بخشی از مقاله
خلاصه
خاکهای رسی معمولاً بدلیل بروز مشکلات زیاد در رفتارهای مهندسی خاک، مثل تورم و حساسیت به رطوبت، همیشه قابل توجه بودهاند و مهندسین همواره به فکر بهسازی این نوع از خاکها بودهاند. تثبیت خاک روشی برای حفظ ثبات توده خاک و تغییرات شیمیایی برای بهبود خواص مهندسی آن است. در این تحقیق سعی شده است تثبیت خاک همزمان هم بصورت فیزیکی و هم بصورت شیمیایی، با استفاده از مصالح خرده آسفالت و ترکیب آهک و پوزولان، به عنوان افزودنی برای تثبیت خاک، انجام شود. از طرفی به علت مشکلات زیستمحیطی ایجاد شده توسط پسماند زغالسنگ و خاکستر آن در طبیعت، آزمایشهای محققین در سالهای قبل نشان داده است ترکیب آهک و خاکستر بادی برای تثبیت مناسب بوده است، بنابراین استفاده از آن بهعنوان مکمل آهک بجای سیمان میتواند باعث کاهش هزینه و آلودگی شود. دپوی مصالح تراشیده شده خرده آسفالتی در طبیعت و از طرفی افزایش روزافزون قیمت قیر باعث شد در این پژوهش از آن برای تثبیت فیزیکی خاک رس استفاده شود. در این راستا مهمترین آزمایشات انجام شده خواص مکانیکی شامل کشش غیرمستقیم، مدول برجهندگی بودهاست. براساس نتایج آزمایشهای انجام شده اضافه کردن خرده آسفالت باعث افزیش مدول برجهندگی در کرنشهای بالا میشود.
کلمات کلیدی: خاک رس، آهک، خاکستر پسماند زغالسنگ، واکنش پوزولانی.
.1 مقدمه
در مناطقی که بستر روسازی از خاک های ضعیف و مساله دار است،روش های مختلفی جهت ارتقای کیفیت آن مورد استفاده قرار می گیرد که یکی ازین روش ها، ترکیب خاک با مصالح درشت دانه و ایجاد یک لایه تقویتی است. از جمله روشهای دیگر می توان به روش تثبیت خاک با افزودن مواد شیمیایی اشاره کرد.
تثبیت از دیدگاه نوع افزودنی هایی که مورد استفاده قرار میگیرد به دو گروه فیزیکی و شیمیایی تقسیم میشود. در تثبیت شیمیایی از افزودنی هایی نظیر آهک، سیمان، انواع پوزولان ها، آهک هیدراته، دوغاب سیمان و ... استفاده می شود. در روش های بهسازی آسفالت روش های بازیافت و تثبیت مورد استفاده قرار میگیرد. در روش بازیافت از افزودنی هایی مثل قیر امولسیون و کف قیر استفاده می شود. در روش تثبیت بخشی از آسفالت های تراشیده شده کنار گذاشته شده و مابقی با خاک رس زیر ترکیب و از افزودنی های تثبیت کننده ی شیمیایی مثل سیمان، آهک یا ترکیبی از مواد پوزولانی استفاده می شود.
پسماند ذغال سنگ دور ریز کارخانه های ذغال شویی میباشد بدین صورت که پس از آنکه ذغال از معادن استخراج می شود، به عنوان سوخت به کارخانه هایی مثل ذوب آهن و فولاد منتقل می شود و بخشی از ذغال که دارای درجه خلوص کمی می باشد یا مقدار ذغال آن کم است - درصد کربن آن کم است - به عنوان مواد ضایعاتی و باطله در اطراف کارخانه های ذغال شویی دپو می شود. تحقیقات گذشته نشان داده که در صورتی که باطله زغال سنگ سوزانده شود خاکستر آن رفتاری شبیه پوزولان های نوع کلاس f دارند. این نوع پوزولانها به تنهایی فاقد خاصیت چسبندگی هستند اما در صورتی که با آهک و سیمان ترکیب شوند می توانند دارای خصوصیات چسبندگی باشند. در این تحقیق بر روی امکان پذیری تثبیت خاک رس با استفاده از ترکیب افزودنی های آهک و خاکستر ذغال سنگ و مصالح خرده آسفالت تراشیده شده میپردازیم. در این مطالعه فرض برآن است که ترکیب آهک و خاکستر پسماند زغالسنگ میتواند خصوصیات خاکرس را بهبود ببخشد. علاوه بر آن اضافه کردن مصالح خرد آسفالتی میتواند خصوصیات مکانیکی خاک را ارتقاء دهد.
این تحقیق با هدف ارزیابی خصوصیات مقاومتی از طریق ارزیابی درصد مناسب ترکیب مصالح خرده آسفالتی و خاک رس در تثبیت خاک براساس آزمایشهای "تراکم و تعیین درصد رطوبت بهینه در ترکیبات مختلف"، "آزمایش کشش غیرمستقیم در درصدهای مختلف مصالح خرده آسفالت" و "آزمایش مدول برجهندگی" انجام شده است. بر همین اساس در مرحله اول مراجع مرتبط با موضوع تثبیت خاک رس و انواع افزودنیها مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. در بخش بعد برنامه کامل آزمایشگاهی، نوع آزمایش و مواد مورد نیاز مشخص شدند. در گام بعد دادههای برداشت شده از آزمایشات مورد ارزیابی و تحلیل قرار گرفت. در پایان نتیجهگیری و پیشنهادهای نهایی و اصلی پروژه ارائه گردید.
.2 پیشینه تحقیق
خاک به عنوان اصلیترین مصالح ساختمانی و تکیهگاه سازه، از قدیم در ساخت و ساز مورد توجه بشر بوده است. در واقع خاک به عنوان عاملی که تنشهای متعدد وارد شده بر طرف سازه را تحمل می کند، شناخته میشود. در بعضی از موارد خاک موجود در محل ساختگاه برای استفاده مناسب نمیباشد [1]، در این شرایط میتوان پیش از احداث سازه، خاک متراکم شود تا وزن مخصوص و در نتیجه مقاومت برشی آن افزایش یابد . گاهی لایه فوقانی خاک نامطلوب است و باید برداشته شود و با خاکی با کیفیت بهتر که شالوده بر روی آن قابل احداث باشد، عوض گردد. گاهی در اعماق کم، به لایههای نرم و اشباع رس برخورد میشود برحسب بار شالوده و ضخامت لایه رس، ممکن است نشستهای قابل توجهی در سازه به وجود آید. برای جلوگیری از چنین نشستهایی، لازم است روشهای مخصوصی جهت بهبود بخشیدن به وضعیت خاک به کار گرفته شود .[2]
استفاده از آهک در تثبیت خاک از سالها پیش مرسوم بوده است. از اصلیترین پارامترها در ساخت راهها مقاومت برشی خاک است که در ساخت سدی با اضافه کردن آهک پایداری شیب را هم بهبود میبخشند .[3] وقتی میزان کانی-رسی در خاک برای انجام واکنش پوزولانی کافی باشد میتوان آن را با آهک تثبیت کرد. سیلیس و آلومین موجود در کانیرسی باعث انجام واکنش آنی با آهک میشود .[4] آهک زنده مادهای سفید رنگ و جامد است که وزن مخصوصی حدود 3/2 گرم بر سانتیمتر مکعب دارد. تبدیل آهک زنده به آهک شکفته با حرارت و کاهش وزن مخصوص و افزایش حجم همراه است طوری که وزن مخصوص به حدود 2/3 گرم بر سانتیمتر مکعب میرسد 4]و .[5 آهک زنده نسبت به آهک هیدراته اثر بهتری دارد اما در مقابل برای محیط زیست خطراتی دارد. کار کردن با آهک هیدراته ایمنتر است .[6] هنگامی که به خاک آهک اضافه میکنیم سیلیس و آلومین ژلهای سیمانی آلومینات کلسیم و سیلیکات کلسیم تولید میکنند که این مواد سیمان مانند در خاک نفوذ میکند و استقامت آن را افزایش میدهد .[5]
خاکستر پسماند زغال سنگ به خاکستر ته ماندی و زائد در طول احتراق زغال سنگ در نیروگاهها اطلاق می شود. خاکستر بادی ترکیبات پوزولانی در ترکیب خود دارد و به همین علت در اغلب مطالعات به عنوان جایگزین بخشی از ریزدانه مصالح و یا حتی به جای بخشی از سیمان استفاده کرده اند . قطر این ذرات کروی شکل هستند در محدوده ی 1 تا 150 میکرومتر متغیر است. زمانی که خاکستر زغال سنگ به خاک اضافه میشود در نتیجه ی هیدراسیون ذرات خاک های رسی PH مخلوط بالا میرود. با بالا رفتن PH خاک ساختار 4 وجهی سیلیکون و ورقه ای آلومینای خاک تغییر کرده و در اثر واکنش های پوزولانی هیدرات کلسیم CSHو هیدرات آلومینات کلسیم CAH به وجود می آیند که باعث افزایش مقاومت و کاهش تورم خاک میشود 7]و.[8 در اطراف کارخانه های زغال شویی پسماندهای زیادی دپو می شود که اغلب حاوی سولفید آهن یا پیریت می شوند که مجاورت آن با آب و هوا احتمال اکسید شدن و تشکیل زهاب اسیدی - AMD - را دارد .[9]
زهاب اسیدی AMDآّبهای سطحی و زیر زمینی را به مقدار زیادی آلوده می کند . [10] در تحقیقی در اطراف کارخانه زغال شویی رازی واقع در نشمال ایران متوجه شدند که پیریت اتفاق افتاده و باعث آلودگی آب آن منطقه شده است .[11] کارخانه های زغال شویی البرز مرکزی زیران حدود 16 میلیون تن پسماند زغال سنگ دپو کرد. همانطور که اشاره شد در اثر بارش باران زهاب اسیدی برون پیدا کرده و مشکلات آلودگی زیادی به همراه دارد 12]و.[13 در سال 2015 تحقیقی توسط مدرس و محمودی روی تثبیت خاک رس با آهک و ضایعات زغال سنگ و خاکستری آن انجام گرفت و آزمایشهای حدود اتربرگ نسبت باربری کالیفرنیا و تورم و مقاومت فشاری تک محوری همچنین تغییرات ساختار خاک استفاده از آزمایشهای SEM و XRD انجام گرفت. طبق نتایج این تحقیق در مقایسه با آهک باطله زغال سنگ و خاکستر آن اثر کمتری بر رفتار پلاستیسیته دارند. استفاده از باطله زغال سنگ آن CBR خاک را افزایش میدهد و آهک هیدراته اثر قابل ملاحظهای بر CBR و خصوصیات تورمی داشته است و مقاومت فشار محصور نشده ترکیب باطله و آهک و رس افزایش چشمگیری داشته است .[14]
در سال 2006 تحقیقی توسط سزار و همکارانش 1بر روی بستر رسی نرم - CH - با استفاده از خاکستر بادی انجام شد. در این پژوهش درصدهای 0 و 5 و 10 و 15 و 20 خاک با خاکستر باسدی جایگزین شد که نشان داد به علت وزن مخصوص پایینتر خاکستر بادی، دانسیته خاک حداکثر با افزایش خاکستر بادی کاهش یافته و همچنین با اضافه شدن خاکتر بادی رطوبت بهینه افزایش یافته است. همچنین نتیجه شد که اضافه کردن خاکستر بادی تا % 15 مقاومت فشاری محصور نشده و مقدار چسبندگی مخلوط نیز بیشتر میشود در حالت کلی میتوان گفت که با افزایش خاکستر بادی زاویه اصطکاک داخلی نیز رشد داشته است .[8] در سال 2012 تحقیقی توسط شارما و همکارانش 2بر روی تثبیت خاک رس با آهک و خاکستر بادی انجام شد و خصوصیات فیزیکی مثل تورم، مقاومت فشاری محصور نشده و CBR و آزمایشات میکروسکوپی مثل SEM و تحلیل توموگرافی EDS و طیف سنج انرژی TGA انجام شد که نتایج آن در زیر آورده شد. با توجه به آزمایش مقاومت فشار محصور نشده درصد بهینه خاکستر بادی حدود 20 درصد به دست آمده و چون افزایش مقاومت خاک فقط با اضافه کردن خاکستر کافی نیست آهک نیز به ترکیب اضافه شد و حداقل درصد آهک برای تثبیت خاک 8/5 درصد با توجه به آزمایش در نظر گرفته شد. با اضافه گرفتن 8/5 درصد آهک و 20 درصد خاکستر بادی
