پوریا رسولی

پوریا رسولی


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:

فرآيند اندرکنش بنتونیت، آلاينده‌های فلز سنگین و خاکستر بادی از منظر درشتساختاری و ريزساختاری

استاد راهنما:

پروفسور وحیدرضا اوحدی

 

اساتید داور:

 دکتر محمد ملکی، دکتر جواد طاهرنژاد

نگارش:

پوریا رسولی

مکان: سالن آمفی‏تئاتر دانشکده مهندسی

زمان: سه‌شنبه 9 مهرماه 1397، ساعت 17:30


 

Bu-Ali Sina University

Faculty of Engineering

Department of Civil Engineering

 

Thesis submitted for Master of Science in Civil Engineering Geotechnical

Title

Interaction Process of Bentonite, Heavy Metal Contaminants, and Fly Ash from Macro and Micro Structural Point of View

Supervisor:

Vahid Reza Ouhadi (Prof.)

 

Professors of the Referee:

Mohammad Maleki (Ph. D), Javad Tahernezhad (Ph.D)

 

By:

Pouria Rasouli


Location: Amphitheater of Faculty of Engineering

Time: Tuesday, October 1, at 5:30 pm

 

چكيده: با گسترش روز افزون جوامع بشری و افزایش میزان تولید آلایندههای فلزات سنگین، نیاز اساسی به جلوگیری از گسترش و انتقال این آلایندهها امری ضروری است. انتخاب روش دفن ایمن آلایندههای فلزات سنگین در اولویت است. کاربرد خاک بنتونیت به‌عنوان جاذب طبیعی آلاینده، در مباحث ژئوتکنیک زیست محیطی زیاد است از جمله میتوان به لایه رسی در مراکز دفن زباله اشاره کرد. خصوصیات لایه رسی در مراکز دفن زباله تحت تأثیر مشخصات شیرابه‌ها (غلظت و نوع فلزات سنگین) در طول زمان تغییر میکند که این با افزایش نفوذپذیری موجب ناکارآمدی لایه رسی مرکز دفن می‌شود. تحقیقات متعددی در رابطه با اصلاح ناپایداری مشخصات لایه رسی تحت تاثیر مشخصات شیرابه از طریق اضافه کردن افزودنیهایی مانند ماسه و خاکستربادی، توسط محققین در دست انجام است. خاکستر بادی پسماند ناشی از سوزاندن زغال سنگ در نیروگاه‌های برقی حرارتی است. تولید بسیار زیاد این پسماند معضلات زیست محیطی بسیاری بهمراه داشته است و دفن ایمن آن نیز بسیار پرهزینه است. بنابراین بهترین شیوه، استفاده مجدد از این پسماند با توجه به خصوصیات آن، در مصالح و سازه‌های مهندسی است. خصوصیاتی از خاکستربادی که در مباحث ژئوتکنیک و ژئوتکنیک زیست محیطی اهیمت دارد، خواص پوزولانی و وزن مخصوص کم آن است.  با توجه به خواص فیزیکی و شیمیایی انواع مختلف خاکستر بادی، میتوان آنرا به طورکلی در دو کلاس F و C طبقهبندی کرد.

 استفاده از خاکستر بادی کلاس F در تثبیت خاک‌های رسی با دامنه خمیری زیاد مانند بنتونیت بسیار مورد توجه محققین بوده و تحقیقات زیادی نیز در این زمینه صورت گرفته است. ولی تحقیقات انجام شده در رابطه با اندرکنش خاک بنتونیت حاوی خاکستر بادی در تماس با آلودگی فلزات سنگین بسیار اندک بوده است. با توجه به آنکه استفاده از ترکیب بنتونیت- خاکستر بادی میتواند موجب بهبود خصوصیات بنتونیت برای استفاده در لایههای رسی مراکز دفن زباله شود، بنابراین هدف این تحقیق بررسی نقش خاکستربادی کلاس F در تغییر خصوصیات مهندسی بنتونیت همچنین تاثیر آلودگی فلز سنگین سرب بر خصوصیات ترکیب درصدهای مختلف خاکستر بادی با بنتونیت، از منظر درشت ساختاری و ریزساختاری است.

برای این منظور غلظتهای متفاوت فلز سنگین سرب به ترکیبات بنتونیت حاوی 5 و 30 درصد خاکستر بادی افزوده شده است. بنتونیت حاوی غلظتهای متفاوت فلز سنگین سرب نیز به عنوان نمونه مرجع برای بررسی اثر افزودن خاکستر بادی در تحقیق، استفاده شده است. همچنین به منظور فهم مکانیزم اندرکنش خاکستر بادی و آلودگی، خصوصیات نمونه خاکستر بادی با افزایش غلظت آلودگی نیز بررسی شده است. به منظور بررسی فرایند اندرکنش از منظر درشت ساختاری، آزمایشهایی مانند حدود اتربرگ، تراکم، مقاومت فشاری محدود نشده و هیدرومتری بر روی نمونهها انجام شده است. همچنین به منظور بررسی اثر فرایندها از منظر یزساختاری نیز آزمایشهایی مانند اندازهگیری ظرفیت بافرینگ، رسوب و XRD بر روی نمونهها انجام شده است.

 نتایج آزمایش حدود اتربرگ بتونیت با افزودن خاکستر بادی نشان میدهد که در زمان عمل‌آوری 4 روزه، افزودن 30 درصد خاکستر بادی به بنتونیت موجب کاهش حد روانی و دامنه خمیری بنتونیت بترتیب از 319 به 222 و از 275 به 184 درصد شده است. همچنین افزودن 30 درصد خاکستر بادی موجب تغییر طبقه‌بندی بنتونیت بر اساس نمودار کاساگراند نشده است و همچنان نتقطه نظیر خاک در ناحیه  CHو نزدیک خط U باقی مانده است که بیانگر عدم تغییر قابل توجه در رفتار بنتونیت در نتیجه افزودن خاکستر بادی است. بررسی نتایج آنالیز XRD ترکیب بنتونیت- 30 درصد خاکستر بادی نیز نشان میدهد که در افزودن خاکستر بادی حتی پس از گذشت 30 روز از ترکیب خاکستر بادی با بنتونیت نیز فاز جدید تشکیل نشده است. همچنین افزودن 30 درصد خاکستر بادی موجب جابه‌جایی نقطه نظیر قله مونتموریلونیت نشده است ولی موجب کاهش مقدار شدت قله اصلی مونتموریلونیت طی زمان عمل آوری 4 روزه، از 1511 به 1410 (Cps) شده است. حد روانی بنتونیت با افزایش آلاینده سرب تا غلظت 3 (cmol/kg-soil) دارای روند افزایشی است و مقدار حد روانی بنتونیت از 319 به 415 درصد افزایش یافته است. افزودن غلظت 3 تا 200 (cmol/kg-soil) آلاینده سرب موجب کاهش حد روانی و دامنه خمیری نمونههای بنتونیت و بنتونیت- خاکستر بادی شده است، با این تفاوت که تا غلظت 10 (cmol/kg-soil) مقدار حد روانی نمونهها بیشتر از مقدار حد روانی نمونههای بدون آلاینده است. روندی مشابه نیز برای  تغییرات شاخص خمیری (PI) نمونهها با افزایش غلظت آلودگی مشاهده شده است. افزودن 200 (cmol/kg-soil) آلاینده سرب به نمونه بنتونیت-30 درصد خاکستر بادی موجب تغییر طبقه-بندی خاک از CH به MH شده است. آلاینده فلز سنگین سرب موجب تغییر در ساختار خاک و در غلظت‌های زیاد موجب حل شدگی کانی‌های رسی می‌شود. این مطلب از جابهجایی قله اصلی نظیر مونتموریلونیت با افزایش غلظت آلودگی و کاهش شدید شدت قله اصلی مونتموریلونیت نمونههای حاوی 200 (cmol/kg-soil) آلاینده فلز سنگین سرب در آنالیز XRD  به خوبی مشهود است. همچنین افزودن آلاینده سرب موجب تغییر ساختار خاک بنتونیت و بنتونیت-خاکستر بادی از پراکنده به درهم شده است. بنابراین افزودن غلظت‌های 20 تا 200 (cmol/kg-soil) سرب، به نمونههای بنتونیت و بنتونیت-خاکستر بادی موجب رسوب کامل این نمونهها در مدت زمان 24 ساعت شده است. بررسی نتایج مقاومت فشاری محدود نشده (UCS) نمونه-ها نیز نشان میدهد، افزایش خاکستر بادی تا 30 درصد به دلیل تراکم بهتر، موجب افزایش مقاومت فشاری محدود نشده، شده است. ولی افزایش زمان عمل آوری نمونه‌ها از 7 تا 90 روز، تغییر  قابل توجه و معنا داری در مقادیر UCS نمونه‌های بنتونیت حاوی درصدهای مختلف خاکستر بادی ایجاد نکرده است. افزودن خاکستر بادی به بنتونیت تحت غلظتهای متفاوت آلودگی فلز سنگین سرب موجب شده است که  مقاومت فشاری محدود نشده نمونههای حاوی 30 درصد خاکستر بادی نسبت به نمونه بنتونیت افزایش یابد. همچنین افزودن 30 درصد خاکستر بادی به بنتونیت تاثیر زیادی بر ظرفیت بافرینگ بنتونیت نداشته است بطوریکه ظرفیت بافرینگ بنتونیت از حدود 140 (cmol/kg-soil) با افزودن 30 درصد خاکستر بادی به حدود 120 (cmol/kg-soil) رسیده است و ترکیب بنتونیت-30 درصد خاکستر بادی همچنان ظرفیت بافرینگ زیادی دارد. بنابراین به نظر میرسد، استفاده از خاکستر بادی میتواند موجب بهبود خصوصیات بنتونیت به خصوص در تماس با آلودگی فلز سنگین سرب شود.

واژههای کلیدی: بنتونیت، خاکستر بادی، آلاینده فلز سنگین سرب، حدود اتربرگ، UCS

 

Abstract:

                 With the development of human societies and the increase in the production of different type of waste, especially heavy metal contaminants, it is essential to prevent the spread and transfer of these contaminants to soil and ground water. The choice of safe dumping method for heavy metals is one of the priorities. The application of bentonite soil as a natural contaminant absorber is high in environmental geotechnical projects, including the clay liner in landfill sites. The clay liner properties in landfills are affected by the characteristics of the leachate (concentration and type of heavy metals) over time, which increase the permeability due to the soil-contaminant interaction. Several investigations have been carried out by investigators regarding the instability of clay liner specifications under the influence of leachates characteristics by adding additives such as sand and fly ash. Residual fly ash produces from coal burning in thermal power plants. The huge production of this waste has caused many environmental problems and its safe burial is also very costly. Therefore, the best trend is the reuse of this waste according to its characteristics, in engineering materials and structures. The important properties of fly ash in the geotechnical and environmental geotechnical topics are pozzolanic properties and low specific gravity. Due to the physical and chemical properties of different types of fly ash, it can be generally classified in two classes F and C.

Even though there have been several researches on the use of flay ash in the mixture with bentonite there are only a few research on the investigation of bentonite-fly ash interaction with heavy metal contaminant. Considering that the use of mixture of bentonite-fly ash composition can improve the properties of bentonite for application in clay liner of landfill sites, therefore, the purpose of this study was to investigate the role of class F fly ash in the change of engineering properties of bentonite as well as the effect of heavy metal contaminant of Pb on this interaction process, from macro and micro structural point of view.

For this purpose, different concentrations of heavy metal Pb have been added to bentonite samples containing 5 and 30% fly ash. Bentonite containing different concentrations of heavy Pb metal is also used as a reference sample to study the effect of adding fly ash in the interaction process. In addition, in order to understand the interaction mechanism of fly ash and contaminant, the specimens of the fly ash with increasing concentration of contamination are also investigated. In order to investigate the interaction process from macro structural point of view, experiments including atterberg limits, compaction, unconfined strength compression test and hydrometer test were carried out. Furthermore, in order to investigate the micro structural point of view of these interactions, experiments including buffering capacity, sedimentation and XRD were performed.

Results of the atterberg limits tests of mixture of bentonite-30% fly ash after 4 days treatment showed that the liquid limit and plasticity index reduced from 319 to 222 and 275 to 184%, respectively. Moreover, the addition of 30% of the fly ash does not change the classification of bentonite according to the Casagrande plasticity chart (PI versus LL), and the soil remains in the CH region near the U line, which indicates no significant change in the behavior of bentonite as a result of adding fly ash. In general, as fly ash content increases, both LL and PI decrease for all the specimens. Analysis of the XRD results indicates that by addition of 30% fly ash to bentonite, the new phase is not formed even after 30 days curing. Besides, the addition of 30% of the fly ash has not caused the displacement of the montmorillonite peak, but has reduced the intensity of the main montmorillonite peak during the 4 days treatment period, from 1511 to 1410 (Cps) in XRD analysis. Increasing the concentration of Pb contaminant in bentonite to 3 (cmol/kg-soil) has increased the liquid limit of bentonite from 319 to 415%. The liquid limit and plasticity index of bentonite and mixture of bentonite-fly ash samples have reduced by increasing the heavy metal concentration from 3 to 200 (cmol/kg-soil) in bentonite. A similar process has been observed for changes in the plasticity index (PI) of samples with increasing of Pb concentrations. Furthermore, addition of 200 (cmol/kg-soil) Pb contaminant to bentonite-30% of fly ash has changed soil classification from CH to MH. Besides, high concentrations of Pb, leads to the dissolution of clay minerals. This is clearly evident from the displacement of the main peak in XRD analysis, such as montmorillonite, with increasing concentrations of contamination and reduction in the intensity of the montmorillonite peak. Furthermore, the addition of lead contaminants has directed to a change in the soil structure of bentonite and mixture of bentonite-fly ash from dispersed to flocculated/aggregated. Therefore, addition of concentrations of 20 to 200 (cmol/kg-soil) heavy metal Pb contaminant to bentonite and mixture of bentonite-fly ash samples resulted in complete sedimentation of these samples within 24 hours. Investigation of unconfined compressive strength (UCS) results also shows that the increase of fly ash content to 30%, due to better compaction, increased the unconfined compressive strength. However, increasing the curing time of the specimens from 7 to 90 days did not significantly change the UCS values of bentonite specimens containing different percentages of fly ash. The results show that adding fly ash to bentonite under varying concentrations of heavy metal contamination leads to an increase in the unconfined compressive strength of samples containing 30% of fly ash as compared to bentonite samples. Moreover, addition of 30% fly ash to bentonite did not have a significant effect on bentonite buffering capacity, so that the bentonite buffering capacity from about 140 (cmol/kg-soil) was reached by adding 30% of the fly ash to 120 (cmol/kg-soil) which is quite enough. Therefore, it seems that the use of fly ash can improve the properties of bentonite, especially in contact with heavy metal Pb contamination.

 

Keywords: Bentonite, Fly ash, Lead heavy metal contaminant, Soil Microstructure and Macrostructure.



نام: پوریا

نام خانوادگی : رسولی

جنسیت : مرد

وضعیت تاهل : مجرد

رشته تحصیلی : عمرانش

آدرس ثابت : ایران استان همدان شهرستان همدان شهرک الوند  بلوار گلستانکوچه گلستان 4پلاک 21

تلفن ثابت : 3  873  254  0813

تلفن همراه :3552 402  0918

رایانامه : p.rasouliii@gmail.com

تارخ تولد : 11/01/1371

ملیت : ایرانی

محل تولد: همدان

سابقه تحصیلی :

کارشناسی ارشد رشته مهندسی عمران-مهندسی ژئوتکنیک دانشگاه بوعلی سینا همدان (با معدل 48/15)

دانشجوی کارشناسی رشته عمران در دانشگاه ملایر ( با معدل93/14)

دیپلم ریاضی و فیزیک با معدل 20/16

درس مورد علاقه دوره کارشناسی : تحلیل سازه

مقالات:

·         پوریا رسولی ، واحد قیاسی ، احمد هنرجو ، "تحلیل و طراحی شمع" دومین کنفرانس ملی مهندسی عمران، ملایر، 4 بهمن ماه سال 1393، دانشگاه ملی ملایر

·         وحید رضا اوحدی، مرتضی دیرانلو، پوریا رسولی، " تأثیر خاکستر بادی بر خصوصیات مکانیکی و ریزساختاری خاک‏های رسی" کنگره بین المللی دانشگاه تهران، اردیبهشت 97، دانشگاه تهران

·         پوریا رسولی ، واحد قیاسی ، احمد هنرجو ، "Pile Static Design Methods: A Review" دومین کنفرانس ملی مهندسی عمران، ملایر، 4 بهمن ماه سال 1393، دانشگاه ملی ملایر

 

مقام ها :

مقام اول سازه پل های ماکارونی دانشگاه ملایر  1390

 

 

سوابق کاری :

کارآموزی به مدت 240 ساعت در شرکت صنعت بتن بریس  (قطعات پیش ساخته تراورس بتنی)

 

 

مهارت ها:

Welding Research & Engineering (Visual Testing Level 2)

 Welding Research & Engineering (Liquid Penetrant Testing Level 2)

تحلیلگر و طراح سازه های سه بعدی با برنامه ETABS

تحلیلگر و طراح پی با برنامهSafe

آشنایی  با نرم افزارهای SAP2000 , AutoCAD  

آشنایی  با نرم افزارهای Office

ساخت وطراحی پل های ماکارونی

معرف : محسن  مقدم 1  765  627  0918

mohsen.moghadam1990@yahoo.com