بخشی از مقاله
خلاصه
آهک تاثیر مهمی در اصلاح خاک های رسی دارد، هنگامی که درصد سولفات خاک رس بالا باشد، واکنش میان سولفات موجود در خاک،کلسیم موجود در آهک و نیز آلومینای خاک رس سبب ایجاد کانی متورم شونده ای به نام اترینگایت می شود. این کانی با توانایی جذب آب زیاد، در شرایط اشباع به شدت متورم شونده بوده وسبب می شود که اهداف تثبیت حاصل نشود.در این پژوهش به منظور تثبیت خاک رس سولفاته، از دو تثبیت کننده به نام های محلول تبادل یونی CBR PLUS و آهک استفاده شده است. جهت مقایسه تاثیر هر یک از این دو بر روی خاک، به بررسی مقاومت و تورم خاک در آزمایش CBR پرداخته شده است. نتایج نشان می دهد که محلول تبادل یونی در هر دو مورد مقاومت و تورم، برای خاک مناسب بوده اما آهک سبب تورم بالایی در خاک می شود.
1. مقدمه
خاک بستر و خصوصیات آن مهم ترین پارامتر در صنعت راه سازی می باشد، این خاک باید دارای مقاومت کافی بوده و تحمل لایه های روسازی و نیز ترافیک عبوری را داشته باشد. خاک های رسی معمولا دارای مقاومت و ظرفیت باربری کم ومشکلات تورمی هستند. یکی از راه های مقابله با مشکلات این خاک ها تثبیت است. یکی از مواردی که برای تثبیت خاک های رسی استفاده می شود آهک است. واکنش آهک با خاک رس در حضور آب مواد سیمانی را ایجاد می کند که مقاومت خاک تثبیت شده را به مرور زمان افزایش می دهد. اما از مشکلات مربوط به استفاده ازآهک، ایمنی، آلودگی و هزینه حمل است. در مواردی که سولفات خاک بالا باشد تثبیت خاک با استفاده از مواد شیمیایی که دارای پایه ی کلسیم هستند، نه تنها مشکل تورم را حل نمی کند، بلکه شرایطی را فراهم می سازد که تورم در خاک های تثبیت شده با این مواد افزایش چشمگیری یابد. علت این امر تشکیل کانی متورم شونده ی اترینگایت می باشد. اینکانی در ابتدا منجر به افزایش مقاومت خاک می شود 3]،2،.[1 زیرا تشکیل اترینگایت باعث جذب آب محیط است 4]و.[5 اما در عوض پتانسیل تورم خاک را به طور چشم گیری افزایش می دهد .[6] کانی اترینگایت حاصل واکنش میان کلسیم-آهک-آلومینیوم و نیز سولفات موجود در خاک می باشد 7]و.[8 با توجه به مشکلات بیان شده، امروزه نیاز به استفاده از محصولات تثبیت کننده ی جدید که عاری از کلسیم باشند احساس می گردد. یکی از این محصولات تثبیت کننده CBR PLUS می باشد.
CBR PLUS یک محلول پلیمری است که در پژوهشگاه پلیمر ایران تهیه می شود. این ماده متشکل از ذراتی است که با استفاده از خاصیت نانو اعمال شده به آن ها به شدت آب دوست هستند. شکل 1 نشان دهنده مولکول CBR PLUS است. این ماده اسید سولفوریک ارگانیک است که پایه ی گیاهی از چغندرقند دارد. این ماده که به صورت مایع غلیظ به رنگ شکلاتی است، مولکول های پیچیده دارد که از دو جزء سر و دم تشکیل شده اند،که سرآن آب دوست و دم آن آب گریز است.
شکل -1 مولکول CBR PLUS
محصولات مایع تثبیت کننده جدید دارای کلسیم نمی باشند و می توانند در خاک های با میزان سولفات بالا، بدون تشکیل مجموعه های کلسیم - آلومینیوم هیدراته که سبب تورم زیاد می شوند، مورد استفاده قرار بگیرد. این محصولات عمدتا با غلظت بالا تهیه می شوند و سپس در آب رقیق شده و در غلظت مورد نیاز مورد استفاده قرار می گیرند و بر روی خاک اسپری می شوند. هزینه حمل این محصولات نسبت به تثبیت کننده های سنتی ارزان تر است و نیز یک جایگزین مناسب برای تثبیت خاک های با سولفات بالا به شمار می روند. اگرچه مزایای زیادی برای تثبیت کننده ها بیان شده است ولی اکثر مهندسان تمایل زیادی به استفاده از آن ها ندارند. علت این امر را می توان به فقدان اطلاعات مستقل منتشر شده در مورد آن ها دانست .[9] مانع دیگری که بر سر راه استفاده گسترده از این محصولات وجود دارد، فقدان شیوه های تست آزمایشگاهی استاندارد که می توانند به طور موثر برای پیش بینی عملکرد این محصولات در عمل مورد استفاده قرار گیرند می باشد .[10]
در این پژوهش اثرات محلول تبادل یونی CBR PLUS بر روی مقاومت و تورم خاک های رسی سولفاته مورد بررسی قرار گرفته است. این محصول فقط بر روی رس موجود در خاک تاثیر می گذارد، چون این خاک دارای سطح مخصوص زیادی می باشد. خاک رس، پس از مخلوط شدن با این محلول تبادل یونی، از حالت لایه لایه خارج شده و تشکیل یک مجموعه ی واحد را می دهد.[11] خاک رس دارای سطح ویژه بالایی می باشد که سبب افزایش جذب یون های فلزی در سطح رس می شود. همراه با جذب این یون ها مقدار زیادی آب نیز جذب شده که منجر به تورم رس می شود. تنها مواد شیمیایی قادر به جداسازی این یون ها می باشند. محلول CBR PLUS منجر به جدا شدن این یون های نثبت شده و صفحات رس را به یگدیگر چسبانده و آن را به یک بلوک یکپارچه تبدیل می کند . یون های چهار ظرفیتی این محلول ، خود را به سطح می رسانند و جایگزین یون های با ظرفیت کمتر هم چون سدیم و کلسیم می شود که منجر به کاهش تعداد و غلظت کاتیون های خاک می شود و با توجه به این کاتیون ها به حالت اشباع در آب اطراف خود هستند، سبب کاهش حجم لایه دوگانه و در نتیجه افزایش مقاومت خاک می شود .[12] در این پژوهش به بررسی اثر آهک و محلول CBR PLUS بر روی مقاومت و تورم خاک رس سولفاته پرداخته شده است. بدین منظور بر روی نمونه ها آزمایش CBR انجام شده است.
2. مصالح
خاک:
خاک مورد استفاده در این پژوهش، خاک های ریزدانه رسی سولفاته در منطقه ی بوئین زهرا، واقع در استان قزوین می باشد. این خاک دارای حد روانی LL=28.78 و حد خمیری PL=14.41 است. نام آن در سیستم یونیفاد CL می باشد. در شکل 2 نمودار دانه بندی خاک نمایش داده شده است.
شکل 2 -نمودار دانه بندی خاک
محلول تبادل یونی : CBR PLUS
این ماده یک محلول تبادل یونی می باشد که ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آن در جدول زیر آورده شده است.
آهک مصرفی: از آهک هیدراته همدان استفاده شده است
3. نحوه ی انجام آزمایش ها:
آزمایش تراکم: از آن جایی که هدف ساختن نمونه ها در وزن مخصوص حداکثر خشک و رطوبت بهینه بود، در ابتدا بر روی خاک آزمایش تراکم طبق استاندارد ASTM D 689-78 انجام شد.
آزمایش تعیین میزان سولفات موجود در خاک: به منظور تعیین میزان سولفات موجود در خاک، نمونه خاک در آزمایشگاه شیمی مطابق با ASTM C 158-09 مورد آزمایش قرار گرفت. آزمایش تعیین درصد تبادل یونی خاک و تعیین غلظت مورد نیاز محلول : CBR PLUS جهت تعیین غلظت مورد نیاز محلول CBR PLUS، ابتدا میزان تبادل یونی خاک مشخص شود. این آزمایش با معرف صورتی رنگ محلول CBR PLUS و نیز رطوبت بهینه و وزن مخصوص خشک حداکثر به دست آمده از آزمایش تراکم انجام می شود.
آزمایش : CBR
آزمایش CBR مطابق با ASTM D Q883-99 بر روی نمونه هایی که در درضد رطوبت بهینه و حداکثر وزن مخصوص خشک بدست آمده از آزمایش تراکم ساخته شده اند، قرار گرفته است. این آزمایش به دو روش خشک و اشباع بر روی نمونه ها انجام شد: آزمایش نمونه های خشک به این صورت بوده است که این نمونه ها بعد از پایان عمل آوری تحت آزمایش CBRقرار گرفته اند،ولی در نمونه های اشباع، نمونه ها بعد از اتمام زمان عمل آوری، ابتدا به مدت 96 ساعت جهت اشباع شدن درون آب قرار گرفته و پس از پایان این مدت، تحت آزمایش CBR قرار گرفته اند. جهت ساخت نمونه های تثبیت شده با CBR PLUS، ابتدا CBR PLUS را با غلظت به دست آمده در آزمایش تبادل یونی، در آب مورد نیاز برای رطوبت بهینه ریخته و بر روی خاک اسپری کرده، سپس خاک مرطوب شده را درون کیسه ای ریخته و به مدت 72 ساعت درون محیط آزمایشگاه قرار داده شد. پس از آن خاک را در داخل قالب کوبیده و بدون هیج پوششی جهت عمل آوری در محیط آزمایشگاه قرار داده شد.
