مقاله مطالعه اثر بهسازی بیولوژیکی بر نفوذپذیری خاکهای ماسهای

بخشی از مقاله

مطالعه اثر بهسازی بیولوژیکی بر نفوذپذیری خاکهای ماسهای

خلاصه

در بسیاری از پروژههای عمرانی بخش قابل توجه ای از منابع مالی صرف اصلاح خاک میگردد. علاوه بر این، در روشهای معمول اصلاح خاک از تزریق مواد شیمیایی به درون زمین بهره میگیرند که تولید و تزریق این مواد صدمات جبران ناپذیری را به محیط زیست وارد مینماید. بنابراین در طول سالهای متمادی نیاز به یک روش نوین کم هزینه و دوستدار محیط زیست احساس میشد. ایجاد رسوب بیولوژیکی کربنات کلسیم در بین دانههای خاک در پاسخ به این نیاز ایجاد شده و توسعه یافته است. کربنات کلسیم ایجاد شده با ایجاد اتصال بین دانههای خاک سبب بهبود رفتار مهندسی خاک میشود. از آن جا که ایجاد رسوب بیولوژیکی یک فرایند ژئوتکنیکی-بیوشیمیایی است پارامترهای بسیاری بر آن تأثیرگذار است که شناخت دقیق این پارامترها جهت مدلسازیهای عددی و کاربردهای تجاری ضروری به نظر میرسد. در این مقاله اثر دانهبندی بر میزان نفوذپذیری بررسی شده است که نتایج حاکی از افزایش تغییرات نفوذ پذیری با کاهش اندازه دانههای خاک میباشد.

کلمات کلیدی: اصلاح خاک، رسوب بیولوژیکی کربنات کلسیم، دانه بندی، نفوذپذیری

1. مقدمه

در بسیاری از مناطق ویژگیهای رفتاری خاک متناسب با نیازهای بشر نیست بنابراین اصلاح خاک در این مناطق برای برآورده کردن نیازهای انسان ضروری است. روشهای رایج در اصلاح خاک شامل حذف خاک، پیش بارگذاری جهت تحکیم خاک، استفاده از ترکیبات شیمیایی و دوغابهای تحکیم کننده میباشد. این روشها زمانبر، گران و در مورد دوغابها و ترکیبات شیمیایی تحکیم کننده مخرب محیط زیست هستند[1]و.[2]بنابراین روشهای اصلاح خاک جهت اصلاح موثر و کافی و همچنین جلوگیری از تخریب محیط زیست نیاز به تکامل دارند.[2]

اصلاح بیولوژیکی خاک روشی نوینی است که نسبت به روشهای رایج دارای مزایایی است. این روش اصلاح خاک دارای مواد مصرفی ارزان و کم خطر است که آسیب کمتری به محیط زیست وارد میکند و از آن میتوان جهت جلوگیری از روان گرایی خاک و عواقب غیرقابل اجتناب آن، کاهش نشست ساختمانها، ممانعت از ایجاد پایپینگ در سدها و خاکریزها، پایدارسازی خاکها قبل از ساخت تونل و پایدار کردن شیروانیها بهره گرفت.[3]

در روش اصلاح بیولوژیکی اوره در اثر واکنش اورهآز به کربنات و آمونیوم تبدیل میشود و کربنات حاصله با یون کلسیم واکنش میدهد و در نتیجه کربنات کلسیم ایجاد میشود که مانند پلی دانههای خاک را به هم میچسباند و رفتار خاک را بهبود میبخشد. بنابراین لازم است تا یک گونه باکتری که توانایی هیدرولیز اوره را داشته باشد و اوره و کلسیم کلرید به عنوان مواد مصرفی واکنش اصلاح بیولوژیکی به درون خاک تزریق شوند .[4]

1

عوامل بسیاری بر رسوب بیولوژیکی کربنات کلسیم و رفتار خاک اصلاحشده به روش بیولوژیکی اثرگذار است که جهت دستیابی به یک روش اصلاح خاک موثر، کارآمد و باصرفهی اقتصادی بالا باید مدنظر قرار بگیرند. از این رو در دانشگاه صنعتی سهند مطالعاتی بر عواملی موثر بر اصلاح بیولوژیکی خاک از جمله اثر PH محلول تزریقی، اثر دفعات تزریق، تأثیر اندازه دانهها بر مقاومت تک محوری نمونه اصلاح شده انجام گرفته است[5]، [6]،[7]،[8] و.[9] تحقیقات بسیاری بر تغییرات نفوذپذیری در نمونههای خاک بیولوژیکی اصلاح شده توسط پژوهشگران انجام گرفته است اما در هیچ یک از این تحقیقات به تأثیر دانهبندی خاک اشاره نشده است از این رو بررسی اثر تغییرات اندازه دانههای خاک بر نفوذپذیری برای این مطالعه در نظر گرفتهشده است.

2. مواد و روشها

1-2 خاک مورد استفاده

در تمامی آزمایشهای انجام گرفته از ماسه سیلیسی به دست آمده از معادن استان یزد استفاده شده است که این ماسهها دارای شکل تقرباًیگرد گوشه و Gs= 2/687 بودهاند.[10] ماسه تهیهشده به تناسب اندازه دانههای مورد نیاز جهت آزمایش خرد شده و مورد استفاده قرار گرفت. این اقدام به منظور جلوگیری از تغییرات مینرالوژی در نمونههای با اندازه متفاوت انجام گرفته است. از 3 اندازهی خاک جهت انجام آزمایشهای نفوذپذیری استفاده شده است که منحنی دانهبندی هر یک در شکل 1 و همچنین اندازه دانهها و گروه خاک در جدول 1 آورده شده است.

الف- منحنی دانهبندی نمونه خاک شماره 1 ب- منحنی دانه بندی نمونه خاک شماره 2 ج- منحنی دانهبندی نمونه خاک شماره 3
شکل -1 منحنی دانه بندی نمونه خاکهای مورد مطالعه
جدول -1 خلاصه دانهبندی خاک مورد استفاده
×شماره نمونه خاک ×اندازه دانهها ×قطر متوسط دانهها ×گروه خاک
1× ×بین الک 30 و 35 0/58× SP
2× ×بین الک 60 و 70 0/23× SP×
3× ×بین الک 100 و 120 0/135× SP×

2 - 2 باکتری و محیط کشت

جهت ایجاد رسوب بیولوژیکی کلسیت باید باکتری انتخاب گردد که علاوه بر توانایی تولید کربن دی اکسید از طریق هیدرولیز اوره، توانایی افزایش pH محیط اطراف خود برای ایجاد رسوب بیولوژیکی کربنات کلسیم داشته باشد. محیط رشد این باکتری شامل عصاره مخمر1 و سولفات آمونیوم2

2

میباشد. عصاره مخمر یک ماده مغذی ترکیبی برای محیطهای کشت میکروبیولوژی است. این ماده از بهترین محرکهای رشد باکتری بوده و دارای عناصر کربن، نیتروژن و عناصر فلزی غشاء سلولی است. سولفات آمونیوم نیز برای تهیه عنصر گوگرد لازم برای رشد استفاده میشود. کشت باکتری در دمای محیطی (حدود ( 30°c انجام میگیرد. مقادیر ترکیبات مختلف به کار رفته در محیط رشد در جدول 2 آورده شده است.

جدول -2 ترکیب محیط رشد باکتری
خوراک عصاره مخمر سولفات آمونیم هیدروکسید سدیم

مقدار 20 گرم در لیتر 10 گرم در لیتر pH= 9

3-2 محلول سمنتاسیون

جهت ایجاد رسوب لازم است که از واکنش هیدرولیز اوره، کربنات ایجاد شود و کربنات حاصل با کلسیم ترکیب و در نهایـت کربنـات کلسـیم تشـکیل

دهد؛ بنابراین جهت تأمین واکنشدهندهها لازم است تا محلول سمنتاسیون شامل اوره و کلسیم کلرید بـه صـورت محلـول بـه درون نمونـه تزریـق گـردد.

تحقیقات وسیعی بر تأثیر غلظت محلول سمنتاسیون بر ایجاد رسوب انجام شده اسـت کـه در مطالعـهی حاضـر از نتـایج هوشـمند و همکـاران بـر تـاثیرات

غلظت واکنشدهندهها بر ایجاد سمنتاسیون استفاده شده لذا در تمـامی تزریقـات از محلـول 1/5 مـولار کلسـیم کلریـد و 3 مـولار اوره بهـره گرفتـه شـده

است.[5]

4-2 روش اندازهگیری نفوذپذیری

بررسی تغییرات نفوذپذیری در نمونههای خاک به روش بار ثابت انجام گرفته است. از آن جا که سیلندرهای معمول دستگاه نفوذپذیری حجیم و ناسازگار با فرایند تزریق میباشد بنابراین لازم است جهت بررسی تغییرات نفوذپذیری خاک به روش بار ثابت یک سیستم در آزمایشگاه ساخته شد. برای ساخت این سیستم از دستگاههای رایج اندازهگیری نفوذپذیری خاک به روش بار ثابت الگوبرداری شده است. با توجه به معیارهای بیان شده در استاندارد ASTM D 2434 برای اندازه گیری نفوذپذیری به روش بار ثابت، از یک لوله PVC به قطر داخلی 3/65 سانتیمتر و به ارتفاع 12 سانتیمتر به عنوان سیلندر دستگاه نفوذپذیری استفاده شده و دو سوراخ به فاصله 4 سانتیمتر جهت اتصال به فشارسنجها بر روی قالب تعبیه شده است.[11] همچنین یک شیر بر روی درپوش بالایی سیلندر به منظور خروج هوای محبوس درون سیلندر کار گذاشته شد. شماتیکی از سیستم طراحی شده برای اندازهگیری نفوذپذیری به روش بار ثابت در شکل 2 و تصویری از یک نمونه تحت آزمایش نفوذپذیری در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل -2 شماتیکی از set-up نفوذپذیری آماده شده در آزمایشگاه

3

شکل -3 تصویری از یک نمونهی خاک در حین آزمایش نفوذپذیری

5-2 نحوهی تزریق
جهت انجام فرایند تزریق یک set-upدر آزمایشگاه راه اندازی شد که به صورت شماتیک در شکل 4 نشان داده شده است. این set-upشامل یک پمپ پریستالتیک و یک قالب PVC همراه با 2 درپوش میباشد که با شیلنگ به یکدیگر متصل شدهاند.

شکل -4 شماتیکی از set-up تزریق

نرخ تزریق و غلظت محلول تثبیتکننده و محلول سمنتاسیون و فعالیت اوره آزی و تراکم نوری محلول باکتری به کار گرفتـهشـده در ایـن مطالعـه نیـز در جدول 3 آورده شده است.

جدول -3 نرخ و ویژگیهای محلولهای تزریق به درون نمونه

×نوع محلول ×نرخ تزریق ×توضیحات
×باکتری اورهآزی 114× میلیلیتر بر ساعت Urease Activity=0/4-0/3 ms/min

OD=1/5-2/5

×محلول تثبیتکننده 114× میلیلیتر بر ساعت 0/05× مولار کلسیم کلرید

×محلول سمنتاسیون 114× میلیلیتر بر ساعت 1/5× مولار اوره و 3 مولار کلسیم کلرید

×