بخشی از مقاله
خلاصه
رسهاي خانواده اسمکتیت بهواسطه داشتن سطح مخصوص قابلتوجه، ظرفیت تبادل کاتیونی بزرگ و تورمپذیري، در پروژههاي عمرانی مانند اجراي دیوارهاي آببند، پوششهاي رسی مراکز مهندسی دفن زباله و لایههاي محافظ مراکز دفن زباله هستهايمورد استفاده قرار میگیرند. در اینگونه از سازهها به دلیل شرایط خاص حاکم بر پروژه، امکان تغییر گرادیان حرارتی و مشخصات مایع منفذي مجاور خاك وجود دارد. این تغییرات میتوانند سبب تغییر در رفتار مهندسی اسمکتیت شده و باعث کاهش عملکرد مورد نظر از استفاده اسمکتیت در این پروژهها گردد. بر این اساس در تحقیق حاضر با انجام مجموعهاي از آزمایشهاي بزرگساختاري و ریزساختاري، تأثیر گرادیان حرارتی و تغییر مشخصات آب حفرهاي بر رفتار فیزیکی- مکانیکی اسمکتیت مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان میدهد در شرایط یکسان تنشهاي خارجی و با تغییر مشخصات محیطی مجاور خاك، قابلیت جذب و نگهداري آب توسط اسمکتیت و رفتار مکانیکی آن ازجمله تحکیمپذیري، ضریب نفوذپذیري و تورم خاك تغییر میکند. با توجه به نتایج آزمایشهاي ریزساختاري، علت تغییرات رفتاري اسمکتیت، ناشی از تغییر نیروهاي دافعه و جاذبه بین پولکهاي رسی بوده که با تغییر ریزساختار و نحوه آرایش پولکها در کنار یکدیگر، سبب تغییر در رفتار بزرگساختاري خاك میشود. بر اساس نتایج پژوهش حاضر، مجاورت طولانی مدت خاك با رژیم آبی متغیر و همچنین افزایش دماي بیش از 100°C، تهدیدي جدي در راستاي زوال
خصوصیات مطلوب اسمکتیت محسوب میشود. توجه به امکان چنین تغییراتی براي یک مهندس طراح ژئوتکنیک بسیار حائز اهمیت است. نتایج این تحقیق در طراحی مراکز دفن مهندسی زباله، طراحی دیوارهاي آببند و طراحی محلهاي نگهداشت زبالههاي اتمی کاربرد دارد.
کلمات کلیدي: مایع منفذي، حرارت، اسمکتیت، ریزساختار، خصوصیات مهندسی
1. مقدمه
اسمکتیت به دلیل داشتن یک سري خصوصیات مهندسی ویژه از جمله قابلیت تورم زیاد، هدایت هیدرولیکی بسیار کم، پتانسیل زیاد نگهداشت آب، 1 شکلپذیري زیاد و خاصیت خود درزگیري ، بهعنوان یک مصالح آببند در طراحی سازههاي آبی- ﺧﺎﮐﯽ - مانند هسته رسی سدها - و پروژههاي زیست 2 محیطی - مانند طرح سیستم محافظ مراکز دفن زباله هستهاي - به صورت فراگیر مورد استفاده قرار میگیرد 1]، .[2 در اینگونه از رسها توجه به وابستگی خصوصیات مهندسی خاك در اثر شرایط بارگذاري خارجی و نیروهاي بین ذرهاي، میتواند مانع از تکرار شکست پروژه هایی از قبیل احداث اتوبان اوکلاهما [3]و صدها مرکز دفن زباله که عموماً پس از ساخت سبب آلودگی محیط زیست شدهاند [4]، گردد. در واقع بر پایه مباحث تئوریک لایه دوگانه و با توجه به رابطه 1 در شرایط یکسان تنشهاي خارجی، رفتار رسها تابعی از از نیروهاي دافعه - Rep - و نیروهاي جاذبه - Att - بین صفحات است
از طرفی نیروهاي جاذبه و دافعه بین ذرات خود تابع تغییرات شرایط محیطی اطراف رس هستند .[6] لذا انتظار میرود با تغییرات شرایط محیطی ازجمله تغییر مشخصات الکترولیتمایع منفذي، در اثرتغییر نیروهاي داخلی بین ذرات، پارامترهاي بزرگساختاري رس نظیر ضریب نفوذپذیري، پتانسیل جذب آب و میزان تراکمپذیري آن دچار تغییرات عمدهاي گردند 7]، .[8
در شرایط اجرایی، تغییر در نوع مایع منفذي خاك ممکن است ناشی از نشت شیرابه آلاینده از درون لایههاي محافظ مراکز دفن زباله، نشت مواد شیمیایی - مانند گازوئیل - از انبارهاي نگهداري و یا به دلیل تخلیه فاضلابهاي صنعتی و پسآب معادن در رودخانهها و مجاورت خاك با این آبها اتفاق افتد. در مراکز دفن زباله هسته اي علاوه بر مسئله امکان تغییر مایع منفذي خاك، موضوع حائز اهمیت دیگر در خصوص تغییرات شرایط محیطی 1 اطراف خاك، توجه به گرماي ناشی از زوال مواد رادیواکتیو است. سطح گرماي ﺗﻮﻟﯿﺪ شده بر حسب شرایط مرکز دفن و نوع زبالهها متغیر بوده و در محدوده 100°C تا 250°C براي مراکز دفن مختلف گزارش شده است 9]، .[10
بر این اساس با توجه به امکان تغییر شرایط محیطی اطراف خاك در پروژههاي واقعی، انجام تحقیق در راستاي ارزیابی امکان تغییر پارامترهاي 2 مهندسی و ماندگاري رفتار اسمکتیت در اثر تغییر شرایط محیطی ضروري به نظر میرسد. علیرغم اهمیت این موضوع، در رابطه با تغییر پارامترهاي ژئوتکنیکی خاك در اثر اعمال گرادیان حرارتی تاکنون تحقیقات محدودي انجام شده است. بر این اساس در مطالعه حاضر سعی شده است رفتار فیزیکی- مکانیکی اسمکتیت در شرایط متنوعی - به لحاظ رژیم آبی متغیر و اعمال حرارت - بررسی و مطالعه گردد. با استناد به نتایج اخذ شده از پژوهش حاضر میتوان در زمان طراحی پروژههایی که امکان تغییر شرایط محیطی اطراف رس محتمل است - نظیر مراکز دفن زباله - ، ضریب اطمینان از عملکرد طرح را بطور چشمگیري افزایش داده و مانع از اثرات سوء تغییر رفتار خاك در مرحله بهرهبرداري از پروژه گردید.
2. مواد و روش انجام آزمایشها
به دلیل کاربرد فراوان اسمکتیت در پروژههاي عمرانی و زیست محیطی، کلیه مطالعات این پژوهش نیز بر روي این نوع خاك صورت گرفته است.
خصوصیات ژئوتکنیک زیست محیطیاسمکتیت مورد مطالعه بر اساس روش یانگ و همکاران [11] تعیین و براي آنالیز شیمیایی مایع منفذي از دستگاه جذب اتمی مدل GBC 932 Plus استفاده شد. خصوصیات ژئوتکنیکی خاك نیز بر اساس روش استاندارد [12] ASTM اندازهگیري شده است. بر اساس نتایج آزمایشهاي انجام شده، خصوصیات خاك مورد مطالعه با سه بار تکرار، مطابق جدول 1 بدست آمد.
جدول -1 پارامترهايژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیست محیطی اسمکتیت مورد مطالعه
به منظور بررسی امکان تغییر رفتار خاك در اثر تغییر نوع مایع منفذي،نظر به آنکه مهمترین کاتیونهاي آلاینده غیر ارگانیک که در شرایط اجرایی ممکن است سبب تغییر نوع مایع منفذي اسمکتیت گردند شامل کلسیم و سدیم میباشند 9]، [13، با انتخاب نمک سولفات کلسیم و سولفات سدیم ابتدا الکترولیتهایی با غلظت صفر تا 1 نرمال تهیه شد. در ادامه به دلیل اینکه بیشترین تاثیرپذیري فابریک خاك ناشی از تغییر نوع مایع منفذي، در شرایط سوسپانسیون خاك - آب رخ میدهد [14]، با اضافه کردن هر محلول به خاك، نمونههایی در نسبت 1:10 خاك - الکترولیت آماده شد. نمونهها پس از نگهداري به مدت 96 ساعت و شرایط تعادل سازي - به این ترتیب که هر روز 15 دقیقه بهم زده میشدند - درون استوانههاي پلاستیکی توخالی به قطر 7 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر تخلیه و با استفاده از یک پیستون و بارگذاري مرحلهاي تا تنش 25 کیلو پاسکال پیشبارگذاري شدهاند. پس از خروج کامل آب حفرهاي اضافی، نمونه را از درون استوانه بیرون آورده و با تعیین درصد رطوبت، دانسیته و نسبت تخلخل هر نمونه - با توجه به یکسانبودن شرایط بارگذاري خارجی و صرفاً تغییر نوع مایع منفذي - رفتار تغییر حجمی خاك مورد مطالعه قرار گرفته است. سپس از هر یک از نمونهها براي آزمایش ادئومتري و اندازهگیري ضریب نفوذپذیري، بوسیله رینگ تحکیم با قطر 5 و ارتفاع 2 سانتیمتر نمونهگیري شد.
همچنین بواسطه اهمیت حفظ خصوصیات تورم و نگهداشت آب توسط اسمکتیت به عنوان لایه آببند، در ممانعت از حرکت آب به محیط اطراف [15] در راستاي ممانعت از ورود شیرابه آلاینده به چرخه آبهاي زیرزمینی، بخشی از آزمایشها به مطالعه این موضوع اختصاص داده شد. بر این اساس با انجام یک سري آزمایشهاي مرتبط با شرایط اندرکنش خاك- آب شامل آزمایش مکش و آزمایش تورم، احتمال تغییر خصوصیات رفتاري خاك در شرایط تغییر درجه حرارت، مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته است. بدین منظور نمونههاي اشباع شده اسمکتیت در 4 شرایط مختلف دمایی شامل 25°C، 100°C ، 150°C و 200°C به مدت 7200 ساعت بر حسب شرایط آزمایش نگهداري و سپس مورد آزمایش قرار گرفتهاند. نمونه-هاي مورد نیاز براي آزمایشهاي مکش، ابتدا در نسبت آب به خاك برابر 1 تهیه، سپس در سلولهاي پیشبارگذاري تا تنش 80 کیلوپاسکال تحت تحکیم یک بعدي قرار گرفتند. سپس با استفاده از رینگهاي برنجی با قطر 5 سانتیمتر از خاك فوق نمونهگیري شده و پس از ایجاد شرایط حراراتی مورد نظر، آزمایشهاي مربوطه انجام گرفتهاند.
1همچنین با هدف مطالعه ظرفیت تورم خاك، تورم آزاد نمونههاي اﺳﻤﮑﺘﯿﺖ پس از اعمال حرارت، مورد مطالعه قرار گرفتهاند. بدین منظور پس ازاعمال گرادیان حراراتی مورد نظر، مقدار 2 گرم خاك خشک اسمکتیت را درون استوانه مدرج 100 میلیلیتري قرار داده و سپس تا انتهاي قسمت مدرج با آب مقطر پر شدهاند. پس از گذشت زمان 24 ساعت میزان افزایش حجم هر نمونه قرائت شده و مقدار تورم آزاد خاك مطابق رابطه 2 محاسبه شد 12]، .[16 در معادله - 2 - ، V حجم نمونه بر حسب میلیلیتر و S جرم نمونه بر حسب گرم است.
به منظور مطالعه تغییر ریزساختار خاك و تجزیه و تحلیل تاثیر تغییرات شرایط محیطی در مقیاس میکروسکوپی، در هر مرحله متناسب با تغییرات اعمال شده، نمونههایی براي آنالیز X-ray تهیه [17] و با استفاده از دستگاه مدل Siemens-Diffraktometer-D5000 آنالیز شدهاند.
3. بحث و تحلیل نتایج
.1-3 ارزیابی تاثیر خصوصیات مایع منفذي بر پارامترهاي مهندسی اسمکتیت
در شکل 1 مقادیر نسبت تخلخل و دانسیته نمونهها پس از اتمام مرحله پیشبارگذاري ارائه شد. مشاهده میشود با افزایش غلظت الکترولیت، مقدار نسبت تخلخل کاهش و دانسیته نمونهها افزایش یافته است. بهنحويکه با توجه به یکسان بودن شرایط بارگذاري خارجی براي کلیه نمونهها، علت تغییر رفتار خاك را میتوان به تفاوت مشخصات الکترولیت شیمیایی مایع منفذي نمونهها نسبت داد.
