بخشی از مقاله
چکیده:
خاك هاي رمبنده در حالت نیمه اشباع در طبیعت یافت می شوند و تا زمانی که رطوبت خاك تغییر نکند، داراي مقاومت نسبتا زیادي هستند، ولی به محض آنکه در معرض اشباع شدن قرار گیرند، حجمشان به سرعت کاهش می یابد. رابطه بین درصد رطوبت و مقدار مکش خاك از عوامل تاثیرگذار در رفتار مکانیکی خاك هاي غیر اشباع است. این رابطه توسط منحنی آبنگهداري خاك - Soil Water Retention Curve - نشان داده می شود. راهکارهاي مختلفی براي بهسازي خاك هاي رمبنده وجود دارد که یکی از آنها اصلاح خاك با استفاده از نانو رس می باشد، از سوي دیگر نانو رس باعث تغییر منحنی آبنگهداري خاك می گردد. در این مقاله به بررسی اثر نانو رس روي منحنی آبنگهداري خاك هاي رمبنده پرداخته می شود. منحنی آبنگهداري خاك در در دو حالت طبیعی و پس از اختلاط با نانو رس با استفاده از دستگاه صفحه فشار - Pressure Plate - به دست آمده است. بر اساس نتایج به دست آمده استفاده از نانو رس باعث تغییر ویژگی هاي اساسی منحنی و در نتیجه رفتار خاك می شود.
-1 مقدمه
خاك هاي رمبنده خاك هایی هستند که در طبیعت به صورت نیمه اشباع یا خشک یافت می شوند و تا زمانی که رطوبت خاك تغییر نکند، داراي مقاومت نسبتا زیادي هستند، ولی به محض آنکه در معرض اشباع شدن قرار گیرند، حجمشان به سرعت کاهش می یابد. این پدیده که فروریزي ناگهانی خاك در اثر از بین رفتن مقاومت مربوط به عامل پیوند دهنده ذرات خاك است، رمبندگی نامیده می شود.[1] با توجه به گسترش نسبتا وسیع خاك هاي رمبنده در کشور ما و لزوم طراحی سدها، کانال هاي آّبیاري و سایر ابنیه هاي فنی در این مناطق و نیز با توجه به توسعه شهرنشینی و لزوم گسترش برخی شهر هاي بزرگ و احداث مناطق مسکونی، لوله هاي آّب و فاضلاب و ... روي این خاك ها، ضرورت بررسی خاك هاي رمبنده و بهسازي آنها اهمیت دوچندان می یابد.[2] براي تعیین و پیش بینی رفتار مکانیکی خاك هاي غیراشباع از جمله خاك هاي رمبنده میتوان از منحنی آب نگهداري خاك - Soil Water Retention Curve - استفاده کرد. منحنی آب نگهداري خاك رابطه بین درصد رطوبت و مقدار مکش خاك را بیان می کند، یعنی اینکه در مقدار مکش موجود خاك با چه مقدار آب به تعادل می رسد.[3] منحنی ها معمولا در یک پروسه تر و خشک شدن تحت یک تنش ثابت و با محاسبه مقدار آب جذب و یا دفع شده توسط نمونه و اندازه گیري تغییر حجم آن، به دست می آیند. عواملی مانند اندازه حفرات و نحوه توزیع آنها، سطح مخصوص ذرات، نحوه توزیع دانه بندي، ویژگی هاي فیزیکی- شیمیایی خاك، چگالی خاك و دما روي منحنی تاثیر می گذارند.[4]
در این مطالعه به بررسی اثر نانو رس روي منحنی آب نگهداري خاك هاي رمبنده پرداخته خواهد شد. اصلاح رفتار خاك به کمک افزودنی ها یکی از روش هاي موثر در بهبود بسیاري از پارامترهاي رفتاري خاك همواره مد نظر پژوهشگران در مهندسی ژئوتکنیک بوده است.[5] نانو ذرات خاك با اندازه اي بین 1تا 100 نانومتر کوچکترین ذرات در محیط هاي خاکی هستند و به خاطر اندازه بسیار کوچکشان، سطح ویژه بسیار بالایی دارند. به دلیل داشتن همین سطح ویژه بسیار بالا و بارهاي سطحی، حتی در صورت استفاده بسیار کم از این ذرات در محیط خاك، رفتار فیزیکی- شیمیایی و خصوصیات مهندسی خاك را به میزان قابل توجهی تحت تاثیر قرار می دهند.[6] نانو رسها ذرات معدنی سیلیکاتی هستند که به شکل لایهاي - صفحهاي - می باشند. این مواد به چندین دسته، مانند نانو مونتموریلونیت، نانو کائولینیت و ... طبقه بندي می شوند.[7] آزمایشات بر روي نمونه خاك برداشت شده از ساختگاه سد سیوند در دو حالت طبیعی و همچنین پس از اختلاط با نانو رس با استفاده از دستگاه صفحه فشار - Pressure Plate - و مطابق با استاندارد ASTM D 6836 انجام شده است.
-2 مواد و مصالح مورد استفاده
به منظور انجام آزمایش ها از ساختگاه سد سیوند واقع در استان فارس و در 100 کیلومتري شمال شرق شیراز نمونه هاي دست خورده برداشته و به آزمایشگاه منتقل شد و آزمایش هاي پایه مکانیک خاك به منظور شناسایی نوع خاك و مشخصات آن انجام شد. نوع خاك بر اساس طبقه بندي متحد ML است و سایر مشخصات آن در جدول زیر آورده شده است. در این تحقیق از پودر نانو رس مونت موریلونیت ساخت شرکت سیگما آلدریچ آلمان جهت بررسی تاثیر آن بر روي منحنی آب نگهداري خاك رمبنده سد سیوند استفاده شده است. ویژگی هاي فیزیکی و مکانیکی نانو رس به کار رفته در جدول 2 نشان داده شده است.
-3 روش کار
آزمایش ها بر روي نمونه ها و در دو حالت طبیعی و پس از اختلاط با نانو رس و با درصد هاي وزنی 2 و 4 درصد وزن خاك خشک انجام گرفت. براي آماده سازي نمونه هاي خاك طبیعی ابتدا خاك را از الک 40 عبور داده و آن را در آون قرار می دهیم . سپس با توجه به درصد رطوبت بهینه و این که پتانسیل رمبندگی در ناحیه خشک منحنی تراکم بیشتر است به میزان 11 و 9 درصد وزنی به نمونه ها رطوبت داده شد و پس از یکنواخت کردن نمونه به منظور حصول اطمینان از توزیع یکنواخت رطوبت به مدت 24 در کیسه پلاستیکی در بسته قرار داده شد . از مخلوط حاصل با توجه به تعداد نقاط لازم براي ترسیم منحنی 8 عدد نمونه و به چگالی 1/45 ساخته شد. براي تهیه نمونه ها مقدار 23 گرم از خاك رطوبت داده شده را وزن کرده و در چند لایه درون رینگ ساخته شده بر اساس استاندارد به قطر 4/5 سانتی متر و ارتفاع 1 سانتی متر ریخته شد و به صورت استاتیکی متراکم گردید . 4 عدد از نمونه ها در دستگاه 5bar تحت اثر مکش هاي 0 bar، 0.1، 0.5، 1 و مابقی در دستگاه 15bar و تحت اثر مکش هاي 2 bar، 4، 8، 11 قرار گرفتند. طبق استاندارد مدت زمان لازم براي به تعادل رسیدن نمونه ها درمکش هاي بین صفر تا 5 بار، 24 ساعت، در مکش هاي بین 5 تا 10 بار، 48 ساعت و مکش هاي بیش از 10 بار، 96 ساعت می باشد. قبل از اعمال مکش نمونه ها به صورت متقارن روي سنگ سرامیکی چیده می شوند و سپس به منظور اشباع کردن آنها آب مقطر به آرامی و تا تراز 3-2 میلی متر پایینتر از سطح فوقانی نمونه ها روي سنگ سرامیکی ریخته می شود. طبق استاندارد حداقل زمان لازم براي اشباع شدن نمونه ها 24 ساعت است و پس از گذشت 24 ساعت آب اطراف رینگ ها با دقت جمع آوري می شود و اعمال مکش ها آغاز می شود. پس از گذشت مدت زمان لازم براي به تعادل رسیدن نمونه ها تحت هر یک از مکش هاي اعمالی، فشار را به آرامی کم کرده تا به صفر رسیده و یکی از نمونه ها را براي به دست آوردن درصد رطوبت متناظر با فشار اعمالی برداشته و مجددا در دستگاه را بسته و فشار بعدي را اعمال میگردد. در نهایت نمودار درصد رطوبت بر حسب مکش اعمال شده را رسم می کنیم.
به منظور اختلاط خاك طبیعی با نانو رس از روش تر - غرقاب کردن - مورد استفاده توسط فاضلی و همکاران[8] استفاده شد. سوسپانسون با توجه به درصد وزنی نانورس مورد نظر و با استفاده از همزن آزمایش هیدرومتري ساخته می شود . پس از تهیه سوسپانسیون آن را به آرامی به خاك اضافه کرده و در ادامه مخلوط حاصل را به آرامی هم زده تا ذرات نانو رس به طور یکنواخت در سر تا سر نمونه پخش شوند. مخلوط را در آون قرار داده و پس از خشک کردن به علت چسبندگی ایجاد شده نمونه به دست آمده را به آرامی خرد کرده و از الک 40 عبور داده شد. رطوبت دهی و آماده سازي نمونه ها جهت اعمال فشار مشابه مرحله قبل انجام می شود.
