اسم الباحث : ايات حسين حمزة
اسم المشرف : أ.م.د رائد رحمن عدنان ;أ.م.د مهدي عباس النداف
الكلمات المفتاحية : RoadCem (RC) - Cement (C) - Sustainable Soil Stabilization - Unconfined Compressive Strength (UCS) - Indirect Tensile Strength (ITS) - Elastic Modulus (E) - Toughness (T) - Durability (D) - Shrinkage (ST) - Scanning Electron Microscopy (SEM) - X-ray Diff
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : الهندسة المدنية
سنة نشر البحث : 2025
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
أدى التوسع السريع في مشاريع البنية التحتية في العراق، خاصة في مناطق كربلاء، إلى زيادة الحاجة لتقنيات تثبيت تربة مستدامة وفعالة، نظراً لانتشار التربة الرملية الجبسية الضعيفة وما تعانيه من انخفاض قدرة التحمل وارتفاع الحساسية للملوحة وتغيرات الرطوبة ودورات التجمد والذوبان، وفي ظل محدودية مواد البناء عالية الجودة ومساوئ التثبيت التقليدي بالأسمنت البورتلاندي من حيث الانبعاثات الكربونية وأثره البيئي وفعاليته المنخفضة في البيئات المالحة، تناولت هذه الدراسة اختبار تطبيق مادة RoadCem النانوية (المتكونة من زيوليت صناعي، معادن قلوية أرضية ومنشطات متخصصة) والبحث في مدى مساهمتها بتحسين الخواص الجيوتكنيكية لهذه الترب، من خلال برنامج تجريبي شامل اعتمد نسب متدرجة من الإسمنت (4%، 7%، 10%) وجرعات متنوعة من RoadCem (0.7%، 1%، 1.5%، 2%) لدراسة تأثير هذا التداخل على مقاومة الانضغاط غير المحصور (UCS)، مقاومة الشد غير المباشر (ITS)، معامل المرونة (E50)، الصلادة (T)، المتانة تحت دورات البلل والجفاف (DWC)، والانكماش (ST)، بالإضافة إلى فحص التغيرات المجهرية الدقيقة عبر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، حيث أظهرت النتائج أن إضافة RoadCem بنسبة 1% مع نسبة إسمنت مثلى قد حقق أعلى تحسن في جميع المؤشرات، إذ ارتفعت مقاومة الانضغاط بنسبة تتراوح بين 8–22% عند عمر ال96 يوم ، ومقاومة الشد غير المباشر بنسبة 40–60% عند عمر ال28 يوم ، ومعامل المرونة 25–40% عند عمر ال96 يوم ، والصلادة 16–42% عند عمر ال96 يوم ، في حين انخفض فقدان الكتلة في دورات البلل والجفاف بنسبة تراوحت بين 7–15% وتراجع الانكماش الحجمي حتى 40%، وأما على المستوى البنيوي الدقيق فقد كشفت تحاليل XRD وSEM عن تطور مهم في البنية البلورية والهلامية في العينات المثبتة بـ 1% RoadCem حيث لوحظت زيادة واضحة في حجم البلورات وانتظام توزيعها، وتكوّن شبكة هلام إسمنتي (C–S–H) متجانسة وعالية الكثافة قامت بإغلاق معظم الفراغات والمسامات الدقيقة، وتميزت هذه الشبكة بامتدادها وتماسكها حول الحبيبات وزيادة الترابط الداخلي وقوة الهيكل البنيوي، وترافقت هذه التحولات مع زيادة في شدة ووضوح القمم البلورية وانخفاض كبير في قيم FWHM ما يدل على تحسن نوعية البلورات وتطور بناء بلوري عالي التنظيم يصعب حدوث الشقوق أو مناطق الضعف فيه؛ في المقابل لم تحقق النسب الأعلى أو الأقل من RoadCem تحسنًا إضافيًا ملموسًا، وظهرت عندها أحيانًا مشاكل في انتظام البنية أو مناطق ضعف بنيوي، ويُعزى ذلك عند رفع الجرعة لأعلى من 1% إلى تكتل أطوار الهلام وظهور عدم انتظام في البنية المجهرية، أما عند استخدام جرعات دون 1% فلم يتحفز تكوين كافٍ من هلام السيليكات فبقي ملء المسام والروابط دون المستوى الأمثل، وهو ما يجعل جرعة 1% من RoadCem الأمثل لتحقيق أفضل فائدة بنيوية وميكانيكية، وشكّل استخدام RoadCem عاملاً مكن من تقليل محتوى الأسمنت المطلوب بنسبة قد تصل إلى 50% دون التأثير على الأداء، كما مكّن من تخفيض سماكة طبقات الرصف حتى 30% مع الحفاظ على متطلبات التصميم الهندسي، الأمر الذي انعكس خفضًا ملحوظًا في كميات المواد وتكاليف التنفيذ وتسريعًا لزمن الإنجاز وتعزيزًا للاستدامة البيئية، وأكدت الدراسة أهمية الالتزام بمحتوى ماء مثالي يقارب 9% من وزن التربة الجافة لتحقيق أفضل أداء للتربة المثبتة، وتوصي باعتماد RoadCem بنسبة 1% مع ضبط نسبتي الإسمنت والماء حسب نوع التربة والموقع المستهدف، لما يوفره من حل هندسي واقتصادي وبيئي فعّال، وتدعو إلى استكمال البحث على أنواع تربة وفترات معالجة وبيئات مناخية متعددة لدعم التنمية المستدامة لمشاريع الطرق والبنية التحتية في العراق والمناطق المشابهة.
Characterization of Modified Cement-Soil Stabilization in Pavement Applications
Abstract
The rapid expansion of infrastructure projects in Iraq, especially in Karbala, has intensified the demand for sustainable soil stabilization solutions due to the prevalence of weak, sandy, and gypsiferous soils with low bearing capacity and high sensitivity to salinity, moisture, and freeze–thaw cycles. In light of the limitations associated with high-quality construction materials and the environmental and technical drawbacks of conventional Ordinary Portland Cement (OPC) stabilization, this study investigates the efficacy of a nanotechnology-based additive, RoadCem (comprising synthetic zeolite, alkaline earth metals, and specialized activators), for enhancing geotechnical properties. A comprehensive experimental program evaluated varying cement contents (4%, 7%, 10%) and RoadCem dosages (0.7%, 1%, 1.5%, 2%) for their combined effects on unconfined compressive strength (UCS), indirect tensile strength (ITS), elastic modulus, toughness, durability (wetting–drying), shrinkage, and microstructural evolution via scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). Results revealed that 1% RoadCem with optimized cement content produced the highest overall enhancements: UCS increased by 8–22% after 96 days of curing, ITS by 40–60%after 28 days of curing, elastic modulus by 25–40%after 96 days of curing, and toughness by 16–42% after 96 days of curing, while mass loss under wet–dry cycles declined by 7–15% and volumetric shrinkage was reduced by up to 40%. Analyses using XRD and SEM showed marked crystalline development and crystallite size growth (up to 4250 Å), a substantial reduction in full width at half maximum (FWHM, a measure of crystalline peak sharpness, down to 0.59), and greater XRD peak intensities compared to cement-only mixes. These changes reflect a dense, cohesive calcium silicate hydrate (C–S–H) gel network, uniform pore-filling, and strong encapsulation of soil grains, resulting in significantly improved microstructural integrity. Importantly, lower or higher RC doses did not yield further improvements and, at times, even led to inferior or less uniform structures. When the dosage exceeded 1%, improvements in UCS and other mechanical properties declined, in some cases dropping by about 3–5% compared to the optimal dosage. This reduction is attributed to the excess RoadCem causing agglomeration of gel phases and heterogeneity within the microstructure, creating weak zones. Conversely, using less than 1% RoadCem did not promote sufficient C–S–H formation, resulting in incomplete pore filling and weaker bonds. Thus, 1% RC was identified as the optimal dosage for maximizing structural and mechanical benefits. The data demonstrate that RC enables a reduction in required cement content (by up to 50% in some cases) without compromising performance, leading to lower costs and emissions. Notably, it allowed pavement layer thickness reduction by up to 30% to meet the same design criteria, translating into substantial material savings, faster execution, and better environmental outcomes. Maintaining an optimal moisture content of around 9% is critical for maximizing these benefits. The study recommends 1% RC, with careful cement and water adjustment for specific soils, as a superior engineering, economic, and environmental stabilization approach, and calls for additional research across broader soil types and climates to further support sustainable infrastructure solutions in Iraq and similar contexts.


