SUPERVISOR
Seyedmadi Hejazi,Mohammad ali Rowshan Zamir
سیدمهدی حجازی (استاد مشاور) محمدعلی روشن ضمیر (استاد راهنما)
STUDENT
Samaneh Taheri
سمانه طاهری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
An investigation into the performance of vinasse-biopolymer in sandy soil
Conventional soil stabilizers such as lime and cement have now proven to cause detrimental impacts on the environment. Thus the usage of natural biopolymers in soils reinforcement seems to be an essentially engineered effort. On the other hand, industrial agriculture wastes propose stability potential in geotechnical engineering. Vinasse biopolymer is a waste material produced from ethanol during sugarcane processing. In this study effectiveness of vinasse to stabilize sand was investigated through laboratory tests. The treatment of sandy soil by using an environmentally-friendly material, i.e. vinasse biopolymer, seems to be economical, pollution controlling, and an appropriate solution of the wastes disposal. The effect of biopolymer content, curing time, and percentage of soil compaction were studied by compaction tests, direct shear tests and unconfined compressive strength tests. The amounts of biopolymer used in the experiments ranged from 2% to 6%. In a number of samples, a small amount of cement has been added to investigate the stability of samples exposed to moisture. Compaction tests have been conducted to study the effect of adding biopolymer on the soil density. The results of this experiment showed that adding the resin to the soil samples may have a typical role of lubrication and facilitate the soil compaction process. Using the vinasse resin up to 6%, instead of adding water to soil, increases the maximum dry density. Also, direct shear tests were done to investigate the effect of adding the vinasse biopolymer on the shear strength and shear strength parameters of the soil samples. Various factors such as the amount of biopolymer and cement, curing time, density as well as the effect of moisture on the strength of treated and untreated soil samples were also investigated. The results of these experiments indicate that the soil shear strength has increased steadily by adding the biopolymer up to 5%. Moreover, adding 5% the biopolymer to soil samples cured for 14 days and direct sheared under 100 kPa normal stress, showed shear strength increment up to 9.5 times and internal friction angle 1.8 times in comparison to that of untreated soil. The soil cohesion was also enhanced to the significant value of 476 kPa. Moreover the test results showed that by adding cement as well as increasing curing time and density, the soil shear strength increases steadily. The amount of %5 vinasse and %0.5 cement were found to be optimal values ??for which the soil shear strength increased up to 10 times in 14-day curing time under 100 kPa normal stress in comparison to that of untreated soil. The effect of moisture on soil samples showed that shear strength of treated sample was reduced in wet conditions. But with subsequent drying, the sample gains its initial shear strength again. Therefore, the presence of water has a significant effect on the strength of treated soil samples. Coating the surface of the treated soil samples with silane can make the samples to be waterproof, by which the sample strength may be maintained at moisture exposure conditions. Making direct shear tests on saturated samples showed that the strength of the treated samples reduced nearly to that of original untreated soil due to saturation. To improve the performance of the stabilized soil under saturated conditions, the efficiency of various additives such as bentonite, superabsorbent polymer, and water-resistant adhesives was investigated. It was concluded that adding a polyester adhesive can maintain the treated sample strength in saturated conditions to some extent. Moreover, the results of unconfined compressive strength test showed that the compressive strength of treated soil with Vinasse biopolymer increased significantly. Finally, microscope observation was performed on both treated and untreated soil samples by scanning electron microscopy (SEM) images to evaluate the resin stabilizing process. The SEM images showed that there is no bond between soil particles in the untreated soil samples. The Vinasse, however, binds the soil particles by coating the particles surface which in turn, increases the soil strength. Adding a small amount of cement along with vinasse leads to a greater increase in the binding of soil particles. The image of treated soil sample with vinasse in saturated condition showed that vinasse biopolymer is still present between soil particles although shows no evident adhesive effect.
امروزه با توجه به رشد جمعیت و لزوم استفاده بهتر از منابع، تثبیت زمینهای نامرغوب و ایجاد بسترهای مستحکم بیش از هر زمانی مشهود میباشد. خاک ماسهبادی، گروهی از خاکهای نامرغوب است که به دلیل ضعف در تراکمپذیری، ظرفیت باربری پایین و ... برای عملیات اجرایی مشکلاتی را به همراه دارند. در همین راستا روشهای بهسازی زیادی در دنیا در حال اجرا هستند که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارا میباشند. از عمدهترین معایب روشهای رایج بهسازی، عدم سازگاری آنها با محیطزیست میباشد. امروزه استفاده از رزینها و بیوپلیمرهای سازگار با محیط زیست جهت اصلاح رفتار خاک مورد توجه محققان و مهندسان ژئوتکنیک قرار گرفتهاست. استفاده از رزین در اصلاح خاک باعث چسبیدن ذرات خاک به یکدیگر میشود و خواص مقاومتی و فیزیکی خاک را بهبود میبخشد. در این مطالعه اصلاح خاک ماسه بادی با استفاده از رزین بیوپلیمر موسوم به ویناس مورد بررسی قرار گرفته است. میزان رزین استفاده شده بین %2 تا %6 میباشد. در تعدادی از نمونهها جهت بررسی پایداری در مواجهه با رطوبت مقادیر اندکی سیمان مورد استفاده قرارگرفتهاست. از آزمایش تراکم برای بررسی تأثیر افزودن رزین بر تراکمپذیری خاک استفاده گردید. نتایج این آزمایش نشان داد که افزودن رزین به خاک نقش روغنکاری داشته و تراکم خاک را آسان مینماید. استفاده از رزین تا %6 به جای افزودن آب به خاک، موجب افزایش حداکثر دانسیته خشک خاک میشود. همچنین از آزمایش برش مستقیم جهت بررسی تاثیر افزودن رزین بر مقاومت برشی و پارامترهای برشی خاک استفاده گردید. عوامل مختلفی چون مقدار رزین و سیمان، زمان عملآوری، میزان تراکم و همچنین اثر رطوبت بر مقاومت نمونههای خاک تثبیتشده و نشده بررسی گردید. نتایج این آزمایش حاکی از آن است که مقاومت برشی خاک با افزودن رزین تا %5 به طور پیوسته افزایش یافتهاست. بهطوریکه افزودن %5 رزین در زمان عملآوری 14 روزه در تنش قائمkPa 100، مقاومت برشی را تا 5/9 برابر و زاویه اصطکاک داخلی را تا 8/1 برابر افزایش میدهد و موجب افزایش چسبندگی تا 476 کیلوپاسکال میگردد. نتایج نشان داد که با افزودن سیمان و با افزایش زمان عمل آوری و تراکم، مقاومت برشی خاک به طور پیوسته افزایش مییابد. میزان%5 رزین و %5/0 سیمان مقادیر بهینهای هستند که مقاومت برشی در تنش قائم kPa100 را تا میزان 10 برابر در زمان عملآوری 14 روزه افزایش میدهد. از بررسی تاثیر رطوبت بر نمونههای خاک مشخص گردید که مقاومت برشی نمونه در حالت خیسشدگی جهت شبیهسازی بارش باران کاهش مییابد. اما بعد از خشک شدن، نمونه مجددا به مقاومت برشی اولیه خود میرسد. لذا حضور آب تاثیر قابل توجهی بر مقاومت نمونه خاک تثبیتشده دارد. اندود کردن سطح نمونه خاک تثبیتشده با محلول سیلان، میتواند موجب آب گریز شدن نمونه شود که با جلوگیری از ورود آب به داخل نمونه، مقاومت نمونه حفظ میشود. از آزمایش برش مستقیم اشباع و شبیهسازی شرایط جمعشدگی آب نتیجه شد که خاک تثبیتشده در این شرایط مقاومتی برابر با خاک تثبیتنشده دارد. جهت بهبود عملکرد نمونه تثبیتشده در شرایط اشباع، افزودن مواد مختلف چون بنتونیت، پلیمر مافوق جاذب و چسبهای مقاوم در برابر آب بررسی گردید. نتیجه شد که با افزودن چسب پلیاستر میتوان مقداری مقاومت نمونه در شرایط اشباع را حفظ کرد. همچنین نتایج آزمایش مقاومت فشاری تک محوری نشان داد که مقاومت فشاری خاک تثبیت شده با رزین ویناس افزایش قابل توجهی مییابد. در نهایت تصاویر بهدست آمده از آزمایش تصویربرداری الکترونی نشان داد که در خاک عادی هیچگونه پیوند و تماس محکمی بین ذرات خاک وجود ندارد. رزین با پوشش سطح ذرات خاک و ایجاد چسبندگی موجب افزایش اتصال ذرات خاک میشود. حضور سیمان به همراه رزین موجب افزایش بیشتر اتصال ذرات خاک شدهاست. از بررسی تصاویر بر نمونه خاک تثبیتشده با رزین در شرایط خشک شده بعد از اشباع شدن مشخص گردید که با اشباع شدن نمونه، همچنان رزین بین دانههای خاک حضور دارد. این موضوع حاکی بر این است که در حضور آب، فقط خاصیت چسبانندگی آن قدری کاهش مییابد و با خشک شدن نمونهها، مجددا مقاومت آن به مقدار اولیه باز میگردد. کلمات کلیدی: اصلاح خاک ماسه بادی، بیوپلیمر، رزین ویناس، آزمایش تراکم، آزمایش برش مستقیم، آزمایش مقاومت فشاری تک محوری، آزمایش تصویربرداری الکترونی