بخشی از مقاله
خلاصه
خصوصیات فیزیکی، شیمیائی، و مکانیکی خاک رسی وابسته به خصوصیات آب لایه دوگانه آن است. تغییر در خصوصیات آب لایه دوگانه سبب تغییر در ساختار خاک رسی شده، که متعاقباً باعث تغییر در رفتار مهندسی خاک میشود. بهطوریکه تغییر خصوصیات آب لایه دوگانه سبب ایجاد طیف وسیعی از دامنه کاربرد خاکهای رسی در پروژههای ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیستمحیطی میشود. در این پژوهش با تغییر در خصوصیات آب لایه دوگانه بنتونیت، اثر تغییر در کاتیون لایه دوگانه بر برخی مشخصات ریزساختاری و رفتار ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیستمحیطی بنتونیت در حالت غیر تک کاتیونه شده و نیز تک کاتیونه شده با کاتیون پتاسیم موردمطالعه و مقایسه قرارگرفتهاست. در این تحقیق از آزمایشات رسوب، حدود اتربرگ، تحکیم و نیز آزمایشات جذب اتمی، پراش پرتو ایکس، pH و هدایت الکتریکی - EC - استفاده شدهاست.نتایج بهدستآمده بیانگر محدودیت تئوری لایه دوگانه در تفسیر رفتار مهندسی بنتونیت تک کاتیونه است.
کلمات کلیدی: کاتیون لایه دوگانه، خصوصیات سیال منفذی، ساختار خاک، بنتونیت تک کاتیونه
.1 مقدمه
بنتونیت خاکی است رسی که بهصورت عمده از کانیهای گروه اسمکتیت تشکیل شدهاست. بنتونیت بهعنوان یک خاک رسی تورم پذیر با خاصیت خمیری زیاد بهصورت گسترده برای اهداف و مقاصد گوناگون مانند استفاده بهعنوان گل حفاری، مخلوط خاکی بهعنوان مصالح تزریق در ساخت محصورکنندههای نشت شیرابه، و بهعنوان درزگیر در نصب پیزومترها کاربرد دارد .[1] خاکهای رسی به دلیل ساختار خاص، قادر به اندرکنش با مواد موجود در آلایندهها و جذب تمام یا قسمتی از مواد خطرناک موجود در محلول آلاینده عبوری از خاک هستند. بنابراین از خاک رسی بهعنوان یک نگهدارنده مناسب در طراحی مراکز دفن آلایندهها و زبالههای شهری و صنعتی در بستر مراکز دفن مهندسی زباله استفاده میشود .[2]
امروزه استفاده از رسهای تک کاتیونه به میزان زیادی موردتوجه بوده و این رسها بهصورت گسترده در مراکز دفن مهندسی زباله مورد استفاده قرار میگیرند. جذب آلاینده توسط بنتونیت تک کاتیونه به صورت سریع و کامل انجام میگیرد .[3] همچنین به دلیل حضور کاتیونهای فلزی در آلایندهها امکان تغییر کاتیون لایه دوگانه خاک مورد استفاده در مراکز دفن مهندسی زباله وجود دارد. خصوصیات بنتونیت به میزان زیادی وابسته به اندرکنش بین ذرات خاک و سیال منفذی پیرامون آن است. بار الکتریکی خالص بر روی کانیهای رسی موجود در بنتونیت منفی است، که سبب میشود کاتیونهای حلشده در سیال منفذی، جذب سطح ذرات رس شوند. نظریه لایه دوگانه در ابتدا توسط گوی - 1910 - و چپمن - 1913 - ارائه، سپس توسط استرن - 1924 - اصلاح شد.
مطابق نظریه لایه دوگانه گوی-چپمن، ضخامت لایه دوگانه از معادله - 1 - محاسبه میشود.در معادله فوق D ثابت دیالکتریک سیال، T دما برحسب درجه کلوین، n0 غلظت الکترولیت - ion/m3 - ، e بار الکتریکی الکترون - 1/602×10-19 C - ، k ثابت بولتزمن - 1/38 ×10-23 JK-1 - ، ثابت دیالکتریک خلأ و v ظرفیت یونی است. مطابق این رابطه، ضخامت لایه دوگانه تنها وابسته به نمکهای حلشده و فاز مایع است. درنتیجه تغییر در مشخصات فاز مایع ناشی از ورود آلاینده به محیط خاک سبب تغییر در ضخامت لایه دوگانه و درنتیجه مشخصات رفتاری خاک میشود. در حالت کلی هر چه ضخامت لایه دوگانه بیشتر باشد، تمایل ذرات به لخته شدن کمتر خواهدبود .[1]
ون الفن - 1962 - نشان داد که تغییر مشخصات لایه دوگانه در اثر تغییر کاتیون جذبشده، سبب تغییر نیروهای بینذرهای شده که این مسئله عامل تغییر نحوه آرایش ذرات نسبت به یکدیگر بوده و سبب تشکیل ساختارهای پراکنده و یا درهم میشود .[4] در زمینه تأثیر تک کاتیونهسازی خاک بر خصوصیات مکانیکی خاک تحقیقات فراوانی انجام شدهاست. در این زمینه مطالعات محققینی همچون بولت - Bolt, 1956 - ، میچل - Mitchell, 1960 - ، السن و مصری - Olson and Mesri, 1970,1971 - ، سریدهاران و رائو - Sridharan & Rao, 1973 - نشان داد که نظریه گوی-چپمن بهخوبی رفتار مکانیکی رسهای تورمی - بهصورت عمده سدیم و کلسیم بنتونیت - را توجیه میکند .[5]
در این زمینه تحقیقات السن و مصری نشان دادهاست که ظرفیت کاتیون جذبشده تأثیر زیادی بر حد روانی مونتموریلونیت دارد به گونه ایکه حد روانی سدیم مونتموریلونیت 5 برابر کلسیم مونتموریلونیت است. این محققین نشان دادند که غلظت الکترولیت تأثیری در حد روانی کلسیم مونتموریلونیت ندارد. نفوذپذیری به میزان زیادی تحت تأثیر والانس یونها قرار دارد و نتایج آزمایشات نشان داد که سدیم مونتموریلونیت نفوذپذیری کمتری نسبت به کلسیم مونتموریلونیت دارد .[6] جایگزینی کاتیون تکظرفیتی بهوسیله کاتیون چند ظرفیتی سبب تغییر ساختار ذرات خاک از پراکنده به درهم میشود. کاهش ضخامت لایه دوگانه و بیشتر درهم شدن ساختار خاک عامل تغییر اندازه مؤثر حفرات و تبدیل میکرو حفرات به ماکرو حفرات است .[7]
بررسی اثر سه نوع کاتیون تکظرفیتی لیتیم، پتاسیم و سدیم بر فشردگی پذیری بنتونیت نشان دادهاست که به ترتیب لیتی- بنتونیت بیشترین و پتاسیم-بنتونیت کمترین میزان فشردگیپذیری را دارد .[8] همچنین نتایج تحقیقات قبلی نشان دادهاست که افزایش غلظت نمکهای سدیم کلرید و پتاسیم کلرید سبب افزایش نسبت پراکندگی خاک میشود .[9] باوجود مطالعات ذکرشده در خصوص توجیه مناسب رفتار مکانیکی خاک توسط نظریه لایه دوگانه، نتایج تحقیقات سریدهاران و همکاران نشان داد که ظرفیت کاتیون و شعاع هیدراته تأثیر فراوانی بر حد روانی بنتونیت داشته، و نظریه گوی-چپمن توانایی توجیه تغییرات مشاهدهشده را ندارد [.5]
در همین راستا، علیرغم مطالعات فراوان در زمینه تأثیر کاتیون لایه دوگانه بر خصوصیات مکانیکی - درشتساختار - خاک، مطالعات اندکی بر روی توانایی نظریه لایه دوگانه در توجیه رفتار خاک تک کاتیونه شده از منظر زیستمحیطی و مکانیکی - ریزساختار و درشتساختار - بهصورت همزمان انجام شدهاست. لذا با توجه به تأثیر قابل توجه آب لایه دوگانه بر رفتار و مشخصات مهندسی خاکهای رسی، هدف این پژوهش بر مطالعه اثر تغییر در کاتیون لایه دوگانه بر برخی مشخصات ریزساختاری و رفتار ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیستمحیطی بنتونیت در حالت غیر تک کاتیونه شده و نیز تک کاتیونه شده با کاتیون پتاسیم معطوف شدهاست. همچنین به دلیل محدودیتهای نظریه لایه دوگانه، توانایی این نظریه در پیشبینی تغییرات رفتار خاک بنتونیت تک کاتیونه شده با کاتیون پتاسیم ارزیابیشدهاست.
.2 مواد و روشها
مطالعات این پژوهش بر روی خاک بنتونیت تهیهشده از شرکت ایران باریت با نام تجاری باریت فلات ایران انجام شدهاست. حد روانی خاک بر اساس روش استاندارد - ASTM D 4318-87 - تعیین شد. نمک کلرید پتاسیم مورداستفاده در تک یونه سازی خاک از شرکت مرک آلمان تهیه شد. برای تعیین ظرفیت تبادل کاتیونی خاک و آنالیز سیال منفذی، دستگاه جذب اتمی مدل - GBC 932, AB Plus - مورد استفاده قرارگرفت. نمونههای خاک برای اندازهگیری ظرفیت تبادل کاتیونی - CEC - مطابق روش باریم کلراید اصلاحشده پیشنهادی اوحدی و دیرانلو آماده شدهاند .[10] اندازهگیری درصد کربنات از روش تیتراسیون صورت گرفت .[11] در این پژوهش برای اندازهگیری pH نمونهها از دستگاه pH متر مدل - HANNA-Hi 932 - استفاده شدهاست.
بر اساس آزمایشات انجامشده مشخصات اولیه فیزیکی و شیمیایی بنتونیت در جدول - - 1 گزارششدهاند.بهمنظور تک کاتیونه کردن خاک، خاک بنتونیت با نسبت وزنی 100 - 1 :10 گرم خاک و 1000 میلیلیتر الکترولیت - با محلول 1 نرمال کلرید پتاسیم مخلوط شد. سپس این محلول برای رسیدن به تعادل در زمان 96 ساعت، در هر 24 ساعت به مدت 2 ساعت روی دستگاه لرزاننده الکتریکی به هم زده شد. بعد از گذشت 96 ساعت و تهنشینی ذرات خاک محلول، مایع سطحی حاوی نمک، خارجشده و با استفاده از آب مقطر بهمنظور اطمینان از خروج کامل نمک، فرایند آبشویی برای 6 بار انجام شد. در هر مرحله آبشویی میزان هدایت الکتریکی محلول اندازهگیری شد تا به میزان ثابت ناچیز برسد. همچنین در هر مرحله آبشویی محلول سطحی جداشده، برای آنالیز سیال منفذی مورد استفاده قرارگرفتهاست.
به همین ترتیب در هر مرحله آبشویی برای اندازهگیری ظرفیت تبادل کاتیونی، خاک بنتونیت در گرمخانه به مدت چهار روز در دمای 60 درجه خشکشده و به روش باریم کلراید اصلاحشده با استفاده از دستگاه جذب اتمی مورد آزمایش قرار گرفت. همچنین برای ارزیابی تأثیر تغییرات فاز مایع بر ساختار خاک در هر مرحله آبشویی آزمایش رسوب بر روی نمونهها انجام شد. پس از پایان فرایند تک کاتیونه سازی و آبشویی، بر روی نمونههای تک کاتیونه شده آزمایشهای حدود اتربرگ بر اساس استاندارد - ASTM D 4318 - ، تعیین درصد رطوبت بر اساس استاندارد - ASTM D 2216 - صورت گرفت. به منظور بررسی نشستپذیری، پس از پایان مراحل آبشویی، خاک تک کاتیونه شده با پتاسیم را در قالب پیش بارگذاری ریخته و تا تنش بیش تحکیمی 25 - kPa - بارگذاری شد. پس از پایان فرآیند پیش بارگذاری، آزمایش تحکیم بر اساس استاندارد - ASTM D 2435 - انجامشده و نتایج با تحکیم بنتونیت طبیعی مقایسه شدهاست.
در این پژوهش برای تعیین کانیهای موجود در خاک بنتونیت طبیعی و سپس برای تعیین اندرکنش خاک با نمک کلرید پتاسیم، آزمایش پراش پرتو ایکس - XRD - با استفاده از دستگاه - Siemens-Diffractometer D8 - انجام شد. نحوه آمادهسازی نمونه بدینصورت بودهاست که 1 گرم از خاک بنتونیت با 50 میلیلیتر آب مقطر مخلوط شده و به مدت 4 روز، هر روز به مدت 2 ساعت روی دستگاه لرزاننده الکتریکی قرارگرفته، و سپس نمونهها به مدت 24 ساعت برای رسیدن به تعادل رها شدهاند. سپس نمونهها به مدت 30 دقیقهمجدداً بر دستگاه لرزاننده قرار داده شده و مقداری از سوسپانسیون بهوسیله پیپت پاستور برداشته شده و بر روی لام شیشهای تمیز، خشک و شفاف به ابعاد 4×4 ریخته شده و به مدت 24 ساعت در هوای محیط خشک شدهاند. برای انجام آزمایش ظرفیت بافرینگ از روش تیتراسیون خاک با افزایش غلظت اسید نیتریک - HNO3 - در شرایط تعادل سوسپانسیون اشباع خاک - Batch equilibrium test - استفاده شد .[11]
3.بحث و بررسی
به منظور بررسی تأثیر تغییر مشخصات آب لایه دوگانه بر رفتار بنتونیت، خاک بنتونیت باکلرید پتاسیم تک کاتیونه شد. در این پژوهش ابتدا نتایج آزمایشات ریزساختاری موثر در خصوصیات ژئوتکنیک زیستمحیطی مورد مطالعه قرارگرفت. سپس نتایج حد روانی و نشست پذیری به عنوان دو خصوصیت مهم ژئوتکنیکی بنتونیت مطالعه شده و قابلیت نظریه لایه دوگانه در توجیه رفتار ریزساختار و درشتساختار بنتونیت به دو صورت طبیعی و تک کاتیونه با کاتیون پتاسیم مورد سنجش و بررسی قرار گرفتهاست. کاتیونهای تبادلی موجود در لایه دوگانه خاک بنتونیت در جدول - 1 - ارائه شدهاند. تبادل کاتیونی یک پدیده شیمیایی سطحی است که وابسته به متغیرهای فراوانی است. جایگزینی کاتیونها در لایه دوگانه زمانی رخ میدهد که غلظت کاتیونها در سیال منفذی افزایش یابد .[7]
در جدول - 2 - میزان کاتیونهای تبادلی در لایه دوگانه بنتونیت تک کاتیونه شده ارائه شدهاست.بر اساس معادله - 1 - ضخامت مؤثر لایه دوگانه با غلظت سیال منفذی نسبت معکوس دارد. افزایش غلظت سبب کاهش ضخامت لایه دوگانه می-شود. همچنین ضخامت لایه دوگانه با ظرفیت کاتیون رابطه معکوس دارد. افزایش ظرفیت کاتیون سبب کاهش پتانسیل سطحی و کاهش ضخامت لایه دوگانه میشود. برای کاتیونهای با ظرفیت یکسان، کاهش در شعاع هیدراته کاتیون سبب محدود کردن لایه دو گانه میشود .[1] با توجه به تأثیر شعاع هیدراته بر مشخصات لایه دوگانه، شعاع هیدراسیون کاتیونهای موجود در لایه دوگانه بنتونیت نیز در جدول - 3 - ارائه شدهاست.
