بررسی آزمایشگاهی عملکرد الیاف پلی‌پروپیلن پوشش داده شده با مواد مختلف بر خواص مکانیکی ماسه مسلح

STUDENT

DEGREE

YEAR

Improvement of poorly graded sands to overcome their weaknesses including low shear strength, lack of tensile strength has been the focus of various geotechnical research studies. In this study, soil reinforcement was made using both uncoated and coated polypropylene fibers to compare their performance. The fibers coated with various high modulus materials to increase the level of fiber involvement in soil matrix/fiber to improve soil mechanical properties. The coating materials used for this purpose include of nanosilica, microsilica gel, and cement. The coating process was carried out through an innovative approach named as heating and dipping technic. Microscopic images were used to compare of various coatings. The obtained pullout tests results showed that the fiber pullout resistance increases with increasing curing time, so that for one-week curing, fibers coated with nanosilica, microsilica gel, and cement presented resistance 68, 51 and 56 times that of uncoated fibers, respectively. The use of nanosilica coated fibers resulted in higher pullout resistance than other coatings so that the resistance was 8 times higher than uncoated fibers in 0.1% nanosilica stabilized soil. In the second part of this study, direct shear tests were performed on the soil samples reinforced with uncoated PP fibers and nanosilica coated fibers at different lengths and content. The optimal fiber content and length was found to be 0.4% and 12 mm, respectively. Peak shear strength for the coated fiber reinforced specimens increased over uncoated fibers. Consideration of instantaneous, 3, and 7 days curing time revealed that the sample shear strength increases over time, such that for relative density of 50% and 7 days curing time, shear strength of samples reinforced with nanosilica, microsilica gel, and cement coating increased by 54%, 31% and 38% in comparison to pure soil, while only 18% increase in samples reinforced with uncoated fibers. The test results showed that the use of coated fibers is less effective for higher relative density under high normal stress. Nonetheless, the shear strength of samples reinforced with coated fibers presented a significant increase comparing to that of samples with uncoated fibers. The coated fiber reinforced soils presented also more ductility compared to pure soil and uncoated PP reinforced specimens as their shear strain at failure increased. Moreover, the usage of coated fibers decreased the amount of the soil contractive at failure compared to that of pure soil and uncoated PP reinforced samples. The triaxial tests were also performed for PP reinforced soil with 70% relative density and 7-days curing time. The results of the triaxial test were found to be in good agreement with those of direct shear tests. However, the shear strength enhancement due to reinforcement in triaxial tests was significantly greater than that of direct shear tests. For example, the peak shear stress (at 50kPa) for the nanosilica coated fibers, was 3 and 1.83 times than pure soil and uncoated fibers, respectively. Altogether, the use of coated fibers showed to increase both the friction and cohesion of fibers with the soil matrix. Pullout and shear strength of samples with coated fibers was significantly higher than those with of uncoated fibers. Finally, the use of nanosilica coating was determined as an appropriate option yielding higher shear strength, although fibers coated with microsilica gel may be more economical. Key words: sand, coated fibers, nanosilica, microsilica gel, cement, interfacial shear strength.

بهبود ویژگی‌های خاک ماسه بد دانه‌بندی شده به علت نشست‌های ناهمسان، گسیختگی‌های برشی، مقاومت کششی ضعیف و ... مورد توجه پژوهشگران مختلف قرار گرفته است. یکی از روش‌های مورد استفاده برای رفع این نواقص تسلیح مکانیکی خاک است. در این تحقیق از روش تسلیح خاک به کمک الیاف پلی‌پروپیلن بدون پوشش و با پوشش مواد مختلف جهت افزایش سطح درگیری الیاف در ماتریس خاک/الیاف برای بهبود خواص مکانیکی خاک استفاده شده است. مواد پوشش داده شده بر روی الیاف شامل نانوسیلیس، ژل میکروسیلیس و سیمان بوده که به روش حرارت و غوطه‌وری بر روی الیاف پوشش داده شده است. برای مقایسه پوشش‌ها از تصاویر میکروسکوپی استفاده شده است. مقدار ماده پوشش داده شده نیز برآورد شده است که مقدار آن بسیار ناچیز بوده برای مثال برای طول 1 متر الیاف، مقدار نانوسیلیس، ژل میکروسیلیس و سیمان مصرفی به ترتیب 025/0، 225/0 و 018/0 گرم بوده است در نتیجه هزینه اقتصادی قابل توجهی را وارد نکرده است. آزمایش‌های برونکشی الیاف، برش مستقیم و سه‌محوری برای بررسی اثر الیاف با پوشش نسبت به بدون پوشش انجام شده است. آزمایش برونکشی الیاف از داخل نمونه‌های خاک ماسه به صورت آنی و با زمان عمل آوری سه و هفت روزانجام شده‌اند. مقاومت برونکشی الیاف با افزایش زمان عمل‌آوری افزایش می‌یابد به صورتی که الیاف با پوشش نانوسیلیس، ژل میکروسیلیس، سیمان برای یک هفته زمان عمل آوری مقاومت برونکشی به ترتیب 68، 51 و 56 برابر نمونه الیاف بدون پوشش بوده است. استفاده از الیاف با پوشش نانوسیلیس نسبت به سایر پوشش‌ها مقاومت برونکشی بیشتری را نتیجه داده است به صورتی که مقاومت حاصله نسبت به الیاف بدون پوشش در خاک تثبیت شده با 1/0% نانوسیلیس 8 برابر شده است. تأثیر درصد رطوبت بر مقاومت برونکشی الیاف با پوشش نانوسیلیس نیز مورد بررسی قرار گرفته و نمونه با رطوبت بهینه (12% ) بیشترین مقاومت برونکشی را دارا بوده است. در بخش دوم تحقیق، آزمایش برش مستقیم بر روی خاک مسلح با الیاف پلی‌پروپیلن بدون پوشش و الیاف با پوشش نانوسیلیس با طول و نسبت‌های مختلف انجام شده که نسبت بهینه 4/0 درصد وزنی خاک خشک و طول 12 میلیمتر را نتیجه داده است. مقاومت برشی بیشینه برای نمونه مسلح به الیاف با پوشش نسبت به الیاف بدون پوشش افزایش یافته است. با بررسی زمان عمل آوری آنی، 3 و 7 روز مشخص شد که با گذشت زمان مقاومت برشی افزایش یافته، به نحوی که برای تراکم نسبی 50 درصد و زمان عمل آوری 7 روزه، مقاومت برشی خاک مسلح با الیاف با پوشش‌ نانوسیلیس، ژل میکروسیلیس و سیمان نسبت به خاک خالص 54%، 31% و 38% افزایش داشته در حالی که برای الیاف معمولی بدون پوشش فقط 18% افزایش در مقاومت برشی دیده شده است. با بررسی نسبت تراکم 70 و 90 درصد و تنش قائم 50، 100 و 150 کیلوپاسکال مشخص شد که استفاده از الیاف با پوشش برای تراکم نسبی و تنش نرمال کمتر موثرتر است هر چند که برای تنش و تراکم بالا نیز مقاومت برشی خاک مسلح به الیاف با پوشش افزایش چشمگیری نسبت به الیاف بدون پوشش داشته است. نمونه‌های مسلح به الیاف با پوشش با افزایش کرنش برشی در لحظه گسیختگی سبب افزایش شکل پذیری نسبت به نمونه خاک غیر مسلح و مسلح با الیاف بدون پوشش شده است. استفاده از الیاف با پوشش نشست انقباضی در نمونه‌ها با تراکم نسبی متوسط را نسبت به خاک خالص و خاک مسلح با الیاف بدون پوشش کاهش داده است. آزمایش سه‌محوری برای خاک مسلح به انواع الیاف با تراکم 70 درصد و زمان عمل‌آوری 7 روزه انجام شده است. نتایج آزمایش سه‌محوری نیز تطابق قابل قبولی با نتایج برش مستقیم داشته است. بهبود مقاومت برشی در سه‌محوری به صورت قابل توجهی بیشتر از برش مستقیم بوده به نحوی که در تنش همه‌جانبه 50 کیلوپاسکال برای الیاف با پوشش نانوسیلیکا به ترتیب 3 و 83/1 برابر خاک خالص و خاک مسلح به الیاف بدون پوشش بوده است. در نتیجه استفاده از الیاف پوشش دار سبب افزایش اصطکاک و چسبندگی الیاف در ماتریس خاک شده و انتقال تنش از خاک به الیاف بهتر صورت گرفته است. مقاومت برونکشی و برشی الیاف با پوشش نسبت به الیاف معمولی افزایش چشمگیری داشته و استفاده از نانوسیلیس نسبت به سایر مواد گزینه مناسبتری می‌باشد هر چند که الیاف با پوشش ژل میکروسیلیکا اقتصادی‌تر می‌باشد. کلمات کلیدی: خاک ماسه مسلح، الیاف پوشش‌دار، نانوسیلیس، ژل میکروسیلیس، سیمان، مقاومت برشی سطح مشترک