بخشی از مقاله
بررسی آزمایشگاهی تثبیت خاك بستر راه کرمان-زنگی آباد با استفاده از چهار ماده آهک،RRP،ZAM I و ZAM II
چکیده
تثبیت بسترهای سست و نیز لایه های زیراساس و اساس با افزودن مواد تثبیت کننده از فنون رایج راهسازی است. امروزه علاوه بر مواد تثبیت کنندۀ متعارف سیمانی ( آهک و سیمان) مواد شیمیایی و معدنی مختلفی جهت اصلاح خاکها تولید و عرضه میشود که لازم است در هر پروﮊه میزان اثربخشی و نحوۀ کاربرد آنها مورد آزمایش قرار گیرد.در این تحقیق با انجام آزمایشهای شناسایی،حدود اتربرگ،تراکم،pH، تورم،CBR، تک محوری و تصویر میکروسکوﭖ الکترونی اثرتثبـیت کننده آهک و ماده ای یـونی با نام تجـاری RRP و دو ماده پلیـمری با عناوین ZAM I وZAM II بر روی خاک بستر راه کرمان ‐ زنگی آباد مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است.
نتایج آزمایش تک محوری حاکی از آن بود که افزودن پلیمرها موجب افزایش سریع و بسیار زیاد مقاومت نمونه ها میشود، اما پس از غوطه ور شدن، این مقاومت به چند صدم مقدار اولیه کاهش مییابد. افزودن درصدهای مختلف RRP اثر قابل ملاحظه ای بر مقاومت این خاک نداشته، و در تثبیت با آهک بیشترین مقاومت با افزودن ۲% از این ماده به دست آمده است. بر اساس نتایج آزمایش تورم و تصویر میکروسکوﭖ الکترونی احتمال شکلگیری کانی های اترینگایت در جریان تثبیت با آهک ضعیف به نظر میرسد.
واﮊه های کلیدی: تثبیت خاک ، آهک ، RRP ،ZAM I ،ZAM II ، راه کرمان ‐ زنگی آباد
مقدمه
تثبیت خاک های ریزدانه توسط مواد افزودنی یکی از روشهای متداول بهسازی این خاکها میباشد. ذرات رس در سطح خود دارای بار منفی هستند و کاتیونهای محلول در آب منفذی را به سوی خود جذب میکنند و بدیــن ترتـب لایـه آب دوگانه حول ایـن ذرات تشکیـل میشود. در خاکهایی که به علت شرایط شیمیایی آب منفذی و به ویژه حضور کاتیونهای تک ظرفیتـی مانند سدیم، ضخـامت لایه دوگانه نسبـت به ابعاد ذرات رس قابل ملاحظه باشد، مقاومت مکانیکی توده خاک به شدت کاهش مییابـد. در این صورت میتوان با افزودن موادی که شرایط شیمیایی آب منفذی را عوض کرده و باعث کاهش ضخامت لایه دوگانه و به عبارت دیگر افزایش نیروی جاذبه بین ذرات شود، ویژگیهای مکانیکی خاک را اصلاح کرد. از رایج ترین مصالح مورد استفاده جهت اصلاح این خاکها آهک میباشد. استفاده از آهک در زمینهای رسی یک روش موثر و اقتصادی بـرای بالا بردن کیفیت خاک بستر میباشد. افزودن آهک، در کوتاه مدت سبب کاهش ضخامت لایه دوگانه حول ذرات رس شده و در درازمدت، به علت ایجاد سمنتاسیون ناشی از واکنش پوزولانی، رفتارخاک را به میزان قابل ملاحظه ای تغییر میدهد. این تغییرات شامل تغییر در دانه بندی، حدود اتربرگ، خـــواص تراکمی، سختی و مقاومت برشی می-باشد]۱.[
امروزه در راهسـازی عـلاوه بـر تثبیـت کننـده هـای متعارف یعنی آهک، سیمان و قیر، مواد شیمیایی و معدنی جدیدی جهت بهبود خواص خاکها عرضه مـی شـوند کـه لازم است نحوه کاربرد و میزان کـارآیی آنهـا درهـر پـروﮊه خاص با انجام آزمون های دقیق مورد بررسـی قـرار گیـرد.
نمکها، اسیدها، آنزیم ها، لیجنین سولفونیت، فرآورده هـای نفتی، امولسیون ها و چسـب درختـی از جملـه گـروه هـای اصلی تثبیت کننـده هـای نامتعـارف محسـوب مـی شـوند.
امولسیون های پلیمری یک دسته از این مواد هسـتند کـه طیــف وســیعی از پلیمرهــا ماننــد اســتیرن‐ بوتــادین (Styrene- Boutadiene)، انـــواع مختلـــف کوپلیمرهـــا
(Synthetic Rubbers) تـا پلـی وینیـل کلرایـد (PVC) و تعداد زیادی از ترکیبات آکریلیک را در بر مـی گیـرد. ایـن پلیمرها می توانند اسیدی، بازی و یا خنثـی باشـند. اغلـب ترکیبات پلیمری که در تثبیت خاکها بکار بـرده شـده انـد وینیلـی آکریلیـک و یـا کـوپلیمر بـا ترکیبـات آکریلیـک هستند.
علیــرغم پیشــرفت ســریع تولیــد و عرضــه تثبیــت کننده های نامتعارف، موانعی در راه گسـترش کـاربرد آنهـا وجود دارد که عبارتند از: عدم اعـلام ترکیبـات شـیمیایی اصلی و مکانیسم تأثیر آنها از سوی تولید کنندگان، تغییـر نام تجاری این محصـولات در فواصـل زمـانی کـم، فقـدان اطلاعات لازم در مورد روش های استاندارد که بنحو موثری کارایی این مواد را در آزمایشگاه و در محل ارزیابی نمایند، فقـدان اطلاعـات کـافی در مـورد میـزان مصـرف و نحـوه اختلاط انها با خاک و بالاخره نبود اطلاعات کافی در مورد تاثیرات زیست محیطی این محصولات.
] Gopal۲[ (1983) مطالعـات مقایسـهای بسـیاری بـااسـتفاده از و کوپلیمرهـایش به منظور تثبیت ماسه بادی انجام داد. نمونه ها با ترکیبات و نسبتهای متفاوت UF و اسـیدهای کاتـالیزور و درجـات مختلف pH ساخته شدند. نتایج حداکثر مقاومـت فشـاری تک محوری در حدود kpa۰۰۲۶۱ را نشان دادند که بسیار عدد بالایی است. پایین آمدن pH مخلوطها، با اسـتفاده از کاتالیزور اسید فسفریک باعث افزوده شدن مقاومت نسبی نمونهها شد.
] Palmer۳[ (1995) آزمایشهایی را برای تعیین اثر چند ماده تثبیت کننده بروی مقاومت و دانسـیته راه هـای روسازی نشده ارائه داده است. مواد تثبیت کننده لیجنـین ســولفونیت، کلریــد کلســیم (CaCl2) و کلریــد منیــزیم (MgCl2) هستند. غلظت افزودنی ها در حـدود ۱ تـا 25/3درصد وزن خشک خاک است. نتایج آزمـون آزمایشـگاهی نشان داده که لیجنین تنهـا مـاده از آن ۳ تثبیـت کننـده است که باعث افزایش دانسیته خاک شده است.
] Vvedenka۲[ (1971) ســعی کــرد بــا اســتفاده از کوپلیمرها ماسه، سیلت و رس را تحکیم کند.
برمبنای مشاهدات وی، یکپارچگی و گیرش خاک در مدتی کمتر از 10 روز کامل می شـود. پیشـنهاد وی بـرای میزان مصرف ماده افزودنی برای به دست آوردن مقـاومتی قابل قبول، چیزی در حدود ۵ الی10 درصد بود.
در تحقیقی که توسط Tingle و همکـارانش در سـال ۲۰۰۲ انجام شد، تاثیر مواد تسریع کننده (زودگیر کننده) افزوده شده به تثبیت کننده های امولسیون قیـر، لیجنـین سولفونیت، ۶ پلیمر متفاوت، سیلیکات و یک تثبیت کنـده چسب درختی مورد بررسی قرار گرفت. زودگیر کننـده هـا سیمان پرتلند و یک پلیمر بودند. در این آزمایش ها، علاوه بر آزمایش تک محوری آزمایش pH نیز مورد استفاده قرار گرفت.
در تحقیق دیگری که توسـط Santoni و همکـارانش در سال 2003]۲[ به منظور بررسی تاثیر محدوده وسیعی از تثبیت کننـده هـا بـر روی خصوصـیات خـاک سـیلتی‐ ماسـهای انجـام شـد. ۳ تثبیـت کننـده متعـارف (آهـک، سـیمان، امولسـیونهـای آسـفالتی) و 13 تثبیـت کننـده نامتعارف از قبیل لیجنین سولفونیت، اسید، آنزیم پلیمـر و امولسیون های نفتی و ترکیبات چسب درختی در دو حالت 28 روز عمل آوری در فضای آزاد (خشک) و 28 روز عمل آوری در فضــای آزاد ســپس ۵ دقیقــه غوطــه وری مــورد آزمایش قرارگرفتند. نتایج آزمایشهای آنها نشـان داد کـه بعضی از تثبیت کننده ها توانایی افزایش مقاومـت فشـاری تک محوری را دارا هستند و بعضی از آنهـا ایـن قابلیـت را ندارند.
در تحقیق حاضر با انجام آزمایشهای شناسایی، حدود اتربرگ، pH، تورم، CBR، تک محوری و تصویر میکروسکوﭖ الکترونی اثر یک ماده یونی با نام تجاری RRP و دو پلیـمر با عناویـن ZAM I وZAM II و نیز آهک بر روی خاک بسترراه کرمان‐زنگی آباد مورد بررسی و مقایسه قرار میگیرد]۳.[
مشخصات خاک و مواد تثبیت کننده
خاک مورد مطالعه در این تحقیـق، نمونـهای از خـاک بستر راه کرمان‐زنگی آباد در حوالی کیلـومتر 16 ایـن راه است. منحنی دانه بندی خاک در شکل (۱) و خصوصـیات فیزیکی و مکانیکی آن در جدول (۱) ارائه شده است.
چنانکه ملاحظه میشود، این خاک بر طبق رده بندی USCS رس با خاصیت خمیری کم (CL) است که درصد ردشده از الک 200 آن حدود 75% و درصد ذرات رسی آن (ذرات کوچکتر از 002/۰ میلـیمتـر) درحـدود 20% مـی باشد. حـد خمیـری و حـدروانی آن بـه ترتیـب 14 و ۲۲ درصد میباشد. میزان CBR مرطوب و اشباع ایـن خـاک (در تراکم نسبی 95 درصد پروکتور استاندارد) بـه ترتیـب برابر 16 و ۳ میباشند. این مقادیر نشان میدهند که خاک مورد مطالعه خاک بسیار ضعیفی است و اجـرای مسـتقیم روسـازی راه بـر روی آن بـدون تثبیـت یـا اصـلاح، مجـاز نمیباشد. در روی منحنی نتایج آزمایش X-RAY (شـکل ۲) بیشــترین پیــک در فاصــله بــین صــفحهای((d 32/3 انگستروم دیده میشود. به عبارت دیگر ذرات رس موجـود عمدتاﹰ از جنس ایلیت میباشند. آهک مورد استفاده در این تحقیق از نوع آهک شکفته بوده و از یکی از کارخانه هـای کوچک تولید آهـک در کرمـان تهیـه شـده اسـت. میـزان CaO ، MgO و CO2 و سـولفاتهـای ایـن آهـک بـر اساس آزمایش های انجام شده به ترتیـب 69% ، ۴% ،۵ %،93/۰% بوده و درجه خلوص آن در حدود 80% میباشد.
ماده RRP به صورت مایع اسیدی قهوهای رنگی عرضه میشود که بر اساس مدارک ارائه شده از سوی تولید کننده، از طریق جانشینی یونی موجب بهبود خواص خاکها به ویژه خاکهای ریزدانه صورت میشود. با افزودن این ماده، ضخامت لایه آب دوگانه کاهش و خصوصیات خمیری و تورمی خاک بهبود مییابد. همچنین این ماده بعلت تغییراتی که در ویسکوزیته آب ایجاد میکند باعث ایجاد شرایط تراکم بهتر و بالا بردن مقاومت خاک میشود. این ماده محصول آلمان بوده و از طریق نماینده رسمی RRP در ایران در اختیار قرار گرفت.
بنا به اظهار ارائه کننـده داخلـی RRP، ایـن مـاده در طی چند دهه در پـروﮊههـای مختلفـی در اروپـا، ترکیـه و آفریقای شمالی به کار بـرده شـده اسـت، امـا بـه جـز دو گزارش مربوط به آزمایش های درجا که بـر روی دو پـروﮊه راهسازی کوچک در یوگوسلاوی و الجزایـر کـه در آنهـا از RRP استفاده شـده اسـت، اطلاعـات و مسـتندات علمـی دیگری در جریان تحقیق به دسـت نیامـد. مـواد پلیمـری ZAM I وZAM II به صـورت بـوده مـایع و رنـگ آن هـا سفید مایل به شیری میباشد و به جهت ویسکوز بودن بنا به توصـیه سـازنده آن هـا بـه نسـبت حجمـی 60 (مـادۀ افزودنی) به 40 (آب) رقیق شدند. ماده ZAM I و ZAM II که توسط یک محقق ایرانی تولید شده است برطبق نظر سازنده آن یک پلیمر است. در این صورت بایستی مکانیزم تأثیر آن براساس چسـباندن ذرات خـاک (بـر طبـق نظـر (Santoni باشد. البته سازنده این ماده اعتقاد دارد که ماده او توانایی از بین بردن آبی که در سطح ذرات خاک جـذب می شود و باعث تـورم آن مـی شـود را نیـز دارا اسـت کـه این نظریه توسط هیچیک از محققینی که با پلیمر کـــارمیکردند ارائه نشده است.
آب مورد استفاده در تثبیت نمونهها آب شرب تهران است و میزان املاح آن در حدی نیست که بر نتایج آزمایشها اثر گذارد. لازم به ذکر است که در تحقیق حاضر، آزمایشهای تراکم استاندارد، حدود اتربرگ، CBR، pH، درصد مواد آلی و تورم به ترتیـب براساس استانداردهای
ASTMD-4318 ASTMD-698 و ASTMD-4972 ASTMD-1883 و
ASTMD-4546 - ASTMD-2974 انجامگرفتهاست.
روش ساخت و عمل آوری نمونه ها
در تهیه نمونههای خاک تثبیت شده، مقادیر پیش بینی شده ماده افزودنی بر اساس وزن خشک خاک به نمونه ها اضافه شد و میزان رطوبت نهایی لازم نیز بر پایه نتایج آزمایش تراکم استاندارد، با افزودن آب به خاک تأمین گردید.
رطوبت مورد نیاز، در تثبیت با آهک پس از افزودن آهک به خاک و در تثبیت با RRP و پلیمر ها۱ قبل از افزودن آنها اضافه گردید]۴.[ نمونههای مخلوط شده با مواد افزودنی، در قالبهای تکمحوری با 95% تراکم پروکتور استاندارد و در قالبهای CBR با 100% تراکم بهینه کوبیده شد. نمونه خاک کنترل (بدون ماده افزودنی)، هم در قالب تک محوری و هم در قالبCBR با 95% تراکم استاندارد تهیه شد. جهت انجام آزمایش تک-محوری، نمونههایی با مقادیر۲ ، ۴ ، ۶ ، ۸ درصد وزنی آهک در زمانهای عمل آوری۴، ۷ ، 28 ، 60 و90 روز در شرایط نگهداری مرطوب (در داخل کیسه های پلاستیکی سربسته) و در دمای آزمایشگاه تهیه شدند. نمونههای تثبیت شده با RRP، طبق مدارک ارائه شده از سوی تولیدکننده آن، با افزودن 01/۰ ، 015/۰، ، 02/۰ ، 03/۰درصد ساخته شدند و پس از زمانهای عملآوری ۷، 28 و60 روز در شرایط مشابه آهک، مورد آزمایش قرار گرفتند. به منظور بررسی اثر غوطه وری، پس از 28 روز نگهداری مرطوب، نمونه های ساخته شده با آهک به مدت 32 روز ]۱[ و نمونههای ساخته شده با RRP به مدت ۷ روز درون آب غوطهور گشتند. برای نگهداری در حالت غوطهور، به دور سطح جانبی نمونه ابتدا یک لایه طلق و سپس چند لایه چسب سلفون ضخیم پیچیدهشد و سپس نمونه، در حالی که یک سنگ متخلخل در زیر و سنگ دیگری در بالای آن گذاشته شد، به صورت قائم در داخل آب قرارگرفت. بنا به توصیه سازنده پلیمرها لازم بود که خاک تثبیت شده با آنها تا مدتی به صورت خشک (در هوای آزاد) عملآوری شود. بدین منظور نمونههاپس از ساخت، از داخل قالب آزمایش تکمحوری بیرون آورده شده و به صورت قائم در معرض هوای آزمایشگاه قرار گرفتند. نگهداری در حالـت مرطـوب این نمونهها، پـس از عملآوری اولیه آنها در حالت خشک، مشابه نمونههای تثبیتشده با آهک و RRP در داخل کیسه پلاستیکی دربسته انجام گرفت. ترتیب افزودن تثبیت کنندهها و آب در ساخت نمونه های CBR مشابه نمونههای تکمحوری بود. جهت بررسی ساختار میکروسکوپی بخش ریزدانه خاک و تغییرات به وجود آمده در این ساختار در درصدهای بهینه انتخابی از آهک، RRP و پلیمرها، تصویر میکروسکوﭖالکترونیکی تهیه شد.
نتایج آزمایشها
اثر تثبیت بر روی مشخصات تراکمی خاک
همانگونه کـه از مقایسـه منحنـیهـای شـکل (۳) بـر میآید، بر اثر اختلاط با آهک منحنـی پروکتـور خـاک بـه سمت پائین و راست حرکـت مـیکنـد. بـه عبـارت دیگـر افزودن آهک موجب کاهش حداکثر وزن مخصوص خشک و افزایش رطوبت بهینه نسبت به خاک طبیعی مـیگـردد
]۱.[ بیشترین و کمترین تغییرات وزن مخصوص خشک در اثـــر افزودن آهک به ترتیب مربوط بـه نمونـههـای ۴% و۲%آهک میباشد.
بررسـیهـای نمودارهـای شـکل (۴) نشـان مـیدهـد کـه افزودنRRP موجب کاهش حداکثر وزن مخصوص خشـک و افزایش میـزان رطوبـت بهینـه نسـبت بـه حالـت اولیـه میشود، اما تغییرات ایـن رونـد در درصدهــای مختــلف RRP نــاچیز بــوده و حالــت نوســانی دارد. نمودارهــای شکل های (۵) و (۶) نشان میدهند که با افزودن پلیمرهـا حداکثر وزن مخصوص خشک خاک تثبیت شده نسبت به نمونه خاک طبیعی کاهش و رطوبت بهینه افزایش مییابد.
روند کاهشـی وزن مخصـوص خشـک بـا افـزودن مقـادیر بیشتر ZAM I وZAM II ادامـه مـییابـد امـا تغییـرات رطوبــت بهینــه در درصــدهای مختلــف پلیمرهــا ناچیـــز میباشد.
اثر تثبیت بر خواص خمیری خاک
گرچه افزایش مقاومت درازمدت خاک، مهمترین هدف تثبیت میباشد، اما در زمینهای بسیار مرطوب و سست کاهش خواص خمیری خاک به منظور افزایش کارایی ماشین آلات راهسازی نیز معمولاﹰ یکی از اهداف تثبیت میباشد که این موضوع با انجام آزمایشهای حدود اتربرگ بررسی میشود]۵.[ در تحقیق حاضر، زمان شروع آزمایشهای مزبور حداکثر یک ساعت پس از مخلوط کردن خاک با مواد افزودنی انتخاب شد. نشانه خمیری خاک مورد مطالعه برابر ۸ میباشد که با افزودن ۲% آهک این میزان به ۱۱ میرسد و با افزودن مقادیر بیشتر آهک، بین ۹ تا ۱۱ نوسان میکند. افزودنRRP هم موجب کاهش تنها یک واحد شاخص خمیری میشود. پلیمر ها موجب نوسان شاخص خمیری بین ۷ تا 10 میشوند. در واقع میتوان گفت به دلیل پایین بودن نسبی خواص خمیری خاک، افزودن تثبیت کننده ها اثر چندانی بر این خواص نداشته است. نمودارهای حدود اتربرگ، pH و تورم در مرجع ]۳[ ارائه شده است.
