آرمان محمدی

تاریخ انتشار : Publish : نسخه قابل چاپ Print



 

دانشکده مهندسی

گروه آموزشی مهندسی عمران

پایان‏نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی عمران گرایش ژئوتکنیک

عنوان:

مطالعه ریزساختاری شدت‌بخشی با استفاده از یون کلسیم برای رفع واگرایی خاک واگرا به روش الکتروسینتیک

استاد راهنما:

پروفسور وحیدرضا اوحدی

 

اساتید داور:

 دکتر عباس قدیمی، دکتر مهدی اثنی عشری

 

نگارش:

آرمان محمدی

 

مکان: سالن آمفی‏تئاتر دانشکده مهندسی

زمان: سه‌شنبه 10 مهرماه 1397، ساعت 18

 

 

Bu-Ali Sina University

Faculty of Engineering

Department of Civil Engineering

 

Thesis submitted for Master of Science in Civil Engineering Geotechnical

 

Title

Microstructural Study of Enhancement with Calcium Ion for Dispersivity Elimination of Dispersive Soil by Electrokinetics

 

Supervisor:

Vahid Reza Ouhadi (Prof.)

 

Professors of the Referee:

Abbas Qadimi (Ph. D), Mahdi Asna Ashari (Ph.D)

 

By:

Arman Mohammadi

 


Location: Amphitheater of Faculty of Engineering

Time: Tuesday, October 2, at 6 pm

 

 

چكيده:

          رس‌های واگرا یکی از انواع خاک‌های مسئله‌دار هستند که به محض تماس با آب، چسبندگی خود را از دست داده و با پراکنده شدن ذرات به اطراف، دچار فرسایش و حل‌شدگی می¬شوند. عامل اصلی پراکندگی پولک¬های رسی در واقع حاکم شدن نیرو¬های دافعه بر جاذبه بین ذرات است. واگرایی اصولاً تحت تأثير متغيرهایی چون کانی¬شناسی، مشخصات سیال حفره‌ای یا فرسایش‌دهنده خاک و نمک‌های حل شده در خاک است. همچنین به‌صورت ویژه متأثر از حضور کانی¬های رسی فعال مانند مونت‌موریلونيت و حضور کاتيون¬های سدیم در آب حفره¬ای و لایه دوگانه است. استفاده از خاک‌های رسی واگرا در سازه¬هایی مانند سد¬های خاکی، کانال¬های آبیاری و خاکریز جاده‌ها می¬تواند سبب ناکارآمدی پروژه و یا حتی تخریب آن شود. از این رو اصلاح و کنترل خاک¬های واگرای موجود امری ضروری به نظر می¬رسد. بر این اساس مطالعات زیادی در زمینه روش¬های تثبیت خاک¬های واگرا با افزودن و اختلاط موادی از قبیل آهک، سیمان و پوزولان با خاک واگرا انجام شده است. دستخوردگی، جابه‌جایی خاک، عدم تزریق پذیری رس و استفاده از موادی با عوارض زیست‌محیطی زیاد از محدودیت‌های روش‌های رفع واگرایی معمول بوده‌اند. از سوی دیگر افزودنی¬های جدید نیز به علت تولید محدود و صرفه اقتصادی چندان کاربردی نبوده¬اند. روش الکتروسینتیک به دلیل هزینه و عوارض زیست محیطی کم و سهولت اجرا، به عنوان يکی از فناوری¬های معمول، مؤثر و نسبتاً نوین برای اصلاح خاک‌های مسئله‌دار، بهبود خصوصیات مهندسی و رفع آلودگی از خاک¬های سطحی و زیر سطحی مورد توجه قرار گرفته است. روش الکتروسینتیک، با اعمال میدان الکتریکی به يک جفت الکترود مثبت و منفي مستقر در یک توده خاک موجب الکترولیز مولکول¬های آب و تولید یون¬های هیدروژن در الکترود آند شده که این یون‌ها در میدان الکتریکی به سمت کاتد حرکت می‌کنند. اندرکنش این یون‌ها با پولک¬های رسی توده خاک متخلخل قرار گرفته در مابین دو الکترود موجب کاهش pH خاک و به تبع آن کاهش بار خالص پولک‌های رسی و کاهش میزان پراکندگی خاک می¬شود. از طرفی به واسطه مکانیسم جریان الکترواسمزی و انتقال الکترویونی، سیال حفره¬ای و به همراه آن کاتیون¬های الکترولیت مخزن آند و همچنین کاتیون¬های سدیم موجود در آب حفره¬ای به سمت کاتد انتقال داده شده و از آنجا خارج می‌شوند. بنابراین تأثیر مجموعه این مکانسیم¬ها موجب شده تا فرایند الکتروسینتیک به روشی مناسب برای بهبود رفتار پراکنده خاک¬های رسی واگرا مبدل شود. اگرچه در پژوهش‌های قبلی تأثیر فرایند الکتروسینتیک بر خصوصیات پراکندگی خاک‌های واگرا  مورد مطالعه قرار گرفته است؛ اما در زمینه شدت‌بخشی این فرایند با مواد شیمیایی و تاثیر مواد تزریقی تثبیت‌کننده هم‌چون یون کلسیم بر مکانیسم‌های مؤثر در الکتروسینتیک تحقیقات بسیار محدودی صورت گرفته است. علاوه بر موارد فوق در تحقیقات قبلی، محققین مختلف به موضوع تغییر مشخصات ریزساختار خاک در فرآیند الکتروسینتیک توجه کمتری معطوف داشته‌اند. بر این اساس اهدف اصلی این تحقیق بررسی تأثیر فرایند الکتروسینتیک در رفع واگرایی خاک واگرا در حالت بدون شدت بخشی و شدت بخشی شده با یون کلسیم و همچنین تأثیر میزان غلظت یون کلسیم بر بازده این روش در مقایسه با حالت بدون شدت بخشی است.

برای دستیابی به اهداف فوق، خاک رسی واگرای طبیعی CL حاوی 25 درصد کربنات طبیعی با میزان واگرایی شدید و 6/82 درصد واگرایی انتخاب شد. نمونه‌های رسی  با درصد رطوبت 20 در سلول آزمایش جای‌داده شد و سپس تحت فرایند الکتروسینتیک بدون شدت‌بخشی و شدت‌بخشی شده با محلول کلسیم‌کلرید در غلظت‌های 2/0 و 5/0 مولار و در بازه‌های زمانی کوتاه‌مدت، میان‌مدت و بلندمدت به ترتیب با زمان‌های 240، 480 و 1200 ساعته مورد آزمایش قرار گرفتند. در طی فرایند آزمایش‌های الکتروسینتیک مقادیر pH، EC در مخازن آند وکاتد، شدت جریان الکتریکی دو سر سلول نمونه، میزان دبی الکترواسمزی اندازه‌گیری و گزارش شد. بعد از خارج کردن نمونه‌های رسی از سلول، مقادیر pH و درصد رطوبت اندازه‌گیری شد. به منظور بررسی بهبود خصوصیات واگرایی و بررسی تغییرات درشت‌ساختاری و ریزساختاری نمونه‌های رسی، آزمایش هیدرومتری دوگانه و آزمایش رسوب نیز بر روی نمونه‌ها‌ انجام شد.

نتایج آزمایش‌های انجام شده نشان می‌دهد که با اصلاح الکتروسینتیک 240 ساعته بهبود میزان واگرایی تا نزدیکی وسط نمونه مشاهده شده و درصد واگرایی در نزدیکی آند به 12 درصد رسیده است. افزایش زمان آزمایش به 480 و 1200 ساعت، سبب بهبود در درصد واگرایی تا نزدیکی کاتد شده است؛ اما در نزدیکی کاتد و به خصوص در آزمایش‌های 240 و480 ساعته، افزایش درصد واگرایی مشاهده شده است. استفاده از محلول شدت‌بخشی 2/0 و 5/0 نرمال کلسیم‌کلرید در آزمایش الکتروسینتیک 240 ساعته موجب کاهش 50 و 75 درصدی میزان واگرایی در نزدیکی کاتد شده است. با تزریق یون کلسیم به وسیله محلول کلسیم‌کلرید در قسمت آند و انتقال آن‌ها با مکانیسم الکترواسمزی و الکترویونی به سمت کاتد، به علت خاصیت اسمزی و اثر غلظت و دوظرفیتی بودن یون‌های کلسیم، یون¬های سدیم از لایه دوگانه بیرون رانده شده و ضخامت لایه دوگانه کاهش یافته و در نتیه از درصد واگرایی کاسته شده است. نتایج آزمایش‌های رسوب نیز نشان داد که با کاهش درصد واگرایی به علت کلوخه شدن ذرات رسی، میزان رسوب افزایش و به دنبال آن مدت زمان فرایند رسوب کاهش یافته است؛ به عبارت دیگر با تغییر ریزساختار خاک، پراکندگی کاهش یافته و ساختار خاک توده‌ای شده است.

واژه¬های کلیدی: خاک رسی واگرا، الکتروسینتیک، الکترواسمزی، الکترولیز، الکترویونی، آزمایش هیدرومتری دوگانه، کربنات، شدت‌بخشی، کلسیم‌کلرید.

 

 

Abstract:

                 Dispersive clays are one of the problematic soils that once contact by water, lose their cohesion, erode, and dissolve with the dispersion of particles around them. The main factor in the dispersion of clay particles is, in fact, the dominant of repulsive forces among the clay particles. The soil dispersion is affected by the clay mineralogy, the chemistry of the pore water and eroding fluids, and the dissolved salts in the soil. It is also particularly affected by the presence of active clay minerals, such as montmorillonite, and the presence of sodium cations in pore water and double layer of soil. The use of dispersive clayey soils in engineering project such as earth dams, irrigation canals, and road embankments can result in project inefficiency or even soil failure. Hence, treatment and controlling the existing dispersive soils seems necessary. Accordingly, many studies have been carried out on the methods for the stabilization of dispersive soils by the use of additives such as lime, cement, and pozzolan. Disturbance, soil displacement, difficulty for injection in clay, and the use of materials with high environmental effects have been the restrictions of common methods of dispersivity elimination. On the other hand, new additives are not very practical because of limited production and cost-effectiveness. The electrokinetics method due to low cost, low environmental effects, and ease of implementation have been considered, as one of the most commonly used, relatively modern technologies for modifying problematic soils, improvement of engineering properties, and remediation of contaminant from surface and contaminated soils. The electrokinetics method by applying an electric field to a pair of positive and negative electrodes in a soil mass causes the electrolysis of water molecules and the production of hydrogen ions in the anode electrode, which move towards the cathode in the electrical field. The interaction of these ions with the clayey porous mass located between the two electrodes reduces the pH of the soil and, consequently, reduces the net charge of clay particles and decreases the amount of soil dispersion. On the other hand, due to the mechanism of electro-osmotic flow and electro-migration, the pore fluid, along with those of the anode reservoir electrolyte cations, as well as the sodium cations in the pore water, are transferred to the cathode and leave it out. Therefore, the effect of the set of these mechanisms has made the electrokinetics process a suitable method to improve the dispersed behavior of dispersive clayey soils. Although the effect of the electrokinetics process on the properties of dispersive soil has been studied, insufficient research has been conducted on the enhancement of this process with chemicals. Furthermore, there is a lack of research on the effect of stabilizing injectable materials such as calcium ion on increasing the efficiency of electrokinetics. In addition to the above, previous investigations haven not focused on the issue of evaluation of changes in the microstructure of the soil in the electrokinetics process. Accordingly, the main objectives of this research are to investigate the effect of electrokinetics processes on dispersivity elimination of dispersive soil, without enhancement and by enhancement with calcium ion, as well as investigation on the impact of concentration of calcium ion on the efficiency of this method.

To achieve the above objectives, the natural dispersive clay containing 25% natural carbonate with dispersion percent of 82.6 (high dispersiveness) was selected. Clay samples with 20% moisture content were placed in the test cell and then subjected to unenhanced and enhanced electrokinetics processes with calcium chloride solution at concentrations of 0.2 and 0.5 molar, in the short, medium and long periods of time, with 240, 480, and 1200 hours. During the process of electrokinetics experiments, pH and EC values in the anode and cathode reservoirs, the electrical current, and the rate of electro-osmotic discharge were measured and reported. After extracting the soil sample from cell, pH values and moisture content were measured. In order to study the improvement of dispersion properties and to investigate the macro-structural and microstructural changes of clay samples, double hydrometer test, and sedimentation test were also performed on samples.

The results of the experiments show that with 240 hours electrokinetics treatment, the dispersion improvement was close to the middle of the cell and the dispersion percentage near the anode compartment was reached to 12%. Increasing the test time to 480 and 1200 hours resulted in an improvement in the percentage of dispersion up to the cathode neighborhood. Nevertheless, an increase in dispersion percentage is observed very close to the cathode compartment, especially in experiments of 240 and 480 hours. The use of 0.2 molar and 0.5 molar calcium chloride enhancement solutions in 240 hours electrokinetics experiment reduced the 50% and 75% of dispersion percent, respectively, in the vicinity of the cathode. By injecting calcium ion with calcium chloride solution in the anode compartment and transferring them by electro-osmotic flow and electro-migration mechanisms toward the cathode, due to the osmosis and valence effect of calcium ions, sodium ions are expelled from the double layer. Therefore, the thickness of the double layer is decreased and the dispersion percentage is reduced. The results of the sedimentation experiments also showed that with decreasing dispersion, aggregation of particles occur which cause an increase in soil sedimentation and reduction in sedimentation duration.

 

Keywords: Dispersive clayey soil, Electrokinetics, Electro-osmosis, Electrolysis, Electro-migration, Double hydrometer test, Carbonate, Enhancement, Calcium chloride.

 

آرمان محمدی

Mohamadi_arman@yahoo.com

 

سوابق تحصیلی

·        کارشناسی عمران - عمران، دانشگاه کردستان، ۱۳8۹ تا ۱۳۹3

·        کارشناسی ارشد عمران - ژئوتکنیک، دانشگاه بوعلی سینا، ۱۳۹۴ تاکنون

 

مهارت‌ها

·        نرم افزار Etabs

·        نرم افزار SAFE

·        نرم افزار Civil 3d

·        نرم افزار Abaqus

·        نرم افزار SAP

·        نرم افزار Plaxis

·        زبان انگلیسی