بخشی از مقاله
خلاصه
پدیده واگرایی خاک، میتواند سبب ایجاد گسیختگی و خسارت جبرانناپذیر به پروژههای عمرانی و زیستمحیطی شود. در این راستا، حضور خاک-های واگرا در سازههایی مانند سدهای خاکی و کانالهای آبیاری میتواند سبب بروز مشکلات فراوانی مانند آبشستگی درونی، رگاب و یا حتی تخریب پروژه شوند. از طرفی با وجود مطالعات گسترده قبلی در خصوص رفتار خاکهای واگرا، در زمینه تأثیر اندازه پولکهای رسی بر مشخصات واگرایی و pH خاکهای واگرای رسی مطالعات بسیار محدودی صورت گرفتهاست. بر این اساس هدف این مقاله تعیین تأثیر اندازه پولکهای رسی بر رفتار واگرایی و ارزیابی pH پولکهای بخش واگرای رسی میباشد. در این تحقیق از بنتونیت - حاوی کانی مونت موریلونیت با خاصیت خمیری زیاد - و خاک رس طبیعی واگرا به دلیل داشتن کانیهای با دامنه خمیری کم - کائولینیت و ایلیت - استفاده شدهاست. در این راستا، خاک رس بنتونیت با استفاده از سانتریفیوژ و با سرعتهای مختلف 2000، 4000، 6000 و8000 - دور بر دقیقه - به پنج لایه مختلف در هر سرعت تفکیک شده و برای هر لایه خصوصیات واگرایی خاک مورد مطالعه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتهاست. هم چنین خاک واگرای طبیعی پس از سانتریفیوژ در سرعتهای ذکر شده به چهار لایه مختلف در هر سرعت تفکیک شده و در این نمونه نیز برای هر لایه خصوصیات واگرایی خاک مورد ارزیابی و اندازهگیری قرار گرفتهاست. با توجه به نتایج بدست آمده، اندازه پولکهای رسی مونت موریلونیت ارتباط مستقیمی با پتانسیل واگرایی دارد، بهطوریکه پولکهای رسی با اندازه کوچکتر، از درصد واگرائی بزرگتری برخوردار هستند و با افزایش اندازه پولکهای مونتموریلونیت در بنتونیت واگرا، از پتانسیل واگرایی آنها کاسته میشود. در واقع به نظر میرسد بین خصوصیات فیزیکی کانی رسی، با پدیده واگرایی ارتباط مستقیمی وجود دارد. همچنین بر اساس نتایج تحقیق حاضر، تغییرات pH بخشهای مختلف خاک بنتونیت و خاک واگرای طبیعی، به پیوندهای شکسته بین پولکهای رسی آن نسبت داده شده است.
کلمات کلیدی: خاک واگرا، بنتونیت، سانتریفیوژ، تغییر پتانسیل واگرایی، pH
. 1 مقدمه
واگرایی یا فرسایش کلوئیدی خاک، یک فرایند فیزیکی-شیمیایی است که غالباً در خاکهای ریزدانه - حاوی ذرات رس یا لای چسبنده - رخ میدهد 8]،.[1 استعداد واگرایی تابعی از هندسه قرارگیری ذرات و شرایط و توزیع نیروهای داخلی مابین آنها است. در خاک های واگرا، غلبه نیرو های دافعه نسبت به نیروهای جاذبه بین ذرات، سبب پراکندگی ساختار خاک میشود. درخاکهای واگرا، میزان رطوبت حد انقباض، بسیار کمتر از رطوبت اشباع است، لذا کاهش رطوبت در
این خاکها، به کاهش حجم و ایجاد ترکهای فراوان در سطح خاک منجر میشود. برای نمونه، درصد انقباض خاک های واگرای مورد آزمایش در سدهای تخریب شده بر اثر رگاب در اکلاهما بیش از 30 درصد بوده است.[2] همچنین در خاکهای مذکور، درصد سدیم تبادلی - - ESP از 15 درصد و pH در اکثر مواقع از 8/5 بیشتر است. قابلیت واگرایی، تابعی از نوع کانی های موجود در خاک است 4]،.[3 کانی مونتموریلونیت به دلیل حضور سطوح فعال رسی - حاوی بار منفی زیاد، اندازه کوچک ذرات و امکان تبادل کاتیونی - و همچنین پیوند ضعیف بین لایهها، نسبت به سایر کانیهای رسی - مانند کائولینیت و ایلیت - از استعداد پراکندگی و فرسایشپذیری بیشتری برخوردار میباشد. نتایج مطالعات انجام شده بر روی خاک های واگرا در مناطق مختلف دنیا بیانگر آن است که این نمونه از خاکهای رسی درصد زیادی کانی مونتموریلونیت دارند .
[5] تحقیقات نشان میدهد، کاتیونهای تبادلی بیشترین تاثیر را بر روی مکانیسم واگرایی خاک رس دارد .[18]کانی کائولینیت به علت بزرگتر بودن اندازه ذرات و در نتیجه کم شدن سطح مخصوص آنها و همچنین با توجه به مثبت بودن بار الکتریکی در گوشه صفحات این کانی - بخصوص درpH های کمتر از - 5/2، به نسبت کانی مونتموریلونیت از نیرو های دافعه بین ذرات کمتری برخوردار بوده و در نتیجه از پتانسیل واگرایی خاک کاسته میشود. علاوه بر این، وجود پیوند هیدروژنی محکم ما بین صفحات سیلیکا-آلومینا در کائولینیت، مانع پراکندگی ساختار - واگرایی - کائولینیت میشود .[14] اگر چه، علیرغم پیوند قوی بین ذرات و نیروی دافعه کم بین سطوح، در رس های حاوی کائولینیت نیز امکان فرسایشپذیری محدود خاک وجود دارد .[6] مکانیزم واگرایی در خاک ها به دو صورت مختلف اتفاق میافتد. پدیده واگرایی در کائولینیت با دفع کاتیون و آنیون ها و در مونتموریلونیت عمدتاً با جذب و تورم کانی رسی همراه است. علاوه بر شرایط کانیساخت، مشخصات شیمیایی مایع منفذی مجاور سطوح رسی نیز تاثیر قابل توجهی بر پتانسیل واگرایی و خصوصیات ساختار پراکنده دارد .[9] برای ایجاد واگرایی و شروع فرسایش در خاک، ابتدا لازم است یک سری واکنش های شیمیایی بین ذرات رسی و آب حفرهای اتفاق افتاده، تا غلبه نیروهای دافعه بر نیرو های جاذبه بین ذرات، سبب دور شدن آنها از یکدیگر و پراکندگی ساختار خاک شود .[7] روند این واکنشها تابعی از نوع کانی رسی و مشخصات مایع منفذی مجاور سطوح رسی است. در بسیاری از بررسی ها برای بهبود عملکرد خاکهای واگرا، استفاده از اصلاح شیمیایی توصیه شده است 17]،16،.[15 با وجود تحقیقات وسیعی که در خصوص رفتار خاکهای واگرا انجام شده است در زمینه مطالعه تأثیر اندازه پولکهای رسی بر رفتار واگرائی خاکهای رسی تحقیقات بسیار محدودی صورت گرفته است. بر این اساس هدف اصلی این تحقیق ارزیابی و تعیین تأثیر تغییر اندازه پولکهای رسی مونتموریلونیت و خاک واگرای طبیعی بر رفتار واگرائی و تغییرات درصد واگرائی آن میباشد.
2. مواد و روشها
در این پژوهش، در بخش آزمایشهای رفتاری از خاک بنتونیت به دلیل حضور کانیهای مونتموریلونیت و کربنات، استفاده شدهاست. همچنین به عنوان نمونه شاهد، خاک رس واگرای طبیعی که اصلیترین بخش آن از کانی های ایلیت و کائولینیت تشکیل شدهاست، مورد تحلیل و بررسی قرار گرفتهاست. هدف از این انتخاب بررسی تاثیر عواملی نظیر نوع و اندازه کانی های رسی موجود در خاک بر پتانسیل واگرایی آن در سرعتهای مختلف سانتریفیوژ بودهاست. بخش اعظم آزمایشهای انجام شده در این پژوهش بر اساس استاندارد ASTM صورت گرفتهاست.
.1-2 روش انجام آزمایش سانتریفیوژ
در پژوهش حاضر، خاک رس بنتونیت با استفاده از سانتریفیوژ و با سرعتهای 2000، 4000، 6000 و - rpm - 8000 به پنج لایه مختلف به شرح ذیل تقسیم شده است:
.1-1-2 جدا سازی لایه اول بنتونیت
ابتدا نمونه خاک رس بنتونیت، به نسبت 1:20 - آب:خاک - درون تیوب سانتریفیوژ ساخته شدهاست. سپس به منظور همگن شدن و تعادل سازی، نمونهها به مدت 96 ساعت داخل تیوب سانتریفیوژ نگهداری شده، بهطوری که در هر 24 ساعت به مدت 2 ساعت بر دستگاه لرزاننده افقی قرار داده شدهاند. پس از اطمینان از یکنواختی نمونهها، آزمایش سانتریفیوژ با سرعتهای مختلف، مطابق جداول 1 تا - Layer 1 - 4 انجام شدهاست. در واقع از آنجا که در مراحل آزمایش سانتریفیوژ ذرات درشتتر سریعتر رسوب میکنند، با جدا سازی سوسپانسیون در این مرحله، لایه اول که دارای اندازه پولکهای ریزتری نسبت به سایر پولکهای موجود در خاک رس بنتونیت است جدا سازی شده است.
.2-1-2 جدا سازی لایه دوم بنتونیت
بعد از جدا سازی سوسپانسیون در مرحله نخست، به ذرات تهنشین شده درون تیوب سانتریفیوژ مرحله اول، به میزان 20 سیسی آب مقطر اضافه شدهاست. سپس به منظور همگن شدن و تعادل سازی، نمونهها به مدت 96 ساعت داخل تیوب سانتریفیوژ نگهداری شده، به طوری که در هر 24 ساعت به مدت 2 ساعت بر دستگاه لرزاننده افقی قرار گرفته است. پس از اطمینان از یکنواختی نمونهها، آزمایش سانتریفیوژ با سرعتهای مختلف، مطابق جداول 1 تا - Layer 2 - 4 انجام شدهاست. با جدا سازی سوسپانسون در این مرحله، لایه دوم که دارای اندازه پولک های ریزتری نسبت به سایر پولکهای موجود در خاک رس بنتونیت بوده است - به غیر از لایه اول - ، جدا سازی شده است.
.3-1-2 جدا سازی لایه سوم بنتونیت
بعد از جدا سازی سوسپانسیون در مرحله دوم، به ذرات تهنشین شده درون تیوب سانتریفیوژ مرحله دوم، به میزان 20 سیسی آب مقطر اضافه شدهاست. سپس به منظور همگن شدن و تعادل سازی، نمونه ها به مدت 48 ساعت داخل تیوب سانتریفیوژ نگهداری شده، به طوری که در هر 24 ساعت به مدت 2 ساعت بر دستگاه لرزاننده افقی قرار گرفته است. پس از اطمینان از یکنواختی نمونهها، آزمایش سانتریفیوژ با سرعتهای مختلف، مطابق جداول 1 تا - Layer 3 - 4 انجام شدهاست. با جدا سازی سوسپانسون در این مرحله، لایه سوم جدا سازی شده است.
