مقاله بهبود خواص آسترهای رسی ژئوسنتتیکی ( GCL ) با استفاده از بنتونیت پلیمری نانوکامپوزیت

بخشی از مقاله

بهبود خواص آسترهای رسی ژئوسنتتیکی (GCL) با استفاده از بنتونیت پلیمری نانوکامپوزیت

چکیده

بیش از سه دهه از کاربرد آسترهای رسی ژئوسنتتیکی توسط مهندسان طراح و پیمانکاران به عنوان گزینهای مناسب در مقابل پردههای آببند خاکی سپری شده است. اخیراً به منظور کاهش هدایت هیدرولیکی آسترهای GCL، محققان با پولمریزاسیون اسید اکریلیک در مقیاس نانو و درون گل بنتونیت، نوع جدیدی از بنتونیت را معرفی نمودند. بنتونیت پلیمری نانوکامپوزیت (BPN) بدست آمده در معرض جریان هوا خشک شده و برای شبیه سازی توزیع اندازه ذرات آسترهای رسی ژئوسنتتیکی (GCL) تشکیل شده از بنتونیت دانهای، آسیاب شده است. آزمونهای شاخص تورم و هدایت هیدرولیکی نشان دادند که BPN نسبت به بنتونیت سدیم طبیعی در محلولهای آبکی، پتانسیل تورم بیشتری دارد اما هدایت هیدرولیکی آن به مراتب کمتر 3 10-10) (cm/s میباشد. بعنوان مثال، بنتونیت سدیم طبیعی که ضریب هدایت هیدرولیکی آن بیش از 4 برابر میباشد

(cm/s k > 2 10-5)، تقریباً 30 میلیلیتر در آب یونزدایی شده متورم میشود در حالی که BPN به میزان 70 میلیلیتر در محلول مشابه متورم میشود. در نتیجه آسترهای رسی ژئوسنتتیکی که در ترکیبات آنها از BPN استفاده می شود نسبت به انواع سنتی آن مقاومتر هستند. هدف از ارائه این مقاله بررسی آخرین دستاوردهای محققان در زمینه بهبود خواص آسترهای رسی ژئوسنتتیکی برای کاربرد بعنوان یک عایق زیستمحیطی مناسب میباشد.

واژههای کلیدی: آستر رسی، بنتونیت، نانو، تورم، ژئوسنتتیک.

-1 مقدمه
مشکل اصلی محل دفن زبالههای شهری، شیرابه و گاز تولید شده در اثر تجزیه زبالههای دارای ترکیبات آلی می باشد. شیرابه با ورود به آبهای سطحی یا زیرزمینی مخاطرات بهداشتی و زیست محیطی متعددی برای موجودات زنده ایجاد میکند. ویژگیهای خاص ترکیب زباله شهری در ایران از جمله درصد بالای مواد فسادپذیر و رطوبت و همچنین شرایط خاص اقلیمی نظیر بارندگی کم و تبخیر زیاد سبب شده است که شیرابه حاصله دارای بار آلودگی بالایی در مقایسه با کشورهای صنعتی باشد (صفری و جلیلی قاضیزاده، .(1387 از آنجا که این شیرابه با نفوذ در آبهای زیرزمینی می تواند خسارات جبرانناپذیر زیست محیطی را به وجود آورد، میبایست نسبت به کنترل نشت شیرابه به داخل آبهای زیرزمینی اقدام مناسبی صورت پذیرد.

1

استفاده از آسترهای خاکی متراکم (CCL) به دلیل وجود مصالح مناسب در محلهای دفن زباله در ایران و همچنین هزینه کمتر آن نسبت به سایر آسترهای مصنوعی (مانند ژئوممبران)، گزینه قابل قبولی است . با توجه به مطالعات مختلف انجام شده، اکثر محققان معتقدند که مهمترین فاکتور در انتخاب آسترهای خاکی، نفوذپذیری آن و تغییرات آن در تقابل با شیرابه (یعنی غلظت و ترکیب شیمیایی آن) است. لذا اندازهگیری نفوذپذیری آستر خاکی و بررسی اثر شیرابه بر این پارامتر بسیار حائز اهمیت است. از سوی دیگر بعلت مشکلات عدیده این آسترها، در سالیان اخیر کاربرد مصالح نیمه مصنوعی تحت عنوان آستر رسی ژئوسنتتیکی (GCL)توسعه یافته است. آنها جایگزین مناسبی برای آسترهای رسی متراکم نسبتاً ضخیم با هزینه عملیات اجرایی بالا هستند. مشخصات آببندی آنها تابعی از کیفیت رس، میزان رطوبت، میزان تنش فشاری و ارتفاع هیدرولیکی آب است. ضخامت نازک این مواد 0/01) متر) در مقابل لایههای ضخیم آستر رسی متراکم 0/75-1/5) متر) باعث افزایش فضای خالی مفید می شود. برخلاف آستر رسی متراکم معمولی که در اثر خشک شدن در هنگام عملیات اجرایی ترک برمیدارد و نیازمند اصلاح است، این مواد حتی در شرایط خشک نیز به سادگی نصب میشوند. تنها خطری که آستر رسی ژئوسنتتیکی را تهدید مینماید، خطر ناشی از سوراخ شدن آستر میباشد، اگرچه این آستر قابلیت ترمیم و اصلاح خود را دارد. تمامی خصوصیات مطرح شده در مورد آستر رسی ژئوسنتتیکی حکایت از کارایی بلند مدت این مواد مینمایند (صمدی، .(1390 هدف این مقاله معرفی آخرین نوآوریهای انجام شده بر روی مشخصات رس بنتونیت مورد استفاده در ساخت آسترهای رسی ژئوسنتتیکی است که باعث بهبود عملکرد آن در تقابل با شیرابههای ناشی از دفن زباله میشود.

سدیم بنتونیتها برای پردههای آببند محلهای دفن زباله بکار میروند زیرا هدایت هیدرولیکی (k) کمی در برابر جریان آب دارند (k<10 -8 cm/s) و رفتار غشاء نفوذناپذیر جامد از خود نشان میدهند و موجب فیلتراسیون بیش از حد جریان تراوش شیمیایی شده و در نتیجه پخشیدگی آنها کاهش مییابد (مالوسیس و همکاران، .(2003 البته تاثیر سدیم بنتونیت بعنوان پرده آببند برای محل دفن زباله بستگی به ظرفیت کاتیونهای غالب در تبادل کاتیونی (یعنی مجموعه کاتیونهای جذب شده در سطح کانی) دارد.

هدایت هیدرولیکی کم بنتونیت اصولاً ناشی از جذب مولکولهای بدون حرکت آب و یونهای هیدراته در ناحیه میان لایهای رس بنتونیت است که فضای حفرهای موجود برای جریان را محدود میکند و مسیرهای جریان پر پیچ و خم ایجاد میکند. با توجه به اینکه ضخامت لایه جذب شده بطور معکوس مرتبط با غلظت و ظرفیت یونهاست، بنتونیتها به خصوص نسبت به ترکیب سیال منفذی حساس میباشند. علیالخصوص، محلولهای الکترولیت با غلظت و ظرفیت بالای یونی باعث فروپاشی ضخامت لایه مضاعف پخشیده (DDL) شده و موجب افزایش هدایت هیدرولیکی می شود. بنابراین، محلولهای الکترولیت که از درون زبالههای مدفون عبور میکنند باعث افزایش هیدرولیکی آسترهای رسی ژئوسنتتیکی میشوند. در حقیقت با افزایش غلظت و ظرفیت محلول الکترولیت، بعلت تراکم ضخامت لایه مضاعف پخشیده، هدایت هیدرولیکی GCLها افزایش مییابد (شاکلفورد و همکاران، 2000 ؛ جو و همکاران، .(2001

کاتیونهایی که جذب ذرات کلوئیدی خاک میشوند، غشایی را در اطراف این ذرات تشکیل می دهند که ضخامت این لایه تعیین کننده حالت فیزیکی خاک از نظر ساختمانی است. اگر ضخامت این لایه،که اصطلاحاً آن را لایه مضاعف پخشیده1 مینامند، کم باشد ذرات خاک به هم چسبیده و حالت لختهای به خود میگیرند . در این وضعیت، خاک از ساختمان فیزیکی مطلوبی برخوردار است. بر عکس در شرایطی که ضخامت این لایه مضاعف زیاد باشد ذرات خاک از همدیگر پراکنده شده و ساختمان فیزیکی خاک از بین میرود . اگر کاتیونهایی که جذب ذرات خاک شدهاند، بیشتر از نوع دو ظرفیتی (مانند (Ca2+ باشند، لایه مضاعف فشردهتر شده و چنانچه بیشتر آنها از نوع یک ظرفیتی (مانند (Na+ تشکیل شده باشد، لایه مضاعف ضخیمتر و ذرات خاک پراکنده میشوند. پراکندگی ذرات خاک مشکلاتی از جمله کاهش نفوذ، پایین آوردن ضریب هدایت هیدرولیکی خاک، به هم خوردن پایداری ذرات خاک و . . . بوجود میآورد. لذا برای بهبود سازگاری شیمیایی رسها در برابر نفوذهای تهاجمی، انواع مختلف رسهای مقاوم در برابر مواد شیمیایی در سالیان اخیر توسعه یافته است (سایمون و مولر،

1 Diffuse Double Layer

2

.(2005تراگر و دارلینگتون (2000) یک بنتونیت پلیمری نانوکامپوزیت (BPN)با پلیمریزاسیون یک مونومر طبیعی در گِل بنتونیت توسعه دادند. این گِل BPN در یک ژئوتکستایل نبافته سوزنی (GT) ته نشین شده و در معرض نفوذ آب دریا قرار گرفت. هدایت هیدرولیکی BPN-GT برابر با cm/s 5×10-10 در مقایسه با مقدار cm/s 2×10-6 برای GCL سنتی بود. بررسی BPN خشک شده نشان داد که اندازه فضای میان ذرات از 0/35 به 1 تا 1/5 نانومتر افزایش یافته است که نشان دهنده قرارگیری پلیمر در لایههای میانی بنتونیت است. لذا فرض شده است که پلیمر آنیونی با یونهای Na+ موجود در لایه میانی بنتونیت پیوند مییابد.

اسکالیا و همکاران (2011)، BPN را با پلی آکریلیک اسید (PAA) تهیه نمودند. علت انتخاب PAA بخاطر آن بود که PAAبا بنتونیت از طریق پیوند هیدروژنی تاثیر متقابلی خواهد داشت، نسبتاً ارزان قیمت، مشابه پلیمرهای فوق جاذب و فوق متورم مورد استفاده درپوشک نوزاد و نسبتاً ایمن است.

دی امیدیو و همکاران (2011) همچنین بیان نمودند که کاربرد آسترهای رسی در مجاورت محلولهای غلیظ غیرآلی، موجب افزایش میزان هدایت هیدرولیکی در ساختمان رس میشوند. ایشان برای بهبود عملکرد هیدرولیکی آسترهای رسی ژئوسنتتیکی، یک نمونه رس مقاوم در برابر مواد شیمیایی (هایپر رس) را که دارای رفتاری مشابه بنتونیت طبیعی بود توسط نوعی پلیمر آنیونی بنام سدیم کربوکسی متیل سلولز (Na-CMC) توسعه دادند.

-1-2 رسهای آلی
تحقیقات مفصلی برای تشخیص جذب سطحی ترکیبات آلی بر روی صفحات خاک رس انجام شده است (بارتل- هانت و همکاران، 2005؛ دی امیدیو و همکاران، .(2011 بنتونیتهای آلی، رسهایی هستند که بطور معمول با تبادل کاتیونهای چهارظرفیتی آمونیم با سدیم طبیعی بهبود یافتهاند. این فرآیند، رس اصلاح شده آبگریز و بسیار آلی را ایجاد مینماید. رسهای اصلاح شده آلی بعنوان جایگزینی مناسبی برای ممانعت از انتقال آلودگی شناخته میشوند. بنتونیت اصلاح شده با ترکیبات آمونیم (رسهای آلی)، 4-5 برابر بیشتر از رسهای اصلاح نشده، ظرفیت جذب ترکیبات آلی را دارد (لورنزتی و همکاران، .(2005 با این وجود، هدایت هیدرولیکی رسها پس از اصلاح با مواد آلی، ممکن است بطور قابل توجهی افزایش یابد.

-2-2 بنتونیت با خاصیت تورمی چندگانه
بنتونیت با خاصیت تورمی چندگانه که توسط کوندو (1996) توسعه یافته، نوعی بنتونیت است که با کربنات پروپیلن مخلوط شده تا ظرفیت تورم اسمزی آن افزایش یابد. کربنات پروپیلن در لایه میانی اسمکتایت قرار گرفته و مولکولهای متعدد آب را جذب میکند. درنتیجه حتی اگر محلول نفوذی شامل کاتیونهای چند ظرفیتی یا کاتیونهای تک ظرفیتی با غلظت بالا باشد، قابلیت تورم قوی ایجاد میشود. هدایت هیدرولیکی این نوع بنتونیت یک تا دو برابر کمتر از رس اصلاح نشده است (دی امیدیو و همکاران، .(2011

-3-2 رس اصلاح شده با پلیمرهای کاتیونی
پلیمرهای حل شده در یک محلول ممکن است به سادگی در سطح صفحات ماسه و رس جذب شود. چنین جذبی در رسها میتواند برگشت ناپذیر و خود به خودی باشد. زیرا زنجیره پلیمر کاتیونی جایگزین تعداد زیادی از مولکولهای آب میشود و دربردارنده هزاران کاتیون میباشد که لازم است بطور همزمان جایگزین شوند (آشماوی و همکاران، .(2002 به این دلیل، پلیمرهای کاتیونی میتوانند از رس در برابر تبادل کاتیونی محافظت کنند که علت اصلی افزایش نفوذپذیری است. با این وجود، پلیمر کاتیونی اصلاح شده موجب بهبود هدایت هیدرولیکی بنتونیتها نمیشود (دی امیدیو و همکاران، .(2011

3

-4-2 رس اصلاح شده با پلیمرهای آنیونی
جذب پلیمرهای آنیونی بر روی سطح صفحات رس، با حضور کاتیونهای چند ظرفیتی که بعنوان پل بین گروههای آنیونی روی پلیمر و محلهای بار منفی روی رس عمل میکنند، توسعه مییابد (دی امیدیو و همکاران، .(2011 کیو و یو (2007) با کربوکسیمتیلسلولز (CMC) نوعی بنتونیت را اصلاح نمودند. آزمون پراش پرتو ایکس (XRD) و طیفسنجی جذبپرتو مادون قرمز (FTIR) نشان دادند که زنجیرههای پلیمر در میان صفحات رس قرار گرفته و رس اصلاح شده با CMC قدرت جذب و توانایی نگهداری آب خود را افزایش میدهد.

یک نمونه محصولی که در این دسته قرار دارد، آستر رسی ژئوسنتتیکی آبدار متراکم (DPH GCL) میباشد که با غلطکزنی بعد از آبدار شدن توسط محلول پلیمری دارای سدیم کربوکسی متیل سلولز (Na-CMC)، سدیم پلی اکریلات و متانول متراکم شده است. این محصول در مقابل محلولهای نفوذی گوناگون عملکرد فوقالعادهای از خود نشان میدهد (دی امیدیو و همکاران، 2008، .(2011

در این مقاله، تحقیقات انجام شده اخیر توسط اسکالیا و همکاران (2011) و دی امیدیو و همکاران (2011) که با افزودن پلیمرهای آنیونی PAA و Na-CMC به بنتونیت طبیعی، نسبت به معرفی نوع اصلاح شده خاک رس اقدام نمودند، بررسی گردیده است. محققان مزبور نسبت به انجام آزمونهای شاخص تورم و هدایت هیدرولیکی بر روی بنتونیت طبیعی و بنتونیت پلیمری در حضور آب یونزدایی شده و محلولهای الکترولیت پرداختند که نتایج آن در ادامه بررسی شده است.

-1-3 سدیم بنتونیت طبیعی (Na-bentonite)

توزیع اندازه ذرات سدیم بنتونیت طبیعی، بنتونیت پلیمری نانوکامپوزیت (BPN) مورد استفاده توسط اسکالیا و همکاران (2011) و بنتونیت دانهای مورد استفاده توسط شاکلفورد و همکاران (2000) در شکل 1 نشان داده شده است. BPN مورد استفاده اسکالیا و همکاران (2011)، آسیاب و الک شده تا با بنتونیت مورد استفاده در GCL توسط شاکلفورد و همکاران (2000) مطابقت نماید.

شکل -1 توزیع دانهبندی ذرات BPN، سدیم بنتونیت طبیعی (Na-bentonite) و بنتونیت دانهای بدست آمده از آستر رسی ژئوسنتتیکی بکار رفته توسط شاکلفورد و همکاران (2000)

-2-3 بنتونیت پلیمری نانوکامپوزیت (Bentonite Polymer Nanocomposite)
BPN دربردارنده پلیمر آنیونی پلی آکریلیک اسید (PAA) به طریقی مشابه روش مورد استفاده برای تهیه نانوکامپوزیت پلیمری متعارف تهیه شده است. پودر سدیم بنتونیت در یک محلول مونومر که با انحلال اسید آکریلیک در آب تهیه شده، مخلوط گردیده و سپس به آرامی با هیدروکسید سدیم خنثی شده است تا حرارت خنثی سازی پراکنده شود. پرسولفات سدیم بعنوان چاشنی به آن اضافه شده است. بنتونیت در غلظت وزنی %30-50 به محلول خنثی افزوده شده تا گِل بنتونیت مونومر

4

تشکیل شود. در طی اضافه شدن بنتونیت، محلول به شدت آشفته شده تا مساحت سطح برای جذب PAA افزایش یابد. به محض تشکیل گِل بنتونیت مونومر، با افزایش درجه حرارت گِل به بیش از دمای تجزیه چاشنی، پلیمریزاسیون آغاز میشود. این دما باعث تجزیه چاشنی شده و یک یا چند رادیکال آزاد شکل میگیرد. در زمان پلیمریزاسیون، رادیکالهای آزاد (R) به دو پیوند مونومر آکریلیک حمله کرده تا رادیکالهای آزاد جدیدی (RM) تشکیل شود که سپس با مونومرهای اضافی واکنش نشان داده تا زنجیره پلیمر (RMMM) منتشر شود. بعد از پلیمریزاسیون، محلول در کوره خشک میشود. BPN بدست آمده آسیاب و الک میشود.

-3-3 هایپر رس1
هایپر رس نیز نوعی بنتونیت پلیمری مقاوم در برابر مواد شیمیایی است که بوسیله اصلاح رس بنتونیت با افزودن %2 وزن خشک، پلیمر آنیونی سدیم کربوکسی متیل سلولز (Na-CMC) بدست میآید. رس با استفاده از یک همزن به مدت 30 دقیقه درون محلول پلیمری پاشیده میشود. سپس گِل بدست آمده را در دمای 105 درجه سانتیگراد آون خشک مینمایند. بعد از خشک شدن، بنتونیت با استفاده از دستگاه آسیاب ملات ساخت شرکت Retsch (مدل (RM200 آسیاب میشود.

×
-4-3 محلولهای الکترولیت

اسکالیا و همکاران (2011) بنتونیت طبیعی و BPN را با آب یون زدایی شده (DI) و غلظتهای 5، 50 و 500 میلی مول محلول کلرید کلسیم CaCl2 بررسی نمودهاند (اسکالیا و همکاران، .(2011 لی و همکاران (2005) نشان دادند که اگر GCL در معرض نفوذ آب یون زدایی شده یا محلول 5 میلی مول کلرید کلسیم قرار گیرد، مقدار هدایت هیدرولیکی (k) پایین در حدود 2×10- 8 cm/s حاصل می شود. در مقابل، ایشان مشاهده کردند که در محلولهای 50 و 500 میلی مول کلرید کلسیم، مقدار k دارای مرتبه 10- 6 یا cm/s 10-5 میباشد. بنابراین، آب DI و محلول 5 میلی مول کلرید کلسیم برای ایجاد شرایط پایه انتخاب شدند و غلظتهای 50 و 500 میلی مول کلرید کلسیم برای ایجاد تنش در لایه آببند از جنس BPN برگزیده شد.

دی امیدیو و همکاران (2011) نیز از آب یون زدایی شده، آب طبیعی دریا و همچنین محلولهای کلرید کلسیم و کلرید پتاسیم با غلظتهای مختلف 0/001) تا 0/5 مول) استفاده نمودند. آب یونزدایی شده بعنوان محلول مرجع مورد استفاده قرار گرفت و محلولهای الکترولیت با انحلال نمکها CaCl2 2H2O) و (KCl در آب یونزدایی شده تهیه شدند. آب طبیعی دریا دارای شوری 35/5 (Sal)، 7/89 pH، هدایت الکتریکی 55 (EC) میلی زیمنس بر سانتیمتر و پتانسیل اکسایش 201 میلی ولت بود (دی امیدیو و همکاران، .(2011

-5-3 آزمون شاخص تورم
برای بررسی تاثیر رفتار پلیمر بر عملکرد آببندی رسها در محلولهای فوقالذکر، آزمونهای شاخص تورم (SI) براساس استاندارد مرجع ASTM D5890 انجام شدهاند. رسها در آون تحت حرارت 105 درجه سانتیگراد خشک گردیدند. سپس بنتونیت برای عبور کامل از الک استاندارد شماره 200 آسیاب شده است. 2 گرم بنتونیت خشک در گامهای 0/1 گرمی در محلول آبی داخل استوانه 100 میلیلیتری پاشیده شد. بعد از افزایش آخر و سپری شدن 16 ساعت دوره هیدراتاسیون، درجه حرارت نهایی و حجم بنتونیت متورم اندازهگیری و گزارش شده است.

-6-3 آزمون هدایت هیدرولیکی
به منظور بررسی اثر افزودن پلیمر بر روی عملکرد هیدرولیکی رسهای اصلاح شده در مقابل محلولهای نفوذی، آزمون هدایت هیدرولیکی بار افتان توسط نفوذسنج با دیواره انعطافپذیر و مطابق استاندارد ASTM D 5084 انجام پذیرفته است.

اسکالیا و همکاران (2011) از لوله شیشهای با قطر داخلی 5/2 میلیمتر بعنوان مخزن هد آب ریزشی استفاده کردند. برای حداقل نمودن تغییر گرادیان هیدرولیکی در زمان آزمایش، لوله با زاویه 5 درجه نسبت به افق ثابت گردید. ارتفاع ثقلی برای اعمال فشار سلولی و ورود سیال استفاده شد. به منظور جمعآوری راحت سیال خروجی جهت انجام آزمون شیمیایی، از اعمال فشار پشت نمونه صرفنظر شد. نمونهها تحت تنش موثر متوسط تقریبی 20 کیلوپاسکال و گرادیان متوسط هیدرولیکی 200 مورد آزمایش قرار گرفتند. این مقدار گرادیان هیدرولیکی بیشتر از گرادیان موجود در شرایط طبیعی است اما برای آزمون آستر رسی ژئوسنتتیکی معمول است (شاکلفورد و همکاران، .(2000 اسکالیا و همکاران (2011) از ژئوتکستایلهای موجود در طرفین آستر ژئوسنتتیکی بجای سنگهای متخلخل و کاغذ فیلتر استفاده نمودهاند. یک غشاء لاستیکی توسط واشرها به پایهای با قطر 154 میلیمتر متصل شد. یک لایه ژئوتکستایل سوزنی نبافته با جرم در واحد سطح 0/75 کیلوگرم بر مترمربع بر روی پایه قرار گرفت و بر روی آن یک لایه ژئوتکستایل نبافته دارای پیوند حرارتی قرار گرفت. سدیم بنتونیت طبیعی یا BPN با جرم خشک در واحد سطح 4/8 کیلوگرم بر مترمربع بر روی آن قرار گرفت و بصورت دستی هموار شد. سپس دو لایه ژئوتکستایل و یک پایه فوقانی با ترتیب معکوس بر روی لایه بنتونیت یا BPN قرار گرفت. پایه فوقانی سپس با واشرها به غشاء لاستیکی محکم شد. هیدراتاسیون درون سلولی به مدت 48 ساعت قبل از ایجاد جریان برقرار شد. بعد از اینکه نفوذسنج آماده شد و به دستگاه ریزش بار آبی متصل شد، فشار سلولی برقرار گردید و تمام لولهها با مایع نفوذی اشباع گردید. سپس مسیر جریان ورودی نفوذسنج باز شد تا نمونه در معرض هیدراته شدن قرار بگیرد در حالی که مسیر جریان خروجی کماکان بسته بود. بعد از 48 ساعت، مسیرها لبریز از آب شدند تا حبابهای هوا از داخل آنها حذف شوند و جریان با باز شدن مسیر خروجی برقرار شد. در طی آزمایش، جریان خروجی با کیسههایی از جنس پروپیلن اتیلن فلوئوردار جمعآوری شده و برای بررسی مواد شیمیایی سیال خروجی نمونهبرداری از آنها صورت گرفت (اسکالیا و همکاران، .(2011

دی امیدیو و همکاران (2011) نیز آزمونهای هدایت هیدرولیکی را با متوسط تنش موثر 14 کیلوپاسکال بر روی نمونههایی با قطر 7/1 سانتیمتر و تخلخل اولیه n=0/718 انجام دادند. برای تهیه نمونهها، 17/84 گرم خاک خشک در یک حلقه از جنس فولاد ضد زنگ و بین دو سنگ متخلخل ریخته شد. سپس حلقه با محلول نفوذی اشباع گردید. هدف این روش تهیه نمونههایی بود که نشان دهنده خواص یک آستر رسی ژئوسنتتیکی استاندارد با خاک خشک در واحد سطح 0/45 گرم در سانتیمتر مربع باشد.

-1-4 شاخص تورم
آزمایشهای دی امیدیو و همکاران (2011) مقدار شاخص تورم (SI) برای خاک رس اصلاح نشده در آب یون زدایی شده را برابر با ml/2g 26 گزارش مینماید. این در حالی است که شاخص تورم برای هایپر رس (اصلاح شده با (Na-CMC %2 برابر با ml/2g 37 و همچنین برای رس اصلاح شده با Na-CMC %4، برابر با ml/2g 55 بود. لذا نتیجه میشود که افزودن پلیمر Na-CMC باعث افزایش (بهبود) ظرفیت تورم خاک رس اصلاح شده میشود. شکل 2 نشان میدهد که با افزایش غلظت محلول الکترولیت، شاخص تورم به تدریج کاهش مییابد؛ هرچند با افزودن پلیمر Na-CMC، قابلیت تورم رس در حضور محلولهای الکترولیت تا حدودی بهبود مییابد. افزایش شاخص تورم در حضور محلولهای الکترولیت تا غلظت 0/1 مول مشاهده میشود و برای غلظتهای بیشتر، قابلیت تورم بدون تغییر باقیمانده یا به آرامی کاهش یافته است (شکل .(2

اسکالیا و همکاران (2011) نیز گزارش کردند که در آب یونزدایی شده، مقدار شاخص تورم BPN در مقایسه با سدیم بنتونیت معمولی بیش از دو برابر میباشد 73) در مقابل .(mL/2g 30/5 شکل 3 نشان میدهد که شاخص تورم BPN همانند بنتونیت سدیم طبیعی، با افزایش غلظت کلرید کلسیم کاهش یافته است. در غلظت 500 میلیمول 0/5) مول) کلرید کلسیم، شاخص تورم BPNحدوداً مشابه سدیم بنتونیت میباشد 7) در مقابل .(mL/2g 8/5 مطابق شکل 3، سدیم بنتونیت مورد استفاده توسط اسکالیا و همکاران (2011)، رفتار معمولی سدیم بنتونیت در محلولهای هیدراتاسیون مشابه (لی و همکاران،

(2005 را به نمایش میگذارد. علاوه بر این، در شکل 3 مشاهده میشود که هدایت هیدرولیکی BPN مستقل از شاخص تورم میباشد. این نوع رفتار BPN برخلاف رفتار سدیم بنتونیت طبیعی است که بین k و شاخص تورم همبستگی مستقیم مشاهده میشود (لی و همکاران، 2005؛ اسکالیا و همکاران، .(2011 مقادیر شاخص تورم بنتونیت طبیعی و BPN در غلظتهای مختلف محلول کلرید کلسیم در جدول 1 گزارش شده است.

شکل -2 افزایش شاخص تورم (SI) با افزایش میزان پلیمر Na-CMC در: (راست) محلول کلرید کلسیم، (چپ)کلرید پتاسیم

-2-4 هدایت هیدرولیکی
دی امیدیو و همکاران (2011) هدایت هیدرولیکی رس اصلاح نشده در حضور آب یونزدایی شده، آب دریا و محلول 5 میلی مول کلرید کلسیم را مقایسه کردند (شکل .(4 مشاهده میشود که هدایت هیدرولیکی در آب دریا بیشترین مقدار است. زیرا غلظت بالای یونهای موجود در آب دریا سبب ورود آنها در ناحیه میان لایهای بین صفحات بنتونیت شده و ضخامت لایه مضاعف (DDL) را متراکم میکند. هدایت هیدرولیکی آب دریا k=6 .00E-10 m/s (بعد از عبور 19 برابر حجم منفذی جریان) میباشد. یعنیتقریباً دو برابر بیشتر از مقدار مربوط به آب یونزدایی شده است .(k=6 .42E-12 m/s) از سوی دیگر، هدایت هیدرولیکی محلول کلرید کلسیم نیز نسبت به آب یونزدایی شده بیشتر است که این افزایش بعلت جایگزینی یون Na+ بنتونیت با یون Ca2+ محلول است که موجب تراکم ضخامت لایه مضاعف((DDL و باز شدن مسیر عبور جریان بین لایهها میشود. هدایت هیدرولیکی آب یون زدایی شده k=6. 42E-12 m/s (بعد از عبور 19/46 برابر حجم منفذی جریان (19.46PV) و گذشت 276 روز از نفوذ) بود، در حالی که هدایت هیدرولیکی محلول کلرید کلسیم k=3 .53E-11 m/s میباشد (بعد از عبور 2/2 برابر حجم منفذی جریان (2.2PV) و گذشت 149 روز از نفوذ). بطور خلاصه، غلظت بالای یونها (آب دریا) و ظرفیت بالای یونها (Ca2+)، هدایت هیدرولیکی رس اصلاح نشده را افزایش میدهند.
علاوه بر این، کاهش هدایت هیدرولیکی خاک رس با افزودن پلیمر Na-CMC و در حضور محلول 5 میلی مول کلرید کلسیم در شکل 5 مشاهده میشود. هدایت هیدرولیکی خاک رس اصلاح نشده در محلول مزبور k=3 .53E-11 m/s بود، در