وبلاگ

 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 آن‌ ها، 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 آن‌ ها 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 آن‌ ها، 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 دوره­ های تر و خشک شدگی و یا یخ زدن و آب شدن است. خاک رس آب می­مکد، منبسط می­ شود، خشک می­ شود 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 لایه ­های متناوب ورقه­های سیلیکا-گیبسیت است که به آن ساختار 1:1 گفته می‌شود. هر لایه در حدود 2/7 انگستروم ضخامت دارد. این لایه ­ها توسط پیوندهای هیدروژنی به‌یکدیگر مربوط شده‌اند. کائولینیت مانند صفحات کوچکی دیده می‌شوند که بعد جانبی از 1000 تا 20000 انگستروم و ضخامت آن‌ ها 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
– Basic Oxigen Steel Slag