آرمان محمدی

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