بخشی از مقاله
تعیین درصد بهینه خرده لاستیک در ماسه جهت بهبود رفتار مکانیکی آن با استفاده از آزمایش برش مستقیم بزرگ مقیاس (30×30 cm)
خلاصه
در این مقاله درصد بهینه خرده لاستیک در ماسه جهت افزایش پارامترهاي مقاومت برشی آن و همچنین تاثیر اضافه کردن خرده لاستیک روي منحنی نیرو تغییر مکان با استفاده از آزمایش برش مستقیم بزرگ مقیاس (box 30×30 cm) مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور، ماسه با درصدهاي مختلف خرده لاستیک و همچنین تنش هاي نرمال مختلف مورد آزمایش برش مستقیم قرار گرفت و میزان درصد خرده لاستیک بهینه که به ازاي آن مقاومت برشی آن حداکثر می باشد، تعیین شده است. از آنجایی که مقاومت برشی خاك ها حاصل از زاویه اصطکاك داخلی و چسبندگی می باشد، تاثیر خرده لاستیک روي هریک از این پارامترها نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که اضافه کردن خرده لاستیک باعث افزایش چسبندگی خاك و در نتیجه افزایش مقاومت برشی ماسه می شود، درحالیکه تاثیر خرده لاستیک در افزایش زاویه اصطکاك داخلی ناچیز می باشد. و از آنجایی که ماسه ها فاقد چسبندگی می باشند، اضافه کردن خرده لاستیک در جهت بهبود مقاومت برشی خاك بسیار موثر است. همچنین نتایج نشان می دهد افزایش خرده لاستیک باعث کاهش نسبی سختی خاك و افزایش ظرفیت شکل پذیري آن می شود.
کلمات کلیدي: خرده لاستیک، درصد بهینه، مسلح کردن خاك، مقاومت برشی، آزمایش برش مستقیم
1. مقدمه
در سال هاي اخیر ، با رشد و توسعه ي جوامع بشري و استفاده ي روز افزون از انواع خودروها، سالانه درهر کشور تعداد بسیار زیـادي لاسـتیک فرسـوده، با خارج شدن از چرخه مصرف به طور جدي باعث بروز مشکلات زیست محیطی شده است. طبق آمار در کشـور ایـران سـالانه 150 هـزار تـن لاسـتیک فرسوده تولید می شود که در خوش بینانه ترین حالت فقط هفت درصد از آن بازیافت می شود و بقیه آن در طبیعت و محیط زیست رها می شود؛ که مـی توانیم از آن ها براي بهبود پارامترهاي مقاومتی و رفتاري خاك ها بهره جست. در این راستا در سال هاي اخیر تحقیقات بسیار زیادي انجام شده است؛ بـه عنوان نمونه می توان به استفاده از خرده لاستیک براي تولید مصالح سبک در خاکریز ها که توسط ادیل و بوسچر [1](Edil, Boscher, 1994) انجـام شده است، اشاره کرد. قضاوي و محمودي پور رفتار تنش-کرنش و مقاومت برشی مخلوط خرده و ریزهاي تایر با قطر متوسـط 0/075 تـا 5 میلـی متـر بـا تراشه هاي تایر در 13 اندازه و ابعاد مختلف را مورد تحقیق و ارزیابی قرار دادند.[2]
در تحقیق دیگري، نتایج تأثیر تراشه هاي لاستیک و الیاف پلی پـروپیلن بـر روي خـاك ماسـه اي، کـه بـه صـورت مجـزا و تـوأم بـا هـم تحـت آزمایشات برش مستقیم و CBR قرار گرفت، نشان می دهند که این تسلیح کننده هـا بیشـترین تـأثیر را بـر روي چسـبندگی و مقاومـت خـاك داشـتند، هرچند زاویه اصطکاك نیز تا حدودي افزایش می یابد.[3] بکارگیري لاستیک هاي فرسوده به دلیل داشتن مقاومـت کششـی زیـاد در داخـل خـاك بـه منظور تسلیح، یکی از ایده هایی بود کـه توسـط ویـدال (Vidal, 1969) بـراي پیـدا کـردن راه حلـی جهـت اسـتفاده از لاسـتیک هـاي مسـتعمل مطـرح گردید.[4]
وو، بندا و کولی (Wu, Benda, Cauley , 1997) با انجام آزمایش هاي سه محوري، رفتار خرده لاستیک به تنهـایی را مـورد بررسـی قـرار دادند. نتایج آزمایش ها نشان داد که زاویه اصطکاك داخلی خرده لاسـتیک هـا در حـدود 60 – 40 درجـه بـوده و مـدول یانـگ تراشـه هـا در محـدوده 840 – 420 کیلوپاسکال است. در تمام نمونه ها اتساع قابل ملاحظه اي مشاهده شده است.[5] لـی و همکـاران (Lee et al, 1999) بـه بررسـی در بـاره کاربرد لاستیک هاي فرسوده در ترانشه ها به عنوان مصالح سبک پرداختند. نتایج آزمایشات سه محوري و مطالعات نظري به روش اجزا محدود نشان داد که رابطه تقریبا خطی بین تنش انحرافی و کرنش محوري قطعات و تراشه هاي لاستیک وجود دارد. لاستیک هاي فرسوده عـلاوه بـر کـاهش وزن تراشـه ها، از مقاومت برشی کافی به خصوص در ترکیب با ماسه جهت استفاده در ترانشه ها برخورداند.[6]
یون و همکاران (Yoon et al, 1994) ظرفیت باربري و نشست ماسه مسلح شده با تایر را توسط آزمایش بارگذاري صـفحه اي مـورد مطالعـه قرار دادند. نتایج آزمایش هاي آن ها نشان دادکه ظرفیت باربري ماسه شل مسلح شده توسط تایرهاي فرسوده بیشتر از 2 برابـر ظرفیـت بـاربري ماسـه شـل است. کاهش نشست ناشی از تسلیح با ترکیب آج لاستیک و کناره هاي لاستیک بیشـتر از 70 درصـد بـراي ماسـه شـل و بـیش از 34 درصـد بـراي ماسـه متراکم است.[7] زورنبرگ و کابرال (Zornberg ,Cabral , 2004) رفتار مخلوط ماسه- تراشه لاستیک را با آزمایش سه محوري مورد بررسـی قـرار دادند و نتیجه گرفتند که نمونه هایی که فقط شامل تراشه ها لاستیک بـود داراي رفتـار تـنش انحرافـی- کـرنش محـوري خطـی و رفتـار کـرنش حجمـی انقباضی بودند.[8]
در این مقاله سعی شده است که درصد بهینه مصرف خرده لاستیک جهت افزایش پارمترهاي مقاومت برشی خاك ماسه اي تعیین شـود. بـدین منظور آزمایش هاي برش مستقیم بزرگ مقیاس cm) ٣٠×٣٠ (box با درصد هاي مختلف خـرده لاسـتیک و همچنـین خـاك بـدون خـرده لاسـتیک انجام شده است. نتایج تاثیرات درصد هاي مختلف خرده لاستیک در خاك ماسه اي روي مقاومت برشی خاك و پارمترهـاي مقاومـت برشـی خـاك بـه طور جداگانه و رفتار نیرو- تغییر مکان خاك با درصدهاي مختلف خرده لاستیک بررسی شده و پیشنهاداتی ارائه شده است.
2. مصالح مصرفی
در این تحقیق، از خرده لاستیک و خاك ماسه اي، با منحنی هاي دانه بندي مطابق شکل 1 استفاده شده است. خرده لاستیک مصرفی داراي وزن مخصوص ظاهري 0/57(g/cm3) و Gs برابر با 1/19 می باشد. همچنین در جدول 1 برخی از مشخصات ماسه مورد نظر ارائه شده است. با توجه به داده هاي این جدول، ماسه مصرفی از نوع خوب دانه بندي شده است.
شکل -1 نمودار دانه بندي خرده لاستیک و ماسه
جدول -1 مشخصات ماسه مورد آزمایش
3. روش تحقیق
شرایط و خواص مصالح بدست آمده از خرده لاستیک ها به گونه اي است که نمی توان آنها را با دستگاه برش مستقیم معمـولی آزمـایش کـرد. دسـتگاه برش مستقیم 30×30 cm این مزیت را دارد که می توان مواد با دانه بندي بزرگتر را آزمـایش کـرد.[2] طبـق نکتـه 4 در ASTM D3080 تـذکر داده شده است که "اگر دانه هاي بزرگتر از حد استاندارد با توجه به ابعاد جعبه برش در نمونه وجود داشت باید طبق روش ASTM D422 روي نمونه دانـه، بندي انجام شود تا آنچه بصري دیده شده است تایید گردد و نتایج این تحلیل همراه نتیجه آزمایش برش ارائه گردد"9]و.[10 ایـن نکتـه بـراي ایـن اسـت که طراح بتواند مقاومت برشی بدست آمده را به همراه دانه بندي ملاحظه کرده و نتیجه گیري کند که آیا این مقاومت بدست آمده، مقاومت برشی خـود مخلوط است یا مقاومت برشی دانه ها و اینکه چه مقدار باید در این مقادیر مقاومت برشی، اصلاح اعمال گردد. در ادامه مقاله نیز این نکتـه رعایـت شـده است.
ساخت نمونه یکی از مهمترین بخش هاي این مقاله محسوب می شود. در صورتی که نمونه هاي ساخته شده از نظر ساختاري دقیق و مشخص نباشند، نمی توان نتایج را با هم مقایسه کرد. در کارهاي اجرایی که با این مصالح انجام می شود بهتر است از حجم براي سنجش استفاده شود؛ مثلا حجم یک باکت یا حجم یک کامیون. فوس (Foose , 1993) پیشنهاد کرد که براي سهولت در ساخت نمونه ها در آزمایشگاه از مقیاس وزنی طبق روش گفته شده در ASTM D854 استفاده گردد.[11] همچنین براي اینکه بتوان مقایسه منطقی بین نتایج انجام داد باید غیر از پارامترهاي مورد نظر بقیه
پارامترها را ثابت نگه داشت از جمله پارامتر وزن مخصوص مخلوط .(δmatrix) بدین منظور در این مطالعه، وزن مخصوص ماسه ثابت و برابر با 1/65 (g/cm3) و توده ویژه خرده لاستیک (Gs) برابر با ١٩/١ در نظر گرفته شد.
4. تحقیق و نتایج
آزمایش برش مستقیم بزرگ مقیاس بر روي نمونه ماسه و ماسه مخلوط شده با خرده ریزهاي لاستیک در درصد هاي مختلف انجام گرفته اسـت. در ایـن تحقیق تنش هاي نرمال kpa٥٠ ، kpa١٠٠ و kpa١٥٠ انتخاب شده است. همچنین در طول انجام آزمـایش، خـرده لاسـتیک بـا درصـد هـاي وزنـی 0، 10، 15، 20، 25و 30 در نظر گرفته شد است. درصد استفاده از مصالح و مشخصات وزنی نمونه ها در جدول 2 ارائه شده انـد. از ایـن جـدول مشـاهده می شود که با افزایش خرده لاستیک وزن کل نمونه کاهش می باید.
جدول -2 درصد استفاده از مصالح و مشخصات وزنی نمونه ها
در شکل 2 نتایج مقاومت برشی حداکثر در برابر درصدهاي مختلف خرده لاستیک حاصل از آزمایش هاي برش مستقیم روي نمونـه هـا، نشـان داده شده است. همچنین نتایج به صورت عددي در جدول 3 نسان داده شده است.در شکل 2 براي یافتن درصد بهینه خرده لاستیک، نتایج حاصل با یـک منحنی درجه دو برازش شده و درصد خرده لاستیک متناظر با حداکثر منحنی، درصد خرده لاسـتیک بهینـه مـی باشـد. همـانطور کـه از شـکل 2 و نتـایج جدول 3 مشاهده می شود، متوسط درصد خرده لاستیک بهینه 19/90 می باشد. همچنین از جدول 3 مشاهده می شود که با زیاد شدن تـنش نرمـال درصـد خرده لاستیک بهینه کاهش می یابد.
براي نشان دادن درصد افزایش مقاومت برشی ماسه مسلح شده با خرده لاستیک نسبت به ماسه بـدون خـرده لاسـتیک، نمـودار نسـبت مقاومـت برشی دو نوع خاك در برابر درصدهاي مختلف خرده لاستیک در شکل 3 نشان داده شده است. همچنین اعداد مربوط به مقادیر این نمـودار در جـدول 4 نشان داده شده است.
شکل-2 نمودار مقاومت برشی حداکثر در مخلوط ماسه با درصدهاي مختلف خرده لاستیک
جدول -3 درصدهاي بهینه خر ده لاستیک در تنش هاي نرمال مختلف
جدول -4 افزایش مقاومت برشی مخلوط ماسه و خرده لاستیک نسبت به مقاومت برشی ماسه در درصدهاي مختلف خرده لاستیک
همانطور که از جدول 4 مشاهده می شود، در تنش هاي مختلف قائم، مقدار افزایش مقاومت متفاوت خواهد بود. طبق مشـاهدات آزمایشـگاهی با اضافه کردن خرده لاستیک به ماسه، مقاومت برشی مخلوط ماسه و خرده لاستیک تحت تنش قائم 50 Kpa تا %20/2 ، تحت تـنش قـائم 100Kpa تـا %11/2 و تحت تنش قائم 150Kpa تا %13 افزایش می یابد.
از آنجایی که مقاومت برشی خاك متشکل از دو پارامتر زاویه اصطکاك داخلی و چسبندگی می باشد، جدول 5 ارائـه شـده اسـت تـا مشـاهده شود که افزایش خرده لاستیک روي هرکدام از پارامتر هاي مقاومت برشی چه تاثیري می گذارد. همانطور که از ایـن جـدول مشـاهده مـی شـود، خـرده لاستیک باعث افزایش مداوم چسبندگی می شود؛ در حالی که تاثیر آن در زاویه اصطکاك داخلی به این صورت است که تا مقدار بهینه خرده لاستیک، روند افزایشی و پس از آن باعث کاهش مقدار زاویه اصطکاك داخلی با روند بیشتري نسبت به افزایش آن می باشد.
جدول -5 تغییرات چسبندگی و زاویه اصطکاك داخلی در مخلوط ماسه با نسبت هاي مختلف خرده لاستیک
