Improvement of Expansive Soils with Stinging Nettle

Year 2024, , 211 - 224, 31.08.2024

İlyas Özkan

https://doi.org/10.47112/neufmbd.2024.44

Abstract

The volume of expansive soils varies according to their water content. These soils are considered problematic in geotechnical engineering due to their volume changes, which can damage lightweight structures such as canals, single-story houses, and road pavements. Such damages pose a significant economic issue. Therefore, before constructing lightweight structures on these soils, improvement measures are necessary. Various methods, including chemical additives, pre-wetting, and removal-replacement, have been developed for soil improvement. Among these, chemical additives are the most preferred and effective method. In this study, expansive soil will be improved using stinging nettle. Adding stinging nettle, an organic material, to the soil initially causes it to rot and eventually become moldy within the specimen. To prevent this issue, the stinging nettle was boiled to decompose the pulp that leads to rot, resulting in a mixture of stinging nettle and water. This mixture will be added to the expansive soil specimen. Sieve analysis, hydrometer tests, consistency limits, free swelling tests, and unconfined compression tests were performed on the specimens with this additive. Additionally, soil parameters such as cation exchange capacity and specific surface area were examined through methylene blue tests. Mineralogical structure changes in the expansive soils were observed using SEM and XRD analyses. The experimental study detailed the effects of nettle on expansive soils. The stinging nettle-water mixture coated the clay particles, reducing their water absorption capacity and, consequently, decreasing parameters such as free swelling potential, cation exchange capacity, specific surface area, and consistency limits. However, there was no significant improvement in unconfined compressive strength.

Keywords

expansive soil, stringing nettle, chemical additive, stabilization

Project Number

221219022

Şişen Zeminlerin Isırgan Otu ile İyileştirilmesi

Abstract

Şişen zeminlerin, su içeriklerine göre hacimleri değişmektedir. Şişen zeminler, geoteknik mühendisliği açısından problemli zeminler olarak kabul edilmektedir. Bu zeminlerde meydana gelen hacim değişiklikleri; kanal, tek katlı ev, yol kaplaması gibi hafif yapılarda hasarlara neden olmaktadır. Bahsi geçen hasarlar, ekonomik açıdan çok ciddi sorun teşkil etmektedir. Şişen zeminlerin üzerine hafif yapılar yapılmadan önce zeminin iyileştirilmesi gerekmektedir. Literatürde bu tip zeminlerin iyileştirilmesi için kimyasal katkı, ön ıslatma, kaldırma-yer değiştirme gibi birçok metot geliştirilmiştir. Kimyasal katkı, bu metotlar içerisinde en çok kullanılan ve en etkili olan metottur. Bu çalışmada, şişen zemin, ısırgan otu ile iyileştirilmiştir. Organik bir madde olan ısırgan otu, zemine ilave edildiğinde zamanla numune içinde çürümekte ve akabinde numunenin küflenmesine neden olmaktadır. Bu problemin önüne geçmek için ısırgan otu, suda kaynatılarak çürümeye neden olan posası ayrıştırılmıştır. Kaynatma işlemi sonucunda ısırgan otlu su elde edilmiştir. Bu karışım, şişen zemin numunelerine ilave edilmiştir. Katkılı numuneler üzerinde elek analizi, hidrometre, kıvam limitleri, serbest şişme deneyi ve tek eksenli basınç deneyi yapılmıştır. Ayrıca katkılı numunelerin katyon değiştirme kapasitesi ve spesifik yüzey alanı gibi parametreler, metilen mavisi deneyi yapılarak araştırılmıştır. Şişen zeminler ve katkılı zeminler üzerinde SEM ve XRD analizleri yapılarak mineralojik yapıdaki değişiklikler gözlemlenmiştir. Yapılan deneysel çalışma sonucunda ısırgan otunun şişen zeminler üzerindeki etkisi detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Sonuç olarak, ısırgan otlu su karışımı kil parçacıklarının yüzeyini kaplayarak su emme kapasitesini azalmıştır. Böylece şişen kilin serbest şişme potansiyeli, katyon değişim kapasitesi, spesifik yüzey alanı, kıvam limitleri gibi parametreleri düşürülmüştür. Ancak serbest basınç dayanımında çok ciddi bir artış olmamıştır.

Keywords

şişen zemin, ısırgan otu, kimyasal katkı, stabilizasyon

Supporting Institution

Necmettin Erbakan Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü

Project Number

221219022

Thanks

Bu çalışmanın yapılmasında Necmettin Erbakan Üniversitesi Bilimsel Araştırma Koordinatörlüğüne ve Bilim ve Teknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezine katkılarından dolayı teşekkür ederim.

References

• M. J. Masia, Y. Z. Totoev, P. W. Kleeman, Modeling expansive soil movements beneath structures. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 130(6) (2004), 572–579. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2004)130:6(572)
• E. Cokca, Swelling potential of expansive soils with a critical appraisal of the identification of swelling of Ankara soils by methylene blue tests, PhD Thesis, Department of Civil Engineering, Middle East Technical University, Ankara, 1991.
• J.D.Nelson, K.C. Chao, D.D. Overton, E.J. Nelson, Foundation Engineering for Expansive Soils, Wiley, New Jersey, 2015.
• Jr, D. E. Jones., W. G. Holtz,. Expansive soils-the hidden disaster. Civil engineering, 43(8) (1973).
• Z.A. Erguler, R. Ulusay, Engineering characteristics and environmental impacts of the expansive Ankara clay, and swelling maps for central and SW parts of the Ankara (Turkey) metropolitan area, Environmental Geology. 44 (2003), 979-992. https://doi.org/10.1007/s00254-003-0841
• P.S. Parhi, L. Garanayak, M. Mahamaya, , S.K. Das, Stabilization of an expansive soil using alkali activated fly ash based geopolymer. In Advances in Characterization and Analysis of Expansive Soils and Rocks. (2017), 36–50. https://doi.org/10.1007/978-3-319-61931-6_4
• G.N. Goud, A. Hyma, V.S.Chandra, R.S.Rani, Expansive soil stabilization with coir waste and lime for flexible pavement subgrade, In Proceedings of the International Conference on Recent Advances in Materials, Mechanical and Civil Engineering, Volume 330 (2018), 012130. https://doi.org/10.1088/1757-899X/330/1/012130
• S. Karakaş, Isırgan Otu Toprak Altı Ve Toprak Üstü Kısımlarından Isırgan Otu Ekstraktının Eldesi ve Özelliklerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2003.
• E. Bodros, C. Baley, Study of the tensile properties of stinging nettle fibres (Urtica dioica). Materials Letters. 62(14) (2008), 2143-2145. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.11.034
• E. Madenci, Fonksiyonel derecelendirilmiş malzeme plakların statik analizinde mikro-mekanik modellerin katkısı, Necmettin Erbakan University Journal of Science and Engineering. 5(1) (2023), 23-37.
• İ. Akın, E. Zor, H. Bingöl, GO@Fe3O4 katkılı polimerik kompozit membranların hazırlanması ve karakterizasyonu, Necmettin Erbakan University Journal of Science and Engineering. 5(2), (2023), 38-52. https://doi.org/10.47112/neufmbd.2023.8
• M. Uyaner, A. Yar, Nano elyaf takviyeli nanokompozit üretimi ve karakterizasyonu, Necmettin Erbakan University Journal of Science and Engineering. 1(1) (2019), 10-19.
• C. Çırak, K. Kevseroğlu, Kantaron bitkisinin eski çağlardan günümüze kullanım şekilleri ile modern tıptaki yeri ve önemi, OMÜ Ziraat Fakültesi Dergisi. 19 (2004), 74-84.
• A. Ayan, Ö. Çalışkan, ve C. Çırak, Isırganotu (Urtica Spp.)’nun ekonomik önemi ve tarımı, ANAJAS. 21(3), (2006), 357–363. https://doi.org/10.7161/anajas.2006.21.3.357-363.
• M. L. Leporatti, L. Corradi, Ethnopharmacobotanical remarks on the province of Chieti town (Abruzzo, Central Italy), Journal of Ethnopharmacology. 74(1) (2001), 17-40. https://doi.org/10.1016/s0378-8741(00)00325-1
• Y. Özbey, Isırgan otu lifiyle elde edilmiş tekstillerde görsellik, Doktora Tezi, Marmara Universitesi Güzel Sanatlar Enstitüsü, İstanbul. 2013.
• F. Harrıson, J. Furner-Pardoe, E.Connelly, An assessment of the evidence for antibacterial activity of stinging nettle (Urtica dioica) extracts, Access Microbiology. 4(3) (2022), 000336. https://doi.org/10.1099/acmi.0.000336
• ASTM Standard, D422, Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils. ASTM International, (2007), West Conshohocken, PA.
• ASTM Standard, D4318, Standard Test Method for Liquid Limit, Plastic Limit and Plasticity Index of Soils. ASTM International, (2017), West Conshohocken, PA.
• ASTM, D 698, Standard Test Methods for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort. Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, (2006), West Conshohocken, PA.
• ASTM Standard, D4546, Standard Test Methods for One- Dimensional Swell or Collapse of Soils. ASTM International, (2014). West Conshohocken, PA.
• ASTM, D2166, Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil, ASTM International, (2016), West Conshohocken, PA.
• NF, P. 94–068, Soils: Investigation and testing–measuring of the methylene blue adsorption capacity of a rock soil–determination of the methylene blue of a soil by means of the stain test, Association Française de Normalisation. (1998).