در این بخش به طور مختصر از مواد مختلفی که تاکنون به منظور بهسازی خاکهای ماسهای استفاده شده است، پرداخته می شود. مواد مورد استفاده به طور کلی شامل مورد ذیل است:
استفاده از مواد ضایعاتی
استفاده از الیاف طبیعی
استفاده از الیاف مصنوعی
استفاده از پلیمرها و مواد نفتی
۲-۲- استفاده از مواد افزودنی ضایعاتی به منظور بهسازی خصوصیات خاک های ماسه ای
تولید حجم عظیمی از مواد فرسوده با طول عمر بالا و عدم ارائه یک راه حل اصولی و صحیح برای دفن، بازیافت و یا استفاده بهینه، یکی از مسائل و مشکلات به وجود آمده در سال های اخیر می باشد. اضافه کردن مواد ضایعاتی علاوه بر بهبود خصوصیات خاک می تواند از دو دیدگاه دفع مواد ضایعاتی و کاهش هزینه های اجرایی نیز مورد بررسی قرار گیرد. در این تحقیق به چند مورد بطور خلاصه اشاره می شود.
۱-۲-۲- بهبود خصوصیات ماسه های تثبیت شده با سیمان و خرده شیشه ضایعاتی
نخستین بار در سال ۱۹۱۷ میلادی آمیس[۲] مخلوط خاک-سیمان را به عنوان یک اختراع در فیلا دلفیای امریکا به ثبت رساند و پس از وی در سال ۱۹۲۲ میلادی سازمان بزرگراه های ایالت داکوتای جنوبی و آیووا و متعاقب آن در سال ۱۹۳۲ میلادی اداره راه کارولینای جنوبی این مخلوط را در تثبیت مسیر جاده ها و احداث بزرگراه ها به کار گرفت [۱].
در طول سال های ۱۹۴۰-۱۹۵۰ تحقیقاتی بر روی فاکتور های موثر خاک بهبود یافته متراکم شده در بستر راه ها انجام گرفت[۲]. سیمنتاسیون[۳] به معنای عام آن سیمانی شدن و چسبیدن است و در مهندسی ژئوتکنیک به چسبیدن ذرات خاک به یکدیگر و ایجاد یک توده چسبنده و با مقاومت بیشتر اطلاق می شود. سیمانی شدن مصنوعی عموما در ارتباط با ماسه ها مورد بررسی قرار گرفته است. زیرا مصالح درشت تر مانند شن و ماسه های درشت دانه اصولا نیازمند به بهسازی نیستند و اغلب خصوصیات ژئوتکنیکی مطلوبی دارند به همین منظور برای بهسازی خاک با بهره گرفتن از سیمانی شدن مصنوعی آن، محققین بیشتر توجه را به ماسه ها و مصالح ریز دانه معطوف داشته اند[۳].
پس از اضافه شدن سیمان به خاک واکنش های مختلفی بین خاک و سیمان صورت می گیرد. مهمترین این واکنش ها در کوتاه مدت واکنش جانشینی یون های مثبت و واکنش تجمع-تراکم است. در این دو واکنش بافت خاک با تجمع ذرات در کنار یکدیگر به نوعی دانه بندی آن تغییر می کند و مقاومت آن افزایش می یابد. هرچه ذرات سیمان ریز تر باشند، هیدراتاسیون[۴] بیشتر و برای مدت طولانی تر حتی تا سالیان دراز انجام می شود و این امر به افزایش مقاومت ترکیب سیمانی با زمان بر می گردد[۴].
دوپاس و پکر[۵]در سال ۱۹۷۹، به مطالعه خواص استاتیکی و مکانیکی ماسه-سیمان به منظور بهسازی ماسه و اجتناب از خطر روانگرایی نشان دادند که با افزایش مقدار ماده سیمانی کننده بر چسبندگی خاک افزوده می شود و افزودن ۵ درصد سیمان پرتلند ۲۰۰-۳۰۰ کیلو پاسکال چسبندگی در خاک ماسه ای به وجود می آورد[۵].
در سال های اخیر برخی بررسی های آزمایشگاهی توسط وارتمن[۶] و همکاران صورت گرفته است که امکان استفاده از شیشه خرد شده را برای بهبود خواص مهندسی ذرات درشت دانه و ماسه ای و مواد ساحلی مانند کائولین و ماسه بادی مورد ارزیابی قرار داده اند. مقاومت اصطکاکی ذرات دانه ای خاک با افزودن شیشه خرد شده به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و افزودن شیشه خرد شده برای بهبود خواص مهندسی سایر مواد ساحلی به صورت یک راهکار پیشنهاد می شود[۶].
در سال ۲۰۰۶ گراب[۷] و همکاران به بررسی برخی از پارامترهای مکانیکی مخلوط خاک رسوبی و شیشه خرد شده پرداخته اند. این آزمایش ها بر روی ۱۰۰ درصد شیشه خرد شده، ۱۰۰ درصد مواد رسوبی و درصد های ۲۰/۸۰، ۴۰/۶۰، ۵۰/۵۰، ۶۰/۴۰ و ۸۰/۲۰ شیشه خرد شده (CG[8]) و مواد رسوبی انجام شد. افزودن ۲۰ درصد CG باعث کاهش ۳۳-۶۷ درصدی رطوبت بهینه و افزایش KN/m3 ۱-۳ دانسیته خاک در تراکم استاندارد می شود و همچنین باعث بهبود کارایی خاک رسوبی می گردد. زاویه اصطکاک داخلی ماکزیمم ۳۹ درجه بوده که در مخلوط های مواد رسوبی و شیشه خرد شده (CG) با نسبت ۶۰/۴۰ و ۸۰/۲۰ به دست آمده است[۷،۸]. با توجه به این نکته که تثبیت و بهسازی خاک با بهره گرفتن از سیمان یکی از پر هزینه ترین روش های بهسازی خاک می باشد، لذا فکر به کار بردن مواد افزودنی دیگر و جایگزینی و استفاده از آن در این نوع بهسازی جهت بهبود خصوصیات خاک تثبیت شده و افزایش پارامترهای مقاومتی و همچنین کم کردن سیمان مصرفی و متعاقبا کاهش هزینه ها مورد توجه مهندسان ژئوتکنیک بوده است. در سال ۲۰۱۰ حق شناس و همکاران با بهره گرفتن از آزمایش های تراکم استاندارد و تک محوری محدود نشده، بهبود خصوصیات مهندسی ماسه ساحلی تثبیت شده با سیمان با اضافه کردن خرده شیشه ضایعاتی را مورد بررسی قرار دادند و نتیجه گرفتند که با بهره گرفتن از شیشه خرده ضایعاتی به عنوان ماده افزودنی به خاک می توان مقاومت و سایر پارامتر های مورد نظر را به صورت مطلوب کسب کرد و هم اینکه با توجه به ضایعاتی بودن شیشه از نظر اقتصادی هزینه های پروژه را کاهش داد. شیشه مورد استفاده در این تحقیق از شیشه های ضایعاتی و از ترکیب دو نوع شیشه ایمنی آبداده برای بدست آوردن دانه بندی مناسب استفاده گردیده است. شیشه ایمنی آبداده یا شیشه ایمنی پیش تنیده را بیشتر با نام شیشه سکوریت می شناسند. این شیشه ها با قطر های مختلف مانند ۳، ۵، ۶، ۱۰ میلیمتر جمع آوری شده و در دستگاه سایش لس آنجلس جهت خرد شدن ریخته شدند. پس از ۱۰۰۰ دور چرخیدن دستگاه، شیشه خرد شده خارج شده و با انجام دانه بندی ذرات با قطرهای مختلف در ظرف های جداگانه جهت استفاده دپو شدند.
برای ساخت نمونه ها ابتدا باید درصد مناسب سیمان و سپس درصد های مختلف شیشه انتخاب می گردیدند. مقدار سیمان موجود در مخلوط خاک-سیمان، به صورت درصدی از وزن و یا حجم خشک خاک بیان می شود، و مقدار آن به نوع خاک بستگی دارد. در مورد خاک های ماسه ای مقدار سیمان در درجه اول بستگی به درجه تخلخل خاک تثبیت شده دارد. به همین منظور با توجه به نوع خاک و مقدار حجمی سیمان مورد نیاز برای تثبیت مؤثر انواع مختلف خاک، در نهایت دو مقدار ۵ و ۷ درصد انتخاب شدند. با توجه به مطالعات قبلی، سه درصد وزنی مختلف ۲۰، ۴۰، ۶۰ برای افزودن شیشه خرد شده در نظر گرفته شد.
نتایج آزمایشهای آن ها به قرار زیر است:
با انجام آزمایش تراکم استاندارد مطابق شکل ۱-۲ مشاهده می شود که با افزایش مقدار شیشه مقدار رطوبت بهینه کاهش می یابد و مقدار وزن مخصوص خشک ماکزیمم افزایش می یابد.
شکل ۱-۲ نمودارهای تراکم مربوط به خاک تثبیت شده با ۵ و ۷ درصد سیمان [۹]
در شکل ۲-۲ تاثیر افزودن شیشه خرد شده بر مقاومت فشاری محدود نشده نمونه های ۷ روزه نشان داده شده است. با توجه به شکل مشاهده می شود که با زیاد شدن مقدار شیشه خرد شده، مقاومت فشاری حداکثر مخلوط ها افزایش یافته و ضمنا شیب نمودار تنش-کرنش زیاد می شود و مدول ارتجاعی فشاری بالا می رود.
شکل ۲-۲ نمودارهای تنش-کرنش مربوط به خاک تثبیت شده با ۵ درصد سیمان در ۷ روز [۹]
سایر نتایج بدست آمده حاکی از آن است که با افزودن شیشه خرد شده به خاک ماسه ای با دانه بندی یکنواخت می توان به یک دانه بندی مناسب تو پر دست یافت که این امر سبب ایجاد پایداری در شبکه خاک می شود. همچنین به ازای یک درصد سیمان ثابت افزایش درصد شیشه باعث کاهش درصد رطوبت بهینه و افزایش وزن مخصوص خشک ماکزیمم می شود. افزایش شیشه به خاک باعث افزایش مقاومت فشاری آن می شود که این افزایش در درصد های بالاتر شیشه خیلی بیشتر است. همچنین کرنش متناظر با مقاومت فشاری ماکزیمم با افزایش درصد شیشه بیشتر می شود. وجود شیشه در نمونه های تثبیت شده با سیمان سبب افزایش شکل پذیری آن ها می شود که این شکل پذیری با افزایش درصد شیشه بیشتر می شود[۹].
۲-۲-۲- استفاده از لاستیک و کفپوش های لاستیکی ضایعاتی برای بهبود خواص خاک ماسه ای
در کشور های مختلف جهان سالیانه میلیون ها حلقه تایر فرسوده اتومبیل بعد از استفاده به عنوان زباله جمع آوری و انبار می گردد. تجزیه مواد پلیمری مانند لاستیک تایر به صورت طبیعی نیاز به مدت زمان بسیار طولانی دارد از اینرو، طی سال های اخیر روش های متعددی توسط محققین به منظور بازیافت و استفاده مجدد از تایر های فرسوده اتومبیل ها ارائه گردیده است. یکی از این روش ها تجزیه فیزیکی یه به عبارت دیگر جدا نمودن کناره ها و کف تایر از الیاف نخی و سیم های فلزی به کار رفته در آن و سپس خرد کردن قطعات آن ها در اندازه های مختلف می باشد. ذرات لاستیک تایر که به این ترتیب به دست می آیند کاربرد های مختلفی در صنایع مختلف دارند. یکی از این کاربردها، استفاده از مخلوط خاک و ذرات لاستیک تایر بازیافتی، به خاطر وزن کم و ظرفیت بالای جذب انرژی ناشی از ارتعاشات، در مسائل مهندسی ژئوتکنیک و ابنیه فنی می باشد. به همین علت به دست آوردن خواص و رفتار این مصالح می تواند کمک چشمگیری در استفاده از آن ها نماید.
درسال ۱۹۹۶ به منظور بررسی تقویت ماسه، فوس[۹] و همکارانش در سال ۱۹۹۶، یک سری آزمایشات برش مستقیم بر روی مخلوط های ماسه و خرده تایر فرسوده انجام دادند. نتایج آزمایشات نشان داد که مهمترین عوامل موثر بر مقاومت برشی مخلوط، درصد خرده های لاستیک و وزن واحد حجم مخلوط می باشد[۱۰].
در سال ۲۰۰۵، هاتف[۱۰] و همکاران یک سری مدل های آزمایشگاهی برای تحقیق در مورد استفاده از خرده های لاستیک فرسوده جهت افزایش باربری ارائه نمودند. نتایج آزمایشات حاکی از آن بود که افزودن خرده های لاستیک به ماسه، باعث افزایش نسبت ظرفیت باربری کالیفرنیا (C.B.R)، بسته به درصد خرده لاستیک و نسبت اضلاع آن ها، می گردد[۱۱].
اتم[۱۱] درسال ۲۰۰۵ یک سری آزمایشات برش مستقیم جهت بررسی تاثیر افزودن خرده های لاستیک بار خواص فیزیکی ماسه ها انجام داد که نتایج آن حاکی از افزایش زاویه اصطکاک داخلی و مقاومت برشی ماسه ها با افزودن خرده های لاستیک بود[۱۲].
در سال ۲۰۰۶ به منظور بهبود پارامتر های دینامیکی خاک ها در کرنش های کم بر روی مخلوط ماسه و خرده های لاستیک، پاماکو[۱۲] و همکاران یک سری آزمایشهای کنترل شده انجام دادند. نتایج تحقیق نشان دهنده افزایش همزمان مدول برشی و ضریب میرایی نمونه های ماسه به ازای یک حجم بهینه از خرده های لاستیک بود[۱۳].
در سال ۲۰۱۰ نخعی و همکاران با ترکیب خاک ماسه ای با مقدار کمی رس و سیلت با خرده های لاستیک، سعی در بهبود خواص خاک ماسه ای داشتند. بر روی مخلوط های ماسه با درصد های مختلف لاستیک آزمایش های تراکم انجام گردید، و مقادیر دانسیته ماکزیمم خشک و رطوبت بهینه برای هر یک از درصد های لاستیک به دست آمد. پس از بدست آمدن مقادیر فوق با توجه به حجم قالب در آزمایش های برش مستقیم و سه محوری سیکلی مقادیر ماسه، آب و درصد وزنی ذرات لاستیک مربوط به هر آزمایش بدست آمده و نمونه ها با درصد رطوبت بهینه و دانسیته ماکزیمم در قالب آزمایش مربوطه متراکم گردیده اند.
نتایج آزمایشهای آن ها به قرار زیر است:
با توجه به شکل ۳-۲، نتایج آزمایشهای تراکم نشان دهنده آن است که با افزایش درصد لاستیک، دانسیته خشک ماکزیمم کاهش یافته در حالیکه درصد رطوبت بهینه افزایش می یابد. دلیل اصلی این پدیده جایگزین شدن ذرات سبک تر لاستیک به جای ذرات خاک می باشد. همانطور که در شکل ۴-۲ مشاهده می شود، با بهره گرفتن از آزمایشات برش مستقیم مشخص شد که در تنش های نرمال ۱ و ۱/۵ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع مقاومت برشی نمونه با افزایش درصد لاستیک کاهش می یابد در حالی که در تنش نرمال ۰/۵ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع، مقاومت برشی در ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد. همچنین با افزایش درصد لاستیک زاویه اصطکاک داخلی کاهش می یابد که این با توجه به کوچکتر بودن اندازه ذرات لاستیک نسبت به ذرات خاک قابل توجیه است.
شکل ۳-۲ مقادیر دانسیته خشک ماکزیمم و درصد رطوبت بهینه [۱۴]
شکل ۴-۲ مقادیر مقاومت برشی برحسب درصد لاستیک و تنش نرمال [۱۴]
باتوجه به شکل ۵-۲، نتایج آزمایشهای سه محوری سیکلی حاکی از آن است که در یک دامنه تنش انحرافی ثابت، با افزایش درصد لاستیک مقادیر کرنش پلاستیک نمونه، افزایش می یابد.
شکل ۵-۲ نمودار تغییر مکان-سیکل [۱۴]
با مشاهده نمودار های اضافه فشار آب منفذی مطابق شکل ۶-۲، مشاهده شد که در یک دامنه تنش انحرافی ثابت، دامنه اضافه فشار آب حفره ای با افزایش درصد لاستیک کاهش می یابد. همچنین در یک دامنه تنش انحرافی با افزایش درصد لاستیک شیب منحنی های اضافه فشار آب حفره ای افزایش می یابد[۱۴].
شکل ۶-۲ نمودار فشار آب منفذی-سیکل [۱۴]
درسال ۲۰۱۰ مهدی پور و همکاران با بهره گرفتن از کفپوش های ضایعاتی و ماسه تقریبا یکنواخت، CBR ماسه را بهبود بخشیدند. ماسه استفاده شده در این تحقیق نسبتا یکنواخت بوده است. تراشه های به کار رفته در این تحقیق، مطابق شکل ۷-۲، از کف پوش های ضایعاتی انتخاب شده است که مقادیر قابل ملاحظه ای از این کف پوش ها هم در زمان تولید و هم بعد از استفاده از دور مصرف خارج می شوند. عرض تراشه ها ۰/۵ و ۱ سانتیمتر می باشد.
شکل ۷-۲ دو نوع تراشه با ابعاد مختلف، (a) عرض ۰/۵ سانتیمتر، (b) عرض ۱ سانتیمتر [۱۵]
ماسه غیر مسلح و مخلوط ماسه-خرده کف پوش با درصد های حجمی مختلف و نسبت طول به عرض های متفاوت تراشه ها در دو تراکم مورد آزمایش قرار گرفتند. نتایج نشان داد که درصد حجمی کف پوش ها، تراکم مخلوط و نسبت ابعاد کف پوش ها پارامتر های تاثیر گذار بر CBR مخلوط ماسه-خرده کف پوش می باشند. به طوری که مطابق شکل ۸-۲، با افزایش درصد تراشه ها و افزایش تراکم مخلوط مقدار CBR مخلوط افزایش می یابد. برای نسبت ابعاد در نظر گرفته شده در این تحقیق، برای یک عرض ثابت با افزایش طول تراشه مقدار CBR افزایش یافته است[۱۵].
شکل ۸-۲ نتایج CBR برای مخلوط های حاوی تراشه های به عرض ۰/۵ سانتیمتر و درصد های حجمی متفاوت [۱۵]
۳-۲- تسلیح خاک ماسهای با بهره گرفتن از الیاف طبیعی
با عبور از قرن بیستم، و اتمام منابع تجدید ناپذیر، نیاز به مصالحی که دوستدار محیط زیست هستند بیشتر احساس می شود. تحقیقات زیادی در کشور های مختلف بر خواص مکانیکی و عملکرد فیزیکی مصالح تسلیح شده با الیاف طبیعی صورت گرفته است. الیاف طبیعی مانند الیاف خرما، کتان، سیسال، کنف، بامبو و نارگیل علاوه بر این مزایا دارای برتری های دیگری همچون هزینه کمتر، فراوانی منابع و زیست تجزیه پذیر بودن آن ها می باشد.
۱-۳-۲-اصلاح ماسه با بهره گرفتن از الیاف کاه جو و کنف
اخوت و همکاران در سال ۲۰۱۰ با بهره گرفتن از خاک ماسه ای استاندارد و الیاف بریده شده کاه جو و رشته های الیاف کنف به عنوان مسلح کننده استفاده کردند. الیاف مورد آزمایش در دسته الیاف ساقه ای قرار میگیرند. این الیاف با درصد وزنی ۱، ۱/۵و ۲ درصد وزن خشک خاک، با خاک مخلوط شدند. الیاف علاوه بر استفاده به صورت توزیع تصادفی در خاک، به طول های ۱۰-۱۲ میلی متر، ۱۸-۲۰ میلی متر، ۲۸-۳۰ میلی متر نیز بریده شده و در یک درصد وزنی خاص جهت بررسی اثر طول به مخلوط اضافه گردیدند. نتایج آزمایش های آن ها از قرار ذیل است:
نتایج آزمایش تراکم به روش پروکتور استاندارد روی خاک غیر مسلح و مسلح با الیاف در درصد وزنی خشک خاک ۱، ۱/۵و ۲ نشان می دهدکه با افزایش میزان الیاف، درصد رطوبت بهینه افزایش می یابد که می توان علت آن را ظرفیت بالای جذب آب الیاف نسبت به خاک اطرافش دانست. همچنین افزایش میزان الیاف، باعث کاهش وزن مخصوص خشک حداکثر می شود و دلیل آن می تواند چگالی کمتر الیاف در مقایسه با دانه های خاک و مانعی برای نزدیک شدن دانه های خاک به هم باشد.
با بهره گرفتن از آزمایش برش مستقیم مشخص شد که در محدوده رطوبت ۱۱-۱۲ درصد با افزایش میزان الیاف کاه جو و کنف تا ۲ درصد وزنی، مقاومت برشی افزایش یافته است. در تنش نرمال ۵۰ کیلوپاسکال، بیشترین رشد مقاومت برشی برای کاه جو تا ۲۶ درصد و برای الیاف کنف تا ۴۷ درصد نشان داده شده است. همچنین در تمام ترکیب های آزمایش با افزایش تنش نرمال، افزایش مقاومت برشی مشهود است. با افزایش میزان الیاف تا ۱/۵ درصد، مقاومت برشی افزایش و بعد از آن کاهش می یابد. در تنش نرمال ۵۰ کیلو پاسکال، برای الیاف کاه جو تا ۲۸ درصد افزایش مقاومت برشی و در کنف ۴۵ درصد افزایش مشاهده شد. علت کاهش مقاومت برشی نیز می تواند ناشی از تمایل به توده شدن الیاف کنف در ۲ درصد وزنی و عدم امکان به دست آوردن مخلوط کاملا یکنواخت بیان کرد که در اثر آن در سطح برش، سهم الیاف و خاک در کنترل گسیختگی یکسان نخواهد بود. بررسی تاثیر الیاف بر پارامتر های مقاومت برشی، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی، رفتار غیر خطی و متغیری را نشان داد. این نتیجه بیان گر این مطلب است که پارامترهای چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی تنها از درصد وزنی الیاف تاثیر نمی پذیرند و باید مجموعه خصوصیات الیاف، خاک، تغییرات رطوبت و میزان الیاف را جهت دریافت رفتار واقعی خاک دخیل دانست. تغییرات مقاومت برشی نسبت به درصد الیاف در رطوبت های مختلف، در شکلهای ۹-۲ تا ۱۱-۲ نشان داده شده است.
منابع تحقیقاتی برای نگارش مقاله تثبیت و اصلاح خصوصیات ژئوتکنیکی ماسه بادی با استفاده از دوغاب ...
