بخشی از مقاله
مقدمه
بنتونیت نوعی رس با خاصیت پلاستیک بالا است که از تغییر خاکسترهای آتشفشانی به وجود میآید. کانی غالب در بنتونیت، مونت موریلونیت است. بعضی از مشخصات بنتونیت
مانند نفوذپذیری کم و قابلیت تورم زیاد برای استفاده بهعنوان بافر1 و عضو آببند2 در مراکز
دفن پسماند (بهخصوص پسماند هستهای) یا پوشش لندفیل بسیار مناسب است. بنتونیت در مراکز دفن پسماند هستهای و شهری عمدتاً بهصورت ترکیب با خاکهای دانهای مانند ماسه و
خرده سنگ استفاده میشود. بهطورکلی خاکهای رسی مانند بنتونیت بهعنوان اصلیترین گزینه
برای آببندی مراکز دفن بهحساب میروند و هماکنون در بسیاری از کشورهای جهان از این خاک بهعنوان مصالح آببند در شرایط محیطی مختلف استفاده میشود. از آنجاکه بنتونیت متراکم نفوذپذیری کمی دارد انتظار میرود که انتقال مواد رادیواکتیو3 ناشی از نشت احتمالی از
مراکز دفن پسماند هستهای و نشت شیرابه از لندفیلها به میزان چشمگیری کاهش یابد. علاوه
بر این ظرفیت تبادل کاتیونی(CEC) 4 زیاد بنتونیت موجب جذب یونهای رادیواکتیو میشود
که این عامل انتقال مواد رادیواکتیو را مجدداً کاهش میدهد. نکته قابلتوجه در مورد بنتونیت،
ریزدانه بودن این خاک و وابسته بودن تغییرات آن به کانیها و ساختارهای شیمیایی تشکیلدهنده
آن است. مشخص است که رفتار هیدرولیکی و مکانیکی خاکهای رسی میتواند بهشدت تحت تأثیر شرایط شیمیایی محیط قرار گیرد. در مواردی مانند قرینطه کردن پسماندهای پرخطر هستهای، صنعتی و معدنی، این تغییرات میتواند بهطور چشمگیری امنیت مراکز دفن و در نتیجه محیط اطراف را بهخطر بیاندازد. بهعنوان یک موضوع، تحلیل تأثیر نمک روی مشخصات هیدرو- مکانیکی مراکز دفن اهمیت دارد. علت آن هم احتمال نشت آب دریا به مراکز دفن (مراکز دفن پسماند هستهای نزدیک دریا) یا ساخت مراکز دفن در گنبد های نمکی است. همچنین یون سدیم و کلسیم بهمیزان چشمگیری نسبت به سایر کاتیونها در پسماندهایی مانند پسماندهای شهری موجود است .[1] شکل 1 تصویری از یک مرکز دفن پسماند هستهای در گنبد نمکی را نشان میدهد. بنتونیت و ترکیب آن با ماسه مناسبترین مصالح دارای خاصیت بافری در مراکز دفن هستند. [2]، بنا بر این بهعنوان یک ماده بافر، خاصیت حفظ یکپارچگی خود در برابر حملات شیمیایی و در برابر آب شور را دارد .[3] از آنجا که بنتونیت و ترکیبات
Buffer Sealing Material Radioactive Cation Exchange Capacity
تأثیر نمک سدیم کلرید بر تورم، تراکمپذیری و نفوذپذیری بنتونیت 2263
آن با مصالح دانه ای بهعنوان یکی از مهمترین مصالح آببند در مراکـز دفـن شـناخته شـده انـد بررسی تأثیر نمک های مختلف روی پارامترهای آن حایز اهمیت است. کاربرد زیاد این مصـالح در شرایط محیطی مختلف از جمله در مجاورت آب شور موجب تحقیقات گسترده محققان در این زمینه شده است. برای نمونه می توان به تحقیقات الاواجی [4] با بررسی تـأثیر نمـک هـای سدیم نیترات و کلسیم نیترات روی حدود اتربرگ، تورم و تحکـیم دو نـوع ماسـه- بنتونیـت1، کاستلانوس و همکاران [5] با بررسـی تـأثیر نمـک سـدیمکلریـد بـر تـورم، تـراکمپـذیری و نفوذپذیری بنتونیت فیبیکس2، میشرا و همکاران [6] با بررسی تأثیر نمک های کلسیم کلرید و
سدیم کلرید روی تورم، تراکم پذیری، حدود اتربرگ و نفوذپذیری چهار نوع مخلوط بنتونیـت و شریعتمداری و همکاران [7] با بررسی تأثیر نمکهای سدیم کلرید، کلسیم کلریـد و منیـزیم کلرید روی حدود اتربرگ، تورم، تراکمپذیری و نفوذپذیری مخلوط رس- بنتونیت3 اشاره کرد.
این گزارش طی یک پروژه آزمایشگاهی تأثیر نمک سـدیمکلریـد بـر روی رفتـار تـورمی، تحکیمی و همچنین تأثیر آن بر نفوذپذیری بنتونیت را بررسی می کند. آزمایش ها در آزمایشـگاه ژئوتکنیک دانشگاه علم و صنعت ایران انجام گرفته است.
شکل .1 مرکز دفن ضایعات هستهای در گنبد نمکی
Sand-Bentonite Febex Bentonite Clay-Bentonite
4622 نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره 3 پاییز 1393
مصالح و آزمایشها
رس استفاده شده در آزمایش ها بنتونیت غنی شده با سدیم تولید گروه ایران باریت1 اسـت. مشخصات فیزیکی مانند وزن مخصوص، توزیع اندازه دانه ها، درصد رطوبت و حدود اتربـرگ بر اساس روش ASTM تعیین شده است .[8] خاک طبـق طبقـهبنـدی متحـد در گـروه CH (رس با خاصیت پلاستیک بالا) قرار دارد. جدول 1 بعضی از مشخصات ایران باریـت بنتونیـت را نشان میدهد.
در این تحقیق وزن مخصوص خشک برای همه نمونه های بنتونیت 1/4 گرم بر سـانتیمتـر
مکعب در نظر گرفته شده است. میزان اشباع نیز برای همه نمونه ها 100 درصد در نظـر گرفتـه شد. این امر بهعلت دور شدن از اثرات مکش2 در خاکهای غیراشباع است که در ایـن تحقیـق بررسی نشده است. از آنجاکه بنتونیت خاکی با سطح مخصوص بالا است، بهمنظور آمادهسازی برای آزمایش پس از ترکیب و مخلوط شدن با میزان مشخصی آب مقطر برای رسیدن به درصد اشباع صد، حداقل بهمدت 5 روز در محفظه ای ایزوله شده در دمای 25 درجه بهمنظور همگـن شدن نمونه، قرار گرفته است. درصد رطوبت بنتونیت قبل اززمایشآ مجدداً کنترل شده اسـت.
پس از عملآوری بنتونیت با این روش، بنتونیت در دو ارتفاع 6 میلیمتری بهصورت دینامیکی در
جدول .1 مشخصات ایران باریت بنتونیت
×پارامترهای موجود ×مشخصات خاک
XRD آنالیز [9] ×مونت موریلونیت، کوارتز، کلسیت
×طبقهبندی خاک CH
×حد روانی 321×
×شاخص خمیری 285×
×ماکزیمم وزن مخصوص خشک 1/51×
×درصد آب بهینه 24×
CEC(cmol/kg soil)[9]× 6/5×
چگالی خشک دانهها((Gs 2/78×
PH (نسبت آب به خاک 1 به [9] (10 9/5×
سطح مخصوص دانهها ( [9]( 420×
Iran Barite Suction×
تأثیر نمک سدیم کلرید بر تورم، تراکمپذیری و نفوذپذیری بنتونیت 2265
در قالبی صلب و بهکمک میلهای آهنی کوبیده شده است بهصورتی که ارتفاع و قطر نهایی نمونه رتیب 11و 50 میلیمتر شده است. سیال استفاده شده در آزمایشها آب مقطر و محلول نمک سدیمکلرید با غلظتهای 0/05، 0/1، 0/5 و 2 مولار است. نمک استفاده شده در محلول آبی، لرید با خلوص 99 درصد است.
تورم بنتونیت تحت بار 25 کیلوپاسکال و بارهای 50، 100، 200، 400 و 800 کیلوپاسکال در مرحله تحکیم نمونه بهصورت بارگذاری و باربرداری به نمونه اعمال شدهاند. زمان هر بارگذاری در مرحله تحکیم نمونه حداقل 48 ساعت است. همه آزمایشها با دستگاه تحکیم
یکبعدی صورت گرفته است.
نتایج
آزمایش تورم آزاد
دسته اول آزمایشهای صورت گرفته، آزمایش تعیین تورم بنتونیت در حضور سیالهای با غلظت مختلف است. شکل 2 نتایج بررسی تورم بنتونیت را تحت بار 25 کیلوپاسکال بر حسب لگاریتم زمان در غلظتهای مختلف محلول سدیمکلرید نشان میدهد. با توجه به شکل 2 افزایش غلظت محلول موجب کاهش تورم بنتونیت بهمیزان چشمگیری شده است. همچنین افزایش غلظت محلول موجب افزایش سرعت تورم یا بهعبارت دیگر موجب کاهش زمان به
تعادل رسیدن تورم شده است. برای نمونه، نیمی از تورم نهایی در محلول 2 مولار در حدود یک ساعت، برای محلول 0/5 مولار در حدود 14 ساعت و برای آب خالص در حدود 10 روز رخ میدهد (از آنجا که اختلاف بین نمونه در آب خالص و محلول با غلظت نمک در مرحله تورم زیاد بود نمودار تورم در آب خالص در شکل 2 رسم نشده است).
شکل 3 تغییرات تورم نهایی بنتونیت با افزایش غلظت محلول را نشان میدهد. با توجه به شکل 3 افزایش غلظت محلول از آب خالص تا محلول 2 مولار موجب کاهش تورم از حدود 82 درصد به حدود 1/5 درصد شده است.
نتایج بهدست آمده در این تحقیق تطابق قابل قبولی با نتایج بهدست آمده بهوسیله سایر محققان دارد. برای نمونه کاستلانوس و همکاران [5] با بررسی اثر نمک سدیمکلرید روی
6622 نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره 3 پاییز 1393
شکل .2 تورم تحت تنش 25 کیلوپاسکال در غلظتهای مختلف محلول سدیمکلرید
شکل .3 تغییرات تورم نهایی بنتونیت با افزایش غلظت محلول سدیمکلرید
تورم بنتونیت فیبیکس گزارش کردند که تورم بنتونیت با افزایش غلظت محلول از آب خالص تا محلول نمک 2 مولار تحت اثر تنش 500 کیلوپاسکال از حدود 22 درصد به حدود 7 درصد کاهش مییابد. کاستلانوس و همکاران [10] در گزارشی دیگر بیان کردند افزایش غلظت نمک سدیمکلرید از آب خالص تا محلول نمک 2 مولار تحت اثر تنش 20 کیلوپاسکال موجب کاهش تورم از حدود 45 درصد به حدود 19 درصد شده است. الاواجی [ 4] نیز با بررسی اثر نمک سدیمنیترات گزارش کرده است، افزایش غلظت نمک محلول از آب خالص تا محلول 4 مولار تحت تنش 7 کیلوپاسکال موجب کاهش تورم از حدود 26 درصد به 4 درصد و 60 درصد به 3 درصد در دو نوع ماسه- بنتونیت شده است. چنانکه ملاحظه میشود، مشابه نتایج
تأثیر نمک سدیم کلرید بر تورم، تراکمپذیری و نفوذپذیری بنتونیت 2267
این تحقیق، همه محققان مذکور کاهش پتانسیل تورم با افزایش غلظت شیمیایی محلول را گزارش کردهاند.
