نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد نهم، شمارۀ 4 زمستان 4934 1313

مقایسۀ تأثیرسیمان ،آهک و نانوپلیمر CBR PLUS
در کاهش تورم خاک های رسی بستر روسازی ها

حسن طاهرخانی؛ دانشگاه زنجان، گروه راه و ترابری، زنجان، ایران
مهران جوانمرد؛ دانشگاه زنجان، گروه خاک و پی، زنجان، ایران
تاريخ: دريافت 5/3/32 پذيرش 43/8/39چکیده
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

از مشکلات مربوط به خاک های رسی در بستر روسازی راه ها تورم آن ها در اثر جذب رطوبت است، که باعث ناهمواری سطح روسازی و یا شکست آن می شود. یکی از روشهای برخورد با مشکل تورم خاک های رسی در راه سازی، تثبیت آنها با مواد افزودنی است. این مقاله به بررسی تأثیر سه نوع مادۀ افزودنی بر تورم دو نوع خاک رس می پردازد. افزودنی های استفاده شده شامل دو نوع تثبیت کنندۀ متعارف آهک و سیمان، و یک نوع تثبیت کنندۀ غیرمتعارف نانوپلیمر CBR PLUS است. این مواد با درصدهای مختلف به دو نوع خاک رس، که یکی دامنۀ خمیری کم و دیگری دامنۀ خمیری زیاد دارد، افزوده شد و حدود اتربرگ ،و تورم خاک در زمان های مختلف از 2 تا 39 ساعت اندازه گیری شده است. نتایج نشان می دهد که مادۀ CBR PLUS تأثیر بیش تری در کاهش تورم خاک های با دامنۀ خمیری زیاد دارد و تورم را تا 45 برابر کاهش می دهد، اما آهک و سیمان آن را 41 برابر کاهش می دهند. در خاک رس با دامنۀ خمیری کم تأثیر سیمان در کاهش تورم بیش از آهک و CBR PLUS است. افزودن 7% سیمان تورم را 44برابر کاهش داده و همین مقدار آهک آن را تا 9 برابر کاهش می دهد. هم چنین، در خاک های رسی با دامنه خمیری کم و زیاد، به ترتیب، سیمان و CBR PLUS دامنۀ خمیری را بیش از دو ماده دیگر کاهش می دهند.
واژه های کلیدی: خاک رس، سیمان، آهک، CBR PLUS، تورم، دامنۀ خمیری
1481353-13594

[email protected] نويسنده مسئول *
مقدمه
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

از لحاظ ژئوتکنیکی، به ذراتی از خاک با اندازه های کوچک تر از 112/1 میلی متر، و از لحاظ کانی شناسی، به زنجیره ای از کانی های مشخص که به یک دیگر پیوند خورده اند رس گفته می شود. خاک رس از خاک هایی است که به وفور در طبیعت یافت شده و در بیش تر مناطق ایران، بستر روسازی راه روی خاک های رسی قرار می گیرد، که مشکلاتی را ایجاد می کند. وجود رطوبت در کنار خاک رس می تواند مقاومت آن را به شدت کاهش داده و باعث افزایش حجم آن شود. سطح ذرات کانی های رسی بار منفی دارد، که عمدتاًعمدتا به دلیل جای گزینی اتم های سیلسیوم و آلومینیم به وسیله اتم هایی با ظرفیت کم تر به وجود می آیند. وجود بار منفی باعث جذب یون های فلزی می شود که این یون های فلزی می توانند مقدار زیادی آب را جذب کرده و باعث کاهش مقاومت و افزایش حجم آن ها شود ]4[. این یون ها که جاذب های آب نیز نامیده می شوند، قویاقویاً به سطح خاک رس پیوند خورده و به راحتی قابل جداکردن نیست. تورم خاک های رسی بستر روسازی ها می تواند باعث ناهموار شدن سطح یا شکست روسازی شود.
مقدار تورم کم در خاک های بستر نیز می تواند بر کیفیت رانندگی در روسازی مؤثر باشد. علاوه بر راه حل های طراحی روسازی متناسب با شرایط خاک بستر، تعویض خاک بستر با خاک مناسب، و یا تغییر مسیر، یکی دیگر از روش های مقابله با مشکلات تورم در این خاک ها اصلاح و بهبود خصوصیات آن هابا تثبیت است. تثبیت شامل فعالیت هایی است که در نتیجه آن ها مشخصات مهندسی خاک بهبود یافته و به ویژگی ها و مشخصات مورد نظر می رسد. تثبیت خاک می تواند باعث افزایش مقاومت، کاهش تورم، کاهش نفوذپذیری، افزایش کارایی و اثرات سودمند دیگر شود. از انواع مختلف مواد معدنی و شیمیایی به عنوان افزودنی برای تثبیت خاک ها استفاده شده است. این افزودنی ها به دو گروه افزودنی های متعارف، شامل آهک، سیمان و قیر، و گروه غیرمتعارف شامل سیلیکات ها، افزودنی های معدنی، نمک ها، اسیدها، آنزیم ها، پلیمرها و صمغ ها تقسیم بندی می شوند ]2[. از نظر اثرگذاری برخاک، تثبیت کننده های متعارف و نامتعارف به دو دسته تقسیم می شوند، که یک گروه از آن ها باکانی های خاک واکنش شیمیایی نشان داده و باعث تغییر در ساختار آن ها می گردند و گروه دیگر بدون واکنش با خاک های1311ذرات خاک باعث چسبیدن آن ها به همدیگر می گردند ]9[، ]4[، ]5[، ]9[. مواد افزودنی استفادهشده باعث افزایش مقاومت، تغییر در خصوصیات تراکم و حساسیت به رطوبت می گردند.
انتخاب نوع مناسب تثبیت کننده به نوع خاک، هزینه ها و اهداف تثبیت بستگی دارد.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

آهک از موادی است که برای تثبیت خاک های رسی استفاده می شود ]7[، ]8[، ]3[. اضافه کردن آهک به خاک رس باعث به وجود آمدن واکنش هایی می شود که باعث بهبود ویژگی های خاک می شود. برخی از خاک ها با آهک واکنش نشان نمی دهند، که به دلیل فقدان سیلیکات ها و آلومینات ها در خاک است. در این موارد می توان از ترکیب آهک با مواد پوزولانی مثل خاکستر بادی و یا میکروسیلیس استفاده کرد ]9[، ]4[. مادۀ دیگری که در تثبیت انواع مختلف خاک ها از جمله خاک رس می توان استفاده کرد سیمان است. سیمان مواد پوزولانی دارد و در کنار آب مادۀ چسباننده ای شده و دانه های خاک را به هم دیگر می چسباند. با این حال، استفاده از سیمان برای تثبیت خاک های ریزدانه با دامنۀ خمیری زیاد توصیه نمی شود و آهک نتایج بهتری را ارائه می دهد ]41[. ییلماز و جیولکوغلو با افزودن مقادیر مختلفی از گچ به خاک تورم پذیر نشان دادند که می توان از آن به طور مؤثر در کاهش تورم استفاده کرد ]44[. لعافی و بهار با افزودن ماسه به خاک رس بنتونیت نشان دادند که می توان تورم خاک را به مقدار چشم گیری کاهش داد ]42[.
CBR PLUS، محصولی ترکیبی از مشتقات سنتزی است که لایۀ حفاظتی روغنی روی سطح دانه های رس تشکیل داده و جاذب های آب را از بین برده و خاک رس را آب گریز می کند و حساسیت خاک را به رطوبت کاهش داده و باعث افزایش کارایی و تراکم پذیری می شود، که نتیجۀ آن افزایش مقاومت و باربری خاک است. این ماده فقط برای تثبیت خاک هایی قابل استفاده است که حداقل مقداری از خاک رس داشته باشند. بنا بر این، تثبیت خاک های غیرچسبنده زمانی امکان پذیراست که با مقداری خاک رس مخلوط شوند ]49[. این ماده به همراه آبی که در حد رطوبت بهینه تراکم خاک باشد، مخلوط شده و به خاک اضافه می شود. تغییرات ایجاد شده در خاک آنی نبوده و فرایند رساندن نانوپلیمر CBR PLUS به تمام ذرات خاک رس به زمان معینی نیاز دارد که به آن دورۀ تکامل می گویند، که مقدار آن از حدود دو تا چهار هفته است. واکنش پذیری خاک با این ماده و مقدار مادۀ مورد نیاز برایتثبیت، با ارسال نمونه های خاک به آزمایشگاه و آنالیز خاک و انجام تست واکنش پذیری و آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا تعیین می شود. در پروژهای زیادی در سراسر دنیا از این ماده برای ساخت راه های کم هزینه استفاده شده است. تثبیت کنندۀ نانو پلیمری CBR-PLUS اسید سولفونیک ارگانیک است که پایه گیاهی دارد )چغندر قند( و به تأیید سازمان های بین المللی فعال در زمینۀ سلامتی انسان و محیط زیست رسیده است ]44[. به عنوان مثال این ماده بدون ذرات معلق و گاز است، قابلیت انتشار ندارد و اشتعال زا نیست. هم چنین این ماده بدون تشعشع و پرتوزایی است ]45[.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

تحقیقات مختلفی در زمینۀ اثر مادۀ نانوپلیمر CBR PLUS روی خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک انجام شده است. طاهرخانی و همکارانش، استفاده از ماده نانوپلیمرCBR PLUS برای تثبیت مخلوط شن، ماسه و رس را برای قابل استفاده کردن آن ها در لایۀ اساس و زیراساس روسازی بررسی کردند. نتیجه گیری آن ها این بود که استفاده از CBR PLUS مقاومت این خاک ها را به طور چشم گیری افزایش و دامنۀ خمیری آن ها را کاهش می دهد و می توان از این تثبیت کننده برای بهبود خاک های نامرغوب و قابل استفاده کردن آن ها در لایه های روسازی استفاده کرد ]49[. هنرزاد و حیدریان اثر مادۀ نانو پلیمر CBR PLUS را بر فرسایش پذیری خاک رس بررسی کرده و دریافتند که اثرات مثبتی بر کاهش فرسایش پذیری خاک دارند ]47[.
با توجه به اهمیت کاهش تورم پذیری خاک های بستر روسازی، و مشکلات مربوط به ایمنی کار با آهک، که به طور متداول برای تثبیت خاک های رسی استفاده می شود ،و کارایی نداشتن سیمان برای خاک های با تورم پذیری زیاد، و هم چنین مشکل مربوط هزینه حمل ونقل این مواد تثبیت کنندۀ متعارف، در این پژوهش، اثر ماده ای تثبیت کننده غیرمتعارف بر تورم خاک های رسی بررسی شده است و با سیمان و آهک مقایسه می شود. بررسی ادبیات فنی نشان می دهد که به طور مشخص اثر مادهCBR PLUS بر خصوصیات تورمی خاک ها بررسی
خاک های
نشده است. بنا بر این ،در این تحقیق، اثر سه نوع ماده افزودنی آهک، سیمان وCBR PLUS بر کاهش تورم دو نوع خاک رس بررسی شده و مقایسه می شود.
مصالح
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

مصالح به کار رفته در این تحقیق شامل دو نوع خاک رس، آهک، سیمان و نانوپلیمر CBR PLUS است. خاک های استفاده شده در این تحقیق از دو منطقۀ مختلف از استان آذربایجان شرقی تهیه شدند. خاک با دامنۀ خمیری کم از منطقه ورزقان و خاک با دامنۀ خمیری زیاد از محل قرضه سد در حال ساخت سهند تهیه شدند. شکل 4 دانه بندی دو نوع خاک را نشان می دهد. هر دو خاک پس از خشک شدن، با الک شماره 8 سرند شدند و مشخصات حدود اتربرگ و تراکم آن ها اندازه گیری شد. جدول 4 حدود اتربرگ و خصوصیات تراکمی این خاک ها را نشان می دهد. طبقه بندی خاک ها از نظر تورم، بر اساس دامنۀ خمیری و حد روانی )شکل 2(، نشان دهندۀ تورم پذیری متوسط خاک های با دامنۀ خمیری کم و زیاد استفاده شده در این تحقیق است.
جدول 3. مشخصات خاک های استفاده شده درتحقیق
خاک با دامنۀ خمیری زیاد خاک با دامنۀ
خمیری کم مشخصات
43 95 حدروانی
47 22 حدخمیری
92 49 دامنۀ خمیری
24/9 48/4 درصد رطوبت بهینه %
4/92 4/73 وزن مخصوص خشک حداکثر )3gr/cm(
CH CL طبقۀ خاک در سیستم یونیفاید
سیمان استفاده شده در این تحقیق از نوع 325-I است که از کارخانۀ سیمان غرب تهیه شد. جدول
2 ترکیبات شیمیایی سیمان استفاده شده را نشان می دهد.
جدول 3. ترکیبات شیمیايی سیمان تیپ 325-I کارخانۀ سیمان غرب
SO3 MgO Fe2O3 Al2O3 SiO2 CaO ترکیب شیمیایی
4/54 2/48 9/49 5/44 24/31 99/47 مقدار%

126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.4.3131 ]

شکل 3. دانه بندی خاک های استفاده شده در تحقیق

شکل
3
.

طبقه

خاک

بندی

استفاده

های

شده

تورم

از
نظر

پذيری

]
31
[

شکل

3

.



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید