بخشی از مقاله
خلاصه
حضور خاكهاي نرم رسی در بستر سازههاي ژئوتکنیکی میتواند باعث آسیب و یا حتی تخریب آنها شود. از طرفی کاربرد آهک به عنوان متداولترین ماده افزودنی براي بهسازي اینگونه از خاكها، در بعضی از موارد با مشکلات و محدودیتهاي خاصی مواجه است. بر این اساس در مطالعه حاضر تاثیر استفاده از ترکیب همزمان آهک و سرباره صنعت فولادسازي در بهبود خصوصیات مهندسی خاكهاي نرم رسی مورد بررسی قرار گرفت.
دینب منظور در شرایط آزمایشگاهی مقادیر صفر تا 20 درصد وزنی، ترکیب آهک و سرباره به خاك اضافه و پس از عملآوري در زمانهاي 1، 7 و 28 روز، آزمایشهاي مختلفی شامل حدود اتربرگ، مقاومت فشاري، تحکیم، اندازهگیري pH، و تهیه طیفهاي اشعه ایکس انجام شد. نتایج بدست آمده نشان میدهد، در زمانهاي کم عملآوري و با افزودن حدود 15% سربارهفعال شده با آهک، قابلیت نگهداشت آب توسط سطوح رسی به شدت کاهش مییابد.
از طرفی بر اساس نتایج آنالیزهاي ریزساختاري مشخص شد با گذشت زمان و بر اثر رشد ترکیبات سیمانی، مقاومت نمونههاي اصلاح شده با ژئوپلیمر آهک-سرباره تا 10 برابر افزایش خواهد یافت. علاوه بر این، کاهش قابل ملاحظهاي در پتانسیل نشستپذیري نمونهها مشاهده شد. مجموع نتایج این مطالعه بیانگر آنست که استفاده از ترکیب آهک و سربارهگزینه بسیار مناسبی براي تثبیت خاكهاي نرم رسی بوده که علاوه بر کاهش هزینههاي اجرایی، کمک موثري در مدیریت پسمانداري مواد زائد صنعت فولادسازي در راستاي حفظ محیطزیست خواهد کرد.
1. مقدمه
خاكهاي نرم رسی ازجمله خاكهاي مسئلهداري هستند که وجود آنها در بسیاري از نقاط دنیا گزارش شده است 1]، .[2 نتایج مطالعات قبلی انجام شده نشان میدهد رفتار مهندسی اینگونه از خاكها پیچیده بوده و تابعی از عوامل مختلف مانند نوع و ترکیب کانیساخت، مشخصات ریزساختاري، میزان تغییرات رطوبت و خصوصیات شیمیایی مایع منفذي اطراف ذرات رسی میباشد 3]، .[4 در شرایط کلی، تغییرات حجم بسیار زیادخصوصاً - ایجاد نشست - ، مقاومت کم، حساسیت به دستخوردگی، و امکان آبشستگیهاي بسیار شدید بر اثر حضور اینگونه از خاكها در بستر و یا اطراف سازههاي مهندسی میتواند باعث آسیب و حتی تخریب کامل طرح شود.
بر این اساس تاکنون روشهاي متنوعی مانند تعویض و یا ترکیب با مصالح مناسب، اصلاح شیمیایی، و بهسازي حرارتی براي مواجهه با مشکلات خاكهاي نرم رسی در پروژههاي مهندسی ارائه شده 7]، [8، بنحویکه تثبیت شیمیایی با استفاده از مواد افزودنی متداولی مانند آهک جزء راهکارهاي رایج براي اصلاح اینگونه از خاكها میباشد 4]، .[9 اگرچه برخی از محدودیتهاي اجرایی در زمینه کاربرد تثبیتکنندههاي سنتی - مانند اثر مخرب ترکیبات سولفات بر عملکرد آهک - و همچنین هزینه روزافزون آنها باعث شده که محققین به دنبال مواد جایگزین با هزینه کمتر و تاثیرگذاري بیشتر باشند.
از سوي دیگر، امروزه همراستا با رشد و پیشرفت جامعه، بحث مدیریت و امکان دوباره استفاده از انواع مختلف پسماندهاي صنعتی با هدف ایجاد توسعه پایدار - حفظ منابع و جلوگیري از آلودگی محیطزیست - از اهمیت ویژهاي برخوردار شده است. در این رابطه نظر به گسترش صنعت فولاد و حجم زیاد ترکیبات زائد تولید شده در این فرآیند، امکان بکارگیري این مواد در بخشهاي مختلف از جمله پروژههاي عمرانی و طرحهاي زیست محیطی بطور خاص مورد توجه میباشد 10]، .[11 بنحویکه با وجود انجام مطالعات گسترده در زمینه کاربرد سربارهها در تکنولوژي بتن [12] و همچنین استفاده از این مواد براي براي جامدسازي زبالههاي حاوي ترکیبات سمی و خطرناك، ولی تحقیقات زیادي در رابطه با استفاده از مواد زائد صنعتی براي براي اصلاح خاكهاي نرم رسی صورت نگرفته است.
در شرایط کلی، مکانیزم اندرکنش خاك با مواد افزودنی به مشخصات ترکیبات تشکیلدهنده اجزاء بستگی دارد 3]، [4معمولاً. تبادل و تعویض کاتیونی - جایگزینی کاتیونهاي با ظرفیت بیشترموجود در ماده افزودنی بجاي کاتونهاي با ظرفیت کمتر خاك - و همچنین افزایش غلظت املاح مجاور ذرات رسی سبب تغییر ساختار خاك و بهبود خصوصیات مهندسی آن میشود.
همچنین با افزایش محیط قلیایی، انحلال ذرات رسی افزایش یافته که در صورت ترکیب با ماده افزودنی از جمله یون کلسیم موجود در آن میتواند سبب تشکیل ژلهاي کلسیم سیلیکات هیدراته و کلسیم آلومینات هیدراته، سیمانشدگی ذرات و درنتیجه بهبود قابل ملاحظه مشخصات رفتاري خاك شود 13]، .[14 بطوریکه مطالعه اوحدي و همکارانش بیانگر آنست که انجام واکنشهاي پوزولانی در حضور مواد افزودنی مانند آهک و سیمان، باعث افزایش مقاومت خاكهاي نرم رسی و بهبود کارپذیري آنها میشود .[1]
از طرفی، نتایج مطالعه گودرزي و سلیمی نشان میدهد استفاده از سربارههاي صنعت فولادسازي نقش بسزایی در کاهش پتانسیل تورم خاك دارد .[3] براین اساس و با توجه به بررسیهاي صورت گرفته بنظر میرسد استفاده از ترکیب آهک-سرباره روش موثري براي اصلاح خاكهاي نرم رسی باشد. بنابراین در تحقیق حاضر با انجام مجموعهاي از آزمایشهاي مختلف و با استفاده از ژئوپلیمر آهک-سرباره سعی شده است قابلیت کاربرد این ژئوپلیمر در بهبود مشخصات مهندسی خاكهاي مسئلهدار ارزیابی شود.
2. مواد و روشها
نمونه خاك مورد استفاده در این تحقیق، یک رس طبیعی بوده که از نواحی شمال شهر همدان اخذ شد. پس از انجام آزمایشهاي شناسایی اولیه مطابق آئیننامه [15] ASTM و دستورالعمل [16] EPA، مشخصات رفتاري خاك مورد مطالعه مطابق جدول 1 بدست آمد. بر اساس روش طبقهبندي متحد نمونه خاك مورد نظر بصورت رس با دامنه خمیري زیاد - CH - است. با توجه به نتایج ارائه شده در جدول 1در شرایط طبیعی داراي پتانسیل تورم و جذب آب زیاد و مقاومت فشاري آن بسیار اندك میباشد. بنابراین به عنوان یک خاك نرم رسی مسئلهدار در نظر گرفته شد.
سربارهاستفاده شده در این تحقیق از نوع سرباره کوره بلند 1 - GBFS - مربوط به محصول فرعی کارخانه ذوب آهن اصفهان میباشد. ترکیبات تشکیلدهنده این سرباره بر اساس نتایج آزمایش 2XRF تعیین که مهمترین اجزاي آن به ترتیب ﺷﺎﻣﻞ: 42/1 درصد اکسید سیلیس، 20/2 درصد اکسید کلسیم، 16 درصد اکسید آلومینیوم، 8/8 درصد اکسید منیزیم، 3/4 اکسید آهن، 1 درصد اکسید پتاسیم و حدود 0/5درصد اکسید سدیم است.
بطوریکه با توجه به حضور مقدار زیاد سیلیس آزاد موجود در این سرباره انتظار میرود از اندرکنش مناسبی با آهک براي تولید مواد سیمانی برخوردارباشد 8]، .[11 بر اساس اهداف تحقیق، آهک هیدراته خالص نیز براي ترکیب با سرباره و بهسازي خاك استفاده گردید. مواد افزودنی مورد نظر در یک بازه گسترده صفر تا 20 درصد وزنی به نمونه خاك مورد نظر اضافه شدند.
نمونههاي لازم براي انجام آزمایشهاي شیمیایی شامل تعیین pH به صورت سوسپانسیون با نسبت 1 به 20 در تیوپهاي سانتریفیوژ ساخته شدند. بعد از ایجاد تعادل، مقدار pH هر نمونه پس از گذشت زمانهاي عملآوري موردنظر اندازهگیري شد. تعیین حد روانی و خمیري هر نمونه طبق استاندارد ASTM-D4318 انجام شد. بدینمنظور ابتدا افزودنیها با درصد وزنی مشخص به خاك اضافه و پس از یکنواخت کردن، رطوبتی نزدیک به حد روانی به آنها افزوده و درون ظروف پلاستیکی دربسته نگهداري میشدند.
پس از چندین مرحله همگنسازي و گذشت زمان عملآوري، نمونهها مورد آزمایش قرار گرفتند. خصوصیات نشستپذیري مصالح بر اساس آزمایش ادئومتر مطابق استاندارد ASTM-D2435 تعیین شد. در این سري از آزمایشها، پس از تهیه نمونهه اي همگن خاك و افزودنی، هر نمونه با وزن مخصوص و رطوبت معادل در محل درون رینگ دستگاه ادئومتر متراکم میشد. در ادامه نمونهها را در ژرمیناتور با دماي 35 ˚C و رطوبت 85 درصد، عملآوري و سپس مشخصات تحیکمی آنها اندازهگیري شد.
تغییر مقاومت خاك نیز مطابق روش ASTM-D2166 بررسی شد. در این روش، نمونههاي همگن خاك و افزودنی با وزن مخصوص و رطوبت معادل در محل درون استوانههاي فلزي به ارتفاع 70 و قطر 35 میلیمتر متراکم و تا زمان لازم، مطابق شرایط آزمایش تحکیم نگهداري میشدند. در نهایت مقاومت فشاري محدود نشده هر نمونه با سرعت بارگذاري 1/2 mm/min تعیین شد. علاوه بر آزمایشهاي فیزیکی–مکانیکی، با هدف بررسی تغییر کانیساخت خاك در اثر اندرکنش با مواد افزودنی مورد مطالعه، طیف اشعه ایکس نمونهها بر اساس روش گودرزي و سلیمی [3] و با استفاده از دستگاه X-ray مدل بروکر D4 تهیه و مورد ارزیابی قرار گرفت.
3. بحث و بررسی نتایج
بر اساس نتایج آنالیز XRFترکیبات، موجود در سرباره مورد مطالعه عمدتاً حاوي کاتیونهاي دو و سه ظرفیتی است. همچنین با توجه به انحلالپذیري نسبتاً مناسب آهک [14]، افزودن آن به خاك سبب افزایش غلظت کاتیون دو ظرفیتی کلسیم به صورت آزاد در سیستم خواهد شد. بنابراین با توجه به روابط تئوریک گوي-چپمن پیشبینی میشود با افزودن ترکیب آهک و سرباره به نمونه رس مورد مطالعه که کاتیون تبادلی غالب آن بر اساس نتایج جدول عمدتاً1 سدیم میباشد، ضخامت لایه دوگانه اطراف سطوح رسی کاهش و با نزدیک شدن ذرات به یکدیگر قابلیت جذب آب توسط آنها کاهش یابد 17]، .[18
در این راستا، نتایج آزمایشهاي حدود اتربرگ در شکل 1 بطور قابل توجهی نشاندهنده کاهش نشانه خمیري خاك - PI - و به عبارت دیگر صحت کم شدن قابلیت نگهداري آب توسط سطوح رسی در حضور مواد افزودنی میباشد. بنحویکه با افزودن 15 درصد سرباره فعال شده با 2/5 درصد آهک پس از 28 روز نگهداري، مقدار نشانه خمیري خاك حدود 65 درصد کاهش یافته است. نکته حائز اهمیت در نتایج بدست آمده آنست که عملکرد سرباره در شرایط عدم حضور آهک به مراتب ضعیفتر از نمونههاي حاوي ترکیب آهک و سرباره است.
از طرفی ملاحظه میشود در شرایط یکسان، رفتار نمونههاي حاوي 15 درصد سرباره فعال شده با 2/5 درصد آهک با نمونههاي حاويتقریباً 5 آهک مشابه بوده در صورتیکه میزان آهک مصرفی در نمونههاي سري اول 50 درصد کمتر است. به عبارت دیگر استفاده از ترکیب توأم آهک و سرباره ضمن بهبود عملکرد سرباره در اصلاح خاك سبب کاهش آهک مورد نیاز نیز خواهد شد.
