بخشی از مقاله
خلاصه
سیمان یکی از پرکاربردترین افزودنی هاي شیمیایی در تثبیت خاكهاي متورمشونده است؛ بطوریکه امروزه با توجه به قیمت ز یاد و مشکلات زیست محیطی ناشی از تولید سیمان، سعی بر آن است که از مواد افزودنی با هدف افزایش بهرهوري و کاهش مصرف سیمان استفاده شود.
بر این اساس در پژوهش حاضر تاثیر سیلیکافوم - میکروسیلیس - در ترکیب با سیمان به منظور تثبیت خاك بسیار تورمی اسمکتیت مورد مطالعه قرار گرفت. در این راستا به ترتیب مقادیر صفر، 2/5، 5، 10، 15 و20 درصد وزنی مواد افزودنی به خاك اضافه و در زمانهاي عملآوري 1 تا 28 روز، مجموعهاي از آزمایشهاي مختلف بزرگساختاري و ریزساختاري بر روي آن ها انجام گرفت. مشخص شد در زمانهاي کم عملآوري، پتانسیل تورم نمونهها با افزودن مقادیر زیاد سیمان - حدود 20 درصد - و به علت انجام واکنشهاي کوتاهمدت - نظیر تبادل کاتیونی و افزایش فشار اسمز - کنترل خواهد شد.
بنحویکه با افزایش زمان عملآوري تا 28 روز و شروع واکنشهاي پوزولانی، ایجاد پیوند سیمان ی بین سطوح رسی باعث کاهش مصرف افزودنی تا حدود 30 درصد و افزایش 5 برابري مقاومت فشاري می شود. از طرفی، نتایج بدست آمده نشان داد که استفاده از ترکیب سیمان و سیلیکافوم - CSF - تاثیر به سزایی در رشد بیشتر و سریعتر مواد سیمانی داشته و ضمن کاهش مصرف سیمان - تا - %40، زمان عمل-آوري لازم براي عملکرد بهینه سیمان را حدود دو برابر کاهش میدهد.
.1 مقدمه
رسهاي منبسطشونده از جمله مصالح مسالهداري هستند که داراي کانیهاي فعال مانند خانواده اسمکتیت بوده که با کاهش رطوبت، حج م آنها کم - منقبض - و با جذب آب، حجم آنها زیاد - منبسط - میشوند 1] ، 2 و .[3 این خاكها در بسیاري از مناطق خشک و نیمهخشک جهان - مانند کشور ایران - که میزان تبخیر بیشتر از بارش است، یافت شده و در اثر تغببر رطوبت دچار نرمشدگی و کاهش مقاومت شدیدي نیز میشوند
وجود چنین رفتاري باعث آسیب و یا حتی تخریب سازههاي عمرانی واقع بر روي و یا در تماس با خاكهاي تورمی خواهد شد، بطوریکه در کشورهایی مانند انگلستان و آمریکا سالانه میلیونها دلار صرف تعمیر خسارات ناشی از تورم خاك میگردد
با توجه به مشکلات و خسارات ناشی از تورم خاك، یافتن روش مناسب و موثر - از دیدگاه اقتصادي، فنی و زیست محیطی - براي تثبیت اینگونه خاكها یکی از دغدغههاي اصلی مهندسان ژئوتکنیک محسوب میشود. در این راستا نتایج پژوهشهاي گذشته بیانگر آنست که راهکارهاي متعددي براي اصلاح رفتار اینگونه از خاك وجود داشته که از سادهترین آنها میتوان به تعویض محل اجراي پروژه و یا برداشتن لایه منبسطشونده اشاره کرد، اگرچه اجراي این روشها همواره مقدور نیست بنحویکه در حال حاضر تثبیت شیمیایی با استفاده از مواد افزودنی متداولی مانند آهک و سیمان کاربرد فراوانی براي اصلاح تورم خاك دارد
علی رغم آنکه سیمان پرتلند یکی از متداولترین مواد افزودنی براي تثبیت خاكهاي مسالهدار به شمار میرود؛ ولی استفاده از آن با محدودیتهاي خاصی مواجه است 12]، 13 و .[14 به عنوان مثال حضور ترکیبات آلی باعث اختلال در واکنشهاي هیدراتاسیون سیمان و در نتیجه کاهش بازده فرآیند تثبیت خاك میشود. حضور مقادیر زیاد سولفات در محیط نیز میتواند سبب ایجاد یک سري پس گسیختگیهای ی در مصالح تثبیت شده با ترکیبات پایه سیمانی گردد
علاوه بر این، ایجاد مقدار قابل توجهی گاز CO2 همزمان با تولید سیمان، نگرانیهاي زیست محیطی زیادي را در مورد کاربرد آن به وجود آورده است
بر این اساس پژوهشگران به دنبال مواد جایگزین با هزینه کمتر و تا حد امکان کارآیی بیشتر هستند 10] و .[12 از سوي دیگر، امروزه همراستا با رشد فعالیت صنایع، مدیریت پسماندهاي صنعتی با هدف حفظ منابع و جلوگیري از آلودگی محیط زیست بطور خاص مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا، سیلیکافوم ازجمله مواد بدست آمده از زائدات تولید فرو آلیاژهاي سیلیکون بوده که به دلیل اندازه ریز ذرات آن و سطوح فعال، از قابلیتهاي ویژهاي براي استفاده در پروژههاي عمرانی برخوردار است
بنحویکه با وجود انجام مطالعات گسترده براي کاربرد این ماده در تکنولوژي بتن ولی تحقیقات زیادي در زمینه استفاده از ترکیب سیمان و سیلیکافوم براي تثبیت خاكهاي رسی متورمشونده مانند اسمکتیت صورت نگرفته است. بنابراین در تحقیق حاضر با انجام آزمایشهاي مختلف شامل حدود اتربرگ، تورم و مقاومت فشاري در زمانهاي متفاوت عملآوري 1 - تا 28 روز - سعی شد قابلیت استفاده از ترکیب سیمان و سیلیکافوم براي اصلاح تورم خاك با هدف افزایش بهرهوري فرآیند تثبیت - مصرف کمتر سیمان و کاهش زمان نگهداري - و ارائه روشی براي امکان استفاده از سیلیکافوم به عنوان یک ماده زباله صنعتی تجزیه و تحلیل شود.
.2 مواد و روشها
براي انجام این تحقیق از خاك رس اسمکتیت، استفاده شد. پس از انجام آزمایشهاي شناسایی اولیه مطابق استاندارد ASTM مشخصات رفتاري نمونه مورد مطالعه، مطابق جدول 1 بدست آمد. سیمان مورد استفاده در این پژوهش، از نوع پرتلند تیپ ІІ هگمتان بوده که خصوصیات آن و سیلیکافوم پس از انجام آزمایشهاي شناسایی اولیه و بر اساس نتایج آزمایش XRF، مطابق جدول 2 بدست آمد.
جدول -1 مشخصات رفتاري خاك کائولینیت مورد استفاده
جدول -2 مشخصات فیزیکی و شیمیایی سیمان و سیلیکافوم مصرفی
درصدهاي مختلف سیمان و ترکیب سیمان-سیلیکافوم - CSF - به نمونهها بر حسب وزن خشک خاك اضافه و پس از مدت زمان عملآوري موردنظر و انجام واکنشهاي خاك-افزودنی، آزمایشهاي مختلف انجام شدند. در تمامی نمونهها براي ارزیابی اثر زمان عملآوري، آزمایشها در شرایط 1 تا 28 روزه انجام گرفت.
به منظور جلوگیري از تبخیر رطوبت نمونهها در زمان عملآوري، ابتدا هر نمونه درون پلاستیکاملاًک محصور شده و با نگهداري آنها داخل دستگاه حفظ رطوبت در دماي 20 درجه سانتیگراد، پس از طی زمان مورد نظر از آن استفاده شده است. تعیین حدود اتربرگ نمونهها طبق استاندارد ASTM D-4318 انجام شد. خصوصیات تورمی مصالح بر اساس روش A استاندارد ASTM-D4546 تعیین شد. تغییر مقاومت خاك نیز قبل و بعد از اندرکنش با مواد افزودنی مطابق روش ASTM-D2166 بررسی شد.
.3 ارائه و تحلیل نتایج
.1-3 حدود اتربرگ
سیمانعمدتاً حاوي یونهاي Ca2+ و Fe3+ میباشد. لذا با افزودن آن به خاك رس بسیار متورمشونده اسمکتیت مورد مطلعها که عمدتاً حاوي سدیم-مونتموریلونیت میباشد، انتظار میرود به دلیل جایگزینی یونهاي دو و یا چند ظرفیتی با کاتیونهاي تکظرفیتی، ضخامت لایه دوگانه کاهش یافته و سطوح رسی به یکدیگر نزدیک شوند 5] و .[21 در این راستا نتایج شکل 1 نشان میدهد نشانه خمیري - PI - با افزایش سیمان کاهش مییابد.
همانطورکه مطرح شد دلیل این رفتار، ناشی از تبادل یونهاي چند ظرفیتی بجاي یونهاي تکظرفیتی اسمکتیت قابل ارزیابی است .[12] از طرف دیگر انحلال تمام و یا بخشی از سیمان در سیال منفذي خاك سبب افزایش غلظت الکترولیت مجاور ذرات رسی شده که این امر باعث افزایش فشار اسمز، کاهش نیروي دافعه بین سطوح رسی و در نهایت منجر به محدودیت ضخامت لایه دوگانه و در پی آن کاهش نشانه خمیري خاك میشود
تغییرات ایجاد شده در ساختار خاك و کاهش میزان قابلیت نگهداشت آب در نهایت میتواند سبب کاهش پتانسیل تورم خاك شود. لازم به ذکر است بر اساس نتایج شکل 1، افزایش زمان عملآوري سبب کاهش بیشتر PI شده که علت آنرا میتوان به اتصال بیشتر ذرات رسی به یکدیگر ناشی از کامل شدن واکنشهاي پوزولانی و هیدراتاسیون سیمان نسبت داد .
روند تغییرات به وجود آمده با مطالعات انجام شده توسط سایر پژوهشگران انطباق کامل داشته 11] و [14 بنحویکه با توجه به نتایج بدست آمده انتظار میرود ترکیب واکنشهاي کوتاهمدت و بلند مدت، سبب بهبود قابل ملاحظه سایر مشخصات مهندسی خاك تورمی شده که در ادامه این موضوع مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
شکل -1 تغییرات نشانه خمیري با افزودن سیمان به خاك اسمکتیت در زمانهاي مختلف عملآوري
.2-3 تورم
نتایج ارائه شده در شکل 2 نشان می دهند که با افزودن 20 درصد سیمان و در زمان کم عملآوري، پتانسیل تورم اسمکتیت کاملاً کنترل میشود. در واقع، فرآیند کاهش قابلیت تورم در زمان کوتاه عملآوري، به دلیل تبادل کاتیونی، افزایش فشار و در نهایت کاهش ضخامت لایه دوگانه بوده که با کم کردن تمایل جذب آب در فضاي مابین ذرات رسی، باعث کاهش تورم آنها خواهد شد که این تغییرات با نتایج شکل 1 همخوانی دارد.
از طرفی، با استناد به نتایج حاصل از پژوهشهاي قبلی افزایش pH ناشی از حضور سیمان در خاك و همچنین واکنشهاي هیدراتاسیون می-توانند سبب تشکیل مواد سیمانی مانند ژل کلسیم سیلیکات هیدراته و کلسیم آلومینات هیدراته شود .ایجاد این ترکیبات باعث چسبندگی ذرات به یکدیگر شده که در چنین شرایطی قابلیت نگهداشت آب توسط سطوح رسی کم خواهد شد
بر این اساس با عملآوري و بعد از گذشت 28 روز مشاهده میشود مقدار سیمان لازم براي اصلاح تورم خاك،صرفاً تا حدودي - نزدیک به یک چهارم - کاهش یافته و به 15 درصد میرسد. این نتیجه موید آنست که علی رغم فرصت کافی و گذشت زمان طولانی نگهداري، ولی امکان رشد گسترده ترکیبات سیمانی در نمونه تثبیت شده با مقادیر سیمان کمتر از %15 محدود است. بنابراین می توان گفت افزودن سیمان کمتر از %15 به ر س با پتانسیل تورم زیاد،مدتاًع در واکنشهاي کوتاه مدت مصرف شده و درنتیجه مصرف سیمان براي تثبیت کامل اینگونه از خاكها افزایش مییابد.
