Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

In de noordelijke streken van Iran, onder de stad Gorgan, ligt een uitgestrekt gebied van een bijzondere grondsoort die bekend staat als loess. Voor het ongetrainde oog lijkt het op gewone, crèmekleurige aarde, maar voor een geotechnisch ingenieur is het een verborgen gevaar. Deze bodem is gevormd uit door de wind meegevoerd stof dat zich heeft neergelaten in een losse, honingraatachtige structuur. Hoewel het gewicht kan dragen wanneer het droog is, bezit het een gevaarlijk geheim: op het moment dat het verzadigd raakt met water, lossen de kwetsbare interne verbindingen op en stort de grond plotseling in, waarbij het snel wegzinkt onder het gewicht van gebouwen en wegen. Dit fenomeen, bekend als inklapbaarheid, heeft in de regio voor aanzienlijke structurele schade gezorgd, waar loessafzettingen diepten van meer dan 70 meter kunnen bereiken. De uitdaging voor ingenieurs is om een manier te vinden om deze grond te versterken zonder het bros of duur in behandeling te maken, zodat de grond stabiel blijft, zelfs wanneer de regen valt.

Onderzoekers van de Universiteit van Teheran en de Universiteit van Qom gingen aan de slag om dit probleem op te lossen door een veelvoorkomend, goedkoop materiaal te testen: cement. Hun doel was om te zien of het mengen van cement door de Gorgan-loess het kon transformeren van een inklapbaar gevaar naar een solide fundering. Ze namen monsters van de lokale grond en mengden deze met variërende hoeveelheden cement, variërend van helemaal niets tot 9 procent per gewicht. Om te begrijpen hoe tijd het proces beïnvloedt, hebben ze de mengsels niet alleen direct getest. In plaats daarvan lieten ze de monsters in afgesloten containers rusten gedurende perioden van zeven, veertien en achttentien dagen, om het uithardingsproces te simuleren dat plaatsvindt bij echte bouwprojecten. Vervolgens onderwierpen ze de uitgeharde monsters aan een reeks tests, waarbij ze maten hoeveel ze konden worden samengedrukt, hoeveel ze opzwollen en hoeveel kracht ze konden weerstaan voordat ze braken. Ze keken ook nauwgezet naar de grond onder krachtige microscopen en analyseerden de chemische samenstelling om te zien wat er op microscopisch niveau gebeurde.

De resultaten waren opmerkelijk. De onbehandelde loess was extreem zwak, met een druksterkte van slechts 0,1 megapascal, een maatstaf voor hoeveel druk de grond kan weerstaan voordat deze faalt. Echter, naarmate de onderzoekers meer cement toevoegden en meer tijd gaven aan het uitharden van het mengsel, werd de grond aanzienlijk sterker. De meest dramatische verbetering vond plaats in de monsters die behandeld waren met 9 procent cement. Na een uithardingstijd van achttentien dagen waren deze monsters 8,5 keer sterker dan de onbehandelde grond. De onderzoekers observeerden dat hoe langer de grond mocht uitharden, hoe sterker deze werd, wat erop wijst dat chemische reacties de bodemdeeltjes in de loop van de tijd continu aan elkaar bonden. Deze toename in sterkte was niet alleen een kwestie van het cement dat als vulmiddel diende; het was het resultaat van een chemische transformatie waarbij het cement reageerde met de mineralen in de grond om nieuwe, duurzame verbindingen te creëren.

Naast het simpelweg sterker worden, werd de behandelde grond ook veel stabieler en minder gevoelig voor het gevaarlijke wegzakken dat de regio teistert. De onderzoekers maten de neiging van de grond om in te klappen wanneer deze nat is en ontdekten dat het toevoegen van cement dit risico drastisch verminderde. In de onbehandelde monsters werd het potentieel voor inklapping geclassificeerd als matig ernstig. Maar in de monsters met 9 procent cement daalde dit risico naar een "licht" niveau, wat betekent dat de grond veel minder waarschijnlijk plotseling zal verzakken. Op dezelfde manier werd de neiging van de grond om onder druk te comprimeren of op te zwellen wanneer deze nat is, aanzienlijk verminderd. Hoe meer cement er werd toegevoegd, hoe minder de grond bewoog, waardoor een materiaal ontstond dat zich meer gedraagt als een solide rots dan als een losse, watergevoelige aarde.

Om te begrijpen waarom deze transformatie plaatsvond, keken de onderzoekers in de grond met behulp van scanning elektronenmicroscopie en chemische analyse. De onbehandelde loess onthulde een chaotische structuur met grote, open poriën en zwakke verbindingen tussen deeltjes, wat deed denken aan een los gestapelde hoop zand. In contrast hiermee toonden de met cement behandelde monsters een totaal ander beeld. De microscopische beelden lieten zien dat het cement naaldvormige structuren en een gelachtige substantie had gecreëerd die de lege ruimtes tussen de bodemkorrels vulde. Deze nieuwe formaties, bekend als calcium siliciumhydraat, fungeerden als een lijm die de individuele deeltjes samenbond in een strak, onderling verbonden netwerk. Dit proces, genaamd flocculatie, veranderde de losse, open structuur in een dichte, compacte massa. De chemische analyse bevestigde dat de hoeveelheid calcium en andere bindende elementen was toegenomen, terwijl de losse, dispersieve aard van de oorspronkelijke grond was vervangen door een solide, cohesieve structuur.

De studie concludeert dat het toevoegen van cement een zeer effectieve methode is voor het stabiliseren van de problematische loess die in het noorden van Iran wordt aangetroffen. Door het cementgehalte te verhogen en voldoende tijd te geven voor het uitharden van het mengsel, kunnen ingenieurs een grond creëren die niet alleen veel sterker is, maar ook resistent is tegen de plotselinge inklapping die optreedt wanneer water wordt geïntroduceerd. Het onderzoek toont aan dat een eenvoudige toevoeging van 9 procent cement een geotechnisch gevaar kan transformeren in een betrouwbare fundering, wat een praktische en toegankelijke oplossing biedt voor de bouw in gebieden die gevoelig zijn voor dit specifieke type bodemfalen. De bevindingen suggereren dat met de juiste mix en genoeg tijd, de grond onder onze voeten standvastig kan worden gemaakt.