مقاله کاربرد خاکستر کوره سیمان در تثبیت خاکهای نامرغوب

بخشی از مقاله

کاربرد خاکستر کوره سيمان در تثبيت خاکهاي نامرغوب

خلاصه
در اين تحقيق ، مطالعات انجام گرفته در مورد اثرات خاکستر کوره سيمان بر خصوصيات مهندسي چند گروه از خاک هاي ضعيف و نامناسب جهت به کارگ ري در پروژه هاي راهسازي مورد بررسي قرار گرفته است . در فرآيند توليد سيمان پرتلند، در محل خروج گازها از کوره ، مقدار زيادي خاکستر جمع مي شود که مقدار کمي از اين خاکستر بازيابي شده و به جهت صرفه جويي در سوخت ، مجددا وارد کوره ميشود و مقدار زيادي از آن دفع ميگردد. به دليل تشابه ترکيبات اين ماده با ترکيبات موجود در سيمان هاي معمولي ، ميتوان انتظار داشت که بخشي از خواص سيماني و چسبندگي سيمان هاي پرتلند در اين خاکستر وجود داشته باشد. آزمايش هاي مورد بررسي شامل آزمايش هاي حدود اتربرگ ، مقاومت فشاري و PH مخلوط بوده است . به دليل کمتر بودن ميزان اکسيدهاي موثر در پيشرفت واکنش هاي خاک با اين ماده نسبت به سيمان هاي معمولي ، مقادير استفاده شده از اين ماده بيشتر از سيمان هاي معمولي بوده است . علي رغم اين مورد به دليل ارزان بودن اين ماده در صورت حصول نتايج مناسب ، استفاده از آن به مراتب ارزان تر واقتصاديتر از سيمان هاي معمولي ، آهک و تثبيت کننده هاي مشابه خواهد بود. نتايج به دست آمده نشان دهنده اثرات مطلوب اين ماده بر مقدار حدود اتربرگ و به خصوص مقاومت فشاري خاک هاي مورد مطالعه ميباشد.
کلمات کليدي: خاکستر کوره سيمان ، تثبيت خاک، مقاومت فشاري، PH، حدوداتربرگ
مقدمه
تثبيت خاک کي از روش هاي مرسوم در بهبود خواص مهندسي خاکهاي مورد استفاده در پروژه هاي عمراني ميباشد. اثرات موادي مانند آهک ، انـواع پوزولان ها و.. ، به طور گسترده مورد بررسي قرار گرفته و در بسياري از موارد نيز از اين مواد جهت به کارگ ري مصالح نامناسـب در سـازه هـاي سـاخته شده از جمله راه ها، باند فرودگاه ها، يها و...، استفاده شده است . استفاده از اين روش در پروژه هاي بزرگ و با اهميت از جمله پـروژه هـاي راهـسازي بـه خصوص در مواردي که جايگزيني خاکهاي نامناسب ، در برگيرنده حجم بالايي از عمليات خاکي باشد؛ ميتواند از نظر اقتصادي مورد توجه قرار گيـرد.
در اين پروژه ها حجم بالاي عمليات خاکي باعث افزايش هزينه هاي او يه ميگردد. همچنـين مقـدار هزينـه هـاي نگهـداري در راه هـايي کـه از مـصالح تثبيت شده در آنها استفاده ميشود، کمتر ميباشد. استفاده از روش تثبيت در پروژه هاي کوچک و کم اهميت از جمله راه هـاي فرعـي در اغلـب مـوارد گران تر از روش هاي اجرايي يگر ميباشد. بنابراين استفاده از تثبيت کننده هاي ارزان قيمت که با استفاده از آنها بتوان به خصوصيات مهندسي مطلـوب دست يافت ميتواند باعث اقتصادي شدن اين روش به خصوص در پروژه هاي کوچک و کم اهميت تر گردد.
علاوه بر ارزان بودن ، قابليت توليد و همچنين دسترسي انبوه ، کي يگر از ويژگيهاي يک تثبيت کننده مناسب است . کي از مواد افزودني که اثرات آن بر خواص مهندسي خاکها به طور محدود مورد بررسي قرار گرفته است ، خاکستر کوره سيمان ميباشد[١و٢]. ين خاکستر، در محـل خـروج گازهـا از دودکش کوره هاي پخت سيمان بر جاي مانده و با توجه به وجود ترکيباتي مشابه با سيمان هاي معمـولي در آن ، در صـورت اثـرات مطلـوب در خـواص مهندسي خاک هاي ضعيف ، استفاده از آن به مراتب ارزان تر از سيمان هاي پرتلند ميباشد[١و٢]. همچنين دستيابي به اين ماده در هر محلي که کارخانه سيمان وجود دارد امکان پذير بوده و با توجه به اينکه حجم زيادي از اين ماده در کارخانه هاي يمان استفاده نشده و دفع ميگـردد؛ اسـتفاده از آن در صورت تاييد کفايت آن از طريق انجام بررسي هاي آزمايشگاهي ميتواند بسيار اقتصادي و مناسب باشد.
معرفي خاکستر کوره سيمان (Cement Kiln Dust)
درفرآيند توليد سيمان پرتلند در محل خروج گازها ازکوره مقدار زيادي خاکستر جمع ميشود که مقدار کمي از اين خاکستر بازيابي شده و بـه منظـور صرفه جويي در سوخت مجددا وارد کوره شده و مقدار زيادي از آنها دفع ميگردد.
اين خاکستر داراي خواص سيماني است که ميتواند آن را تبديل به تثبيت کننده اي مفيدي براي خاک هاي ضعيف و نامناسب نمايد. در کشور آمريکا در طول سال مقادير زيادي خاکستر کوره توليد ميگردد. به عنوان مثال ، طبق گزارشات ارايه شده ، در سال ١٩٩٠، ٣٥٠٠٠٠٠ تن خاکستر کوره در آمريکا بازيابي و مجددا به فرآيند توليد برگردانده شد در حاليکه مقدار خاکستر دفع شده به مراتب بيشتر از اين مقدار بوده است [١].

با گسترش کارخانه هاي سيمان در آمريکا اين ماده نيز به ميزان قابل توجهي توليدشده و استفاده از اين ماده جهـت تثبيـت خـاک در صـورت واکـنش مناسب با خاک ميتواند از لحاظ اقتصادي نيز مفيد باشد. علي رغم استفاده محدود از اين ماده در ساخت برخي از راه ها در آمريکا استفاده از آن به دليل عدم تاييد علمي گسترش پيدا نکرده است .
ترکيبات خاکسترکوره سيمان (CKD)
خواص فيزيکي و شيميايي CKD مي تواند در کارخانه هاي مختلف متفاوت باشد که بستگي به مواد خام استفاده شده و نحوه جمع آوري در کارخانه دارد. به هر حال خاکستر جمع آوري شده از يک کوره ثابت داراي ترکيب ثابتي ميباشد.
در جدول ، ترکيب شيميايي CKD، اليت و بليت ارائه شده است .لازم به توضيح ميباشد که CS٣ ناخالص را اليت و CS٢ ناخالص را بليـت مـينامنـد.
طبق پيشنهاد Kamon و Nantananandh، يک تثبيت کننده سيماني بايد داراي ضريب هيدراسيوني بين اليت و بليت باشد که خاکستر کوره سـيمان داراي اين خصوصيت ميباشد[٣].
خاکستر کوره سيمان تقريبا داراي يک سوم مقادير اکسيدهاي سيمان ميباشد و بنابراين درصدCKD اعمالي به خاک بايد بيش از سيمان پرتلند باشد.
سابقه تثبيت خاک با خاکستر کوره
تحقيقات انجام گرفته در زمينه استفاده از خاکسترکوره نشان داد است که اين ماده قابليت تثبيت نسبتا خوبي دارد. Baghdadi در آزمايشات خود پـي برد که بعد از ٢٨روز عمل آوري ، نمونه هاي کائولينيت مخلوط شده با ١٦ درصدCKD، افزايش قابل توجهي در مقاومت فشاري محدودنشده داشته اند[٤].
مثلا يکي از نمونه هاي آزمايش شده ، از مقاومت فشاري محدود نشده ٢١٠ کيلوپاسکال به ١١١٥ کيلوپاسکال رشـد داشـته اسـت . همچنـين بـراي رس بنتونيت فوق العاده خميري وي دريافت که اعمال ٨ درصدسيمان خاکستر کوره باعث کاهش شاخص خميري از ٥١.٣ به .٣٢ درصد شده است [٤].
جدول ١- ترکيبات شيميايي(CKD) ،اليت و بليت

Fatani و Khan، از سيمان خاکستر کوره براي تثبيت ماسه بادي ومخلوط هاي قيري جهت قرارگيري در لايه اسـاس اسـتفاده کردنـد و بـا افـزودن ١١ درصد CKD، پايداري مخلوط حدودا ١٠ برابرشد[٥]. نتايج تحقيقات نشان داده است که اثرات CKD برخاکهاي آماسي چندان مطلوب نيست . اثر اين ماده بر خواص مقاومتي متوسط و بر خواص خميري اين خاکها ضعيف بوده است . البته ايـن مـورد بـا توجـه بـه اينکـه خاکـستر کـوره سـيمان داراي خصوصياتي مشابه سيمان مي باشد؛ چندان تعجب آور نيست [٦و٧و٨]. نتايج حاصل از بررسيهاي ميکروسکوپي نشان دهنده وجـود محـصولات واکـنش هيدراسيون در نمونه هاي تثبيت شده بوده است که اين محصولات عامل اصلي در افزايش مقاومت اين خاک ها دانسته شده اند[٦و٧].
FHWA، آزمايش هاي صحرايي متعددي را بر روي مناطق ماسه اي Chickasaw در اوکلوهاما انجام داد[٩و١٠]. بهينه سازي آزمايشگاهي جهت تعيـين ميزان CKD براي خاک اين منطقه که داراي دامنه خميري ٢٨ بوده است ؛ منتهي به استفاده از ١٠ درصد سيمان خاکستر کوره به عنوان مقدار بهينـه شد که در مقايسه با هزينه تثبيت با آهک باعث کاهش هزينه ها به ميزان ٢٥٠٠٠ دلار براي ١٨٠٠٠ متر مربع از مساحت تثبيت شده گرديد. با استفاده از ١٠درصدCKD، مقدار شاخص خميري خاک منطقه از ٢٨ درصد به ١٥ درصد کاهش يافت و نسبت باربري کاليفرنيا از مقـداري کمتـر از ١٠ بـراي خاک طبيعي به حدود ٥٠ براي خاک تثبيت شده با CKD رسيد. در مقايسه با آهک ، افزايش در ميزان CBR خاک براي CKD به مراتب بزرگتر بـوده است ، ولي تاثيرات آهک بر مقدار شاخص خميري بهتر بوده و اعمال ٥ درصد آهک به خاک ميزان شاخص خميري را به صفر رساند.
تاثيرCKD برخواص خاک

در اين بخش ، به منظور تحليل دقيق تر اثرات CKD، يکي از مطالعات انجام شده در کشور آمريکا به طور دقيق تر مورد بررسي قـرار مـيگيـرد. جهـت بررسي عملکرد خاکستر کوره سيمان در تحقيق فوق الذکر، ٣ نوع خاک با خواص ارائه شده در جدول ٢ از منطقه اوکلاه ما انتخاب گرديد. اين ٣ خاک شامل يک نوع رس با خاصيت خميري زياد، يک نوع رس با خاصيت خميري کم و يک نوع لاي با خاصيت خميري کم بوده اند.
جدول ٢- مشخصات خاکهاي مورد آزمايش

آزمايش ها
آزمايش هاي انجام شده بر روي نمونه هاي خاک شامل رطوبت ، وزن مخصوص ، مقاومت فشاري محدود نشده ، حدود اتربرگ و PH خاک بوده اسـت . بـا توجه به اينکه ميزان اکسيدهاي موجود در سيمان خاکستر کوره حدود ٣٣ درصد سيمان پرتلند ميباشد، حداقل مقدار استفاده شـده در تحقيـق فـوق ، حدود سه برابر ميزان معمول سيمان پرتلند در نظر گرفته شد.
آزمايش PH
مقدار CKD با معيار PH از روش Eade and Grim تعيين گرديد[١١]. در اين روش ابتدا ماده تثبيت کننده به خاک اعمال شده و سپس ٥ برابر حجم مخلوط به دست آمده آب به آن اضافه ميگردد. بعد از يک ساعت نگهداري مخلوط ، PH آن اندازه گرفته ميشود. اين روش در ابتدا براي تعيين مقـدار مفيد آهک ارائه شده بود. اگر مقدار PH ترکيب خاک- آب - آهک به حدي افزايش يابد که نزديک PH مخلوط آهک - آب گردد، آنگاه فرض ميشود که مقدار آهک کافي جهت انجام واکنش ها در خاک وجود دارد .در شرايط PH بالا قابليت حل سيليکا و آلومينا در خاک به مقـدار قابـل تـوجهي افـزايش يافته و باعث انجام واکنش پوزولاني در آهک و سيمان ميگردد[١١و٢ و١٣].
از آنجايي که افزايش مقادير PH باعث افزايش فعاليت هاي شيميايي ميگردد، بر روي نمونه هاي خاک جدول ٢ پس از اعمال مقـادير مختلفـي CKD، آزمايش PH انجام شد؛ که نتايج آن در شکل ١، ارائه شده است . همچنين با تعيين مقدار PH ميانگين براي سه نمونه خاک ، بـه ازا مقـادير صـفر تـا ١٥ درصد CKD، مقادير PH در مقابل PI رسم گرديد که نتيجه در شکل ٢ نشان داده شده است . جهت تعيين PH ميان ين ، با افزايش مقدار تثبيت کننده از صفر تا ١٥ درصد وزن خشک خاک، مقدار PH خاک اندازه گرفته شد و ميان ين کل مقادير به دست آمده محاسبه گرديد.
با توجه به شکل ، مقدار CKD بهينه براي خاکهاي ٢ ٣ ، ١٥ درصد ميباشد. زيرا به ازا اين مقدار بيشترين رشد در ميزان PH مشاهده ميگـردد.
خاک ١ به ازا مقادير بالاتري به اين PH ميرسد(حدود ٤٠ درصد). اين مورد به دليل خاصيت خميري بالاتر اين خاک مـيباشـد کـه نيازمنـد مقـادير بالاتري CKD جهت واکنش هيدراسيون و بالا بردن PH محيط ميباشد. همچنين در شکل ٢ مشاهده ميگردد که با افزايش مقـدار دامنـه خمي ري ، مقدار PH يان ين کاهش يافته است . ين مورد نشان ميدهد که هر چه خاصيت خم ري خاکهاي مورد آزمايش بالاتر باشد؛ مقـدار بيـشتري تثبيـت کننده جهت پيشرفت واکنش ها ياز ميباشد، يرا مقدار PH خاک شاخصي است که ميزان پيشرفت واکنش هاي خاک با ماده تثبيـت کننـده را نـشان ميدهد؛ مثلا با پيشرفت واکنش تبادل کاتيوني که موجب بهبود خواص خم ري خاک ميگردد مقدار PH خاک تا حدود ١٢ افزايش خواهد يافت .
آزمايش مقاومت فشاري محدودنشده
آزمايش مقاومت فشاري محدودنشده بر روي نمونه هاي متراکم شده انجام گرفت [١٤] .در شکل ٣ درصد رطوبت بهينه در مقابل ميزان CKD اعمال شده و در شکل ٤ حداکثر وزن مخصوص خشک در مقابل CKD اعمال شده نشان داده شده است . مشاهده ميگردد که همانند سـاير مـواد تثبيـت کننـده بـا افزايش ميزان CKD، درصد رطوبت بهينه افزايش يافته و وزن مخصوص خشک حداکثر خاک کاهش مييابد. افزايش در درصد رطوبت بهينه به دليـل جذب آب توسط CKD جهت انجام واکنش و بالاتر بودن ميزان سطح مخصوص ذرات اين ماده نسبت به سطح مخصوص ذرات خاکهاي مورد مطالعـه ميباشد که در نتيجه آن به مقدار آب بيشتري جهت روغنکاري بهتر دانه ها براي ايجاد تراکم بهتر و دستيابي به مقدار وزن مخصوص بالاتر نياز خواهـد بود. همچنين کاهش وزن مخصوص خشک به دليل کمتر بودن چگاليCKD نسبت به چگالي خاک هاي مورد مطالعه ميباشد.


شکل ١-ارتباط بين مقادير CKD و PH شکل ٢-ارتباط بين مقادير شاخص خميري و PH ميانگين