بخشی از مقاله
چکیده
ا ستفاده از زبالههای صنعتی در بهبود خ صو صیات مهند سی خاکهای م سئلهدار مانند خاک متورم شونده، علاوه بر کاهش هزینههای پروژه، سبب کاهش مشکلات ناشی از وجود این زبالههای صنعتی در طبیعت و حفظ محیطزیست می شود. هدف اصلی این پژوهش، بررسی خصوصیات تورمی خاک متورم شونده با استفاده از آهک و سرباره فولادسازی و درنتیجه کاهش خسارات ناشی از حضور این خاکها در زیر سازهها، راهها و خاکریزها و غیره میباشد.
بر این اساس در پژوهش حاضر، با افزودن 2/5 آهک به همراه مقادیر مختلف سرباره فولاد سازی به رس ا سمکتیت در مدت زمانهای عملآوری تا 28 روز، به برر سی تغییرات پارامترهای مهند سی آن در شرایط آزمایشگاهی پرداخته شده است.
نتایج بدست آمده نشان میدهد، با افزودن 2/5 درصد آهک و 2/5 سرباره فولادسازی بعد از یک روز عملآوری، پتانسیل تورم بیش از 65 درصد کاهش مییابند. همچنین با افزایش مدت عملآوری نمونهها، تاثیر این مواد به مراتب بیشتر میشود. بر اساس نتایج این مطالعه، استفاده از سرباره فولادسازی بجای دیگر تثبیت کنندههای شیمیایی نظیر آهک، علاوه بر کاهش هزینههای پروژه، میتواند سبب رفع محدودیتهای ا ستفاده از آنها و حفظ محیط زی ست و تو سعه پایدار نیز شود.
مقدمه
خاکهای متورم شونده1 از جمله خاکهای مسئلهداری هستند، که بر اثر تغییرات رطوبت، ناشی از عوامل مختلف حجمشان به شدت تغییر میکند 1]، 2، [3، چنین شرایطی باعث ترک و خرابی سازههای ساخته شده بر روی این خاکها شده و منجر به خسارتهای مالی زیادی میشوند 4] ، .[5 خاکهای متورمشونده عموماً در نواحی خشک و نیمه خشک جهان از جمله کشور ایران یافت میشوند. شرایط آب و هوای این مناطق و کمبود بارش، مانع از هوازدگی مونتموریلونیت فعال به کانیهای با فعالیت کمتر - ایلیت و کائولینیت - شده و در نتیجه حضور رس مونتموریلونیت، باعث پتانسیل تورم-انقباض خواهد شد 6]، .[7 خاکهای متورمشونده، که عموماً دارای کانیهای فعال ر سی میبا شند، در صورت کم شدن رطوبت، منقبض و در صورت جذب آب یا رطوبت منب سط می شوند
تثبیت خاک با استفاده از ترکیبات شیمیایی از قدیمیترین و گستردهترین روشهای بهبود خاک میباشد. برای تثبیت خاک میتوان از مواد افزودنی مختلفی استفاده نمود که متداولترین این مواد شامل آهک، سیمان، خاکستر بادی و میکروسیلیس میباشد
مکانیزم عملکرد تثبیت شیمیایی از طریق تغییر ماهیت کانی ر سی و ایجاد پیوند بین ذرات بوده و بازدهی آن واب سته به نحوه اندرکنش خاک با ماده افزدنی و میزان و سعت پخش ماده افزودنی درون خاک ا ست. در تثبیت شیمیایی، مواد افزودنی دارای کلسیم سبب مجتمع شدن لایههای رس ناشی از جایگزینی یون با ظرفیت بیشتر نظیر کلسیم بجای یونهای تکظرفیتی مانند سدیم میشود
این جابجایی سبب تعادل بارهای الکترواستاتیکی لایههای رسی شده و نیروی دافعه الکتروشیمیایی بین آنها را کاهش میدهد 15]، .[16 بر ا ساس نتایج مطالعات موجود، چ سبیدگی ذرات رس در اثر ساختار مجتمع، سبب بهبود خ صو صیات مهند سی مانند افزایش ساختار دانهای کاهش پلا ستی سیته و کاهش تورمپذیری خاک خواهد شد. بنابراین واکنش تبادل کاتیونی سبب، تغییر ماهیت خاک، درنتیجه کاهش تورم و کاهش حد روانی و نشانه خمیری، قابلیت شکلپذیری و اصلاح کارایی خاک میشود
آهک به عنوان مادهای برای بهسازی و اصلاح و افزایش مقاومت آن، از حدود 3000 سال پیش در کشور چین استفاده شد و امروزه نیز آهک، یک افزودنی پرکاربرد برای ا صلاح خاکها و بهبود خ صو صیات مهند سی آنها ب شمار میرود. علت کاهش تورم خاک بعد از اندرکنش شیمیایی با آهک، ناشی از دو مکانیزم مجزا شامل تشکیل ساختار مجتمع ذرات رسی - به دلیل تبادل کاتیونی و افزایش غلظت املاح - و ایجاد واکنش پوزولانی - به شرط فراهم شدن شرایط لازم - است، که در نهایت سبب کم شدن قابلیت نگهداشت آب توسط ذرات رسی و در نتیجه کاهش تورم خاک خواهد شد از طرفی سرباره فولادسازی - BOFS1 - نیز محصول فرعی غیر فلزی در فرآیند تولید فولاد در صنایع ذوب آهن است که مواد تشکیل ده نده آن عبارتند از سیلیکا، آلومیناسیلیکا و کلسیم سیلیکا میباشد
این سرباره به عنوان جایگزین بخ شی از سیمان و آهک باعث تولید گرمای هیدراتا سیون کمتر، مقاومت بی شتر در شرایط خورندگی مانند حمله سولفاتها، مقاومت نهایی بیشتر، کارایی بیشتر، کاهش هزینه و در نهایت کاهش آلودگیهای زیستمحیطی میشود .[21] در این پژوهش، مطالعات آزمایشگاهی بر روی خاک بسیار متورمشونده اسمکتیت که عمدتاً حاوی کانی مونتموریلونیت میباشد، برای درصدهای متفاوت سرباره فولادسازی در مدت زمان عملآوری 1، 7 و 28 روز انجام شده است. بنحویکه بر اساس نتایج بدست آمده، در نهایت افزایش میزان سرباره و مدت زمان عملآوری، سبب کاهش چشمگیر نشانه خمیری و قابلیت تورم میشود.
مواد و روشها
برای انجام این تحقیق از خاک رس اسمکتیت، آهک هیدراته و سرباره فولادسازی استفاده شده است. پس از انجام آزمایشهای شناسایی مطابق استاندارد ASTM مشخصات کامل نمونه خاک و سرباره مورد آزمایش شامل خصوصیات فیزیکی مکانیکی، آنالیز XRF و XRD در جداول 1 تا 3 ارائه شده است. تعیین حدود اتربرگ نمونهها طبق استاندارد ASTM D-4318 انجام شد. قابلیت تورم مصالح مورد مطالعه نیز، در شرایط آزمایشگاهی مطابق با روش A استاندارد ASTM D-4546 اندازهگیری شد.
بدین منظور پس از ساخت هر نمونه درون رینگ دستگاه ادئومتر با رطوبت و دانسیته یکسان، آزمایش تورم انجام شده است. نمونههای آزمایش pH و EC در ظروف مخ صوص - تیوپهای سانتریفیوژ - ساخته شد. به این منظور ابتدا در داخل ظروف 40ml آب مقطر ریخته و سپس 4 گرم از ترکیبات خاک اسمکتیت، آهک و سرباره با درصد وزنی مشخص، به آن اضافه میشود تا سوسپانسیونی با نسبت 1 به 10 آماده شود.
در ادامه برای ایجاد تعادل در نمونهها ابتدا آنها را به مدت 2 ساعت بر روی لرزاننده IKA®KS 260 با سرعت 200 قرار داده و پس از ایجاد تعادل مطابق با دستورالعمل استاندارد EPA manual مق دار pH و EC هر نم ونه با اس تفاده از دستگاه pH متر مدل WTW-inolab 720 و EC متر مدل WTW-inolabcond 720 اندازهگیری شد. 2/5 درصد آهک با مقادیر متفاوت سرباره فولادسازی شامل 2/5، 7/5، 12/5 و %17/5، به نمونهها بر حسب وزن خشک خاک اضافه شده و پس از مدت زمان عملآوری مناسب و انجام واکنشهای خاک-آب برای آزمایشهای مختلف ا ستفاده شدند. در تمامی نمونهها برای ارزیابی اثر زمان عملآوری، آزمایشها در شرایط 1، 7 و 28 روزه انجام و نتایج آنها مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
به منظور جلوگیری از تبخیر رطوبت نمونهها در زمان عملآوری، ابتدا هر نمونه درون پلاستیک کاملاً محصور شده و با نگهداری آن داخل دستگاه حفظ رطوبت مدل IK. RH 200 در دمای 40 درجه سانتیگراد، پس از طی زمان مورد نظر از آن استفاده شده است.
جدول شماره .1 خواص مهندسی خاک رسی اسمکتیت مصرفی
جدول شماره .2 نتایج آنالیز XRF برای شناسایی ترکیبات اسمکتیت و سرباره فولادسازی مصرفی
جدول شماره .3 نتایج آنالیز XRD اسمکتیت و سرباره فولادسازی مصرفی
نتایج و بحث
-1-3 تاثیر ترکیبات آهک و سرباره فولادسازی بر pH
تغییرات در میزان pH و هدایت الکتریکی - EC - به هنگام افزودن آهک و سرباره فولادسازی به مخلوط خاک و آب به ترتیب در شکل 1 و 2 مشاهده می شوند. بر اساس شکل1، آهک و سرباره فولادسازی در ابتدا، میزان pH خاک اولیه - در حدود - 9/48 را به شدت زیاد کرده و به حدود 12 میرسانند تا شرایط را برای انجام واکنشهای پوزولانی مناسب سازند 22]، .[23 با گذشت زمان و افزایش مدت زمان عملآوری، مقدار pH در نمونهها به دلیل مصرف Ca2+ و کاهش غلظت - OH - -، روندی نزولی دارد
بطورکلی بنابر آنچه گفته شد، با افزودن آهک شکفته و سرباره فولادسازی به خاک اسمکتیت، میزان pH، به علت انحلال سیلیکا - SiO2 - و آلومینا - Al2O3 - موجود در خاک، تا حدود 12 افزایش مییابد. این ترکیبات با یونهای Ca2+ و OH- واکنش داده و تشکیل ژلهای کلسیم سیلیکات هیدراته و کلسیم آلومینات هیدراته را میدهند
علاوه بر این، انجام واکنشهای تبادل کاتیونی نیز در روزهای ابتدایی سبب کاهش یونهای Ca2+ در نمونهها میشود.
همچنین میزان هدایت الکتریکی تمامی نمونهها بر اساس شکل 2 روندی کاهشی داشته که بیشترین کاهش در 3 روز اول اتفاق میافتد. بنحویکه بعد از آن میزان تغییرات اندکی کاهش مییابند. علت این افت شدید، انجام واکنشهای تبادل کاتیونی و سیمان شدگی میبا شد. همانطور که بیان شد، کاهش مقدار EC با انجام واکنشهای کوتاهمدت و بلند مدت در ارتباط بوده و با افزایش این واکنشها، مقدار هدایت الکتریکی به علت کاهش میزان یونهای آزاد موجود در محلول نیز کاهش مییابد. بنابراین کاهش در میزان هدایت الکتریکی نمونهها بیانگر مصرف مواد افزودنی در طی واکنشها میباشد
