بخشی از مقاله
بررسی تأثیر مخلوط آهک و خاکستر بادي
بر خواص فیزیکی و مکانیکی خاك ریزدانه
چکیده
عدم دسترسی به خاك با مشخصات مهندسی مناسب و یـا پرهزینـه بـودن فـراهم آوردن در محـل ساختگاه، مهندسان را به سمت بهبود کیفیت خاك موجود هدایت نموده است. یکی از روشهاي اصـلاح خاك، استفاده از مواد افزودنی است که علاوه بر موارد فوق، از قابلیت تولید و دسترسی انبوه مناسب نیـز برخوردار باشد. آهک یکی از افزودنیها است که در اثر ایجـاد واکـنش پـوزولانی موجـب تقویـت خـاك می شود. اما اگر خاك حاوي یون سولفات باشد یا اینکه خاك تثبیـت شـده در معـرض آب سـولفاته قـرار گیرد، حضور آهک نه تنها باعث کاهش تورم لایه تثبیت شده نمیگردد، بلکه نتیجه عکس داده و سـبب افزایش تورم و کاهش مقاومت می شود. افزودن خاکستر بادي موجب کم شدن تأثیرات مخرب سـولفاتها
(همچون افزایش حجم و ترك خوردگی) و نیز کاهش کربناسیون در خاك مورد تثبیت با آهک یا سیمان شده، PH مخلوط و یون کلسیم را افزایش داده و باعث افزایش و تسریع واکنش پـوزولانی مـیشـود. در این مقاله تأثیر افزودن خاکستر بادي بر خواص ژئوتکنیکی مخلـوط خـاك و آهـک مـورد بررسـی قـرار گرفت. خاك مورد استفاده ML بوده که با درصدهاي مختلف خاکستر بادي و درصد معینی از آهک تهیه شده و از طریق انجام آزمایش مقاومت برشی، اثر خاکستر بادي بر مخلوط آهک و خاك بررسـی گردیـد.
این آزمایشها براي نمونههاي اشباع 28 روزه با درصدهاي مختلف انجام شد تا مجموعه مقادیر مختلـف خاکستر بادي و آهک مورد آزمایش قرار گیرد. نتایج حاصل بیانگر تـأثیر فـوق العـاده خاکسـتر بـادي در مقاومت برشی است به ویژه آن که قیمت پایین آن، استفاده از این مخلوط را مقرون به صرفه مینماید.
واژههاي کلیدي: خاکستر بادي، آهک، خاك ریزدانه، مقاومت برشی
مقدمه
بهبود خصوصیات خاك با استفاده از مواد افزودنی، تثبیت شیمیایی نامیده می شود. امـروزه بـه دلیـل هزینههاي بالاي اجرا ومشکلات فنی و ایمنی در حین اجرا، استفاده از مواد سـازگار بـا محـیط زیسـت و مناسب به منظور کاهش هزینهها و افزایش کارایی و ایمنی اجرا یکی از نیازهاي اساسی است. بسیاري از طرحهاي اجرایی مانند احداث شبکههاي آبیـاري و زهکشـی، جـادهسـازي و احـداث دایـک بـه منظـور پیشگیري از طغیان سیل ممکن است با کمبود مصالح مناسب مواجه شوند و لذا ضرورت دارد که مصالح نامناسب موجود، اصلاح شده و افزایش مقاومت یابند. نتایج این طرح موجب می شود که اسـتفاده از مـواد ضعیف و در دسترس میسر شده و از حمل مصالح از دور دست و تحمیل هزینههاي گزاف پرهیـز گـردد.
این موضوع در مناطقی که مصالح موجود محدود به خاكهایی از قبیل لس، ماسـه، رس چـاق و یـا رس واگرا باشد بسیار حائز اهمیت بوده و تأثیر اقتصادي فراوانی دارد. از جمله افزودنیها می تـوان بـه آهـک، سیمان، خاکستر پوسته برنج، پوزولانها، میکروسیلیس، سولفات آلـومینیم و خاکسـتر بـادي اشـاره کـرد.
تکنیک تثبیت خاك با آهک از دوران باستان متداول بوده است و از سال 1945 اصـلاح خـاك بـا آهـک شکفته در آمریکا رایج شد (طاحونی، .(1373 مهمترین واکنشهایی که در اثر افزودنـیهـا بـه خـاك رخ میدهد واکنش تبادل یونی، واکنش پوزولانی و واکنش هیدراسیون اسـت کـه مهمتـرین آنهـا واکـنش پوزولانی می باشد. این واکنش بین آهک و آب و مواد سیلیسدار وآلومیندار خاك صورت میگیرد؛ تـابع زمان است و درفقدان رطوبت متوقف میشود. این واکنش با ایجاد مواد سیمانی باعـث افـزایش مقاومـت برشی خاك میشود. (Jagannath, 2004) استفاده از مواد پـوزولانی ماننـد خاکسـتر بـادي، تـأثیر مـواد افزوده شده (آهک) را بیشتر و تسریع می نماید. آهک سبب بهبود خصوصیات رفتاري خاك هـاي ریزدانـه رسدار همچون تورم، مقاومت، قابلیتخمیـريجذبآب و مشخصـههـاي (حـدود اتربـرگ) مـیگـردد .(Bell, 1988) اما با توجه به محدودیتهایی که براي استفاده از آهک وجود دارد، افزودن آهک به خـاك ممکن است منجر به تأثیرات نامطلوبی بر خواص خاك تثبیت شده شود. این واکنشهاي مخرب عبارتند از: کربناسیون، تأثیر سولفاتها، تأثیر مواد آلی، تأثیر سولفیدها و نمک طعام. در صورتیکه خاك حاوي یـون سولفات باشد یا اینکه خاك تثبیت شده در معرض آب سولفاته قرار گیـرد حضـور آهـک نـه تنهـا باعـث کاهش تورم لایه تثبیت شده نمی شود، بلکه نتیجه عکس داده و سبب افزایش تـورم و کـاهش مقاومـت میگردد .(Sherwood, 1993) این پدیده به علت انجام واکنشهاي شیمیایی بین کانیهاي رس، آهک و سولفات می باشد که منجر به تشکیل کانیهاي اترینگات و تاماسایت شده و این کانیهـا بـا جـذب آب به شـدت متـورم مـیشـوند .(Petery and Lirrle, 1992; Hunter, 1988) خاکسـتر بـادياصـولاً از اکسیدهاي سیلیسیم، آلومینیم، آهن و کلسیم تشکیل شده است وامروزه از نیروگاههایی که جهـت تولیـد برق از ذغال سنگ استفاده میکنند به دست میآیـد .(Acosta, 2003) ایـن محصـول در ایـران تولیـد نمی شود و با احتساب هزینه تولید. و حمل از هندوستان به ایران، قیمـت آن حـدود هـر کیلـوگرم 3000
ریال می باشد. خاکستر بادي باعث کاهش اثرات فوق و گستردگی کاربرد آهک مـی شـود و بـا توجـه بـه قیمت پایین آنکاملاً مقرون به صرفه است. میزان کلسیم محلول با اضافه کـردن خاکسـتر بـادي زیـاد می شود و لذا فعالیت پوزولانی افزایش مییابد. اضافه کردن خاکستر بادي به صورت قابل تـوجهی مقـدار
PH را افزایش میدهد. با بالا رفتن PH، سیلیکاي خاك از ساختمان ورقه چهـاروجهی شـود و الومینـاي خاك از ساختمان ورقهاي هشت وجهی خود آزاد می شود و انجـام واکـنش پـوزولانی سـرعت مـیگیـرد
.(Mckennon, 1994; Sezer, 2006; Nicholson, 1994) یکـی از مهمتـرین اهـداف تثبیـت خـاك، افزایش مقاومت برشی می باشد و به دلیل اینکه تحقیقاتی که تاکنون به عمل آمدهعمدتاً شـیمیایی بـوده لذا ضرورت دارد که در زمینه تأثیر خاکستر بادي بر مشخصات ژئوتکنیکی خاك هـاي ایـران کـهعمـدتاً منشأ آهکی دارند، تحقیقات مفصلی صورت پذیرد و با نتایج پژوهشگران خارج از کشور مقایسـه شـود. از جملـه تحقیقـات انجـام شـده در خـارج از کشـور مـیتـوان بـه Acosta (2003), Cokca (2001), Parabakar (2004), Nalbantoglo (2004) اشاره کرد که در گزارشهـاي خـود بـه افـزایش CBR،
ظرفیت باربري، زاویه اصطکاك داخلی، مقاومت برشی و کاهش درصد جذب آب خاك اشاره کردهاند.
مواد و روشها
خاك مورد استفاده در این تحقیق بر اساس استاندارد یونیفاید، لاي با پلاستیسیته پایین (ML) با حد
روانی %21/6، رطوبت بهینه %13 و حداکثر وزن مخصوص خشک می باشـد. مشخصـات
فنی خاك در جدول (1) نشان داده شده است.
جدول -1 مشخصات فیزیکی خاك مورد بررسی
آهک مصرفی در این پروژه، آهک صنعتی است از نوع شکفته که در کیسههاي 10 کیلوگرمی تهیـه و عرضه میشود و مشخصات آن در جدول (2) ارایه شده است.
جدول -2 مشخصات آهک مصرفی
مشخصات شیمیایی خاکستر بادي مورد استفاده نیزدر جدول (3) ارایه شده است.
جدول -3 مشخصات خاکستر بادي مصرفی
آزمایشهاي برش مستقیم، حدود اتربرگ و تراکم به ترتیب مطابق استانداردهاي ASTM-D3080، ASTM-D4318 و ASTM- D698صورت گرفت. براي ساخت نمونههاي برش مستقیم، خاك از الک
40 و مواد افزودنی از الک 200 عبور داده شدند. سپس آنها را خشک نمـوده و ترکیبـات متفـاوت مـواد افزودنی بر حسب درصد وزن خشک خاك، به آنها اضافه شدند. ترکیبات مورد آزمایش و علایم استفاده شده در جدول (4) خلاصه شده است. یادآوري میگردد خاك بدون افزودنی به عنوان خاك شاهد (S) در نظر گرفته شده است.
جدول-4 ترکیبات و علایم مورد استفاده
مخلوط حاصل، با تراکم %95 و رطوبت بهینه در داخل سیلندرهاي فلزي کوبیده شد. ایـن سـیلندرها به طور میانگین 15 سانتیمتر طول و 9 سانتیمتر ارتفاع دارند، بـه گونـهاي کـه امکـان 3 نمونـه دسـت
نخورده براي آزمایش برش مستقیم را دارا بودند. این سیلندرها به مدت 28 روز در ظـرف پـر از آب قـرار گرفتند تا خاكکاملاً اشباع و عملآوري گردد. در این مدت روي ظرفها با نایلون پوشیده شـده بـود تـا نمونهها رطوبت از دست ندهند. پس از پایان 28 روز به کمک جـک هیـدرولیک و قالـب دسـتگاه بـرش مستقیم، از 3 عمق متفاوت نمونه دست نخورده گرفته شد. آزمایش برش مستقیم به روش کنـد و اشـباع تحت 3 سربار 20 kpa، 60 و 100 انجام گرفت. قبل از شروع برش، نمونهها به مدت 1 سـاعت تحکـیم شدند و سپس برش با سرعت 0.12mm/min به صورت زهکشی شده تا رسیدن به تغییـر مکـان %10 و
یا حداکثر مقاومت انجام شد.
نتایج و بحث
در شکل (1) نمودار تنش- کرنش حاصل از آزمایش برش مستقیم تحت تـنش قـائم20 kpa بـراي تعداد 10 نمونه خاك نشان داده شده است. از مقایسه نمودار تنش 20 kpa با سـایر نمودارهـا بـه خـوبی نمایان است که افزودن آهک وخاکستر بادي به خاك، باعث کم شدن تغییر شکلپـذیري نمونـه شـده و نمونه تردتر میشود.
شکل-1 نمودار تنش کرنش آزمایش برش مستقیم تحت تنش قائم 20kpa
با اضافه کردن 4، 5 و 6 درصد آهک به خاك، مقاومت نمونه 28 روزه تحت تنش20kpa به ترتیـب
109 و 127 و 190 درصد افزایش مییابد. براي مخلوط 4 درصد آهک و 3 و5 درصد خاکستر بـادي، بـه ترتیب 13 و 48 درصد افزایش مقاومت نسبت به مخلوط خاك بـا آهـک و 136 و 209 درصـد افـزایش مقاومت نسبت به نمونه شاهد خواهیم داشت. براي مخلوط 5 درصد آهک و3 و5 درصد خاکستر بادي به ترتیب 4 و 44 درصد افزایش مقاومت نسبت به مخلوط خـاك بـا آهـک، و 136 و 227 درصـد افـزایش مقاومت نسبت به نمونه شاهد خواهیم داشت براي مخلوط 6 درصد آهک و 3 و 5 درصد خاکسـتر بـادي
به ترتیب 3 و 7 درصد افزایش مقاومت نسبت به مخلـوط خـاك بـا آهـک، 200 و 209 درصـد افـزایش مقاومت نسبت به نمونه شاهد خواهیم داشت. در شکل (2) نمودار تنش کـرنش آزمـایش بـرش مسـتقیم تحت تنش قائم 60 kpa براي 10 نمونه ساخته شده نشان داده شده است.
شکل-2 نمودار تنش کرنش آزمایش برش مستقیم تحت تنش قائم 60kpa
با اضافه کردن 4، 5 و 6 درصد آهک به خاك، مقاومت نمونه 28 روزه تحت تنش60kpa به ترتیـب
37 و 57 و80 درصد افزایش مییابد. براي مخلوط4 درصد آهک و3 و5 درصد خاکستر بادي، بـه ترتیـب
25 و 66 درصد افزایش مقاومت نسبت به مخلوط خاك با آهـک و 71 و 128 درصـد افـزایش مقاومـت نسبت به نمونه شاهد خواهیم داشت. براي مخلوط 5 درصد آهک و3 و5 درصد خاکستر بادي به ترتیب 7
