تأثیر فرآیند یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی بر رفتار خودترمیمی و ژئوتکنیک زیست‌‌محیطی خاک‌‌های رسی کربناتی و کربنات‌‌زدایی شده حاوی آلاینده فلز سنگین

نوع: Type: پایان نامه

مقطع: Segment: کارشناسی ارشد

عنوان: Title: تأثیر فرآیند یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی بر رفتار خودترمیمی و ژئوتکنیک زیست‌‌محیطی خاک‌‌های رسی کربناتی و کربنات‌‌زدایی شده حاوی آلاینده فلز سنگین

ارائه دهنده: Provider: بهناز واشقانی فراهانی

اساتید راهنما: Supervisors: پروفسور وحیدرضا اوحدی

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر مسعود مکارچیان - دکتر محمد ملکی

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: 28 آبان 1399

مکان ارائه: Place of presentation:

چکیده: Abstract: ویژگی‌های مطلوب بنتونیت (حاوی کانی رسی اسمکتیت) سبب شده تا از آن به‌عنوان مصالح بافر در مراکز دفن مهندسی زباله استفاده شود. با توجه به شکل‌‌پذیری قابل توجه بنتونیت، شکل‌‌گیری ترک در آن کم است. همچنین، خاصیت تورم‌‌پذیری بنتونیت سبب پر شدن ترک‌‌ها، حفرات و فضاهای خالی اطراف پولک‌‌ها شده و منجر به آب‌‌بند بودن این مصالح و کاهش ضریب هدایت هیدرولیکی خواهد شد. که مجموعه این عوامل سبب بهبود خاصیت خودترمیمی در بنتونیت می‌‌شود. حضور آلاینده‌‌های فلز سنگین در آب حفره‌‌ای از طریق تغییر در خصوصیات آب حفره‌‌ای بر پتانسیل تورمی و خودترمیمی بنتونیت تأثیر می‌‌گذارد. از سوی دیگر، وجود مقادیر فراوان کربنات به‌عنوان یکی از اجزای اصلی خاک‌های رسی و تأثیر آن بر مهندسی خاک‌ها، لزوم مطالعه تأثیر کربنات بر رفتار مهندسی خاک‌های رسی را به اثبات می‌رساند. عامل دیگری که بر رفتار خاک مؤثر است، شرایط دمایی است. تغییرات دمایی در مناطق سردسیر عامل اصلی سیکل‌‌های یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی است. اعمال سیکل‌‌های یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی موجب تغییرات گسترده‌‌ای در خصوصیات و ساختار خاک با ایجاد ترک و افزایش نفوذپذیری در آن می‌‌شود. تورم ناشی از یخ‌‌زدن و افزایش رطوبت پس از یخ‌‌گشایی، یکی از عواملی است که سبب تورم و نهایتاً کاهش مقاومت و ظرفیت باربری نهایی خاک‌‌ها می‌‌شود که در مناطق سردسیر با توجه به آن‌‌که سطح سفره زیرزمینی بالا است، حائز اهمیت است. از آنجا که رفتار اسمکتیت‌‌ها به مقدار قابل توجهی تابع شرایط فیزیکی- شیمیایی محیط است، بررسی اثر آلاینده‌های فلز سنگین و سیکل‌‌های یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی بر روی اسمکتیت‌‌ها توسط فلوکوله شدن، بازچینش ذرات خاک و انتقال آلودگی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در مجموع، بررسی اثر سیکل‌‌های یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی بر قابلیت خودترمیمی و خصوصیات ژئوتکنیک زیست‌‌محیطی خاک‌‌های رسی کربناتی و کربنات‌‌زدایی شده در حضور فلز سنگین مس، و همچنین بررسی تأثیر میزان تشریک مساعی کربنات در نگهداری آلودگی بر روی خودترمیمی و خصوصیات ژئوتکنیک زیست‌‌محیطی خاک رس بنتونیت، قبل و بعد از فرآیند یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی از اهداف اصلی و از جنبه‌‌های نوآوری پژوهش حاضر است. برای این منظور از خاک بنتونیت با درصدهای مختلف کربنات استفاده شده است. از فلز سنگین مس در غلظت‌های مختلف برای آلوده کردن خاک استفاده شده و سپس 10 سیکل یخ‌زدن و یخ‌گشایی بر روی خاک آلوده شده اعمال شده است. مطالعات پژوهش حاضر در دو بخش انجام شده است؛ در بخش اول، مطالعه و بررسی فرآیند کربنات‌زدایی صورت گرفته، و در بخش دوم با توجه به اهداف پژوهش، آزمایش‌های ژئوتکنیکی مانند حدود اتربرگ، تورم آزاد و تورم با دستگاه تحکیم، آزمایش‌های ژئوتکنیک زیست‌محیطی مانند جذب و نگهداشت آلاینده، تیتراسیون، اندازه‌گیری pH و EC و نیز آزمایش‌های ریزساختاری مانند XRD و SEM که می‌‌تواند معیاری برای تأیید نتایج سایر آزمایش‌‌ها باشد، انجام شده است. در بخش اول آزمایش‌ها، نتایج حاکی از آن است که پتانسیل تورم نهایی و قابلیت نگهداشت آب با انجام فرآیند کربنات-زدایی بنتونیت کاهش یافته است. می‌توان گفت که حذف کربنات از بنتونیت منجر به جایگزینی یون کلسیم حاصل از انحلال کلسیم کربنات در طی فرآیند کربنات‌زدایی با سدیم موجود در لایه دوگانه بنتونیت و کاهش ضخامت لایه دوگانه شده است. به عبارتی فرآیند کربنات‌زدایی منجر به تبدیل شدن خاک سدیم- بنتونیت به خاک کلسیم- بنتونیت فاقد کربنات شده و خاک رس همویونیک ایجاد شده است. در بخش دوم آزمایش‌ها، نتایج اخذ شده حاکی از آن است که با اعمال 10 سیکل یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی بر روی نمونه‌‌ها، شاخص تورم آزاد، پتانسیل تورم نهایی و حد خمیری تمام نمونه‌‌ها کاهش یافته است. به‌عنوان مثال در سدیم- بنتونیت به‌ترتیب 8/17%، 7/71% و 6/6% کاهش پیدا کرده است. هنگامی‌که آب در حفرات خاک یخ می‌زند، کاتیون‌های موجود تمایل به مهاجرت به سمت ذرات رس را دارند که این موضوع سبب کاهش ضخامت لایه دوگانه رس می-شود. در نتیجه نیروی دافعه موجود بین پولک‌های رسی کاهش می‌یابد. پولک‌ها به یکدیگر نزدیک می‌شوند و این فرآیند سبب شکل‌گیری ساختار فلوکوله در بنتونیت می‌شود. که این موضوع منجر به کاهش پتانسیل تورمی و خودترمیمی نمونه‌ها می‌گردد. سپس با افزایش غلظت آلاینده، اختلاف بین شاخص تورم آزاد، پتانسیل تورم نهایی و حد روانی نمونه‌‌ها بعد از اعمال 10 سیکل یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی نسبت به قبل از اعمال سیکل‌های یخ‌زدن و یخ‌گشایی کاهش یافته است. به‌عنوان مثال این اختلاف در غلظت cmol/kg-soil 25 در سدیم- بنتونیت به‌ترتیب 10%، 4/8% و 29%، بوده است، که در غلظت cmol/kg-soil 150 به‌ترتیب به 0%، 5/1% و 4/14% رسیده است. بنابراین می‌توان گفت که اثر غلظت آلاینده فلز سنگین مس نسبت به فرآیند یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی بر رفتار خاک غالب بوده است. همچنین با افزایش درصد کربنات مصنوعی خاک کلسیم- بنتونیت، اختلاف بین شاخص تورم آزاد، پتانسیل تورم نهایی و حد روانی بعد از اعمال 10 سیکل یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی نسبت به قبل از اعمال سیکل‌های یخ‌زدن و یخ‌گشایی کاهش یافته است. به‌طوری‌که در کلسیم- بنتونیت فاقد کربنات این اختلاف به‌ترتیب 7/16%، 23% و 3/12% ، و در کلسیم- بنتونیت با 15% کربنات مصنوعی این اختلاف کمتر و به‌ترتیب 11%، 7/18% و 7% است. که این موضوع نشان‌دهنده کاهش حساسیت نمونه‌‌ها به سیکل‌‌های یخ‌‌زدن و یخ‌‌گشایی، با افزایش درصد کربنات خاک و کاهش بخش رسی نمونه‌‌ها است. از طرف دیگر استفاده از کربنات می‌‌تواند با افزایش پتانسیل جذب خاک، مانع از تغییر ساختار خاک شود. بنابراین در شرایط یخ‌زدن و یخ‌گشایی، بخش رسی قابلیت بیشتری برای خودترمیمی لایه لاینر خواهد داشت و می‌تواند سبب کاهش احتمال انتقال آلودگی از درون سیستم‌‌های پوشاننده مراکز دفن زباله در مناطق سردسیر گردد. اگر چه خاک بنتونیت کربنات‌زدایی شده غیرفعال بوده و دارای قابلیت خودترمیمی و تورم کمتر و نفوذپذیری بیشتری است ولی استفاده از آن با درصدهای مختلف کربنات مصنوعی به‌‌علت توانایی بیشتر در جذب و نگهداشت آلاینده‌‌ها نسبت به کربنات طبیعی و به‌‌منظور جلوگیری از انتقال آلاینده‌ها به محیط زیست، در سایت‌‌های دفن مهندسی زباله در مناطق سردسیر، توصیه می‌‌شود. واژه‌‌های کلیدی: یخ‌زدن و یخ‌گشایی، فلز سنگین، بنتونیت، کربنات، خودترمیمی، پتانسیل تورمی، ژئوتکنیک زیست‌محیطی.

فایل: ّFile: