسعه و ساخت يك دستگاه آزمايشگاهي به همراه يك قالب فولادي است كه براي شبيهسازي شرايط طبيعي انجام آزمايشهاي بار صفحه استاتيكي غير تكراري بر خاك بستر ماسهاي طراحي شده است. علاوه بر اين، رفتار كرنش دائمي و ضريب برجهندگي خاك بستر و لايههاي خاك تثبيتشده با ژئوپليمر تحت بارهاي چرخهاي ايجاد شده با انجام آزمايشهاي بارگذاري صفحه استاتيك تكراري مورد ارزيابي قرار گرفت. اين تحقيق متغيرهايي از جمله مدت زمان عملآوري (1، 3، و 7 روز)، درصد بهينه MK و PSA و نوع و غلظت فعالكنندههاي قليايي (NaOH يا Na2SiO3) را مورد تجزيه و تحليل قرار داد. نتايج نشان ميدهد نمونههايي كه با 10 درصد MK و NaOH تثبيتشدهاند، بهطور قابلتوجهي مقاومت فشاري بالاتري (2936 كيلوپاسكال) از نمونههاي تثبيتشده با 10 درصدMK و Na2SiO3 كه (447 كيلوپاسكال) داشتند كه نشاندهنده ساختار متراكمتر و كمتخلخلتر (خاك تثبيتشده با سختي بهبوديافته) اين نمونهها ميباشد. تجزيه و تحليل ريز ساختاري نمونهها نشان داد كه افزودن 10 درصد MK، باعث ساختار متراكمتر و همگنتر خاكهاي تثبيتشده ميشوند. از سوي ديگر، نمونههاي خاك بهبود يافته با ژئوپليمرهاي PSA و Na2SiO3 مقادير UCS، Es و CBR بالاتري را نشان دادند كه منجر به بهبود استحكام ناشي از افزايش تشكيل ژل N-A-S-H و C-A-S-H در بين ذرات خاك ماسهاي شد. در مقابل، محلول NaOH مقاومت نمونههاي خاك تثبيتشده با ژئوپليمر را افزايش داد. نتايج نشان داد كه خاك تثبيتشده با ژئوپليمر منجربه به بهبود قابل توجهي بر مقاومت در برابر تغيير شكل دائمي ميشود كه باعث افزايش ضريب برجهندگي شده است. بررسي كاني شناسي، غلظت بالايي از آهك و آلومينات مكعبي را نشان ميدهد كه ممكن است مواد پوزولاني سيماني فعال باشد. اين تحقيق نشان ميدهد كه MK و يا PSA تواني قابل توجهي به منظور تثبيت خاك ماسهاي و بهبود طراحي و نگهداري روسازيها و زيرساختها در مناطق با خاك ضعيف را دارند. علاوه بر اين، با تجزيه و تحليل با استفاده نرم افزار KENPAVE كه تمامي موارد مشخص ميشود كه Case VI (سيستم متشكل از 5/7% MK و 5/2% PSA با 90% خاك بستر) و Case Ⅶ (سيستم متشكل از 0/5 %MK + 0/5 % PSAبا 90% خاك بستر) كارآمدترين و بهترين سيستم است. اين سيستم دوام، پايداري، مقاومت در برابر سايش و بالاترين عمر طولاني روسازي را با هم تركيب ميكند و آن را براي ارائه روسازي پايدار و كارآمد از نظر اقتصادي ايدهآل ميكند. در نهايت، نتايج نشان ميدهد كه كاهش ضخامت لايههاي روسازي به كنترل دقيق مدول الاستيك لايه خاك زيرسازي، كيفيت مواد پوزولاني و غلظت محلول قليايي بستگي دارد. يك رابطه خطي دقيق بين اين متغيرها و مدول الاستيسيته (67/167 + x 5/68 = Es) به دست آمد كه امكان تخمين دقيق ضخامت مورد نياز را فراهم ميكند. اين مدل تنها يك ابزار محاسباتي نيست، بلكه يك چارچوب تحليلي موثر براي طراحي روشهاي پايداري است كه اتكا به مواد سنتي را كاهش ميدهد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/07/14
عنوان به انگليسي
Presenting a model to reduce the thickness of pavement layers by stabilizing weak sand subgrade using geopolymer
تاريخ بهره برداري
9/15/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمد حيدر
چكيده به لاتين
Stabilizing and improving weak and poorly graded soils in road construction projects is a widely used and highly interesting technology. Due to the detrimental ecological impacts and the exorbitant expenses associated with the cement industry, researchers have sought to find natural, sustainable, low-carbon alternatives to Portland cement for soil stabilization. This research study examines the effect of using industrial waste (paper sludge ash (PSA)) and natural pozzolanic materials (metakaolin (MK)) in different proportions to stabilize (SP) soil, improve mechanical properties, and support sustainable pavement. The research investigated the effect of different amounts of addition MK and PSA (5, 10, and 15%) on the soilʹs mechanical properties. Furthermore, geotechnical tests using the unconfined compressive strength test (UCS), Youngʹs modulus (Es), California bearing ratio (CBR), and a direct shear test (DST) assessed the performance and strength development of geopolymer-stabilized soil. The stabilized soilʹs microstructure and chemical mineralogy were also examined using SEM and XRD. This research also aims to measure the subgrade reaction modulus (Ks) by developing and manufacturing a laboratory testing apparatus and steel mold to simulate the natural conditions of sandy subgrade soil obtained from performing nonrepetitive static plate load tests. In addition, the permanent strain behavior and resilient modulus of the subgrade soil and geopolymer-stabilized soil layers were evaluated under cyclic loads generated by performing repeated static plate loading tests. The research analysed variables including curing duration (1, 3, and 7 days), MK or PSA concentration (5, 10, and 15%), and the type and concentration of alkaline activators (NaOH or Na₂SiO₃). The results indicate that the soil samples that were stabilized with MK 10% and NaOH had notably higher compressive strength (2936 kPa), indicating a denser and less porous structure (improved stiffness stabilized soil) in comparison to the soil samples stabilized with MK 10% and Na2SiO3 which was (447 kPa). Microstructural analysis showed that, due to the addition of 10% MK, stabilized soils have a denser and more homogeneous structure. This, on the other hand, Soil samples treated with PSA and Na₂SiO₃ geopolymers showed higher UCS, Es, and CBR values, leading to improved strength from increased N-A-S-H and C-A-S-H gel formation among sand soil particles. On the contrary, the NaOH solution enhanced the strength parameter of geopolymer-stabilized soil samples. The results showed that geopolymer-stabilized soil significantly improved its resistance to permanent deformation after applying loads. The mineralogical examination also shows a high concentration of lime and cubic aluminate, which may be active cementitious pozzolanic material. This research reflects that MK and/or PSA have promising potential to stabilize sandy soil and improve the design and maintenance of roads and infrastructure in areas with weak soils. Furthermore, by analyzing all the cases using KENPAVE software, it is determined that Case VI (system consisting of 7.5% MK and 2.5% PSA with 90% subgrade soil) and Case Ⅶ (system consisting of 5.0% MK + 5.0% PSA with 90% subgrade soil) are the most efficient and best systems. This system combines durability, stability, abrasion resistance and the highest pavement longevity, making it ideal for providing economically efficient and sustainable pavement. Finally, Results indicate that reducing pavement layer thickness depends on precise control of the modulus of elasticity of the subgrade soil, the quality of pozzolanic material, and the concentration of alkaline solution. A highly accurate linear relationship was established between these variables and the modulus of elasticity (Es = 68.5x + 167.67) enabling precise estimation of required thickness. This model is not merely a computational tool but an effective analytical framework for sustainable pavement design, significantly reducing reliance on conventional materials.
كليدواژه هاي فارسي
متاكائولين , ضريب عكس العمل خاك بستر , خاكستر لجن كاغذ , بارگذاري سيكلي , كرنش دائمي , مدول برجهندگي
كليدواژه هاي لاتين
metakaolin , subgrade reaction modulus , paper sludge ash , cyclic loading , permanent strain , resilient modulus
Author
Mohammed Hayder
SuperVisor
Hassan Ziari