بخشی از مقاله
خلاصه
در سال های اخیر، نیاز به ساخت سریع زیرساخت ها با هزینه کمتر، منجر به ایجاد و توسعه روش های گوناگون بهسازی خاک همانند تثبیت شده است. اصلاح رفتار خاک به کمک افزودنی ها به عنوان یکی از روش های موثر در بهبود بسیاری از پارامترهای رفتاری خاک همواره مدنطر پژوهشگران در مهندسی ژئوتکنیک بوده است. از جمله افزودنی های مهم در علم مهندسی عمران می توان به سیلیس کلوئیدی3 اشاره کرد.
سیلیس کلوئیدی تجزیه آبی نانو ذرات سیلیس است که به حالت مایع بوده و در اثر افزودن مقدار مناسب نمک، حالت ژلی به خود می گیرد و این ژل باعث ایجاد پیوندهای شیمیایی قوی با ذرات ماسه شده و پارامترهای مقاومتی خاک را بهبود می بخشد. در این مطالعه تاثیر افزودن سیلیس کلوئیدی بر روی ویژگی های مقاومتی ماسه بابلسر با استفاده از آزمایشات تک محوری - فشاری محصور نشده - مورد مطالعه قرار گرفته است.
به همین منظور تعداد 45 آزمایش تک محوری انجام شده و پارامترهای مورد بررسی شامل غلظت سیلیس کلوئیدی 7 - ، 10 و - 15% ، تراکم نسبی - 35 و 55 و - 75% و زمان عمل آوری 1 - ، 7، 14، 28 و 90 روزه - می باشند. نتایج آزمایشات نشان داده افزودن سیلیس کلوئیدی علاوه بر افزایش مقاومت فشاری محصورنشده، باعث تغییرات قابل ملاحظه ای در کرنش های محوری نظیر گسیختگی، سختی و مقاومت پسماند خاک می گردد.
1. مقدمه
در سال های اخیر با رشد جمعیت جهان، زمین های مناسب ساخت و ساز در حال کاهش یافتن است. در نتیجه در اغلب کشورهای پیشرفته، گسترش ساختمان ها از خشکی به دریا و نیز رشد فزاینده آسمان خراشها شروع شده است.[18] با کاهش دسترسی به مکان های مناسب برای ساخت وساز، ضرورت استقرار پی بر روی خاکهای ضعیف بیشتر نمود یافته است. اگرچه برای ساختن سیستم فونداسیون، استفاده از پی عمیق و نیمه عمیق ارجعیت دارد، ولی به علت پرهزینه و وقت گیر بودن و مشکلات اجرایی آن، در عمل از تلفیق پی های سطحی و بهسازی خاک محل استفاده می شود
در مکان های باز و دارای تراکم پایین جمعیت و ساختمان کم، ساده ترین روش بهسازی خاک استفاده از روش های متراکم سازی4 مانند تراکم سطحی،تراکم دینامیکی و تراکم ویبره-شناوری در عمق است، اما در مناطق توسعه یافته که دارای تراکم جمعیتی بالایی هستند استفاده از این روش ها به دلیل وجود سازه های حساس به تغییرشکل و ارتعاش امکان پذیر نیست.در چنین مناطقی از روش های دیگر بهسازی استفاده می شود که یکی از آنها تثبیت خاک با استفاده از افزودنیهاست.
تثبیت خاک با مواد افزودنی یکی از قدیمی ترین روش های بهسازی خاک است. مهمترین هدف استفاده از افزودنی های شیمیایی، بهبود یا کنترل پایداری حجم - کنترل تورم یا انقباض - ، مقاومت یا تغییر خصوصیات تنش-کرنش و نفوذپذیری خاک است.
در زمینه استفاده از محلول سیلس کلوئیدی برای بهسازی خاک مطالعاتی در گذشته انجام شده که در ادامه به چند نمونه از کارهای آزمایشگاهی که در این زمینه انجام گرفته، اشاره می شود. Gallagher و Pamuk و همکاران در سال 2006 و 2] 2007 و 5 و [10 و Conlee و همکاران در سال [9] 2012 آزمایشات سانتریفوژ را بر روی ماسه بهسازی شده با سیلیس کلوئیدی انجام دادند که در آن تاریخچه شتاب اندازه گیری شده نشان داده که در مدل بهسازی نشده به دلیل روانگرا شدن لایه ماسه ای امکان انتقال تنش برشی از پایین پروفیل خاک به سمت بالا وجود نداشته و کاهش در مقاومت و سختی خاک در طول لرزش ها مشاهده شده،در حالی که در مدل بهسازی شده لایه ماسه غیر روانگرا شده و تنش برشی را به سمت بالا انتقال می دهد و همچنین افزودن سیلیس کلوئیدی باعث کاهش حدود 90% در تغییرمکان ها و لنگرهای خمشی و نیروهای محوری وارد بر شمع ها شده است
Rodriguez و Izararras در سال 2004 و 2008 از آزمایشات برش ساده دوره ای برای ارزیابی عملکرد سیلیس کلوئیدی استفاده کردند و در این بررسی تاثیر دانسیته، درصد سیلیس کلوئیدی،واکنش فشار منفذی و کرنش برشی بر روی مقاومت روانگرایی نمونه های بهسازی شده مورد ارزیابی قرار گرفت . با افزایش تراکم نسبی و غلظت سیلیس، تعداد سیکل های مورد نیاز برای وقوع روانگرایی اولیه بیشتر شده و رفتار ماسه شل بهسازی شده شبیه رفتار ماسه متراکم بهسازی نشده است .
در بررسی دیگر مشخص شد که سرعت افزایش نسبت اضافه فشار آب منفذی با افزودن سیلیس کلوئیدی کاهش خواهد یافت.همچنین در نمونه های اصلاح شده در مقایسه با نمونه های خالص کرنش برشی کمتری ایجاد شده و با افزایش غلظت دوغاب از سرعت گسترش آن هم کاسته شده است. با استفاده از این نتایج تاثیر قابل ملاحظه سیلیس کلوئیدی بر روی رفتار خاک ماسه ای کاملا مشهود بوده است
Corral و Whittle هم در سال 2007 یا استفاده از آزمایش برش ساده دوره ای بر روی نمونه های ماسه بهسازی شده با 5% وزنی سیلیس کلوئیدی به این نتیجه رسیدند که مقاومت روانگرایی ماسه بهسازی شده افزایش یافته است.نتایج بررسی های آنها نشان می دهد که نسبت مقاومت دوره ای ماسه اصلاح شده بهبود یافته است و این نسبت با افزایش زمان عمل آوری بیشتر می شود.%5وزنی از سیلیس کلوئیدی، مقاومت تغییرشکلی ماسه های شل را در مقابل بارگذاری دوره ای به طور قابل توجهی افزایش می دهد.
Gallagher و همکاران در سال [1] 2002 و نیز Persoff و همکاران در سال 1997 و [6] 1999 از تست های تک محوری استفاده کردند که طی آن مشخص شد هرچه غلظت سیلیس کلوئیدی بیشتر شود مقاومت تک محوری بیشتر و ضریب نفوذپذیری کمتر خواهد شد که بیشترین مقدار افزایش در مقاومت تک محوری 400 کیلو پاسکال می باشد. ماسه ذاتا چسبنده نیست و این مقاومت ناشی از ژل شدگی دوغاب است که به طور خطی با غلظت دوغاب سیلیس کلوئیدی افزایش خواهد یافت
نتایج آزمایشات Gallagher و Lin در سال 2005 نشان می دهد که نمونه های ماسه ای بهسازی شده با 5% وزنی سیلیس کلوئیدی دارای مقاومت فشاری محصور نشده در محدوده 47 تا 67 کیلو پاسکال هستند.
در این تحقیق از سیلیس کلوئیدی برای افزایش چسبندگی و همبستگی بین ذرات خاک و کاهش ویسکوزیته استفاده شد و سیلیس کلوئیدی به کار گرفته شده رفتار ماسه را در شرایط بارگذاری دوره ای بهبود بخشید و از دیگر نتایج این بوده است که چسبندگی و همبستگی بین ذرات با توجه به درصد وزنی سیلیس کلوئیدی افزایش می یابد
مطالعات قبلی نشان می دهد که این افزایش مقاومت حتی بعد از 1000 روز هم ادامه دارد و باعث شده مقاومت خاک حدودا 3.5 برابر شود که دلیل آن هم محکم تر شدن پیوندهای سیلیس کلوئیدی با گذشت زمان است.
آزمایشات سه محوری انجام شده در این زمینه هم مربوط به Gallagher و Mitchell در سال [1] 2002 و Liao و همکاران در سال [3] 2003 بوده است. نتایج آزمایشات Gallagher نشان داده نمونه های غیر ترکیبی تا قبل از شروع روانگرایی کرنش محوری بسیار کمی را گسترش دادند ولی با آغاز روانگرایی کرنش های بزرگی رخ داده و نمونه ها به سرعت در طی چند سیکل دچار ریزش شدند.
در مقابل،نمونه های بهسازی شده کرنش بسیار کمی را در طول بارگذاری سیکلیک تجربه کرده، همچنین کرنش ها به طور یکنواخت انباشته شده و نمونه های بهسازی شده دچار ریزش نشدند. در نهایت در این مطالعه مشخص شد که غلظت 5 تا % 10 سیلیس کلوئیدی برای کاهش خطر روانگرایی ماسه های شل کافی است
مطالعات Liao و همکاران هم نشان می دهد که در اثر افزودن این محلول مقاومت روانگرایی ماسه 4 تا 7 برابر شده و تعداد سیکل های مورد نیاز برای وقوع روانگرایی اولیه نیز افزایش می یابد. با افزایش زمان عمل آوری این مقاومت افزایش یافته و دلیل آن هم پر شدن منافذ ماسه از دوغاب است و به علاوه در نمونه بهسازی شده تحرک دوره ای مشاهده شده است
Spencer و همکاران هم در سال 2007 و 2008 خصوصیات دینامیکی ماسه بهسازی شده با سیلیس کلوئیدی را از طریق آزمایشات ستون تشدید مورد ارزیابی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش غلظت و زمان عمل آوری سیلیس کلوئیدی ضریب برشی مخلوط ژل-ماسه زیاد می شود ولی این ضریب در ماسه بهسازی شده به مراتب کمتر از ماسه خالص است.همچنین نسبت میرایی برای کرنش برشی سیکلیک بزرگتر از 0.01% در ماسه های ژلی شده بیشتر از ماسه خالص است
2. سیلیس کلوئیدی
یکی از افزودنی های شیمیایی مهم سیلیس کلوئیدی است.به طور کلی سیلیس دارای فرمول شیمیایی Sio2 بوده که به دو صورت پودر نانو سیلیس و یا محلول سیلیس کلوئیدی مورد استفاده قرار می گیرد.در واقع سیلیس کلوئیدی از طریق ترکیب شدن نانو سیلیس با آب و مواد شیمیایی دیگر - برای پایدارسازی آن - به دست می آید.سیلیس کلوئیدی تجزیه آبی نانو ذرات سیلیس است 100-2 - نانومتر - که از محلول های اشباع اسید سیلیسی به دست می آید و دانسیته و ویسکوزیته ای شبیه آب دارد.
نمونه ای از نانوذرات سیلیس که دارای سطوح بار الکتریکی منفی هستند، در شکل 1 نشان داده شده است. ذرات سیلیس کلوئیدی هنگامی که مولکول های H4Sio2 پیوندهای سیلوکسین - Si-O-Si - 6 را تشکیل می دهند به وجود می آیند، زیرا سطح هر ذره دارای گروه سیلانول - - SiOH غیر ترکیبی است.هنگامی که هر یک از ذرات به اندازه مطلوب رسیدند،محلول مورد نظر با افزایش PH برای جلوگیری از رشد بیشتر ذرات پایدار می شود.با افزایش PH ذرات یونیزه شده و همدیگر را دفع می کنند. به علت کوچک بودن اندازه و بار الکتریکی سطح ذرات، نیروی میان ذره ای الکتریکی، رفتار و شکل ساختار ذرات را تحمیل می کند.
