بخشی از مقاله
خلاصه
این مطالعه قصد دارد با بررسی آزمایشگاهی ، اثر نانو رس را بر مقاومت خاک های رسی در معرض یک سیکل یخبندان بررسی نماید . نمونه خاک رس از زمین مورد نظر انتخاب گردید و سپس در درصدهای 1/5 ، 3 ، 4/5 ، 6 و بدون نانورس با آب مخلوط شده و استوانه هایی با قطر 3/81 و ارتفاع 7/62 از آنها تهیه گردید که در شرایط بدون یخبندان و یک سیکل یخبندان قرار داده شده اندو سپس تحت آزمایش تک محوری قرار گرفتند .سپس با استفاده از نرم افزار spss مورد آنالیز قرار گرفتند .
یافته ها نشان دادند که میانگین مقاومت فشاری خاکهای بدون نانو به طور معناداری کمتر از خاکهایی با 1/5 ، 3 ، 4/5 ، 6 درصد نانو رس میباشد همچنین افزوده شدن به درصد یا کاهش مقدار نانو رس تفاوت معناداری را نشان داد و از سوی دیگر مقاومت فشاری خاکهای بدون سیکل یخبندان به طور معناداری بالاتر از خاکهایی با یک و دو و سه سیکل یخبندان میباشد که این میتواند بعلت این باشد که با افزودن نانو رس افزایش سطح ویژه در نمونه ها خواهیم داشت و به تبع آن افزایش بار الکتریکی باعث افزایش جذب آب میگردد که شاید تا حدودی دلیل موثر نبودن افزایش نانو رس در مقاومت خاک باشد . بنابراین نتایج گویا میباشند که افزودن نانو رس بر مقاومت فشاری خاکها بدون سیکل یخبندان تاثیر گذار بوده و مقاومت نمونه های با نانو رس به طور معنا داری بیشتر است همچنین در طی سیکل با افزایش نانو رس مقاومت خاک کاهش می یابد.
1. مقدمه
فناوری نانو یک حرکت جدید در سیستمهای تولید مواد ایجاد نموده است، در حالی که مواد بسیار کوچک میشوند، خواص جدید قابل توجهی پیدا میکنند، که این خواص در سطوح میکرومولکولی یا بزرگتر قابل مشاهده نیست. منظور از یک ماده نانوساختار، جامدی است که درآن انتظام اتمی، اندازه کریستالهای تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در سراسر بدنه در مقیاس چند نانومتری گسترده شده باشد.
هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو، یافتن طبقه جدیدی از مصالح میباشد، که آنها را میتوان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود
اصلاح پارامترهای رفتاری خاکهای مختلف یکی از مسائل مهم پیش روی پژوهشگران در مهندسی ژئوتکنیک می باشد. اضافه نمودن پاره ای از افزودنیها به خاک، به عنوان یکی از روشهای مؤثر در بهبود برخی از مشخصه های رفتاری خاک مانند رابطه ی تنش-کرنش-مقاومت، نفوذپذیری و خودترمیمی، به ویژه در بعضی از سازه های ژئوتکنیکی نظیر سدهای خاکی، خاکریزهای جاده ها، شیروانی های مصنوعی، مراکز دفن زباله همواره مد نظر بوده است .افزودنی های متداول همچون سیمان، آهک، کلسیم کلرید، خاکستر بادی، قیر، انکلوزیونهای پلیمری و ...در مطالعات سایر پژوهشگران مورد بررسی قرار گرفته است
مواد در محدوده ی نانو اغلب رفتار فیزیکی بسیار متفاوتی با اتم ها و مواد توده ای از خود نشان می دهند .خصوصیات مواد نانو مقیاس را نمی توانضرورتاً با توجه به ویژگیهای مواد در مقیاسهای بزرگتر پیش بینی کرد .تغییرات مهم در رفتار مواد نه تنها با تغییرات مداوم رفتاری مواد در اندازه های کوچک، بلکه در اثر ظهور پدیده های جدیدی نظیر محدودیت اندازه ی کوانتمی، ترابری شبه موجی و غلبه ی پدیده های سطحی صورت می گیرد
اگرچه تحقیقات محدودی به منظور ارزیابی مزیت های افزودن گونه هایی از نانوذرات به خاک انجام شده است، اما خلأ بزرگی در انجام آزمایشهای تجربی و داده های عملی در این زمینه، به چشم می خورد .افزودن نانو خاک به دست آمده از فرآیند آسیاب گلوله ای برای انواعی از خاکهای ریزدانه و انجام آزمایشهای حدود اتربرگ بر روی آنها، نشانگر افزایش حدود خمیری و روانی، ولی کاهش دامنه ی خمیری بوده است .همچنین افزودن نانوخاک به نمونه های تثبیت شده با سیمان مقاومت فشاری آنها را افزایش داده است
یکی از نانومواد که مقدار زیادی درباره آن تحقیق شده است و در امور تجاری کاربرد فراوان دارد نانوذرات رسی میباشد. نانورسها، پودرهای رسی هستند که به مقدار زیادی تصفیه شده و به عنوان یک ماده افزودنی برای افزایش مقاومت، مقابله در برابر اشعه فرابنفش، افزایش مقاومت ، حرارتی، بازدارنده شعله و جذب آلایندههای موجود در محیط زیست استفاده میشوند
بر حسب داده های آزمایش تراکم بر روی خاکستر بادی، افزایش در مقدار ارگانوسیلان در ابعاد نانو، منجر به کاهش مقدار رطوبت بهینه و افزایش وزن مخصوص خشک بیشینه شده است و مطالعات میدانی نشان داد که اصلاح خاک با ارگانوسیلان، افزایش مقاومت، کاهش پتانسیل تورم و کاهش چشمگیر رسانایی هیدرولیکی را به همراه دارد
رفتار خمیری خاکهای ریزدانه، در بسیاری از ابنیه های ژئوتکنیکی از جمله سدهای خاکی نقش تعیین کننده ای دارد. از آن جمله می توان به تاثیر آن در کاهش قابلیت ترک خوردگی، جلوگیری از وقوع رگاب و در نهایت افزایش پایداری سدهای خاکی با هسته رسی اشاره کرد. همچنین بهبود مقاومت تک محوری خاکهای ریزدانه باعث افزایش توان باربری خاک و افزایش ظرفیت باربری پی ها می شود.
با توجه به اینکه اثرنانورس برمشخصات مکانیکی خاک های رس تحت اثریخ بندان مطالعه جامعی صورت نگرفته است لذا نتایج این پژوهش می تواند درک بهتری از رفتار نانو رس در خاک به ما ارائه دهد و بدین طریق، گامی موثر در استفاده از نانو فناوری در مهندسی ژئوتکنیک برداشته شود.
1.2 نانوکامپوزیت های خاک رس / پلیمر
یکی از مشکلات خاکها، به ویژه خاکهای ریز دانه شامل رس ها و لای ها، حساسیت اینگونه خاک ها در برابر یخبندان می باشد، در پروژه های راهسازی در صورت وجود شرایط یخبندان،معمولاً با افزایش ارتفاع خط پروژه، از خاک در برابر یخبندان محفاظت می گردد، که این منجر به افزایش هزینه های عملیات خاکی در پروزه های راهسازی می شود. در عین حال برخی مطالعات نشان داده اند که نانو رس باعث بهبود مشخصات مکانیکی خاک های رسی و به ویژه مقاومت آنها شده است. این مطالعه قصد دارد با بررسی آزمایشگاهی ، اثر نانو رس را بر مقاومت خاک های رسی در معرض یخبندان بررسی نماید. بدیهی است در صورت افزایش مقاومت خاک های در معرض یخبندان توسط نانو رس و به عبارت بهتر کاهش حساسیت یخبندان این خاک ها، می توان تأثیر زیادی بر کاهش هزینه های پروژه های راهسازی گذاشت.
هدف از انجام این پژوهش بررسی افزایش دوام خاک رس اصلاح شده توسط نانورس به کمک مقایسه مقاومت تک محوری نمونه های ساخته شده بادرصد های مختلف نانوکلی در یک سیکل یخ بندان می باشد .
2. سوابق مطالعاتی
در سال 2011 ماجد و طاها به بررسی تأثیر رفتار مواد نانو برروی خصوصیات ژئوتکنیکی خاکهای نرم پرداختند. آنها در تحقیقات خود از 3نوع نانو مواد - نانو کلسیم و نانو منیزیم و نانو رس - استفاده کردند. آنها از مواد نانو با درصدهای 0.05 تا 1 برای ساخت نمونه ها استفاده کردند. برروی نمونه ها آزمایش های تک محوری و حدود اتربرگ انجام شد. نتایج بیانگر این مطلب بودند که با افزودن مواد نانو به نمونه ها حدود اتربرگ نمونه ها کاهش پیدا می کند و این درحالی است که مقاومت فشاری نمونه ها افزایش پیدا می کند.
در سال 1992 یونکورا و میوا با استفاده از نانو سیلیس مقاومت فشاری نمونه های ماسه را افزایش دادند. همچنین در سال 1992 نول و همکاران به بررسی تأثیر نانو سیلیس بر رفتار تحکیمی و نفوذپذیری خاکهای چسبنده پرداختند. در سال 2005 گلگر به بررسی تأثیر نانو سیلیس برروی چسبندگی و رفتار نمونه های ماسه ای تحت بارهای دینامیکی پرداخت. نتایج نشان دادند که با افزایش درصد نانو سیلیس مقدار چسبندگی افزایش پیدا می کند.
در آمریکا در سال 2007 گلگر و همکاران به تحقیق برروی تأثیر نانو ذرات برروی نشست خاک ماسه ای بعد از بارهای زلزله با استفاده از آزمایش های دینامیکی نظیر سه محوری دینامیکی پرداختند. نتایج نشان دادند که مقاومت خاک با زمان افزایش پیدا میکند و نمونه های نانو ذرات در مراحل اولیه شکل پذیر تر هستند و در مراحل پایانی بارگذاری وارد فاز الاستو پلاستیک می شوند. ژانگ در سال 2004 عنوان کرد که با افزودن نانو ذرات به خاک حدود اتربرگ خاک افزایش پیدا می کند. او همچنین در سال 2007 به بررسی اثر تحکیمی نانو ذرات در خاک پرداخت. نتایج تحقیقات او نشان داد که با افزودن نانو ذرات به خاک باعث افزایش ثابت تحکیم در نمونه ها می شود.
در سال 2012 پاتل به بررسی استفاده از نانو رس در ملاتهای سیمانی پرداخت. او نمونه های بدون نانو رس و حاوی 1 و 2 درصد نانو رس را تحت آزمایش فشاری و نفوذپذیری قرار داد. نتایج نشان داد که ثابت نفوذپذیری نمونه های حاوی 1 درصد نانو رس 150 درصد و نمونه های حاوی 2 درصد نانو رس 200 درصد بیشتر از نمونه های بدون نانو رس است. همچنین در شرایط یکسان نمونه های حاوی نانو رس زودتر خشک می شوند و از مقاومت فشاری بالاتری برخوردار هستند.
در سال 2012 طاها و ینگ به بررسی تأثیر نانو تیوب کربن برروی خواص پایه ای ژئوتکنیکی کائولین پرداختند. آنها برروی نمونه های بدون نانو ذرات و با 1 و 2 درصد نانو ذرات آزمایش های اتربرگ و فشاری تک محوری را انجام دادند. آنها عنوان کردند که با افزودن نانو ذرات مقاومت فشاری تک محوری و حدود اتربرگ نمونه ها افزایش پیدا می کند.
در سال 1391 فخری و همکاران به بررسی تأثیر نانو رس بر خصوصیات ژئوتکنیکی پایه ای خاک رس با استفاده از آزمایش های حدود اتربرگ و تراکم استاندارد پرداختند. خاک رس مورد استفاده در تحقیق آنها از نوع کائولینیت بود که طبق طبقه بندی یونیفاید از نوع CL بود. این نوع خاک دارای پلاستیسیته پایین است و به همین دلیل برای افزایش خصوصیات خمیری آن از درصدهای مختلف نانو رس استفاده شد. آنها با استفاده از نانو رس مونت موریلونیت نمونه هایی حاوی 0، 1، 2، 4 و 8 درصد نانو رس ساختند و مورد آزمایش قرار دادند.
نتایج آزمایشات نشان دادند که افزودن نانو رس به دلیل افزایش سطح ویژه نمونه ها و به تبع آن افزایش بار الکتریکی باعث افزایش جذب آب و متعاقبا افزایش در پلاستیسیته نمونه ها می شود. با افزایش پلاستیسیته می توان انتظار داشت که نفوذپذیری نمونه ها نیز کاهش پیدا کند که این ویژگی ها در هسته های سدهای خاکی بسیار مطلوب و مورد انتظار است. در سال 1391 اوحدی و امیری به بررسی قابلیت نانو رس ها در جذب آلاینده های زیست محیطی پرداختند. آنها در تحقیقات خود از دو نوع نانو رس تجاری کلوزایت استفاده کردند. نتایج آزمایشات آنها نشان داد که ترکیبات حاوی کلوزایت از میزان جذب آلایندگی بیشتری برخوردار است و همچنین حضور کربنات در کنار نانو رس میتواند این مقدار را نیز افزایش دهد.
در سال 1391 گنجی و همکاران به بررسی تغییرات تنش برشی خاک قبل و بعد از به کار گیری نانو رس ها پرداختند. نمونه های آنها شامل خاک سیلتی رسی و نانو رس مونت موریلونیت بود و با استفاده از آزمایش های تراکم استاندارد و فشاری تک محوری به بررسی نمونه ها پرداختند. نتایج آزمایش تراکم استاندارد نشان داد که با افزودن نانو رس وزن مخصوص بهینه کاهش میابد و این در حالی است که رطوبت بهینه افزایش پیدا می کند. همچنین تنش برشی خاک با افزودن نانو رس افزایش می یابد در حالی که زاویه شکست آن کاهش پیدا می کند.
در سال 1390 خسروانی و قربانی به بررسی تأثیر نانو رس بر خواص مهندسی خاکهای چسبنده پرداختند. آنها در تحقیق خود از رس کائولینیت تجاری و رس لای دار رشت و همچنین نانو رس مونت موریلونیت استفاده کردند.
3. مواد و روش ها
نانورسها - Nanoclay - کانیهایی هستند که حداقل یکی از ابعاد آنها در حد نانومتر باشد. این مواد بهدلیل ارزانی و در دسترس بودن، توجه زیادی در زمینه فناوری نانو به خود جلب کردهاند، همچنین اندازه کوچک این مواد آنها را قادر ساخته تا بتوانند با مواد دیگر که در این زمینه وجود دارند، رقابت کنند. نانورس در حقیقت ترکیبی از سیلیکاتهای معدنی است. بسته به ترکیب و مورفولوژی، نانو ذرات در دستهبندیهای مختلفی قرار میگیرند که ابعاد آنها کمتر nm100 و سطح ویژهای معادل 750متر مربع بر گرم دارند. مشخصات فیزیکی و مکانیکی نانوکلوزیتها طبق جدول - 1 - میباشد. لازم به ذکر است که نانوکلوزیت استفاده شده در این پژوهش از شرکت نانوسانی نماینده محصولات شرکت Rockwood Additive تهیه شده است.
