مطالعه آزمایشگاهی خصوصیات واگرایی و امکان‌سنجی تثبیت خاک واگرا با هیدروژل پروتئین کلش گندم

نیساری تبریزی, علی; اسمعیلی فلک, مهزاد; رضا رسولی, محمد

doi:10.22065/jsce.2025.518834.3705

مطالعه آزمایشگاهی خصوصیات واگرایی و امکان‌سنجی تثبیت خاک واگرا با هیدروژل پروتئین کلش گندم

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

علی نیساری تبریزی ¹

مهزاد اسمعیلی فلک ²

محمد رضا رسولی ¹

¹ گروه علمی مهندسی عمران، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

² استادیار، گروه مهندسی عمران، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

10.22065/jsce.2025.518834.3705

چکیده

این پژوهش به بررسی رفتار واگرای خاک‌های دشت جعفریه واقع در استان قم با تمرکز بر استفاده از یک ماده تثبیت‌کننده زیستی جدید می‌پردازد. به‌منظور تحلیل دقیق پدیده واگرایی، نمونه‌برداری از سه موقعیت انجام شد که شامل نمونه‌های دست‌خورده و دست‌نخورده به شکل مکعبی بود. نتایج آزمایش‌های حدود اتربرگ و دانه‌بندی نشان داد که تمامی نمونه‌ها در گروه ML طبقه‌بندی می‌شوند. آزمایش هیدرومتری دوگانه نشان داد که درصد واگرایی نمونه‌ها بین %58 تا %79 متغیر است و نمونه شماره ۳ با %79 واگرایی، بالاترین مقدار را نشان داد. همچنین، آزمون TDS مقادیر یون‌های محلول را بین 1200 تا 2800 میلی‌گرم بر لیتر ثبت کرد که بیشینه آن نیز مربوط به نمونه ۳ بود. برای بهبود رفتار خاک، از هیدروژل پروتئینی استخراج‌شده از کلش گندم همراه با %2 اسید بوریک به‌عنوان کراس‌لینکر استفاده شد. اختلاط %۱ از این ترکیب موجب کاهش واگرایی به زیر %40 گردید. با افزایش درصد اختلاط تا %۷، واگرایی در برخی نمونه‌ها تا %27 کاهش یافت (کاهش ۵۳ درصدی). نتایج آزمایش مقاومت فشاری نیز افزایش مداوم مقاومت را از 8/12 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع در نمونه شاهد (1٪ در روز سوم) تا 5/33 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع در نمونه‌های ۷٪ پس از ۲۸ روز نشان داد. یافته‌ها نشان می‌دهد که استفاده هدفمند از این هیدروژل زیستی می‌تواند راهکاری مؤثر و پایدار برای تثبیت خاک‌های واگرا در مناطق خشک و نیمه‌خشک ارائه دهد.

کلیدواژه‌ها

واگرایی

نمونه‌برداری مکعبی

پروتئین کلش گندم

کاوش‌های صحرایی

بهسازی خاک

موضوعات

مهندسی ژئوتکینک

عنوان مقاله English

Laboratory investigation of dispersivity characteristics and feasibility study of stabilizing dispersive soil using wheat straw protein hydrogel

نویسندگان English

Ali Niasari Tabrizi ¹

Mahzad Esmaeili Falak ²

Mohammadreza Rasouli ¹

¹ Department of Civil Engineering, NT.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran

² Assistant Professor, Department of Civil Engineering, North Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

چکیده English

This study focuses on the dispersive behavior of soils in the Jafariyeh Plain (Qom Province) and evaluates the effectiveness of a novel bio-based stabilizer. Geotechnical sampling included disturbed and undisturbed (cubic) specimens collected from three locations. Laboratory tests, including Atterberg limits and sieve analysis, indicated that all samples are classified as ML (low-plasticity silts). Double hydrometer tests showed dispersivity values ranging from 58% to 80%, with sample No. 3 exhibiting the highest dispersivity (79%). Total dissolved solids (TDS) tests revealed solute concentrations between 1200 and 2800 mg/L, with sample No. 3 again showing the highest value. To reduce soil dispersivity, a protein-based hydrogel derived from wheat straw was applied with 2% boric acid as a cross-linker. A 1% hydrogel mix reduced dispersivity below 40%, while a 7% mix decreased it further to 27%, amounting to a 53% reduction. Unconfined shear strength tests showed continuous improvement with both hydrogel content and curing time, rising from 12.8 kg/cm² (1% mix after 3 days) to 33.5 kg/cm² (7% mix after 28 days). These results confirm that the studied soils possess high dispersive potential and that the proposed bio-stabilizer significantly improves both chemical and mechanical properties. The stabilizer’s efficiency, compatibility with the environment, and consistent long-term performance suggest its promising application in geotechnical projects, particularly in arid and semi-arid regions. This approach offers an effective and sustainable alternative to conventional chemical stabilizers such as lime, especially in saline or alkaline soil conditions.

کلیدواژه‌ها English

Dispersivity

Cubic Sampling

Wheat Straw Protein

Field Investigations

Soil Improvement

[1] Fredlund, D. G., & Rahardjo, H. (1993). Soil mechanics for unsaturated soils. New York: Wiley.

[2] Esmaeili-Falak, M., Lotfi Eghlim, A., & Nematzadeh, S. (2019). Improvement of mechanical parameters of concrete yielded from pozzolanic cement for irrigation and drainage projects. Journal of Structural and Construction Engineering, 6 (Special Issue 1), 43-58.

[3] Feda, J. (1995). Constitutive laws for soils with different types of structure. Amsterdam: Elsevier.

[4] Lawton, E. C., Fragaszy, R. J., & Hardcastle, J. H. (1992). Collapse of compacted clayey sand. Journal of Geotechnical Engineering, 118(9), 1376–1394.

[5] Li, J., Zhang, Y., & Hu, T. (2016). Engineering problems caused by collapsible loess. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 75(1), 295–305.

[6] Alonso, E. E., Vaunat, J., & Gens, A. (2010). Modelling the mechanical behavior of expansive clays. Engineering Geology, 105(1–2), 1–18.

[7] Sherard, J. L., Decker, R. S., & Ryker, N. L. (1976). Pinhole test for identifying dispersive soils. Journal of Geotechnical Engineering, 102(1), 69–85.

[8] Dehghan, A., Ghafouri, M., & Soltani, A. (2011). Assessment of dispersive soil potential using multiple soil tests. Soil Mechanics and Foundation Engineering, 48(2), 65–72.

[9] Kolay, P. K., & Tiwari, A. K. (2011). Improvement of soil properties using cement and fly ash. Applied Clay Science, 52(3), 393–400.

[10] Estabragh, A. R., Bordbar, A. T., & Eskandari, G. H. (2016). Environmental concerns in chemical stabilization of dispersive soils. Environmental Earth Sciences, 75(17), 1346.

[11] Esmaeili-Falak, M., Katebi, H., Javadi, A., & Rahimi, S. (2017). Experimental investigation of stress and strain characteristics of frozen sandy soils-A case study of Tabriz subway. Modares Civil Engineering journal, 17(5), 13-23.‏

[12] Alipour, R., Aminpour, H., & Dehghanzadeh, A. (2023). Investigating the effect of soil improvement by micropile method in marl soil: A case study of Bidboland, Khuzestan. Amirkabir Journal of Civil Engineering, 54(12), 925–928.

[13] Pakbaz, M. S., & Alipour, R. (2012). Influence of cement addition on the geotechnical properties of an Iranian clay. Applied Clay Science, 67–68, 1–4.

[14] Chang, I., & Cho, G. C. (2019). Geotechnical behavior of a biopolymer-treated residual soil. Geomechanics and Engineering, 17(4), 419–428.

[15] Kazemi, M., Khavasi, H., & Amini, F. (2020). Use of wheat straw protein hydrogel in soil improvement. Construction and Building Materials, 246, 118445.

[16] Mahdavi, A., Ghasemi, M., & Ramezanianpour, A. A. (2021). Laboratory investigation of natural hydrogel effects on soil strength. International Journal of Geotechnical Engineering, 15(6), 704–712.

[17] Wang, L., Zhang, B., & Xu, Y. (2022). Soil improvement using corn zein and soy protein. Journal of Materials in Civil Engineering, 34(2), 04021456.

[18] Liu, X., Zhang, Y., & Chen, Y. (2021). Microbial and plant-based polymers for soil stabilization. Journal of Cleaner Production, 312, 127773.

[19] Gandomi, A. H., Akbarzadeh, M., & Alavi, A. H. (2023). Sustainable soil stabilization using plant-based polymers. Environmental Geotechnics, 10(1), 45–58.

[20] Zhang, C., Zhao, Q., & Wu, J. (2022). Effect of drying-wetting cycles on biopolymer-treated soils. Engineering Geology, 298, 106524.

[21] Kavazanjian, E., Ruy, S., & DeJong, J. T. (2015). Durability of bio-stabilized soils under cyclic conditions. Geotechnical Special Publication, 256, 322–331.

[22] Gu, F., Wang, Y., & Chen, R. (2020). Biopolymers as green binders for soil stabilization. Geotechnical Engineering Journal, 35(4), 88–97.