در بسیاری از موارد، کیفیت مواد موجود برای کارهای مهندسی عمران باید بهبود یابد. یک تکنیک ایجاد شده برای استفاده ی مجدد از خاک های طبقه بندی نشده در محل کار ساخت و ساز، بهبود خواص خاک است. چنین بهبودهایی همچنین به دلایل اقتصادی و محیطی تشویق می شوند. تثبیت خاک های رسی با آهک هیدراته، آهک خام، سیمان یا سایر اهرم ها منجر به موادی با ویژگی های فیزیکی و مکانیکی بهبود یابد.
آهک خام که اکسید کلسیم غیر هیدراته است ، آب را از خاک های مرطوب جذب می کند ، در نتیجه تبدیل به هیدروکسید کلسیم می کند که اتصالات بین اجزاء خاک و را سخت تر می کند و مقاومت خاک را افزایش می دهد (NLA,20044). واکنش فوری که بین آهک و خاک رس روی می دهد مبادله ی کاتیونی بین یون های مرتبط با سطوح اجزاء و یون های کلسیم در آهک است که منجر به محکم شدن خاک می شود (Bell, 1996). این واکنش با یک واکنش طولانی مدت دنبال می شود که تکامل ان می تواند ماه ها یا سال ها بسته به میزان تجزیه شیمیایی و جذب آب سیلیکات ها و آلومینیوم ها در خاک رس ، طول بکشد. این واکنش به عنوان واکنش پوزولانی شناخته می شود و منجر به ترکیب مواد سیمانی می شود. تعدادی از مطالعات به منظور تحلیل رفتار خاک رس های اصلاح شده با آهک انجام شده است، اما مطالعات کمی در مورد تداوم این مواد ، بویژه تاثیر چرخه های انجماد – ذوب، انجام شده است (Al-Kiki et al., 2011; Al-Mukhtar et al., 2012; Ingles and Metcalf, 1973; Locat et al., 1996). رفتار مواد خاک رس تحت چرخه های F-T یک پدیده ی پیچیده است به این دلیل که به چندین پارامتر، همچون نوع مواد خاک رس (کائولینیت، ایلیت یا مونتموریلونیت)، درجه ی اشباع آنها، دوره و دامنه ی چرخه ی F-T بستگی دارد (Cui et al., 2014; Svensson and Hansen, 2010; Wang et al., 2007). تاثیر انجماد ممکن است برای برخی مواد که به طور کامل بافت را تغییر می دهند غیر قابل برگشت باشد و در برخی مواد همچون مونتموریلونیت قابل برگشت باشد (Svensson and Hansen, 2010). Heller-Kallai (2013) نشان داد که به دلیل تاثیر دما ، برخی مواد معدنی بی شکل می شوند، در حالی که مواد دیگر در مراحل جدید، تبلور مجدد پیدا می کنند. شیب کاربردی دما، ساختار و ویژگی های مواد خاک رس را تغییر می دهد. درجه ی اشباع مواد به خودی خود نقش مهمی در این تغییر ایفا می کند (Birgersson et al., 2008).
در مناطق سردسیر، ویژگی های مکانیکی خاک بشدت تحت تاثیر لنزهای یخ ایجاد شده بین اجزاء در طی انجماد و اضافه ی آب در طی ذوب هستند (Konrad, 1989). این تاثیرات می توانند اساساٌ مقاومت و گنجایش تحمل خاک تاسیسی را کاهش دهند (Aldaood et al., 2014; Kamei et al., 2012; Wang et al., 2007). بر طبق نظر Lee و همکارانش (1995) خاک های پیوسته با مقاومت تراکمی تک محوری (UCS) b55 kPa آثار انجماد – ذوب ناچیز را نشان می دهند، در حالی که خاک هایی با UCS N103 kPa کاهش بیش از 50 درصدی در مادول فنری به دلیل فرایند انجماد – ذوب نشان می دهند. Parsons و Milburn (2003) نشان دادند که کاهش وزن در نمونه های خاک از 2 تا 41 درصد پس از 12 چرخه ی F-T تغییر داشته است. کاهش وزن خاک توسط جداسازی اجزاء خاک در مقیاس میکروسکوپی به دلیل فشار یخ درون منافذ خاک ، ایجاد می شود.تغییر حجم در طی انجماد آب ، فشار درون تخلخل خاک را افزایش می دهد و پیوستگی اجزاء و مقاومت خاک را کاهش می دهد و خاک را فرسایش پذیرتر می کند.خاک های اصلاح شده با سیمان کمترین کاهش وزن را با کاهش حجم 2 تا 7 درصد، تجربه می کنند. نمونه های اصلاح شده با آهک کاهش وزن بیشتری دارند، بویژه برای خاک رس ضعیف. خاک های اصلاح شده با خاکستر کاهش وزن متوسط داشتند که بین 7 تا 19 درصد متغیر بود. Wang و همکاران (2007) اشاره کردند که با افزایش تعداد چرخه های F-C ، یک کاهش ملایم و مداوم در مادول فنری و قدت شکست وجود داشت. برای خاک تحت فشار تحدید ثابت، در معرض تعداد متفاوت چرخه های F-T ، قدرت شکست تا حد کمی در آغاز کاهش می یابد و سپس در سطح خاصی افزایش می یابد و بدون اینکه تحت تاثیر تعداد چرخه های F-T قرار بگیرد ، ثابت می ماند. بازآرایی ذرات ناشی از فشارهای کاربردی شکاف های ایجاد شده بوسیله ی چرخه های F-T را می بندد و مقاومت خاک را افزایش می دهد. Khoury و Zaman (2007) تاثیر تداوم انجماد- ذوب از مجموع تثبیت شده با مواد افزودنی مختلف شامل گردوغبار کوره سیمان، خاکستر بادی و خاکستر بستر سیال ، را بررسی کردند. نتایج نشان داد که مادول فنری (مادول پلاستیک پذیری تحت بارهای چرخه ای) هنگام افزایش چرخه های F-T ، کاهش می یابد. این رفتار، این حقیقت را نشان می دهد که از واکنش های پوزولانی به دلیل چرخه های F-T جلوگیری می شود. BinShafique و همکاران (2010) دریافتند که چرخه ی F-T پلاستیک پذیری خاک های تثبیت شده با خاکستر بادی را تغییر نمی دهد. با این حال ، مقاومت تراکمی غیر محصور تا حدود 20 درصد برای خاک های نرم تثبیتی و حدود 40 درصد برای خاک های گسترده ی تثبیتی کاهش می یابد. حتی پس از از دست دادن مقاومت به دلیل چرخه ی F-T ، مقاومت خاک های تثبیتی حداقل سه برابر بیش از مقاومت خاک های غیر تثبیتی بود. Al-Kiki و همکاران (2011) نشان دادند که خاک رسی تاثیرات شرایط محیطی را تحمل نمی کند، اما پس از تثبیت با آهک، ویژگی های مکانیکی بهبود می یابد. مشاهدات مشابه توسط Aldaood و همکاران (2014)، ثبت شدند.
با توجه به فقدان گزارش شده در مورد خاک های رسی اصلاح شده با آهک در معرض چرخه های F-T ، این مقاله رفتار دو خاک رس با اجزای مختلف را تحلیل می کند: کائولینیت و بنتونیت. این مواد در یک شرایط غیر اشباع در محتوای آب مطلوب مورد مطالعه قرار گرفتند. هدف از این تحقیق بررسی تاثیر زمان اصلاح و درصد اصلاح با آهک در مقاومت در برابر سرما و فشار در اثر ازدیاد حجم است. علاوه بر این، شدت و روند تخریب در مقابل تعداد چرخه های F-T تجزیه و تحلیل شدند. همچنین ، تخلخل و توزیع اندازه ی منفذ برخی نمونه ها توسط تست منفذ سنجی جیوه به منظور تجزیه و تحلیل اثر اصلاح با آهک و چرخه های F-T مورد بررسی قرار گرفت.