دانشگاه بوعلی سینا
دانشکده مهندسی
گروه مهندسی عمران
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی عمران گرایش مکانیک خاک و پی
عنوان:
تأثیر تثبیت با آهک و سرباره فولادسازی ذوب آهن اصفهان (BOS) بر دوام خاک رسی و خاک رس آلوده به مواد شیمیایی
استاد راهنما:
دکتر مسعود مکارچیان
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده:
خاکهای ریزدانه رس‌دار همواره باعث ایجاد مشکل در پروژههای عمرانی شده‌اند، یکی از روش‌های بهبود خواص خاکهای مسأله‌دار رسی، استفاده از آهک به‌منظور تثبیت خاک است، در صورتی که خاک حاوی یون سولفات باشد یا خاک تثبیت شده در معرض آب سولفاته قرار گیرد، حضور آهک نه‌تنها باعث کاهش تورم لایه تثبیت شده نمی‌شود، بلکه نتیجه عکس داده و سبب افزایش تورم می‌گردد. این پدیده به علت انجام واکنش‌های شیمیایی بین کانیهای رس، آهک و سولفات است که منجر به تشکیل کانیهای اترینگایت و تاماسایت شده و این کانی‌ها با جذب آب به‌شدت متورم میشوند. اخیراً ترکیبات شیمیایی جدیدی برای تثبیت خاکهای رسی مورد استفاده قرار گرفته است که در این میان استفاده از سرباره فولادسازی ((BOS روش جدیدی برای افزایش مقاومت خاک رس محسوب میشود. در مناطق سردسیر، عمق یخبندان ممکن است به خاک لایه بستر راه‌ها نیز برسد که در نهایت منجر به کاهش مقاومت و ظرفیت باربری خاک به علت افزایش رطوبت ناشی از آب شدن یخ میشود.
در این تحقیق تاثیر سرباره فولاد ذوب آهن اصفهان بر دوام خاک رس، در دو حالت بدون آلودگی و آلوده به مواد شیمیایی (سولفات سدیم و منیزیم) به کمک آزمایش تک‌محوری مورد بررسی قرار گرفته است. خاک مورد استفاده در این تحقیق خاک رس کائولینیت است که با درصدهای مختلف آهک و سرباره، در درصد رطوبت بهینه مخلوط شده و پس از دوره عمل‌آوری 28 روزه در دمای 35 درجه سانتی‌گراد، تحت آزمایش‌های دوام قرار گرفته است. نمونه‌ها برای تحمل 6 سیکل متوالی ساخته شدند و برای اطمینان از نتایج آزمایش‌ها از هر حالت 3 نمونه ساخته شد. بالغ بر 400 نمونه تک‌محوری جهت آزمایش‌های دوام ساخته شد. لازم به ذکر است که در آزمایش تر و خشک شدگی به دلیل از بین رفتن نمونه‌های بدون قالب در آب، نمونه‌ها همراه با قالب در آب غوطه‌ور شدند.
نتایج نشان داد که سرباره به‌تنهایی و در مجاورت آهک سبب بهبود مقاومت و دوام خاک رس میشود. همچنین نتایج، حاکی از افت مقاومت بیشتر سیکل‌های یخ زدن و آب شدن، در مقایسه با سیکل‌های تر و خشک شدگی بود. نتایج آزمایش‌های دوام نشان داد که، سولفات سدیم در مقایسه با خاک آلوده به سولفات منیزیم و حالت خاک بدون آلودگی سبب افت مقاومت بیشتری شد. به‌طور کلی درزمینه استفاده از (BOS) در تثبیت خاکهای رسی تحقیقات کمی انجام شده است، از آنجا که سرباره ماده زائدی در طبیعت به‌حساب می‌آید، لذا نتایج این تحقیق می‌تواند در استفاده از این مواد زائد از نظر اقتصادی و جنبه‌های زیست‌محیطی از اهمیت خاصی برخوردار باشد.
فصل اول: مقدمه
1-1- کلیات
خاکهای رسی از نظر ظرفیت باربری و نشست، همواره در گروه خاکهای مسأله‌دار هستند و معمولاً سازه‌هایی که بر روی این نوع خاک‌ها بنا میشوند، باید تمهیدات ویژه‌ای در مورد آن‌ها در نظر گرفته شود. به‌طور کلی روش‌های مختلفی برای اصلاح خصوصیات اینگونه خاک‌ها ارائه شده است، یکی از این روش‌ها جهت اصلاح اینگونه خاک‌ها، به‌منظور افزایش ظرفیت باربری و کاهش تورم آن‌ها روش تثبیت است. با توجه به گستردگی خاکهای ریزدانه و اجبار در اجرای بسیاری از پروژه‌ها بر روی اینگونه خاک‌ها، اهمیت تثبیت خاکهای ریزدانه به‌ویژه خاکهای رسی روشن میشود. تثبیت خاک برای بهبود خصوصیات مهندسی خاکهای نامرغوب، در احداث سازه‌های مهندسی عمران مثل راه‌ها، فرودگاه‌ها، خاکریزها، سدها و پی‌های کم عمق به‌کار می‌رود. از آنجا که رشد سریع صنعت منجر به تولید مقادیر زیادی مواد زائد شده است بیشتر این مواد استفاده مهمی ندارند و سبب مشکلات زیست‌محیطی میشوند. در بعضی موارد این مواد زائد دارای پتانسیل بالایی هستند و می‌توانند به‌عنوان ماده اولیه در صنایع ساخت سیمان و یا صنایع دیگر مفید واقع شوند. استفاده از مواد زائد نه تنها سبب کاهش مشکلات زیست‌محیطی میشود؛ بلکه به حفظ منابع طبیعی مانند آهک و سنگدانه نیز کمک می‌کند. سرباره فولادسازی دارای خواص مکانیکی مطلوبی به‌عنوان مصالح دانه‌ای است، که شامل مقاومت خوب در برابر فرسایش و ظرفیت باربری مناسب است. از سرباره به‌عنوان مصالح دانه‌ای در خاکریزها، شانه‌های خاکی بزرگراه‌ها، آسفالت پیاده‌روها، بزرگراه‌ها و سازه‌های هیدرولیکی استفاده میشود. تورم خاکهای رسی از موضوعات مهمی است که مورد توجه بسیاری از محققین قرار دارد. تورم در خاک رس می‌تواند به علل مختلف رخ دهد، یکی از این موارد، اثر مخرب وجود سولفات در خاک تثبیت شده با آهک است. جایگزینی آهک با سرباره سبب کاهش مقدار آهک آزاد و کاهش مقدار pH میشود. بنابراین با افزایش نسبت سرباره به آهک حتی در غلظت‌های زیاد سولفات، تورم کاهش می‌یابد. درنواحی سردسیر، خاک‌ها در معرض سیکل یخ زدن و آب شدن هستند. این سیکل یخ زدن و آب شدن، تغییرات مهمی بر خواص ژئوتکنیکی ایجاد می‌کند. خاکهای ریزدانه تحت تأثیر سیکل یخ زدن و آب شدن دچار تغییراتی در حجم، مقاومت و فشردگی‌پذیری، چگالی، میزان آب یخ نزده و ظرفیت باربری در ریز ساختار میشوند. صدمات ناشی از یخ زدن و آب شدن یکی از مشکلات اساسی برای خاکهای ریزدانه محسوب میشود. مقاومت و دوام توسط سیکل‌های یخ زدن و آب شدن کاهش می‌یابد. ترک‌ها و شکاف‌های ایجاد شده رایج‌ترین صدمات ناشی از یخ زدن و آب شدن محسوب میشود. لذا تورم ناشی از یخبندان و تورم ناشی از حضور سولفات در خاکهای ریزدانه تثبیت شده با آهک امر مهمی در پروژههای عمرانی محسوب میشود که لزوم تحقیقات بیشتر در این زمینه در پروژههای عمرانی احساس میشود.
2-1- اهداف پایان نامه
خاکهای ریزدانه رس‌دار همواره باعث ایجاد مشکل در پروژههای عمرانی شده‌اند، یکی از روش‌های بهبود خواص خاکهای مسأله‌دار، استفاده از آهک به‌منظور تثبیت خاک است، در صورتی که خاک حاوی یون سولفات باشد یا خاک تثبیت شده در معرض آب سولفاته قرار گیرد، حضور آهک نه‌تنها باعث کاهش تورم لایه تثبیت شده نمی‌شود، بلکه نتیجه عکس داده و سبب افزایش تورم می‌گردد. این پدیده به علت انجام واکنش‌های شیمیایی بین کانیهای رس، آهک و سولفات است که منجر به تشکیل کانیهای اترینگایت و تاماسایت شده و این کانی‌ها با جذب آب به‌شدت متورم میشوند. اخیراً ترکیبات شیمیایی جدیدی برای تثبیت خاکهای رسی مورد استفاده قرار گرفته است که در این میان استفاده از سرباره فولادسازی ( [1](BOSدر افزایش مقاومت خاک رس، روش جدیدی محسوب میشود، از آنجا که خاک‌ها از دانه‌‌‌‌‌‌‌ها و کانیهای رس تشکیل شده‌اند، در مقابل پدیده یخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدن‌های متوالی دچار مشکل میشوند و در مناطق سردسیر، عمق یخبندان ممکن است به خاک لایه بستر راه‌ها نیز برسد که در نهایت منجر به کاهش مقاومت و ظرفیت باربری خاک به علت افزایش رطوبت ناشی از آب شدن یخ میشود، در این تحقیق تاثیر سرباره فولاد ذوب آهن اصفهان بر دوام خاک رس، در دو حالت بدون آلودگی و آلوده به مواد شیمیایی (سولفات سدیم و منیزیم) به کمک آزمایش تک‌محوری مورد بررسی قرار گرفته است. به‌طور کلی درزمینه استفاده از (BOS) در تثبیت خاکهای رسی تحقیقات کمی انجام شده است، از آنجا که سرباره ماده زائدی در طبیعت به‌حساب می‌آید استفاده از این مواد زائد (در بهبود خواص خاک) از نظر اقتصادی و جنبه‌های زیست‌محیطی می‌تواند از اهمیت خاصی برخوردار باشد. این پایاننامه در ادامه تحقیقات پایان‌نامه‌های قبلی دانشکده مهندسی دانشگاه بوعلیسینا توسط اکرمی (1385)، نادری (1388)، نجاتی (1389) و صفا (1392) انجام شده‌است.
3-1- معرفی فصل های پایان نامه
فصل‌های موجود در این پایاننامه به شرح زیر است:
فصل اول: مقدمه
فصل دوم: تثبیت خاک رس با آهک و سرباره فولادسازی و اثر سولفات بر خاک رس تثبیت شده با آهک
در این فصل پس از معرفی کلی خاک رس، تاثیر آهک و سرباره در تثبیت خاک بررسی شده است. سپس تأثیر سولفات بر مقاومت و دوام خاک رس مورد بررسی قرار گرفته است. .
فصل سوم: دوام خاک در برابر یخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگی
دراین فصل تأثیر سیکل‌های یخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگی بر مقاومت و دوام خاک بررسی شده‌است.
فصل چهارم: مصالح و روش‌های آزمایش
در این فصل از پایاننامه، مراحل و روند نمونه سازی و آزمایش‌های مربوطه شرح داده شده است..
فصل پنجم: نتایج آزمایش‌ها و تحلیل نتایج
در این فصل ابتدا نمودارهای بدست آمده از نتایج آزمایش‌ها ارائه شده است سپس نتایج مورد تحلیل قرار گرفته است.
فصل ششم: نتیجهگیری و پیشنهادها
در فصل ششم، نتایج کلی به صورت خلاصه جمع‌بندی شده است و همچنین پیشنهادهای لازم جهت ادامه دادن مسیر این تحقیق و کار در زمینههای بعدی آمده است.
فهرست مراجع
در انتها فهرست مراجع مورد استفاده در این پایاننامه اراﺋﻪ شده است.
فصل دوم: تثبیت خاک رس با آهک و سرباره فولادسازی و اثر سولفات بر خاک رس تثبیت شده با آهک
1-2- مقدمه
استفاده از خاک به‌عنوان اصلی‌ترین مصالح در اکثر پروژههای عمرانی غیر قابل انکار است. توسعه چشمگیر در ایجاد فرودگاه‌ها، تونل‌ها و فضاهای زیرزمینی، احداث اسکله‌های عظیم، بزرگراه‌ها، احداث سدها و سازه‌های مربوط به آن‌ها، شبکه‌های عظیم آبیاری و زهکشی و غیره، نیاز به مصالح ساختمانی را افزایش داده است. بر این اساس امروزه استفاده از مصالح جایگزین که از نظر مهندسی کیفیتی بالاتر از مصالح مورد استفاده در گذشته را داشته و همچنین از نظر اقتصادی نیز مقرون به‌صرفه باشد، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. از جمله مهمترین و پرهزینه‌ترین مصالحی که در پروژههای مختلف عمرانی مورد استفاده قرار می‌گیرد، خاک است. توجه به این نکته که خاک نمی‌تواند تمام خصوصیات ژئوتکنیکی مورد نیاز برای پروژه‌ها را در بر داشته باشد، اهمیت استفاده از روش‌های گوناگون برای بهبود و تثبیت خاک را روشن می‌سازد [14].
خاک را می‌توان تجمعی از ذرات جامد تولید شده به‌وسیله تجزیه مکانیکی و شیمیایی سنگ‌ها معرفی کرد. آگاهی از مشخصات فیزیکی ترکیبات خاک، برای درک عملکرد آن در حین عملیات ساختمانی ضروری است [2].
خاک‌ها توده‌هایی از ذرات کانی هستند که همراه با هوا یا آب موجود در فضاهای خالی، سیستم‌های سه‌فازی را تشکیل می‌دهد. خاک‌ها بخش وسیعی از سطح زمین را پوشانده‌اند و به گستردگی و فراوانی به‌صورت مصالح ساختمانی و زیرسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند [11].
خاکهای رسی، دامنه وسیعی از کانیهای گوناگون را شامل میشود. این خاک‌ها شامل نسبت‌های متفاوتی از انواع کانیهای رسی، عمدتاً شامل کائولینیت، ایلیت، کانیهای چند‌گانه و مونت‌موریلونیت است. کانیهای غیر رسی موجود در این خاک‌ها عمدتاً کوارتز، مواد آلی و اکسیدهای کلوئیدی است. مقدار کمی از کانی رسی معین، شاید بتواند تغییرات فیزیکی-شیمیایی زیادی در خاک ایجاد کند [95].
خاکهای رسی از هوازدگی شیمیایی سنگ‌ها تشکیل میشوند. نظر به تفاوت نحوه تشکیل خاک رس با دیگر انواع خاک‌ها از قبیل شن و ماسه و لای، که از هوازدگی فیزیکی سنگ مادر تشکیل شده‌اند، خاکهای رسی از ویژگی‌های منحصر به‌فردی برخوردارند. بشر از دیرباز با خاکهای رسی و مشکلات آن آشناست [10].
خاکهای رسی از نظر ظرفیت باربری و نشست، همواره در گروه خاکهای مسأله‌دار هستند و معمولاً سازه‌هایی که بر روی این نوع خاک‌ها بنا میشوند، باید تمهیدات ویژه‌ای در مورد آن‌ها در نظر گرفته شود. به‌طور کلی روش‌های مختلفی برای اصلاح خواص اینگونه خاک‌ها ارائه شده است تا بتوان با اعمال این روش‌ها خصوصیات این نوع خاک‌ها را اصلاح نمود و به حد مطلوب رساند. یکی از این روش‌ها جهت اصلاح اینگونه خاک‌ها، به‌منظور افزایش ظرفیت باربری و کاهش تورم آن‌ها، تثبیت است. با توجه به گستردگی خاکهای ریزدانه و اجبار در اجرای بسیاری از پروژه‌ها بر روی اینگونه خاک‌ها، اهمیت تثبیت خاکهای ریزدانه، به‌ویژه خاکهای رسی، روشن میشود [78].
خاکهای رسی اغلب دارای مشکلاتی نظیر ضعف مقاومتی، تورم‌پذیری، ترک خوردن هنگام از دست دادن آب، نشست زیاد تحت سربار و حتی وزن خود، جذب رطوبت زیاد، چسبندگی زیاد هنگام کار با ماشین‌آلات ساختمانی، دوام کم در مقابل عوامل جوی نظیر دورههای تر و خشک شدگی و یا یخ زدن و آب شدن است. خاک رس آب میمکد، منبسط میشود، خشک میشود و ترک میخورد [10].
تثبیت خاک برای بهبود خواص مهندسی خاکهای نامرغوب، در احداث سازه‌های مهندسی عمران مثل راه‌ها، فرودگاه‌ها، خاکریزها، سدها و پی‌های کم عمق به‌کار می‌رود. نوع تثبیت انتخابی در هر پروژه، بستگی به ماهیت سازه و خواص ژئوتکنیکی و فیزیکی- شیمیایی خاکهای مورد نظر دارد [27].
بنابراین شناخت کلی راجع به خاک رس و همچنین تثبیت آن، امر مهمی است که در این فصل کلیاتی در این مورد به‌اختصار ذکر شده است.
2-2- کانی های رس
1-2-2- ترکیب و ساختمان کانیهای رس
کانیهای رس مرکب از سیلیکات‌های مرکب آلومینیوم، منیزیم و آهن هستند. دو واحد کریستالی
بنیادی کانیهای رس عبارتند از: 1) چهاروجهی سیلیسیم-اکسیژن و 2) هشت وجهی آلومینیوم یا منیزیم. واحدهای چهار وجهی سیلیسیم-اکسیژن از چهار اتم اکسیژن در اطراف یک اتم سیلسیم تشکیل شده است. از ترکیب واحدهای چهاروجهی، صفحه سیلیس تشکیل میشود. سه اتم اکسیژن واقع در قاعده هر چهار وجهی با چهار وجهی مجاور مشترک است. هر اتم سیلیسیم با ظرفیت مثبت 4 با چهار اتم اکسیژن با کل ظرفیت منفی 8 مرتبط شده است. از طرفی هر اتم اکسیژن در قاعده چهاروجهی به دو اتم سیلیسیم اتصال پیدا کرده است این امر موجب میشود که یک بار با ظرفیت منفی هر اتم اکسیژن بالایی هر چهاروجهی نامتعادل باقی بماند. ترکیب واحدهای هشتوجهی آلومینیوم، یک صفحه گیبسیت را تشکیل می‌دهد. اگر اتم‌های اصلی فلزی در واحدهای هشتوجهی منیزیم باشد، این صفحه‌ها بهنام صفحه بروسیت نامیده میشوند [12]. در اشکال 2-1 و 2-2 ورقه چهاروجهی سیلیکا و هشتوجهی آلومینا نشان داده شده است.
مهمترین کانیهای رسی عبارتند از :
کائولینیت[1]
ایلیت[2]
مونت‌موریلونیت[3]
در کنار سه کانی معروف مذکور، سایر کانیهای رس که معمولاً یافت میشوند عبارتند از: کلریت[4]، هالوسیت[5]، ورمیکولیت[6] و آتاپولگیت[7].
2-2-2- کائولینیت
نام کائولینیت از لغت چینی kauling به معنی رشته کوه مرتفع یا تیغه کوه گرفته شده و نام تپه‌ای در چین است [95]. کائولینیت دارای لایههای متناوب ورقههای سیلیکا-گیبسیت است که به آن ساختار 1:1 گفته میشود. هر لایه در حدود 2/7 انگستروم ضخامت دارد. این لایهها توسط پیوندهای هیدروژنی به‌یکدیگر مربوط شده‌اند. کائولینیت مانند صفحات کوچکی دیده میشوند که بعد جانبی از 1000 تا 20000 انگستروم و ضخامت آن‌ها از 100 تا 1000 آنگستروم است. مساحت سطح ذرات کائولینیت در واحد جرم در حدود 15 مترمربع بر گرم است [12]. یک پولک کائولینیت از 70 تا 100 لایه پایه تشکیل شده که اندازه پولک آن 1/0 تا 4 میکرومتر و ضخامت آن 05/0 تا 2 میکرومتر است. در کائولینیت پیوندهای هیدروژنی قوی برقرار است که سبب کاهش بار منفی می‌گردد و از آنجا که جدایی لایهها در کائولینیت صورت نمی‌گیرد، کاتیون‌های متعادل کننده، باید قاعدتاً در سطح خارجی ذره جذب شوند. در کائولینیت به دلیل پیوندهای هیدروژنی قوی، pH،[1] CEC و SSA[2] خاک دارای کمترین مقدار در بین کانیهای رسی است [95]. در شکل‌های 2-3 تا 2-5 ساختمان اتمی کانیهای رسی نمایش داده شده است.
[1] – Cation Exchangeable Capacity
[2] – Specific Surface Area
1 – Kaolinite
2 – Illite
3 – Montmorillonite
4 – Chlorite
5 – Halloysite
6 – Vermiculite
7 – Attapulgite
[1]– Basic Oxigen Steel Slag
تعداد صفحه : 210
قیمت : 14700تومان