تأثیر استفاده از خاکستر ضایعات کشاورزی در اصلاح ویژگی‌های مکانیکی خاک بستر جاده‌های جنگلی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد عمران و بهره برداری جنگل، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 دانشیار، گروه جنگلداری، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 استادیار، گروه جنگلداری، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

4 کارشناس بخش تحقیقات جنگل، موسسه تحقیقات جنگل‌ها و مراتع کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: خاک ­بستر جاده­های جنگلی در برخی مناطق دارای مشکلاتی مانند خمیرایی بالا، قابلیت بارگذاری و مقاومت برشی پایین، دشواری تراکم و امکان نشست می­باشد. از این­رو، تثبیت و ارتقاء مقاومت خاک ­با استفاده از مواد افزودنی همواره مورد توجه پژوهشگران و مهندسین راه­سازی بوده است. امروزه در صنعت کشاورزی مشکلات زیادی در خصوص دفع ضایعات و زباله­های حاصل از فرآیندهای تولید وجود دارد که هر روز بر حجم آنها افزوده می­شود. در عین حال، بسیاری از این ضایعات با توجه به اجزای معدنی تشکیل­دهنده آنها دارای ویژگی‌های مقاومتی مطلوبی هستند که آنها را به­طور بالقوه به یکی از کاندیدهای اصلی برای جایگزینی با افزودنی­ها و تثبیت­کننده­های سنتی خاک­های جنگلی مانند آهک و سیمان تبدیل کرده است. علاوه بر این، ویژگی‌های ساختاری مواد آلی می‌تواند به حفظ محیط­زیست و اصلاح زیستی خاک­های ناپایدار و منبسط­شونده کمک کند.
مواد و روش‌ها: در این بررسی، ضایعات محصولات کشاورزی گردو و بادام زمینی برای مقاوم­سازی خاک­ بستر جاده­های جنگلی طرح جنگلداری شصت کلاته مورد استفاده قرار گرفت. خاک مورد استفاده از مناطق رانشی و ناپایدار حاوی خاک متورم شونده تهیه شد. ابتدا پنج نقطه رانشی در امتداد جاده­های جنگلی که دربرگیرنده خاک ریزدانه است، مشخص و از هر نقطه حداقل سه نمونه هر یک به وزن پنج کیلوگرم و در مجموع 15 نمونه به وزن کل 75 کیلوگرم به­روش تصادفی تهیه شد. سپس پوسته­های سخت بادام زمینی و گردو پس از آسیاب در دستگاه خردکن حرفه­ای عطاری به­صورت پودر درآمد. در مرحله بعد، پودر پوسته گردو و بادام زمینی به مدت دو ساعت در دمای 580 درجه سانتی­گراد کوره سوزانده و به خاکستر تبدیل شد. نمونه­های خاک رسی با خمیرایی بالا (CH) با مقادیر متفاوت صفر، 5، 10 و 15 و 20 درصد خاکستر پوسته بادام­زمینی و گردو (اندازه خاکستر 4/0-04/0 میلی­متر) مخلوط شد. زمان عمل­آوری ترکیب ضایعات و خاک 28 روز در نظر گرفته ­شد. سپس ویژگی­های تراکمی، حدود آتربرگ و ظرفیت بارگذاری (CBR) به­ترتیب به­کمک آزمایش­های پروکتور، روش کاساگرانده و فتیله خمیری و مقاومت فشاری مورد اندازی­گیری قرار گرفت. تجزیه و تحلیل­های آماری در قالب طرح فاکتوریل با سه عامل اصلی شامل نوع ضایعات در دو سطح و مقدار ضایعات در پنج سطح و در مجموع با 10 تیمار در نرم­افزار SPSS به­اجرا درآمد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که کلیه تیمارها سبب افزایش دو تا 5/2 برابری مقدار ظرفیت بارگذاری شدند اما هیچ ­یک از آنها نتوانستند وضعیت ظرفیت بارگذاری خاک را از حالت ضعیف به حالت بهتر ارتقاء دهند. کمترین مقدار CBR در نمونه­های خاک تیمار شده با سه درصد خاکستر پوسته بادام ­زمینی به ثبت رسید. بیشترین شاخص خمیری در نمونه شاهد و نمونه­ خاک تیمار شده با 10 و 15 درصد خاکستر پوسته گردو مشاهده شد. در حالی ­که کمترین مقدار شاخص خمیری در نمونه­های خاک تیمار شده با سه درصد خاکستر پوسته بادام زمینی به ثبت رسید. در مجموع مقدار شاخص خمیری در نمونه­های خاک تیمار شده با خاکستر بادام­ زمینی به­طور معنی­داری کمتر از نمونه­های خاک تیمار شده با خاکستر پوسته گردو بود. در مجموع تیمارهای مورد استفاده از نظر تأثیرگذاری بر قابلیت بارگذاری به­دلیل خمیرایی بالای خاک شاهد دارای ضعف­های بارزی بودند، از این­رو، استفاده از آنها به­صورت خالص برای بهسازی خواص مکانیکی خاک­های CH پیشنهاد نمی­شود اما می­توان اثر آنها را در ترکیب با افزودنی­هایی مانند آهک و سیمان مورد ارزیابی قرار داد.
نتیجه‌گیری: درصدهای بالای خاکستر پوسته گردو (10 و 15 درصد) نتوانستند تأثیر چندانی در کاهش شاخص­های خمیری خاک داشته باشند که دلیل این موضوع را می­توان میل ترکیبی بیشتر خاکستر پوسته گردو با آب دانست. اما عملکرد مطلوب خاکستر بادام­ زمینی (مقدار سه درصد وزنی) در کاستن از خواص خمیرایی خاک نشان می­دهد که از این تیمار می­توان برای تثبیت ترانشه­های رانشی که روی آنها بارگذاری انجام نمی­شود استفاده کرد. بدین ترتیب تیمارهای مورد استفاده از نظر تأثیرگذاری بر قابلیت بارگذاری خاک دارای ضعف­های بارزی بودند، از این­رو، استفاده از آنها به­صورت خالص برای بهسازی خواص مکانیکی خاک­های CH پیشنهاد نمی­شود اما می­توان اثر آنها را در ترکیب با افزودنی­هایی مانند آهک و سیمان مورد ارزیابی قرار داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The effect of using agricultural waste ash on improving the mechanical properties of forest roadbed soil

نویسندگان [English]

  • Seyed Amir Reza Jaddi Hosseini 1
  • Aidin Parsakhoo 2
  • Sattar Ezzati 3
  • Aiub Rezaei Motlagh 4
1 MSc. Student, Department of Forestry, Faculty of Forest Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I.R. Iran
2 Associate Professor, Department of Forestry, Faculty of Forest Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I.R. Iran
3 Assistant Professor, Department of Forestry, Faculty of Forest Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I.R. Iran
4 Research Expert (Ph.D. of forest management), Forest Research Division, Research Institute of Forests and Rangelands, AREEO, Tehran, I.R. Iran
چکیده [English]

Background and Objective: Forest road subgrade soils in certain areas often face challenges such as high plasticity, low load-bearing capacity and shear strength, compaction difficulties, and settlement risks. Therefore, soil stabilization and strength improvement through additives have always been of interest to researchers and road engineers. At the same time, the agricultural industry struggles with the increasing volume of waste and by-products from production processes. Many of these residues, due to their mineral composition, possess favorable mechanical properties, making them potential substitutes for traditional soil stabilizers such as lime and cement. Moreover, the structural characteristics of organic materials can contribute to environmental preservation and the biological improvement of unstable and expansive soils.
Material and Methods: In this study, agricultural by-products of walnut and peanut shells were used to reinforce the subgrade soils of forest roads in the Shast Kalateh forest management plan. The soil samples, collected from unstable landslide-prone zones containing expansive clay soils, were obtained from five landslide sites along forest roads. From each site, at least three samples weighing 5 kg each were randomly collected, yielding a total of 15 samples (75 kg). The hard shells of walnuts and peanuts were ground into powder using a professional grinder and then burned in a furnace at 580 °C for two hours to produce ash. Clay soil samples with high plasticity (CH) were mixed with walnut and peanut shell ash in proportions of 0, 5, 10, 15, and 20% (ash size 0.04–0.4 mm). The curing period was set at 28 days. Compaction characteristics, Atterberg limits, load-bearing capacity (CBR), and unconfined compressive strength were then evaluated using Proctor, Casagrande, plastic thread, and CBR tests. Statistical analyses were conducted as a factorial experiment with three factors (waste type at two levels, waste content at five levels, and 10 treatments in total) using SPSS software.
Results: Findings revealed that all treatments increased the CBR values by 2 to 2.5 times; however, none were able to elevate the soil’s load-bearing capacity from “poor” to a higher category. The lowest CBR was recorded in soils treated with 3% peanut shell ash, while the highest plasticity index (PI) was observed in the control and soils treated with 10–15% walnut shell ash. Conversely, the lowest PI was recorded in soils treated with 3% peanut shell ash. Overall, soils treated with peanut shell ash exhibited significantly lower PI values than those treated with walnut shell ash. Due to the high plasticity of the native soil, treatments showed limited effectiveness in improving load-bearing capacity. Thus, their independent use for CH soil mechanical improvement is not recommended, but their potential in combination with additives like lime and cement could be considered.
Conclusion: Higher percentages of walnut shell ash (10–15%) did not effectively reduce soil plasticity, likely due to its stronger affinity for water. In contrast, peanut shell ash at 3% by weight showed promising results in reducing soil plasticity, suggesting its suitability for stabilizing landslide-prone slopes without load-bearing requirements. Overall, while the tested treatments demonstrated limited capacity to enhance load-bearing properties of CH soils, their combined use with lime or cement could be a promising approach for further evaluation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • CH soil
  • Load capacity
  • Peanut shell ash
  • Plasticity index
  • Walnut shell ash
Adetayo, O.A.; Amu, O.O.; Faluyi, F.; Akinyele, E., Effect of groundnut shell ash on Laterite soils stabilized with lime for civil structures. International Journal of Integrated Engineering 2021, 13(4), 242-253.
Adetoro, A. E.; Dada, O. M., Potentials of groundnut shell ash for stabilization of Ekiti state soil, Nigeria. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology 2015, 2(8), 2301-2304.
Ayininuola, G. M.; Sogunro, A. O., Bone Ash Impact on Soil Shear Strength. World Academy of Science, Engineering and Technology. International Journal of Environmental, Chemical, Ecological, Geological and Geophysical Engineering 2013, 7(11), 330-334.
Amo, O.O.; Fajobi, A.A.; Fekhuai, A., Stabilizing potential of cement and fly ash mixture on expansive clay soil. Journal of Applied Science 2005, 5(9), 1669-1673.
Akinwumi, I.I.; Aidomojie, O.I., Effect of Corncob ash on the geotechnical properties of Lateritic soil stabilized with Portland cement. International Journal of Geomaticc and Geosciences 2015, 5(3), 375-392.
Atterberg, A., On the investigation of the physical properties of soils and on the plasticity of clays. Journal of Internatio­nale Mitteilungenfür Bodenkunde 1911, 1(1), 10–43.
Baugherian, A.; Janalizadeh, A.; Hesami, S. The use of the rice husk ash for soil stabilization by lime. 2nd National Conference in Civil Engineering, Iran University of Science and technology: Tehran, 2005, p7. (In Persian).
Bell, F.G., Lime stabilization of clay minerals and soil. Journal of Engineering Geology 1996, 42(1), 223-237.
Chen, H.;Yang, J., A new supplementary cementitious material: Walnut shell ash. Journal of  Construction and Building Materials 2023, 40(8), 133-138.
Davidson, D.T.; Gardiner, W.F., 1949. Calculation of standard proctor density and optimum moisture content from me­chanical, analysis, shrinkage and factors and plasticity in­dex. Journal of Highway Research Board 1949,29(1), 447–481.
Gajera, N.V.; Thanki, K.R., Stabilization Analysis of Black Cotton Soil by using Groundnut Shell Ash. International Journal for Innovative Research in Science and Technology 2015, 2(1), 158-162.
Garg, U.; Kaur, M. P.; Jawa, G. K.; Sud, D.; Garg, V. K., Removal of cadmium (II) from aqueous solution by agricultural waste biomass. Journal of Hazardous Materials 2008, 154(1-3), 1149-1157.
Ghavidel, P.; Naghdi, R.; Ghajar, E.; Mirzaei, M., Evaluation of pavement distress on forest road curves (Case study: Shanderman watershed). Journal of Forest Research and Development 2021, 7(2), 249-261.
Jambhale, S.; Lad, A.; Nayakwadi, V.; Padhy, A.; Chhangani, N.,. Effect of Groundnut Shell Ash Lime on Characteristics of Soil. International Journal of Landscape Planning and Architecture 2021, 7(1), 145-152.
Jafer, H.; Atherton, W.; Sadigue, M.; Ruddock, F.; Loffill, E., Stabilisation of soft soil using binary blending of high calcium fly ash and palm oil fuel ash. Journal of Applied Clay Science 2018, 152(1), 323-332.
Karthika, A.P.; Muthukuma , M., Stabilization of black cotton soil using groundnut shell ash. International Research Journal of Engineering and Technology 2018, 5(2): 488-492.
Krishna, T.M.; Beebi, S. S., Soil stabilization by groundnut shell ash and waste fiber material. International Journal of Innovations in Engineering and Technology 2015, 5(3): 52-57.
Nasiri, M.; Lotfalian, M.; Modarres, A.;Wu, W., Use of rice husk ash as a stabilizer to reduce soil loss and runoff rates on sub-base materials of forest roads from rainfall simulation tests. Journal of CATENA 2016, 150(2), 116-123.
Nnochiri, E.S.; Emeka, H.O., Improvement of geotechnical properties of Lateritic soil using Walnut shell ash. Acta Echnica Copviniensis, Journal of Bulletin of Engineering 2017, ISSN, 2067- 3809, 12 p.
Manikandan A.T.; Ibrahim, Y.; Thiyaneswaran, M.P.; Dheebikhaa, B.; Raja, K., A Study on Effect of Bottom Ash and Coconut Shell Powder on the Properties of Clay Soi. International Research Journal of Engineering and Technology 2017, 4(2), 17-25.
Osman, N.F.M.; Tajudin, S.A.A.; Pakir, F., The Effect of Groundnut Shell Ash on Soil Stabilization. Journal of Sustainable Undergroung Exploration 2022, 2(1), 34-40.
Parsakhoo, A.; Rezaei Motlagh, A.; Matinnia, B., Effect of hydro-mulches on runoff and soil loss rate from steep slopes. Journal of Forest Research and Development 2021, 7(1), 15-26.
Parvez, Z.; Ajay Vikram, ER.; Pal Singh, E., Stabilization of black soil using walnut shell powder & ash. International Research Journal of Engineering and Technology 2023, 10(3),1-15.
Pinto, J.; Paiva, A.; Varum, H.; Costa, A.; Cruz, D.; Pereira, S.; Fernandes, L.; Tavares, P.; Agarwal, J., Corn’s cob as a potential ecological thermal insulation material. Journal of Energy and Building 2011, 43(8), 1985-1990.
Sadeeq, J.A.; Ochepo, J.; Salahudeen, A.B.; Tijjani, S.T., Effect of Bagasse Ash on Lime Stabilized Lateritic Soil. Jordan Journal of Civil Engineering 2015, 9(2), 203-213.
Sathiparan, N.;Anburuvel, A.; Vinusha Selvam, V.; Anto Vithurshan,  P., Potential use of groundnut shell ash in sustainable stabilized earth blocks. Journal of Construction and Building Materials 2023, 39(3), 18-25.
Sujatha, E. R., Dharini, K., & Bharathi, V. (2016). Influence of groundnut shell ash on strength and durability properties of clay, Journal of Geomechanics and Geoengineering, 11(1): 20-27.