بخشی از مقاله
1 مقدمه
خاکها با انواع و ترکیبات متعدد در مناطق مختلف، مخلوطی از مواد معدنی و آلی هستند که از تجزیه و تخریب سنگها در
نتیجه هوازدگی بوجود میآیند. خاکها به دلیل عمده فعالیتهای انسانی دچار آلودگی میشوند. اکثر این آلودگیها به علت بروز تصادفات وسایل نقلیه حامل سیالات آلاینده، نشت شیرابه از کف و جداره مدافن پسماندها و زباله های شهری و یا
نشت مواد نفتی از خطوط و شریانهای انتقال نفت و گاز به داخل محیط متخلخل خاک اتفاق می افتد. مواد نفتی و مشتقات
آنها در اثر حمل و نقل یا ذخیره سازی موجب بروز آلودگی در خاکها می شوند. هرقدر مواد نفتی به عمق بیشتری از خاک
نفوذ کنند، رفع آلودگی و لکه نفتی پروسه مشکلتر و پیچیده تری را به دنبال خواهد داشت. آلودگیهای نفتی یک پیامد اجتناب ناپذیر از افزایش سریع جمعیت و فرآیند صنعتی شدن است که بهدنبال آن آلودگی خاک توسط مواد هیدروکربنی نفتی به شکل وسیع در اطراف تاسیسات اکتشاف و پالایش و به شکل موضعی در مسیرهای انتقال این مواد قابل مشاهده
است. نشت آلاینده نفتی موجب آلودگی خاک و سبب تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی آن میشود. تغییر در خواص فیزیکی
خاکهای آلوده به نفت و مشتقات آن، پایداری شیروانیها، ظرفیت باربری پیها و دیگر سازههای بنا شده بر آن را تحت
تاثیر قرار میدهد. با توجه به نفت خیز بودن کشور ایران و مجاورت با خاک و ضرورت احداث پالایشگاهها و سازههای
عظیم روی این نوع بستر، مطالعه رفتار مکانیکی خاکهای آلوده به منابع نفتی از اهمیت بالایی برخوردار است.
در این زمینه تحقیقاتی صورت گرفته است که از جمله مهمترین آنها میتوان به بررسیهای انجام شده توسط السند و همکاران [1] اشاره کرد. ایشان با بررسی رفتار تحکیمی رسهای آلوده به نفت دریافتند که با افزایش آلودگی نفوذپذیری خاک کاهش مییابد. خامه چیان و همکاران [2] طی تحقیق بر روی خواص ژئوتکنیکی خاک ماسهای و رسی به این نتیجه رسیدند که با افزایش درصد نفت، چگالی خشک حداکثر، درصد رطوبت بهینه و نسبت تخلخل خاک کاهش خواهد یافت.
عبادی و کرمانی [3] نیز با مطالعه خاک رس آلوده به نفت، کاهش نفوذپذیری و افزایش تراکم پذیری خاک را مشاهده کردند.
راتناواریا و میگودا [4]، الرحمن و همکاران [5]، معاونیان و یثربی [6]، حمیدی و جداری [7]، خسروی و همکاران [8] و استبرق و همکاران [9] از دیگر محققینی میباشند که در این زمینه به مطالعه و بررسی پرداخته و به نتایجی مشابه موارد یادشده دست یافتند.
هدف اصلی در پژوهش پیش روی، ارزیابی رفتار تحکیمی خاک رس با کانی کائولینیت آلوده به نفت سفید و گازوئیل است.
در این راستا، نمونههای خاک رس کائولینیت با درصد آلودگی صفر، 3، 6 و 9 درصد آلاینده نفتی در دو درصد تراکم 70 و
90 درصد تهیه شده و مورد آزمایش تحکیم قرارگرفته است.
.2 روش کار
به منظور انجام آزمایش تحکیم، خاک رس با کانی کائولینیت با درصدهای مختلف نفت سفید و گازوئیل آلوده شده است.
جدول 1 و 2 مشخصات فیزیکی و شیمیایی آلاینده و خاک رس مورد استفاده را نشان میدهد.
جدول -1 مشخصات فیزیکی رس کائولینیت
خاک کائولینیت
سیستم طبقه بندی خاک CL
حد روانی (درصد) 32
حد خمیری (درصد) 22
نشانه خمیری (درصد) 10
2
بررسی رفتار و پارامترهای تحکیمی خاک رس...
چگالی ویژه 2/66
دانسیته خشک حداکثر (kg/m3) 1684
رطوبت بهینه (درصد) 19
جدول -2 مشخصات فیزیکی مشتقات نفتی
آلاینده نفتی نفت سفید گازوئیل
چگالی (kg/m3) 795 835
ثابت دی الکتریک (-) 1/8 2/0
ویسکوزیته در دمای 25 درجه سانتیگراد (kPa.s) 2/71×10-6 13/9×10-6
خاک رس مصرفی از کارخانه صنایع کاشی و سرامیک سازی و نفت سفید و گازوئیل مورد استفاده جهت آلوده کردن خاک،
از جایگاه عرضه سوخت تهیه شده است. شکل (1) دانهبندی خاک رس کائولینیت که بر اساس استاندارد ASTM D422-63 [10] تعیین شده است را نشان میدهد.
100
80 ریزتردرصد
60
40 (%)
20
0
1.0 0.001 0.01
اندازه دانه (میلیمتر)
شکل -1 منحنی دانه بندی خاک رس کائولینیت
به منظور بررسی رفتار خاک آلوده و ارزیابی پارامترهای تحکیمی آن، آزمایشهای مختلفی در دو بخش فیزیکی و مکانیکی بر روی خاک رس انجام شده است. آزمایشهای فیزیکی به منظور دستیابی به خواص فیزیکی خاک انجام شده
است که شامل آزمایشهای تراکم اصلاح شده می باشد که مطابق استاندارد [11] ASTM D698-78 صورت گرفته است.
آزمایشهای مکانیکی جهت ارزیابی رفتار و پارامترهای تحکیمی خاک آلوده انجام شده است. بدین منظور آزمایش تحکیم
یک بعدی (ادئومتری) بر روی نمونههای خاک آلوده و تمیز بر اساس استاندارد ASTM D2435-04 انجام گرفته است .[12]
در خصوص هر یک از آزمایشهای فیزیکی و مکانیک انجام شده در این تحقیق، برای هر نسبت تراکم، نوع و درصد آلاینده، حداقل دو آزمایش انجام گرفته و میانگین نتایج گزارش شده است. این موضوع موجب کم شدن خطای آزمایشگاهی شده و باعث می شود حساسیت نتایج نسبت به خطای آزمایشگاهی کاهش یابد.
3
بررسی رفتار و پارامترهای تحکیمی خاک رس...
1-2 آزمایش تراکم اصلاح شده
آزمایش تراکم اصلاح شده جهت تعیین وزن مخصوص حداکثر و رطوبت بهینه خاک، بر روی نمونه های رس آلوده به
درصدهای صفر، 3، 6 و 9 درصد نفت سفید و گازوئیل انجام شده است.
2-2 آزمایش تحکیم
شکل (2) نمایی از دستگاه ادئومتر مورد استفاده در این تحقیق را نشان می دهد. این دستگاه از بخشهای مختلفی شامل .1 وزنه تعادل .2 اهرم انتقال نیرو .3 میله بارگذاری .4 بخش انتقال نیرو .5 نشانگر تغییرمکان .6 سلول تحکیم .7 نشانگر تراز
اهرم و .8 بدنه اصلی تشکیل شده است. پس از اینکه نمونه با نسبت تراکم مورد نظر 70) و یا 90 درصد) ساخته شد داخل
سلول تحکیم قرار داده شده و سپس گیج اندازه گیری تغییر مکان که دقت آن برابر0/01 میلی متر می باشد روی درپوش
برنجی قرار داده می شود تا در حین اشباع نمونه بتوان تغییر مکان نمونه را به صورت دقیق اندازه گرفت و تخلخل اولیه
نمونه را به صورت دقیق محاسبه نمود. پس از صفر کردن عدد گیج تغییر مکان، آب مقطر در داخل سلول تحکیم ریخته شد
و عملیات اشباع سازی نمونه شروع می شود. پس از اشباع کامل نمونه، بارگذاری آن آغاز می گردد. گام های بارگذاری نمونه ها با دو برابر کردن بار در هر مرحله انجام می شود. در این تحقیق از ضریب اهرم 1 به 10 استفاده شده است. برای شروع بارگذاری، ابتدا رینگ حاوی نمونه را درون سلول تحکیم قرارداده شده و پیستون بارگذاری روی نمونه قرار میگیرد. سلول، در مکان مخصوص آن گذاشته می شود. سپس پیچ زیر اهرم انتقال نیرو آنقدر چرخانده میشود تا اهرم در حالت تراز قرار بگیرد. سیستم انتقال نیرو در مکان مورد نظر قرار داده شده و با تغییر مکان، وزن تعادل به نحوی قرار میگیرد که اهرم انتقال نیرو بدون وجود پیچ زیر اهرم در حالت تراز بایستد. این حالت نشان میدهد که هیچ فشاری به نمونه وارد نمیشود و نمونه تنها تحت تنش ناشی از وزن پیستون بارگذاری قرار دارد. بعد از انجام مراحل فوق، نشانگر تغییر مکان در محل مخصوص تعبیه شده و با چرخاندن صفحه روی آن، نشانگر صفر میشود. حال دستگاه آماد بارگذاری و انجام آزمایش خواهد بود.
در تحقیق حاضر برای ساخت نمونه، به مقدار نیاز از خاک مورد نظر درون آون خشک و از الک نمره 200 عبور داده شده است. خاک عبوری از الک با درصدهای صفر، 3، 6 و 9 درصد گازوئیل و نفت سفید به روش دستی مخلوط شده و مدت
سه روز در محلی گذاشته شده است. این مدت زمان، مدت زمان عمل آوری نمونه نامیده میشود و جهت انجام واکنشهای
احتمالی بین دانههای خاک و آلاینده میباشد. پس از گذشت مدت زمان سه روز، نمونههایی با نسبت تراکم ( max )
برابر 70 و 90 درصد ساخته شده و جهت اشباع کامل به مدت 96 ساعت در سلول تحکیم پر از آب قرار داده شده است. پس از اطمینان از اشباع کامل نمونهها، آزمایش تحکیم با اعمال بار 2 کیلوگرم که تنشی معادل 5/9 کیلوپاسکال میباشد، آغاز شده است. سپس تغییر شکل نمونه در زمانهای صفر، 6، 15 و 30 ثانیه و 1، 2، 4، 8، 15 و 30 دقیقه قرائت میشود. در
سیکلهای بعدی بارگذاری، بار 4، 8، 16 و 32 کیلوگرم به نمونه اعمال شده و با ثبت مقادیر تغییر شکل خاک، منحنی تغییر
شکل- لگاریتم زمان و حجم ویژه- تنش سربار ترسیم میشود. با استفاده از این منحنیها میتوان ضرایب ضریب فشردگی
(cc)، ضریب تحکیم (cv) و ضریب نفوذپذیری (k) را استخراج کرد.
با توجه به آنکه پدیده تحکیم به عنوان یک پروسه زمان مند مطرح می باشد، ضریب تحکیم نرخ وقوع تحکیم در لایه رسی را براساس رابطه زیر بیان می نماید:
4
بررسی رفتار و پارامترهای تحکیمی خاک رس...
شکل :(2) نمای کلی دستگاه ادئومتر استفاده شده در این تحقیق
.t c
v T
2
H v
(1)
در این رابطه Tv فاکتور بدون بعد زمان، t زمان سپری شده از شروع تحکیم لایه رسی و H طول کوتاه ترین مسیر زهکشی آب حفره ای است. بر اساس ضریب تحکیم (cv)، ضریب نفوذپذیری خاک (k) از رابطه زیر قابل محاسبه است:
× × × × × × × ×
× ×
w k =c .m .
v v
(2)× ×
در این رابطه mv ضریب قابلیت فشردگی حجمی خاک و w وزن مخصوص آب است.
.3 نتایج و بحث
شکلهای (3) و (4) نتایج حاصل از آزمایش تراکم اصلاح شده را نشان میدهند. بر این اساس وزن مخصوص اولیه خاک
رس کائولینیت تمیز که 16/5 kN/m3 میباشد با افزایش آلودگی به میزان 9 درصد گازوئیل به 17/3 kN/m3 افزایش می یابد. این در حالی است که افزایش 9 درصدی نفت سفید تاثیر چندانی بر وزن مخصوص حداکثر خاک نداشته و وزن مخصوص 16/4 kN/m3 را نشان می دهد. در عین حال درصد رطوبت بهینه خاک در هر دو حالت کاهش خواهد داشت. به دلیل ویسکوزیته بیشتر نفت سفید و گازوئیل نسبت به آب، عمل لغزیدن دانههای خاک بر روی یکدیگر آسان میشود و به موجب آن خاک در رطوبت کمتری به حداکثر وزن مخصوص خود میرسد. همچنین با افزایش میزان آلودگی 9 درصد گازوئیل، وزن مخصوص خاک افزایش مییابد که این امر با توجه به ویسکوزیته بالاتر سیال گازوئیلی قابل توجیه است.
5
بررسی رفتار و پارامترهای تحکیمی خاک رس...
0% Gas oil 9% Gas oil
03 0 5 10 15 20 25
درصد رطوبت (%)
شکل -3 منحنی تراکم خاک تمیز و آلوده به 9 درصد گازوئیل
17.5 وزن
17.0 خشکمخصوص
متربرکیلونیوتن(
16.0
16.5
)بمکع
15.5
0% Kerosene 9% Kerosene
30 25 20 15 10 5 0
درصد رطوبت (%)
17.5
17.0 مخصوص وزن
حداکثر خشک
16.5
16.0 بر کیلونیوتن(
)کعبم متر
15.5
شکل -4 منحنی تراکم خاک تمیز و آلوده به 9 درصد نفت سفید
0% Gas oil نسبت تراکم %70 2.4
3% Gas oil
6% Gas oil
9% Gas oil 2.0
1.6
1.2
0.8
10000 1000 100 10 1
تنش قائم (کیلوپاسکال)
ویژه حجم
شکل -5 تغییرات حجم ویژه-تنش سربار خاک آلوده به گازوئیل در نسبت تراکم 70 درصد
