طور که در شکل مشخص است، افزايش گچ سبب پايين آمدن LL شد درحاليکه PL اندکي کاهش و سپس افزايش يافت. و منجر به کاهش PI در نمونه حاوي گچ شد. تاثيرات افزايش سولفات منيزيم نيز مشابه افزايش گچ بود.
افزايش مقدار کمي سولفات سديم منجر به کاهشLL از 73 درصد به 59 درصد شد. افزايش سولفات بيشتر تاثيري برLL نداشت. PL نيز رفتاري مشابه با LL داشت، در نتيجه PI با افزايش مقادير سولفات سديم دچار تغييرات اندکي شد [85].
اشکال 2-25 a تا c تأثيرات انواع کاتيون‌هاي فلزي بر روي حدود اتربرگ را نشان مي‌دهد. افزايش ميزان سولفات، عمدتاً سبب کاهش LL مي‌شود و مقدار اين کاهش به‌ترتيب کاتيون‌هاي فلزي در سري ليوتروپي ‌(Ca2+ Mg2+ K+ Na+) افزايش مي‌يابد. در شکل 2-25 b، تاثيرات سولفات بر PL نشان داده شده‌ است. در واقع سولفات‌هاي دوظرفيتي رفتار مشابهي بر روي PL دارند و سولفات‌هاي تک‌ظرفيتي نيز عملکرد مشابهي با هم داشتند.
کاتيون‌هاي2+ Ca و Mg2+ در ميزان سولفات کم به ميزان اندکي PL راکاهش دادند، اما در ميزان سولفات زياد سبب افزايش ميزانPL شدند. در حالي‌که Na+ وK+ باعث کاهش شديد در ميزان PL در سولفات کم شدند و در سولفات‌هاي بيشتر، تنها افزايش اندکي در ميزان PL را شامل شدند [85].
شکل 2-24- تغيير ميزان سولفات بر حدود اتربرگ [85]
شکل 2-25- اثر تغيير درصد سولفات بر حدود اتربرگ [85]
2-8-3- تاثير سولفات بر خصوصيات تراکم
افزايش آهک سبب کاهش چگالي خشک حداکثر و افزايش درصدرطوبت بهينه مي‌شود (شکل 2-26 و 2-27). تأثير سولفات‌هاي فلزي مختلف برروي چگالي خشک حداکثر (MDD)و درصد رطوبت بهينه (OMC) در نمونه خاک رس تثبيت شده با 6 درصد آهک مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد با افزودن آهک، مخصوصاً در سولفات‌هاي با غلظت کم، کاهش بيشتري در چگالي خشک حداکثر براي همه سولفات‌ها ديده مي‌شود. سولفات سديم داراي کمترين تأثير بر روي درصد رطوبت بهينه بود. سولفات‌هاي تک‌ظرفيتي و سولفات‌هاي دوظرفيتي از نظر تأثير بر خصوصيات تراکم نتايج و عملکرد مشابه‌اي داشتند که نتايج آن در شکل 2-28 نشان داده شده است .[85]
شکل 2-26- تأثير آهک بر چگالي خشک حداکثر [85]
شکل 2-27- تأثير آهک بر درصد رطوبت بهينه [85]
شکل 2-28- تاثير سولفات‌هاي فلزي مختلف بر درصد رطوبت بهينه و چگالي خشک حداکثر [85]
نتايج آزمايش‌هاي محققين در مورد تاثير سولفات‌هاي فلزي يک و دو‌ظرفيتي بر روي خاک رس کائولينيت تثبيت شده با آهک نشان داد که افزودن سولفات‌ها سبب کاهش حد رواني LL مي‌شود و مقدار اين کاهش بستگي به نوع کاتيون سولفات دارد. کاتيون‌هاي تک‌ظرفيتي حد رواني را بيشتر از کاتيون‌هاي دوظرفيتي کاهش مي‌دهند. از طرفي سولفات‌هاي متفاوت تأثيرات متفاوتي بر PL خاک رس تثبيت شده با آهک دارند. کاتيون‌هاي دوظرفيتي ميزان PL را افزايش مي‌دهند؛ در حالي‌که کاتيون‌هاي تک‌ظرفيتي سبب کاهش PL مي‌شوند. در سولفات‌هاي با غلظت زياد، کاتيون‌هاي دوظرفيتي سبب کاهش بيشتر ميزان PI در مقايسه با کاتيون‌هاي تک‌ظرفيتي مي‌شوند [85]. تأثير سولفات‌هاي فلزي دوظرفيتي بر خواص تراکم خاک رس تثبيت شده با آهک، مشابه با افزودن آهک به خاک است، به‌طوريکه اين سولفات‌ها سبب کاهش چگالي خشک حداکثر و افزايش درصد رطوبت بهينه مي‌شوند [105].
اگرچه غلظت‌هاي کم سولفات‌هاي فلزي تک‌ظرفيتي، سبب کاهش چگالي خشک حداکثر و افزايش درصد رطوبت بهينه خاک مي‌شود؛ ولي در غلظت‌هاي زياد نتيجه کاملاً برعکس مي‌شود. در واقع عامل اصلي تأثير گذار وجود سولفات است که باعث مصرف آب بيشتر در طي واکنش مي‌شود و منجر به کاهش چگالي حداکثر خاک مي‌شود. تغيير در حدود اتربرگ نيز در حين تراکم، اساساً مربوط به فرآيند تبادل کاتيون‌ها است که بر روي چسبندگي خاک رس تاثير مي‌گذارد که به غلظت سولفات‌ها و موقعيت نسبي کاتيون‌ها در سري ليوتروپي مربوط مي‌شود [85].
2-8-4- بررسي اثر سولفات‌ها بر خاک‌هاي تثبيت شده
نتايج آناليز XRD بر روي نمونه خاک رس تثبيت شده با 6 درصد آهک براي غلظت‌هاي مختلف سولفات‌هاي فلزي در جدول 2-3 نشان داده شده است. همانطور که در جدول مشاهده مي‌شود، سولفات کلسيم و سولفات منيزيم در مقايسه با سولفات‌هاي ديگر بيشترين تاثير را در تشکيل اترينگايت دارند درحالي‌که افزودن سولفات پتاسيم، منجر به تشکيل مقادير کمي از اترينگايت شد [85].
جدول2-3- نتايج آناليز XRD بر نمونه‌ خاک رس تثبيت شده با 6 درصد آهک، حاوي سولفات‌هاي مختلف و عمل‌آوري در يک هفته در دماي 30 درجه سانتي‌گراد و رطوبت نسبي 100 درصد [85]
ترکيبات
ميزان سولفات (%)
اترينگايت (%)
گچ (%)
کائولينيت (%)
ميکا (%)
کوارتز (%)
فلدسپار (%)
K+L


91
8
<0.5 1 K+L+CaSO4 1 1 <0.5 89 7 <0.5 2 2 1 - 90 7 <0.5 2 3 1 4 87 6 <0.5 2 4 1 9 83 5 <0.5 2 K+L+MgSO4 1 1 - 90 5 1 3 2 1 - 92 6 <0.5 <0.5 3 1 1 93 4 <0.5 1 4 1 2 89 6 1 1 K+L+Na2SO4 1 1 - 91 6 1 1 2 - - 87 11 1 1 3 <0.1 - 91 8 <0.5 1 4 <0.5 - 89 8 <0.5 2 K+L+K2SO4 1 <0.1 - 92 6 <0.5 2 2 <0.1 - 92 6 <0.5 2 3 <0.1 - 89 9 <0.5 2 4 <0.5 - 89 8 <0.5 2 K=Kaolinite , L=Lime مدارک زيادي وجود دارد که نشان مي‌دهد سولفات‌ها سبب تغييراتي در خاک‌هاي تثبيت شده با آهک و سيمان مي‌شوند، همانطور که درشکل 2-29 نشان داده شده است، افزايش سولفات در غلظت‌هاي کم، سبب کاهش 15 درصد در مقاومت فشاري محدود نشده ماسه تثبيت شده با 6 درصد سيمان پس از سپري شدن 180 روز دوره عمل‌آوري شده است. در حالي‌که مقاومت دراز مدت ماسه تثبيت شده با سيمان در سولفات با غلظت زياد به ميزان 20 درصد افزايش يافت [58]. شکل 2-29- تأثير مواد شيميايي مختلف بر مقاومت ماسه تثبيت شده با سيمان [58] ناحيه سايه خورده در شکل، بيانگر خاک تثبيت شده با سيمان بدون حضور مواد شيميايي است. غلظت‌‌هاي کم و زياد در شکل 2-29 به شرح جدول 2-4 است. جدول2- 4- غلظت مواد شيميايي [58] تأثير سولفات‌ها بر خاک‌هاي تثبيت شده به‌طور مستقيم با دوره عمل‌آوري، دما و ميزان آب در ارتباط است. به هر حال نتايج نشان مي‌دهد که طبيعت و نوع خاک نقش مهمي را در عملکرد خاک تثبيت شده که شامل سولفات است، بازي مي‌کند [118, 73]. 2-9- تورم ناشي از سولفات شروود يکي از اولين کساني بود که مساله حمله سولفات‌ها را مورد توجه قرار داد، وي آزمايش‌هايي براي اندازه‌گيري ميزان تاثير سولفات‌ها در خاک‌هاي تثبيت شده با آهک يا سيمان انجام داد. روش تحقيقات او بر اساس مشاهده رفتار خاک تثبيت شده غوطه‌ور در آب بود [111]. در اين آزمايش‌ها مشاهده شد که نمونه‌هاي رسي که به‌وسيله آهک يا سيمان تثبيت شده بودند و تحت تأثير يون‌هاي کلسيم و منيزيم و سولفات سديم بودند، طي چند روز تورم زيادي از خود نشان دادند، در حالي‌که نمونه‌هاي ماسه حتي بعد از يک سال هم هيچگونه تورمي از خود نشان ندادند. در واقع نتايج نشان داد که مکانيزم تورم ناشي از سولفات، به‌طور مستقيم به اندازه درصد رس خاک بستگي دارد [111]. ميچل نيز تأثير سولفات بر روي خاک تثبيت شده با آهک را بررسي کرد. تحقيقات وي بر روي خاک يکي از اتوبان‌هاي شهر لاس‌‌و‌‌گاس در ايالت نواداي آمريکا که به‌وسيله آهک تثبيت شده بود، انجام گرفت. در ابتدا پس از ساخت راه همه چيز عالي به‌نظر مي‌رسيد، ولي پس از دو سال که از ساخت راه گذشت، ترک‌ها و تغيير شکل‌هايي در بستر راه رخ داد. بررسي‌ها بر روي خرابي بستر راه نشان داد که خرابي ناشي از بار ترافيکي نبوده است و مشاهده شد که در منطقه‌هايي که خرابي رخ داده است، خاک داراي دانسيته کمتر و رطوبت بيشتري نسبت به مناطق سالم بوده است. نتايج آزمايش‌ها حاکي از اين موارد بود: 1) خاک حاوي ميزان قابل توجهي سولفات محلول بوده است. 2) خاک حاوي کاني‌هاي رسي بوده است. 3) ميزان زيادي از اترينگايت به‌وسيله آزمايش XRD در مناطقي که خرابي رخ داده است مشاهده شده است [96]. مكانيزم تورم ناشي از سولفات به اين صورت است كه كلسيم موجود در آهك با سيليكا و آلوميناي موجود در خاك رس براي تشکيل ترکيبات سمنتاسيون واكنش انجام مي‏دهند. اين واكنش‌ها معمولاً مقاومت را افزايش و خواص خميري را بهبود و پتانسيل تورم را كاهش مي‏دهند، ليكن در اثر وجود سولفات‌ها در خاك يا آب حفره‌اي، يون سولفات نيز در واكنش‌ها شركت مي‌کنند و واكنش‌هاي پوزولاني درازمدت تثبيت را قطع مي‌کنند. در عوض كاني‌هايي نظير اتر‏ينگايت39 (Ca6[Al(OH)6]2.(SO4)3.26H2O) و تاماسايت40 (Ca6[Si(OH)6]2.(SO4)2.(CO3)2.24H2O) شكل مي‏گيرند كه هر دو اين كاني‌ها در طبيعت توانايي زيادي در جذب آب دارند و به محض جذب آب، منبسط شده و باعث تورم مي‌شوند. در طول واكنش سولفات‌ها با خاك‌هاي تثبيت شده با آهك، ابتدا اترينگايت شكل مي‏گيرد و موقعي که كربنات و سيليكاي كافي در سيستم موجود باشد و درجه حرارت زير C‏?15 باشد، اترينگايت به تاماسايت تبديل مي‏شود [101, 104, 66, 41]. وجود سولفات کلسيم در خاك تثبيت شده با آهك، فقط بر واكنش‌هاي دراز‏مدت و پوزولاني آهك اثر دارد. واكنش‌هاي كوتاه مدت تبادل يو‌ن‌ها، گلوله شدن و كربناته شدن به‏سرعت انجام شده و تركيبات مورد نظر را توليد مي‏كنند، لذا پديده تورم به‏تدريج و در صورت وجود آب كافي نمايان شده و ايجاد خرابي مي‏نمايد [66]. وجود سولفات سديم در خاک منجر به تشکيل اترينگايت و تاماسايت شده در نهايت منجر به کاهش pH و نقصان آهک در دسترس مي‌شود [96]. بنابراين تثبيت خاک با آهک براي خاک‌هاي با بيش از 05/0 درصد سولفات قابل حل توصيه نمي‌شود. راجا (1990) گزارش داد که وجود سولفات در غلظت‌هاي کم (500 ppm) نيز براي تورم خاک بنتونيت -آهک کافي است [103]. تشکيل اترينگايت براي ايجاد پديده تورم سولفاتي ضروري است و قطع يا حذف تشکيل اترينگايت، تورم را کاهش مي‌دهد. وجود pH زياد براي تشکيلCSH و CAH لازم است، ولي به محض تشکيل اترينگايت، pH به‌طور قابل ملاحظه‌اي کاهش مي‌يابد. در نتيجهCSH و CAH که چسب‌هاي طبيعي هستند و همانند خميره سيمان عمل مي‌کنند، تشکيل نمي‌شوند [76]. 2-10- اترينگايت کاني‌هاي رس در pH بيشتر از 5/10 شروع به از بين رفتن مي‌کنند و با افزودن آهک، مقدار pH تا 3/12 افزايش يافته و ذرات رس کاملاً حل مي‌شوند، به دنبال آن سيليس و آلومينيم موجود در کاني‌هاي رس آزاد مي‌شوند. در چنين شرايطي اگر خاک در مجاورت يون‌هاي سولفات قرار گيرد، در صورت وجود آب کافي طبق رابطه 2-13، با گذشت زمان کاني اترينگايت تشکيل خواهد شد. شکل اوليه اترينگايت، معمولاً در اثر واکنش‌هاي آلومين_سولفات در حضور يون کلسيم ايجاد مي‌شود. شکل ثانويه زماني تشکيل مي‌شود که کاني‌هاي فوق حل شده و مجدداً در شکاف و فضاي خالي موجود در سيستم خاک رسوب کنند. در ابتدا، شکل‌گيري اترينگايت مي‌تواند باعث افزايش مقاومت خاک گردد، چرا که شکل‌گيري اوليه اين کاني، باعث جذب آب در محيط و افزايش دانسيته خاک مي‌گردد، اما با گذشت زمان، در اثر تشکيل اترينگايت، خاک دچار تورم شده و مقاومت فشاري آن به ميزان چشمگيري کاهش مي‌يابد [104]. هانتر مکانيزم تورم و واکنش‌هاي بين آهک، رس و سولفات را به اين صورت بيان مي‌کند: (2-13)6Ca²++2Al(OH)-4 +4OH-+3(So4)2-+26H2O Ca6A12(So4)3(OH)12.26H2O عوامل متعددي بر رفتار کاني اترينگايت با گذشت زمان تأثير مي‌گذارد که از آن جمله مي‌توان به ميزان کاني‌هاي رس موجود در خاک مورد مطالعه، pH محيط، درصد رطوبت، غلظت سولفات و دما اشاره کرد [104]. براي تشکيل کاني اترينگايت بايد ميزان کاني‌هاي رسي بيشتر از 10 درصد و مقدار سولفات بيشتر از يک درصد باشد، اگر ميزان رس کمتر از 10 درصد باشد، حتي در ميزان سولفات زياد، تورم و اترينگايت کمي مشاهده ميشود [104]. ميچل و درماتاس41 در ميان کاني‌هاي رسي، کائولينيت را به‌دليل غني بودن از يون آلومينيوم نسبت به کاني‌هاي ديگر، مستعدتر جهت تشکيل اترينگايت دانسته‌اند [97]. افزايش pH به مقداري بيش از 9 منجر به حل شدن سيليس و آلوميناي موجود در خاک شده و اين پديده خود باعث شکل‌گيري واکنش‌هاي متعدد و تشکيل کاني‌هاي جديدي از قبيل اترينگايت خواهد شد [105]. محققان تشکيل اترينگايت را در دو نوع خاک رس کائولينيت و مونت‌موريولينيت در اثر حضور سولفات مورد بررسي قرار دادند. نتايج حاکي از تورم زياد در خاک رس کائولينيت تثبيت شده با آهک در مجاورت سولفات بود که دليل عمده آن مقدار زياد آلوميناي در دسترس براي تشکيل اترينگايت است؛ اما در مونت‌موريولينيت تثبيت شده با آهک در حضور سولفات، تورم به حداقل مقدار رسيد. دليل عمده آن آزاد شدن آهسته آلومينا است. آناليز XRD نيز تشکيل اترينگايت در خاک رس کائولينيت را تاييد کرد [62]. عامل اساسي جهت شروع و تکميل واکنش‌ها حضور آب است، چرا که در غياب آب کافي، چرخه فعاليت‌هاي شيميايي کامل نخواهد شد و هيچ کاني جديدي توليد نمي‌شود. کاني اترينگايت نيز از اين قاعده مستثني نيست و اين موضوع با مراجعه به رابطه 2-13 به‌خوبي مشاهده مي‌شود، چرا که هر کاني اترينگايت حاوي 26 مولکول آب است. يکي ديگر از عوامل اساسي جهت شکل‌گيري اترينگايت، درجه حرارت است به‌طوري که برخي محققين اين عامل را اصلي‌ترين عامل تورم خاک عنوان کرده‌اند، به‌طوري که نرخ شکل‌گيري اترينگايت و تورم خاک در تابستان، نسبت به ساير فصول سريعتر گزارش شده است [107]. 2-10-1- مکانيزم تورم ناشي از اترينگايت مکانيزم تورم ناشي از اترينگايت هنوز بهروشني شناخته نشده است. محققين با مطالعه در اين زمينه، سه مکانيزم را براي تورم ناشي از اترينگايت بيان کردهاند که در ادامه بهصورت مختصر ذکر شده است: مکانيزم اول: زياد شدن حجم در اثر محصولاتي که از واکنش‌ها حاصل ميشوند، مانند اترينگايت. اين محصولات دانسيتهاي کمتر از مواد واکنشدهنده دارند. مکانيزم دوم: نيروي تورم ناشي از رشد ناهمسانگرد42 اترينگايت. مکانيزم سوم: نيروي تورم ناشي از غوطهوري در آب يا رسيدن آب به محصولات توليد شده. مثال مکانيزم اول واکنش بين C3A، گچ و آب براي تشکيل اترينگايت است. ميتوان گفت براي تشکيل اترينگايت نياز به آب است که معمولاً از خارج به سيستم وارد ميشود. بهعلت وجود فضاهاي خالي، تورم زيادي رخ نميدهد و رشد کريستال‌ها در داخل فضاهاي خالي انجام ميشود؛ مگر اين‌که نيروهاي ايجاد شده، ساختار خاک را به هم بريزند. مکانيزم دوم براساس فرضيه رشد اترينگايت بيان شده است. در اين حالت نيروي ايجاد شده، باعث جدا شدن ذرات ميشود. در اين مکانيزم تشکيل اترينگايت لزوماً به معناي تورم نيست، مثلاً در سيمان ضد ‌سولفات مقدار زيادي اترينگايت تشکيل شده، ولي تورم ناچيز است. در مورد مکانيزم سوم ميتوان گفت اترينگايت وقتي در معرض آب قرار بگيرد متورم ميشود. ميزان تورم به اندازه کريستال‌هاي اترينگايت و آب جذب سطحي بستگي دارد. کريستال‌هاي کوچک تورم بيشتري نسبت به کريستال‌هاي بزرگ دارند. هرسه مکانيزم امکان وقوع دارند و مکانيزم غالب هنوز شناخته نشده است [34]. 2-11- روش‌هاي کاهش اثرات نامطلوب سولفات‌ها براي کاهش اثرات نامطلوب وجود سولفات در خاک رس تثبيت شده با آهک، چندين روش تجربي وجود دارد که به تعدادي از اين روش‌ها اشاره ميشود. 2-11-1- روش دو مرحله‌اي اختلاط خاک و آهک آهک يکي از ارزانترين و مناسب‌ترين راه حل‌ها در بهبود خاک‌هاي رسي است؛ اما در خاک‌هاي آلوده به سولفات، استفاده از آهک به‌طور مستقيم سبب افزايش تورم و تخريب خاک تثبيت شده مي‌گردد. يکي از روش‌هاي کاهش اثرات نامطلوب سولفات در خاک رس روش دو‌مرحله‌اي اختلاط خاک با آهک است [80]. مفهوم افزودن دو‌مرحله‌اي آهک بر اين فرض استوار است که افزودن اولين قسمت آهک به خاک سولفاته، شرايط تشکيل کاني‌هاي تورم‌زا مانند اترينگايت و تاماسايت را فراهم نموده و اجازه اين تورم داده مي‌شود. در حالي‌که افزودن قسمت دوم آهک و انجام عمل تراکم به کامل شدن واکنش‌هاي پوزولاني، سمنته شدن، قوام ذرات خاک و نهايتاً افزايش مقاومت کمک مي‌کند. کاربرد دو‌مرحله‌اي آهک در صورتي مي‌تواند مفيد باشد که خاک حاوي ميزان کمي از سولفات قابل حل بوده و نيز فاقد کاني‌هاي سولفيد هم باشد. اگر شرايطي که اشاره شد در نظر گرفته شود، به‌نظر مي‌رسد که خاک‌هاي حاوي سولفات قابل حل تا ppm 7000 را مي‌توان با روش دو‌مرحله‌اي تثبيت کرد [9]. در مطالعات آزمايشگاهي که فريس43 و همکارانش بر روي سه نوع خاک متورم‌شونده سولفات‌دار مربوط به تگزاس44، کاليفرنيا45 و کلرادو46 انجام دادند، نتايج نشان داد که روش دو‌مرحله‌اي به‌نحو چشمگيري باعث افزايش مقاومت و اصلاح پتانسيل تورم خاک اصلاح شده با آهک است [66]. جهانشاهي به بررسي اثر روش اختلاط دو مرحله‌اي آهک بر تورم خاک‌رس تثبيت شده با آهک با درصدهاي مختلف گچ پرداخت. نتايج نشان داد در حالت اضافه کردن آهک در يک مرحله به خاک، تورم بعد از 28 روز همچنان ادامه داشت در حاليکه در اختلاط دو‌مرحله‌اي بعد از 28 روز نرخ تورم کاهش يافت. در واقع روش دومرحله‌اي از جنبه‌هاي کاهش تورم، روش مناسب‌تري نسبت به اختلاط يک مرحله‌اي است. شکل 2-31 نشان مي‌دهد که استفاده از روش دو‌مرحله‌اي سبب کاهش 12 تا 15 درصد تورم در مقايسه با اختلاط يک‌مرحله‌اي مي‌شود [80]. شکل 2-30-تغييرات ميزان تورم در خاک رس ترکيب شده با گچ و آهک در روش اختلاط يک‌مرحله‌اي [80] شکل 2-31- تغييرات ميزان تورم در خاک رس ترکيب شده با گچ و آهک در روش اختلاط دو‌مرحله‌اي [80] همچنين نتايج آزمايش‌هاي جهانشاهي بدين‌صورت گزارش شد : 1) گچ يا سولفات کلسيم آبدار به‌تنهايي هيچ تاثيري در تورم خاک ندارد، اما سولفات کلسيم خشک (انيدريد) در مجاورت آب سبب ايجاد تورم مي‌شود. 2) مقدار اترينگايت و تاماسايت تشکيل شده بستگي به سه نوع ماده آهک، رس و سولفات و همچنين دما دارد. در واقع مشخص کردن محدوده مشخصي براي خطرات ناشي از سولفات‌ها امکان‌پذير نيست. 3) وجود سولفات کلسيم در غلظت‌هاي کم و زياد، سبب افزايش تورم در خاک‌هاي تثبيت شده با آهک در روش اختلاط يک‌مرحله‌اي شد. 4) تورم در خاک‌هاي سولفاتي در روش افزودن آهک به روش اختلاط يک‌مرحله‌اي در طي دوره زماني دراز مدت ادامه داشت. در حالي‌که در اختلاط دو‌مرحله‌اي تورم خاک در مدت زمان کوتاهي به حالت ثابت رسيد [80]. 2-11-2- روش عمل‌آوري اين روش بر اساس عمل‌آوري خاک تثبيت‌شده با آهک و قطع ارتباط موقتي آب سولفاته در مدت زمان انجام واکنش‌هاي پوزولاني است. يعني اگر در محيط خاکي سولفات نباشد، اما احتمال اين‌که در آينده سولفات محلول از طريق جريان آب وارد خاک اصلاح‌شده شود وجود داشته باشد، در اينگونه موارد قطع ارتباط موقتي آب سولفاته با محيط در مدت زمان عمل‌آوري خاک اصلاح‌شده با آب در طول مدتي که عمده واکنش‌هاي پوزولاني انجام مي‌شود، مي‌تواند به‌ميزان زيادي از نقش مخرب سولفات‌ها در افزايش تورم و کاهش مقاومت بکاهد [27]. 2-11-3- استفاده از تثبيت‌کننده‌هاي بدون کلسيم از آنجايي که کلسيم براي تشکيل کاني‌هاي متورم‌شونده اترينگايت و تاماسايت مورد نياز است، با استفاده از تثبيت‌کننده‌هاي بدون کلسيم مي‌توان امکان تشکيل چنين کاني‌هايي را حذف کرد. چندين تثبيت‌کننده بدون کلسيم از قبيل ترکيبات باريم و... در بازار موجود است؛ اما آن‌ها فاقد تاريخچه اجرايي هستند و دقت کافي در اين زمينه مي‌تواند نقطه شروع خوبي براي حل معضل خاک‌هاي داراي سولفات باشد [9]. 2-11-4- استفاده از ژئوتکستايل-ژئوگريد ترکيب ژئوتکستايل و ژئوگريد به‌عنوان راه حل مناسبي براي خاک‌هاي با خميري زياد و داراي سولفات‌هاي محلول در نظر گرفته مي‌شود. هدف از کاربرد ژئوتکستايل جداسازي لايه‌هاي روسازي از زير اساس و همچنين جلوگيري از نفوذ رس به داخل لايه‌هاي بالايي در اثر عمل ديناميکي بارهاي ترافيکي است. اگر خاک طبيعي رس با خميري زياد نباشد، از ژئوگريد به‌تنهايي نيز مي‌توان استفاده کرد [9]. 2-11-5- جايگزيني با سرباره کوره ذوب‌آهن (GGBS)47 سرباره کوره نوعي ماده جنبي است که در جريان ساخت آهن خام از کوره بلند به‌دست مي‌آيد. سرباره کوره با توجه به نحوه فرآوري به انواع مختلفي تقسيم مي‌شود. جايگزين کردن مقداري از آهک با سرباره به‌ميزان زيادي خصوصيات مهندسي خاک‌هاي گچ‌دار تثبيت‌شده با آهک را بهبود مي‌بخشد. وجود سرباره باعث کم شدن چشمگير تورم و پلاستيسيته اينگونه خاک‌ها مي‌شود [120]. استفاده از سرباره در سيمان پرتلند منجر به کاهش تخلخل، کاهش نفوذپذيري، افزايش مقاومت و افزايش مقاومت در برابر حمله سولفات‌ها مي‌شود [48]. همچنين سرباره سبب ايجاد خواص مشابهي در مخلوط آهک-گچ و سرباره مي‌شود. آهک سبب فعال شدن سرباره و هيدراتاسيون آن شده، و منجر به مصرف آهک آزاد بيشتري مي‌شود بنابراين اگر در تثبيت آهک، سرباره جايگزين آهک شود ميزان آهک آزاد کاهش مي‌يابد. ترکيب آهک با سرباره سبب کاهش بيشتر آهک آزاد مي‌شود [43]. محققين نشان دادند که تورم نمونه‌هاي خاک رس تثبيت شده با آهک و گچ در حالت اشباع به‌وسيله جايگزين کردن سرباره کاهش مي‌يابد [119]. تاثير گچ بر روي خاک رس تثبيت شده با آهک وGGBS مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج اين تحقيق شامل اين موارد است: 1) در ميزان سولفات پايين (کمتر از 1 درصد) از نظر تورم مشکلي مشاهده نشد و حتي تورم نمونه‌ها تا حدودي کاهش يافت. 2) به‌منظور حداقل کردن تورم، تراکم در قسمت تر نسبت به درصد رطوبت بهينه انجام شد. 3) براي حذف و يا کاهش مشکلات ناشي از تورم، توصيه شد که آهک مورد نظر براي تثبيت با 60 الي 80 درصد GGBS جايگزين شود [121]. جايگزيني آهک با سرباره سبب کاهش مقدار آهک آزاد و کاهش مقدار pH مي‌شود. بنابراين با افزايش نسبت سرباره به آهک حتي در غلظت‌هاي بالاي سولفات، تورم کاهش مي‌يابد [120]. در مطالعه‌اي درصدهاي مختلف کائولينيت با سرباره و آهک در حالت بدون سولفات و ترکيب با 2/4 درصد سولفات سديم مورد ارزيابي قرار گرفتند. بعد از يک دوره عمل‌آوري 28 روزه دوام نمونه‌ها توسط آزمايش‌هاي مختلف مورد بررسي قرار گرفت. آزمايش‌ها نشان داد که در درصدهاي بالاي آهک جايگزين شده با سرباره GGBS البته با ميزان آهک کافي براي فعال شدن سرباره بهترين ممانعت از حمله سولفات‌ها به‌دست آمد [122]. نتايج جالبي در مورد جايگزيني آهک با سرباره به‌دست آمده که در اينجا به اهم آن‌ها اشاره مي‌شود: 1) در اثر جايگزيني آهک با سرباره، مقاومت 7 و 28 روزه خاک کائولينيت به‌ميزان قابل ملاحظه‌اي بهبود يافت که اين افزايش مقاومت با افزودن مقدار معيني گچ محسوس‌تر شد. 2) افزودن سرباره به‌تنهايي و بدون اضافه کردن آهک، هيچ تأثيري بر افزايش مقاومت خاک ندارد. 3) افزودن سرباره به خاک تثبيت‌شده با آهک در حضور سولفات مي‌تواند مانع از شکل‌گيري کاني‌هاي اترينگايت و تاماسايت و ايجاد تورم در خاک شود. 4) مقدار آهک اضافه شده در ترکيب با سرباره بايد براي فعال کردن سرباره کافي باشد. از طرفي ميزان آهک مورد نياز نبايد از حدي بيشتر باشد که آهک آزاد سبب واکنش با سولفات و ايجاد تورم شود. 5) بيشترين مقاومت در دوره زماني کوتاه مدت در نمونه با آهک کم و سرباره زياد در مجاورت گچ حاصل شد که علت آن تسريع گچ در فعال کردن آهک و هيدراتاسيون سرباره است [120]. در دانشگاه بوعلي‌سينا نيز تحقيقاتي در زمينه افزودن سرباره فولاد ذوب آهن (GGBS) به خاک رس و بررسي اثرات آن توسط اکرمي (1385)، نادري (1388) و نجاتي (1389) صورت پذيرفته است که خلاصه‌اي از آن‌ها در فصل بعدي خواهد آمد [30 ،29 ،3]. در جدول 2-5 نيز تعداد ديگري از اين روش‌ها بيان شده است. جدول 2-5- راه‌حل‌هاي مختلف جهت مقابله با حمله سولفات‌ها در خاک [104] مرجع روش پيشنهاد شده Hawkins and Pinches (1987a) [74] به‌کار‌گيري زهکش‌هاي کافي و مد نظر قرار دادن تأثير دما در طراحي Hunter (1998) [79] جلوگيري از غرقاب شدن خاک و ايجاد زهکش Ferris et al. (1991) [66] اضافه کردن کلريد باريم قبل از تثبيت خاک با آهک Ferris et al. (1991) [66] اضافه کردن ترکيبات باريم قبل از تثبيت خاک با آهک Mitchell and Dermatas (1992) [97], Petry and Little (1992) [100], McCallister and Tidwell (1997) [93] اضافه کردن نمک ليتيم به همراه آهک و استفاده از روش دو‌مرحله‌اي آهک Depuy (1994) [61] استفاده از سرباره يا خاکستر بادي به‌همراه سيمان Tsatsos and Dermatas (1998) [116] اضافه کردن هيدروکسيد باريم به‌همراه آهک Wild et al. (1998) [120] استفاده از سرباره به همراه سيمان Rolling et al. (1999) [107] استفاده از سيمان ضد سولفات، اضافه کردن آهک در ابتدا براي حذف آلومينيوم و سولفات خاک در زمان عمل‌آوري، سپس به‌کار‌گيري خاک تثبيت شده در محل اضافه کردن پوزولان مناسب Hawkins and Pinches (1997 b) [75] ايجاد فونداسيون در اعماق زياد براي جلوگيري از تشکيل اترينگايت ايجاد زهکش‌هاي افقي براي خارج شدن ترکيبات اکسايش و يا حفظ pH زياد محيط 2-12- خلاصه و نتيجه‌گيري تورم خاک‌‌هاي رسي از موضوعات مهمي است که مورد توجه بسياري از محققين قرار دارد. تورم در خاک رس مي‌تواند به علل مختلف رخ دهد، يکي از اين موارد، اثر مخرب وجود سولفات در خاک تثبيت شده با آهک است. همچنين حضور يون سولفات به هر شکل ممکن در خاک رس تثبيت‌شده با آهک، سبب کاهش مقاومت و افزايش تورم مي‏گردد. اين پديده به‌علت انجام واکنش‌هاي شيميايي بين کاني‌هاي رسي، آهک و سولفات است که منجر به تشکيل کاني‌هاي اترينگايت و تاماسايت مي‏گردد. رشد اترينگايت سبب افزايش سطح مي‏گردد. اين کاني قابليت جذب آب زيادي دارد که سبب تورم مي‏شود. عوامل مؤثر در تشکيل اترينگايت عبارتند از: رها شدن آلومينيم موجود در رس، حضور يون سولفات در آب‌حفره‏اي و حضور کلسيم موجود در آهک. شکل‌گيري کاني اترينگايت پديده پيچيده‌اي است و با گذشت زمان اثر نامطلوبي بر خاک تثبيت شده با آهک مي‌گذارد. تحقيقات اخير در اين زمينه منجر به راهکارهاي مختلفي جهت مقابله با اثرات نامطلوب شکل‌گيري اترينگايت شده که اين روش‌ها شامل تکنيک‌هاي اجرايي و اضافه کردن مواد مختلف اعم از صنعتي و باطله به همراه آهک به منظور تثبيت خاک بوده است. رشد سريع صنعت منجر به توليد مقادير زيادي مواد زائد شده است. بيشتر اين مواد استفاده مهمي ندارند و سبب مشکلات زيست‌محيطي مي‌شوند. در بعضي موارد اين مواد زائد داراي فعاليت قابل توجهي هستند و مي‌توانند به‌عنوان ماده اوليه در صنايع ساخت سيمان و يا صنايع ديگر مفيد واقع شوند. استفاده از مواد زائد نه تنها سبب کاهش مشکلات زيست‌محيطي مي‌شود؛ بلکه به حفظ منابع طبيعي مانند آهک و سنگدانه نيز کمک مي‌کند. سرباره داراي خواص مکانيکي مطلوبي به‌عنوان مصالح دانه‌اي است، که شامل مقاومت خوب در برابر فرسايش و ظرفيت بالاي باربري مي‌باشد. از سرباره به‌عنوان مصالح دانه‌اي در خاکريزها، شانه‌هاي خاکي بزرگراه ها، آسفالت روسازي‌ها، بزرگراه‌ها و سازه‌هاي هيدروليکي استفاده مي‌شود. ترکيبات شيميايي و کاني‌شناسي سرباره، مشابه سيمان پرتلند است. در واقع نوعي سيمان پرتلند ضعيف با ميزان پايين C3S به‌شمار مي‌‌آيد. نتايج بررسي‌ها نشان مي‌دهد که آهک و سرباره داراي تاثير مثبت در تثبيت کائولينيت است و سبب بهبود خواص خاک و افزايش مقاومت فشاري محدود نشده و افزايش دوام در برابر سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن مي‌شوند. اين بهبود بستگي به ميزان آهک و سرباره و همچنين دوره عمل‌آوري دارد. استفاده از اين افزودني‌ها براي تثبيت کائولينيت، سبب واکنش‌هاي کوتاه‌مدت (کاهش خواص خميري) و واکنش‌هاي دراز‌مدت پوزولاني و در نتيجه افزايش مقاومت مي‌شود. با توجه به اينکه تاثير مواد شيميايي آلوده کننده بر دوام خاک رس تثبيت شده با آهک و سرباره تاکنون مورد بررسي قرار نگرفته است، لذا ضرورت انجام اين تحقيق در تکميل پايان‌نامه ديگري در دانشگاه بوعلي‌سينا (صفا، 1392) [20]، احساس شد. لذا در اين پايان‌نامه تاثير سولفات سديم و منيزيم بر خاک رس تثبيت شده با آهک و سرباره مورد بررسي قرار گرفت. فصل سوم دوام خاک در برابر يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگي 3-1- تورم در اثر يخبندان به بالا آمدن سطح روسازي در اثر يخ زدن ذرات آب و تشکيل عدسي‌‌هاي يخ در خاک بستر و يا در لايه‌هاي اساس و زير‌اساس تورم در اثر يخبندان گفته مي‌شود. آب موجود در منابع آب زيرزميني در اثر خاصيت مويينگي خاک‌هاي ريزدانه بالا آمده و پس از رسيدن به قسمت‌هاي سرد سيستم روسازي، يخ زده و عدسي‌هاي يخ تشکيل مي‌شود. حجم آب به‌علت يخ زدن افزايش مي‌يابد که منجر به افزايش حجم خاک و مصالح روسازي مي‌شود. تشکيل کريستا‌ل‌هاي يخ سبب جذب مقدار بيشتري از ذرات آب زيرزميني مي‌شود. در اثر اين پديده، ميزان رطوبت و در نتيجه ضخامت يخ‌ها مرتباً افزايش مي‌يابد که ممکن است منجر به تورم و خرابي روسازي شود [17]. 3-2- اثرات منفي يخبندان بر روسازي‌ها 1) تورم روسازي در اثر يخبندان و منجر شدن به شکست و خرابي روسازي. 2) کاهش قدرت باربري روسازي در موقع آب شدن يخ‌ها [22]. 3-3- عوامل اساسي براي متورم شدن روسازي در اثر يخبندان تورم ناشي از يخبندان در روسازي و زيرسازي راه هنگامي بروز خواهد کرد که سه عامل در يک پروژه وجود داشته باشد؛ چنانچه حتي يکي از اين عوامل در پروژه مورد طراحي وجود نداشته باشد، تاثير يخبندان در نظر گرفته نمي‌شود: 1) هواي سرد با دماي زير صفر درجه. 2) وجود خاک‌هاي ريزدانه و مصالحي که بيش از 3 درصد دانه‌هاي کوچکتر از 20 ميکرون داشته و در مقابل يخبندان حساس باشد. 3) تراز آب زيرزميني در عمق نسبتاً کم (کمتر از 3 متر) باشد [17]. 3-4- راهکارهاي جلوگيري از يخبندان عوامل جوي به‌خصوص آب، يخبندان و تغيير درجه حرارت به‌طور مستقيم يا غيرمستقيم بر روسازي اثر کرده و موجب خرابي آن مي‌شود. نفوذ آب در روسازي باعث کاهش مقاومت مصالح روسازي و به‌خصوص خاک بستر و همچنين کاهش قابليت باربري سيستم روسازي و خرابي آن مي‌گردد. اگر ضخامت کل روسازي به‌طور صحيح انتخاب نشده و روسازي بر روي خاک قابل تورم ساخته شود، احتمال نفوذ آب به زير روسازي وجود دارد. ممکن است در اثر برودت، آب موجود در خاک بستر روسازي يخ زده و متورم شده و باعث خرابي گردد. عوامل موثر در جلوگيري از يخبندان به اين شرح است: الف- افزايش ضخامت روسازي: به‌منظور رفع اثر يخبندان مي‌توان ضخامت کل روسازي را از عمق نفوذ يخبندان منطقه‌اي که راه در آن احداث مي‌شود، بيشتر اختيار کرد. بدين ترتيب روسازي به‌عنوان لايه عايق حرارتي عمل کرده و از يخ زدن آب در خاک بستر جلوگيري مي‌کند. ب- استفاده از خاک‌هاي غير‌حساس در مقابل يخبندان: براي حذف اثر خاک‌هاي ريزدانه در بستر و تراز بالاتر از عمق يخبندان مي‌توان، در صورت امکان، اينگونه خاک‌ها را با مصالح غير‌حساس در مقابل يخبندان تعويض کرد و يا با استفاده از مصالح افزودني مانند آهک، سيمان، قير و.... آن‌ها را تثبيت کرد. ج- پايين آوردن سطح آب زيرزميني: سطح آب‌هاي زيرزميني را مي‌توان با استفاده از سيستم زهکشي مناسب پايين آورد. د- استفاده از عايق‌هاي حرارتي: يکي از روش‌هاي نوين جلوگيري از يخبندان، استفاده از لايه عايق حرارتي از جنس پلي‌استايرن است. اين لايه‌ها در کنار همديگر بر روي سطح آماده شده خاک بستر قرار مي‌گيرد [17]. 3-5- خاک‌هاي حساس در برابر يخ‌ زدگي خاک‌هاي حساس در برابر يخبندان عبارتند از: ماسه خيلي ريزدانه، لاي و خاک رس با نشانه خميري کمتر از 12. حفرات اين نوع خاک‌ها از طرفي به اندازه کافي کوچک هستند تا خاصيت مويينه در آنها برقرار شود، از طرف ديگر اندازه اين خاک‌ها آنقدر ريزدانه نيست که به‌علت کوچک بودن حفرات آن‌ها، غير‌قابل نفوذ باشند. در جدول 3-1 ميزان حساسيت خاک‌ها در برابر يخبندان نشان داده شده است [22]. به‌طوري‌که در اين جدول مشاهده ميشود، شن و ماسههاي تميز در برابر يخبندان غير‌حساس هستند. اين نوع خاک‌ها معمولاً قسمت اعظم مقاومت خود را در موقع آب شدن يخ‌ها حفظ مي‌کنند. از طرف ديگر لاي‌ها‌ خطرناکترين مصالح از نظر تورم در اثر يخبندان هستند. اين نوع خاک‌ها در موقع آب شدن يخ‌ها، به‌ميزان قابل توجهي مقاومت خود را از دست ميدهند. جدول 3-1- ميزان حساسيت خاک‌ها در برابر يخ ‌زدگي [21] ميزان حساسيت سيستم طبقه‌بندي خاک اشتو يکنواخت غير‌حساس A-1, A-3 GW, GP, SW, SP کم تا متوسط A-2 GM, GC متوسط A-2 SM, SC متوسط تا زياد A-7 CH, OH متوسط تا زياد A-6 CL, OL متوسط تا خيلي زياد A-4, A-5 ML-MH بر اساس مطالعات زيادي که توسط کاساگرانده انجام شد، چنين نتيجه گرديد که تمام خاک‌هاي غير‌آلي که داراي بيش از 3% دانههاي به قطر کوچکتر از 02/0 ميلي‌متر هستند، کم و بيش در مقابل يخبندان حساس هستند. بر اساس اين مطالعات، خاک‌هاي حساس در برابر يخ‌زدگي به 4 گروه تقسيم مي‌شوند که به ترتيب به F1، F2، F3 و F4 موسوم هستند. در اين طبقهبندي خاک F1 کمترين و خاک F4 بيشترين حساسيت را دارد. مشخصات اين خاک‌ها در جدول 3-2 آورده شده است [22]. جدول 3-2- طبقه‌بندي خاک‌ها از نظر حساسيت در برابر يخ‌ زدگي [22] گروه مشخصات خاک F1 خاک‌هاي شني حاوي 3 تا 20 درصد مواد ريزتر از 02/0 ميلي‌متر F2 خاک‌هاي ماسهاي حاوي 3 تا 15 درصد مواد ريزتر از 02/0 ميلي‌متر F3 خاک‌هاي شني حاوي بيش از 20 درصد مواد ريزتر از 02/0 ميلي‌متر خاک‌هاي ماسهاي حاوي بيش از 15 درصد مواد ريزتر از 02/0 ميلي‌متر خاک‌هاي رسي با نشانه خميري بيش از 12 درصد F4 لاي‌ها و لاي‌هاي ماسهدار ماسه ريزدانه لايدار حاوي بيش از 15 درصد مواد ريزتر از 02/0 ميلي‌متر خاک‌هاي رسي با نشانه خميري کمتر از 12 همچنين خصوصيات خاك‌هاي حساس در مقابل يخبندان، كه مصرف آنها در خاكريزي و بستر روسازي موجب تورم و گسيختگي سيستم روسازي مي‌شود، بر حسب درصد وزني بحراني ذرات كوچكتر از 20 ميكرون، و به تناسب ضريب يكنواختي آنها در جدول 3-3 نشان داده شده است. اين ضريب از اين رابطه به‌دست مي‌آيد: (3-1) كه در آن D60 و D10 ابعاد دانه‌هايي هستند كه به ترتيب 60 درصد و 10 درصد وزني، مواد رد شده در آزمايش دانه‌بندي داشته باشند. جدول 3-3- خصوصيات خاك‌هاي حساس در برابر يخبندان [16] درصد وزني بحراني ذرات کوچکتر از 20 ميکرون ضريب يکنواختي Cu 10 5 3 15 چنانچه ضريب يكنواختي خاك بين 5 و 15 باشد، درصد بحراني ذرات كوچكتر از 20 ميكرون با درونيابي خطي محاسبه مي‌شود. تعويض مصالح حساس در برابر يخبندان در عمليات خاكريزي بستر روسازي و يا در كف ترانشه‌ها و جايگزيني آن با مصالح غير‌حساس، بايد با توجه به شرايط محيطي پروژه انجام شود. به‌عنوان مثال، چنانچه يكي از دو عامل دماي زير صفر، يا حضور آب در عمق نفوذ يخبندان در منطقه طرح وجود نداشته باشد، مصرف خاك حساس در عمليات خاكي بلامانع است؛ زيرا پديده تورم و انبساط ناشي از يخبندان در روسازي، با حذف يكي از سه عامل يعني خاك حساس، دماي زير صفر و وجود آب در عمق يخبندان، ايجاد نمي‌‌شود [16]. 3-6- مروري بر مطالعات گذشته درنواحي سردسير، خاک‌ها در معرض سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن هستند. اين سيکل يخ زدن و آب شدن تغييرات مهمي بر خواص ژئوتکنيکي ايجاد مي‌کند. خاک‌هاي ريزدانه تحت تاثير سيکل يخ زدن و آب شدن دچار تغييراتي در حجم، مقاومت و فشردگي‌پذيري، چگالي، ميزان آب يخ نزده و ظرفيت باربري در ريز ساختار مي‌شوند [65]. در طي دوره يخ زدگي، رطوبت خاک زيرين به سمت لايه هاي يخ زده حرکت کرده و منجر به گراديان دمايي مي‌شود در نتيجه فضاي خالي خاک به‌تدريج افزايش مي‌يابد و رطوبت در شکاف‌هاي خاک منجر به يخ زدن خاک مي‌شود [77]. صدمات ناشي از يخ زدن و آب شدن، يکي از مشکلات اساسي خاک‌هاي ريزدانه محسوب مي‌شود. مقاومت و دوام توسط سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن کاهش مي‌يابد. ترک‌ها و شکاف‌هاي ايجاد شده، رايج‌ترين صدمات ناشي از يخ زدن و آب شدن محسوب مي‌شود [57]. در نتيجه تغييرات فصلي که عمده آن يخ زدن و آب شدن است، رفتار خاک به‌طور کلي تغيير مي‌يابد. انتشار ترک و گسيختگي نيز از پيامدهاي يخ زدن و آب شدن است. وجود فضاهاي خالي در خاک‌هاي ريزدانه در زماني‌که دماي هوا پايين است، سبب تشکيل عدسي‌هاي يخ مي‌شود؛ درنتيجه آب موجود در فضاهاي خالي يخ مي‌زند. در هنگام يخ زدن حجم آب تقريباً 9 درصد افزايش مي‌يابد. با افزايش سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن ترک‌ها به‌طور وسيعي گسترش يافته و انتشار مي‌يابند در نتيجه مقاومت خاک کاهش يافته و اندازه و تعداد ترک‌ها افزايش مي‌يابد [124]. پنر48، تحقيقاتي را در مورد تورم ناشي از يخ ‌زدن در خاک انجام داد و چنين نتيجه گرفت که تنها وجود يخ ‌زدن و آب ‌شدن براي ايجاد تورم ناشي از يخ‌ زدن و آب‌ شدن کافي نيست، بلکه شرايطي همچون دسترسي کافي به آب، دماي زير صفر و خاک حساس به يخ‌ زدن که ميتواند شرايط رشد عدسي‌هاي يخي را فراهم کند، مورد نياز است [99]. محققين تاثير فرآيند يخ زدن و آب شدن در ريزساختار‌هاي خاک ريزدانه را بررسي کرده و همانطور که در شکل 3-1 نشان داده شده است، براي خاک شل، فرآيند يخ زدن منجر به افزايش حجم مي‌شود و با آب شدن يخ، حجم کاهش مي‌يابد. افزايش حجم در طول دوره يخ زدن، به علت تشکيل عدسي‌هاي يخ است و کاهش حجم در طي دوره آب شدن، به‌دليل تحکيم ساختار خاک است. در خاک متراکم، فرآيند يخ زدن منجر به افزايش حجم خاک مي‌شود که با فرآيند آب شدن مقداري از افزايش حجم کاسته مي‌شود [72]. شکل 3-1- تأثير فرآيند يخ زدن و آب شدن در ريز ساختارهاي خاک ريزدانه [72] بررسي مقاومت کششي خاک‌هاي مستعد يخ زدن در محدوده صفر تا 2- درجه سانتي‌گراد نشان داد که خاک يخ زده در محدوده دماي يخ زدن، در مقايسه با خاک يخ نزده داراي مقاومت کششي بيشتري است، از طرفي مقاومت کششي ممکن است از فضاهاي خالي عدسي‌هاي يخ ناشي شود [38]. بررسي‌هاي انجام شده توسط محققين (1978) نشان داد که ويژگي‌هاي زمين‌هاي يخ زده با افزايش آهک، تا حد زيادي در برابر پديده يخ زدن و آب شدن بهبود يافت و خاک تثبيت شده با آهک رفتاري شبيه به خاک دانه‌اي داشت [108]. جانو49 و همکاران (1999) زير‌سازي تثبيت شده با سيمان پرتلند را مورد بررسي قرار دادند، نتايج آزمايش‌ها حاکي از کاهش پنجاه درصدي مقاومت فشاري، در برابر سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن بود [81]. دمپسي و تامسون50 (1968) مقاومت فشاري را به‌عنوان يکي از مهمترين پارامترها براي ارزيابي دوام و اثرات سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن بر خاک‌هاي تثبيت شده با آهک معرفي کردند [60]. سيمونسن51 و ايزاکسون52 ضعف ايجاد شده در اثر پديده يخ ‌زدن در ساختار روسازي‌ها را بررسي نمودند. بر اساس نتايج آن‌ها نوع خاک، نفوذپذيري، شرايط زهکشي و نرخ آب‌ شدن به‌طور کلي مي‌توانند به‌عنوان مهمترين عوامل مؤثر در خرابي روسازي‌ها در آب شدن بهاره در نظر گرفته شوند. همچنين کاهش 50 تا 60 درصدي را در ضريب برجهندگي خاک‌هاي ريزدانه در اثر يخ ‌زدن و آب ‌شدن گزارش نمودند [113]. محققين مقاومت برشي سيلت تثبيت شده با آهک را مورد بررسي قرار دادند، نتايج آزمايش‌ها نشان داد که سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن به‌شدت بر روي مقاومت و تغيير شکل خاک تاثير گذار است [91]. وانگ53 و همکاران، چسبندگي و زاويه اصطکاک داخلي در خاک‌هاي رسي را تحت سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن مورد بررسي قرار دادند نتايج آزمايش‌ها نشان داد که با افزايش تعداد سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن، چسبندگي کاهش و زاويه اصطکاک داخلي خاک افزايش مي‌يابد. درواقع علت کاهش چسبندگي، افزايش فضاي بين ذرات رس در اثر سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن است. نتايج اين تحقيق در شکل‌هاي 3-2 و 3-3 نمايش داده شده است [117]. شکل 3-2- رابطه تعداد سيکل يخ زدن و آب شدن و نيروي چسبندگي [117] شکل 3-3- رابطه تعداد سيکل يخ زدن و آب شدن و زاويه اصطکاک داخلي [117] هوهمن-پوربسکا54 مطالعاتي بر روي تأثير يخ‌ زدن در ريزساختار خاک‌هاي رسي از نظر پارامترهاي ژئوتکنيکي همچون نفوذپذيري و مقاومت برشي انجام داد. بر اساس آزمايش‌هاي صورت گرفته بر روي رس‌هاي مختلف با کاني‌هاي متفاوت، هوهمن-پوربسکا چنين نتيجه گرفت که نوع کاني رسي، تأثير بسيار زيادي بر پارامترهاي نامبرده دارد. عکس‌هاي به‌دست آمده از ميکروسکوپ الکتروني نشان داد که ريزساختار خاک کائولينيت در مقايسه با کاني‌هاي اسمکتيت55 دچار تخريب بيشتري ميشود. در شکل‌هاي 3-4 و 3-5 ميتوان ريزساختار دو نوع رس را قبل و بعد از يخ‌ زدن مشاهده کرد [77]. شکل 3-4- تصاوير ميکروسکوپ الکتروني از بنتونيت (a) مصالح اوليه (b) پس از اشباع شدن (c) پس از يخ زدن [77] شکل 3-5- تصاوير ميکروسکوپ الکتروني از کائولينيت (a) مصالح اوليه (b) پس از يخ‌ زدن [77] تشکيل حفرههايي با قطر يک‌صدم ميلي‌متر، که محيط را براي جابجايي رطوبت حين يخ‌ زدن آماده مي‌کند در کائولينيت بيشتر است [77]. ليو56 و همکاران به‌منظور تعيين تاثير سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن در خواص فيزيکي خاک‌ رس تثبيت شده با آهک و سيمان، ارتفاع و ميزان آب را در هر نمونه، قبل و بعد از سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن، اندازه‌گيري کردند. براي ارزيابي تغيير در ارتفاع، پارامتر R طبق رابطه (3-2) معرفي شد که در آن ميزان افزايش ارتفاع به‌دست آمده خاک يخ زده بعد از n سيکل و H0 ارتفاع اوليه اندازه‌گيري شده در خاک يخ زده است. (3-2) 0 و پارامتر T که است که افزايش ميزان آب به‌دست آمده بعد ازn سيکل و ميزان آب، در خاک يخ نزده است. در شکل 3-6 نمودار RوT در مقابل تعداد سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن براي نمونه خاک‌هاي مختلف نمايش داده شده است. شکل 3-6 نشان مي‌‌دهد که در هر سيکل، ارتفاع نمونه اندکي افزايش مي‌يابد. که بعد از سه سيکل مقدار آن ثابت مي‌شود. تغيير ارتفاع در نمونه رس از نمونه تثبيت شده با سيمان و آهک بيشتر است که علت آن قوي‌تر بودن نيروي محصور شدگي نمونه‌هاي تثبيت شده در مقايسه با نمونه رس است. در زمان يکسان ميزان آب نمونه‌ها با افزايش تعداد سيکل ها اندکي کاهش يافت که بعد از سپري شدن 8 سيکل به‌تدريج ثابت شد [89]. شکل 3-6- رابطه T (تغيير ميزان آب نمونه) و R (تغيير ميزان ارتفاع نمونه) با تعداد سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن [89] محققين تغييرات ضريب نفوذپذيري را پس از سپري شدن سيکل‌هاي متوالي يخ ‌زدن و آب شدن بر روي دو نوع رس تثبيت شده با آهک مورد بررسي قرار دادند. نتايج آزمايش‌ها نشان داد که با افزايش سيکل‌هاي يخ‌ زدن و آب شدن ضريب نفوذپذيري افزايش مي‌يابد، در واقع آهک سبب توده‌اي و درهم شدن ساختار خاک و افزايش ضريب نفوذپذيري مي‌شود. با توجه به اينکه در طول دوره يخ زدن و آب شدن ترک‌هاي افقي و قائم در خاک بوجود مي‌آيد در نتيجه اين ترک‌ها سبب افزايش ضريب نفوذپذيري مي‌شوند [125]. در شکل 3-7 تاثير سيکل يخ زدن و آب شدن بر ضريب نفوذپذيري خاک رس نمايش داده شده است. شکل 3-7- تاثير سيکل يخ زدن و آب شدن بر ضريب نفوذپذيري خاک رس [125] در طي دوره يخ زدن، رطوبت خاک زيرين به سمت لايه‌هاي يخ زده حرکت کرده و منجر به گراديان دمايي مي‌شود در نتيجه فضاي خالي خاک به‌تدريج افزايش مي‌يابد و رطوبت در شکاف‌هاي خاک منجر به يخ زدن خاک مي‌شود و نفوذپذيري خاک‌هاي ريزدانه افزايش مي‌يابد. بيشترين تاثير در نفوذپذيري بعد از اولين سيکل ثبت شده است. به‌هرحال تغييرات نفوذپذيري تا 10 الي 15 سيکل و گاهي تعداد سيکل‌هاي بيشتر ادامه مي‌يابد. دليل اين تغييرات، افزايش درجه اشباع در اثر آب ناشي از فرآيند آب شدن يخ‌ها است [53]. محققين تغييرات وزن مخصوص خشک، پارامترهاي مقاومت فشاري، بيش‌تحکيمي و ضريب برجهندگي را مورد مطالعه قرار دادند. بر اساس نتايج به‌دست آمده، براي هر خاک تحت شرايط يکسان يخ‌ زدن، مقدار وزن مخصوص خشکي به نام وزن مخصوص خشک بحراني وجود دارد که چنانچه وزن مخصوص خاک از آن کمتر باشد، پس از يخ‌ زدن و آب‌ شدن، خاک متراکم‌تر ميشود و هنگامي که وزن مخصوص خاک از اين مقدار بيشتر باشد، دانسيته خاک کاهش مييابد. همچنين آنان گزارش دادند که زاويه اصطکاک داخلي تغييرات چنداني ندارد و ضريب برجهندگي هميشه داراي روند کاهشي است [102]. ونگ و همکاران (2007) به بررسي خاک‌هاي رسي در برابر سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن پرداختند. نتايج تحقيقات آن‌ها نشان داد که خواص فيزيکي و مکانيکي خاک رس با افزايش تعداد سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن دچار تغيير مي‌شود و مدول باقي‌مانده و مقاومت شکست بعد از 3 تا 7 سيکل يخ زدن و آب شدن، به حداقل مقدار خود رسيد. بنابراين مقاومت خاک‌ها در نواحي سرد نياز به طراحي در هفت سيکل يخ زدن و آب شدن دارد [117]. عبدي تأثير سرباره فولادسازي را بر دوام خاک‌‌هاي ريزدانه در مقابل سيکل‌هاي يخ ‌زدن و آب ‌شدن به کمک آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده ارزيابي نمود. براي اين منظور خاک کائولينيت را به کمک آهک و سرباره فولاد توليدي ذوب آهن اصفهان از نوع Basic oxygen steel slag، در درصدهاي 1، 3، 5 براي آهک و 10، 15 و 20 براي سرباره نسبت به وزن خشک خاک مخلوط کردند. نمونههاي تک‌محوري در زما‌ن‌هاي 1، 7، 28 و 90 روز با دماي 35 درجه سانتي‌گراد عمل‌آوري شد. سپس نمونهها را حداکثر در معرض چهار سيکل يخ ‌زدن و آب‌ شدن قرار دادند. بر اساس نتايج اين پژوهش، کائولينيت بدون استفاده از مواد افزودني، اصلاً مقاومتي در برابر يخ ‌زدن و آب ‌شدن از خود نشان نداده است. مقادير بهينه آهک و سرباره جهت افزايش دوام در اين تحقيق به ترتيب 5 و 20 درصد به‌دست آمد. افزودن سرباره تا حدي مي‌تواند مفيد باشد و افزودن بيش از آن بيتأثير است. همچنين استفاده از آهک در کنار سرباره، اثر سرباره را ميتواند تشديد کند. نتايج اين تحقيق در جدول3-4 نشان داده شده است .[33] منظور از Di در جدول 3-4 نسبت مقاومت فشاري بعد از سيکل يخ زدن و آب شدن به مقاومت فشاري قبل از اعمال سيکل يخ زدن و آب شدن است. جدول 3-4- بررسي تاثير آهک و سرباره فولادسازي بر دوام بر خاک رس [33] کريست و پارک57 جهت شناسايي و تعيين مشخصههاي فيزيکي و مکانيکي خاک‌هاي يخ‌زده روشي را ارائه کردند که در آن توسط تحليل امواج فراصوتي58 و با کمک نظريه موج الاستيک، مشخصههاي مقاومتي خاک همچون ثابت‌هاي مدل الاستيک را براي خاک يخ‌زده به صورت درجا محاسبه ميکند. بر اساس نتايج، يک همبستگي بين مشخصههاي صوتي و پارامترهاي فيزيکي- مکانيکي به‌دست آمد که با استفاده از آن ميتوان براي خاک‌هاي مشابه از اين روش به‌صورت درجا براي تعيين مشخصههاي مقاومتي خاک يخ‌زده استفاده کرد [54]. فرايند يخ‌ زدن و آب ‌شدن بر روي خاک لايدار طبيعي که با خاکستر بادي رده C و سيمان تثبيت شده بود، با استفاده از آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده مورد بررسي قرار گرفت. مقاومت نمونههاي حاوي مقادير زياد خاکستر بادي و سيمان افزايش يافت. همچنين ايجاد و توسعه ترک‌هاي ناشي از تکرار سيکل‌هاي يخ‌ زدن و آب ‌شدن با افزودن مواد تثبيت کننده کاهش يافت و به‌طور کلي وجود خاکستر بادي و سيمان، آثار مخرب يخ‌ زدن و آب ‌شدن را تا حد زيادي کاهش داد [41]. هاريچان59 و همکاران دو نوع خاک‌ رس تثبيت شده با آهک و پوزولان را در سيکل‌هاي تر و خشک شدگي بررسي نمودند، نتايج نشان داد نمونه‌هاي تثبيت شده با آهک و پوزولان، داراي بهترين عملکرد بعد از 12 سيکل تر و خشک شدگي است، در حالي‌که نمونه‌هاي تثبيت شده با پوزولان به‌‌تنهايي، قبل از سيکل دوازدهم از بين رفتند [72]. نتايج اين تحقيق در شکل 3-8 و جدول3-5 نمايش داده شده است. جدول 3-5- درصد ترکيبات مختلف خاک رس با آهک و پوزولان [72] . شکل3-8- نتايج سيکل‌هاي تر و خشک شدگي بر مقاومت خاک رس تثبيت شده با آهک و پوزولان [72] منحني‌هاي شکل 3-8 نشان مي‌دهد که نمونه‌هاي تثبيت شده با آهک و پوزولان با افزايش سيکل‌هاي تر و خشک شدگي مقاومت بهتري از خود نشان دادند و مقاومت نمونه‌ها با افزايش سيکل‌ها بيشتر شد، افزايش مقاومت نمونه‌ها به‌علت ادامه يافتن واکنش‌هاي پوزولاني در سيکل‌هاي متوالي است [72]. نتايج آزمايش تر و خشک شدگي بر خاک رس تثبيت شده با دوده سيليسي نشان داد با افزايش سيکل‌هاي تر و خشک شدگي، فشار تورم کاهش مي‌يابد. بيشترين کاهش تورم در سه سيکل اول تر و خشک شدگي رخ داد که با افزايش دوده سيليسي به خاک رس بيشترين کاهش تورم در اولين سيکل تر و خشک شدگي و در نمونه‌هاي حاوي 25 و 30 درصد دوده سيليسي اتفاق افتاد [83]. نتايج اين تحقيق در شکل 3-9 نشان داده شده‌است. شکل3-9- نتايج سيکل‌هاي تر و خشک شدگي بر فشار تورم خاک رس تثبيت شده با سيليکافوم [83] در دانشگاه بوعلي‌سينا نيز تحقيقاتي در زمينه استفاده از ميکرو‌‌سيليس در خاک رس، توسط روشن اميد (1385) و ميرجعفري (1388) صورت پذيرفته است. روشن اميد (1385) با انجام آزمايش تک‌محوري، درصد بهينه‌اي از ميکرو‌سيليس را براي اضافه کردن به خاک پيشنهاد نمود. طبق آزمايش‌هاي انجام شده اضافه شدن ميکرو‌سيليس به نمونه‌هاي آزمايش، باعث افزايش قابل ملاحظه مقاومت فشاري محدود نشده مي‌شود؛ به‌طوري‌که در برخي نمونه‌ها مقاومت فشاري محدود نشده به 8 برابر نمونه‌هاي فاقد ميکرو‌سيليس رسيد [18]. در تحقيق ديگري ميرجعفري (1388) با بررسي ميزان تورم نمونه‌هاي حاوي ميکرو‌سيليس و فاقد آن به اين نتيجه رسيد که اضافه شدن ميکرو‌سيليس به نمونه‌هاي آزمايش باعث کاهش قابل ملاحظه تورم مي‌شود [28]. تحقيقات انجام شده در زمينه افزودن سرباره به خاک رس توسط اکرمي (1385) و نادري (1388) نشان داد که با اضافه کردن سرباره به خاک‌هايي که در معرض حمله سولفات‌ها هستند، ميزان تورم کاهش و مقاومت خاک افزايش قابل ملاحظه‌اي مي‌يابد و جايگزيني درصدي از آهک توسط سرباره سبب افزايش مقاومت خاک رس تثبيت شده مي‌شود در اين تحقيق درصد بهينه آهک 2 و درصد بهينه سرباره 5 درصد گزارش شد [29] و [3]. بختياري در دانشگاه بوعلي‌سينا، تاثير دوده سيليسي را بر دوام خاک رس تثبيت شده با آهک در مجاورت سولفات به کمک آزمايش‌ مقاومت فشاري محدود نشده ارزيابي نمود. براي اين منظور خاک رس کائولينيت با درصدهاي مختلف آهک، دوده سيليسي و گچ در درصد رطوبت بهينه در دماي 45 درجه سانتي‌گراد مورد ارزيابي قرار گرفت. نمونه‌ها جهت انجام چهار آزمايش مختلف يخ زدن و آب شدن ، تر و خشک شدگي، و تر و خشک شدگي در محلول سولفات سديم و منيزيم ساخته شدند. نسبت‌هاي اختلاط به کار رفته در اين تحقيق به شرح جدول 3-6 است [4]. جدول 3-6- درصد ترکيبات مختلف خاک رس، دوده سيليسي و گچ [4] علامت اختصاري درصد آهک L درصد گچ G درصد دوده سيليسي S 6L-1G 6 1 6L-1G-5S 6 1 5 6L-5S 6 5 نتايج اين تحقيق در شکل‌هاي 3-10 تا 3-12 نشان داده شده‌است. شکل 3-10- نمودار حداکثر مقاومت در هر سيکل در آزمايش‌هاي چهارگانه نمونه 6L-1G [4] شکل 3-11- نمودار حداکثر مقاومت در هر سيکل در آزمايش‌هاي چهارگانه نمونه 6L-1G-5S [4] شکل 3-12- نمودار حداکثر مقاومت در هر سيکل در آزمايش‌هاي چهارگانه نمونه 6L-5S[4] مهمترين نتايج اين تحقيق شامل اين موارد است. 1. عمل تثبيت خاک رس را مي‌توان توسط ترکيبي از آهک و دوده سيليسي انجام داد. استفاده از دوده سيليسي، سبب افزايش مقاومت خاک رس تثبيت شده مي‌شود. 2. در ترکيبي که در آن از گچ به‌تنهايي در کنار آهک استفاده شده است، مقاومت فشاري در آزمايش‌هاي چهارگانه نسبت به ساير ترکيبات کمتر است که اين امر را مي‌توان به سبب ايجاد کاني‌هاي اترينگايت و تاماسايت دانست. اين کاني‌ها به‌شدت تورم‌پذيرند و در صورت قرار گرفتن در معرض رطوبت، تورم کرده و سبب تورم خاک مي‌شوند. همچنين در اين تركيب، بيشترين مقادير کرنش محوري به‌وجود مي‌آيد که اين امر به‌خاطر نرم شدن بيش از اندازه نمونه‌ها است. 3. با افزودن دوده سيليسي، سختي نمونه‌ها افزايش يافته و در نتيجه نشست سازه‌ها کاهش خواهد يافت. 4. کليه نمونه‌هايي که تحت آزمايش تک‌محوري قرارگرفتند، نشان دادند که بيشترين کاهش مقاومت و بيشترين افزايش کرنش مربوط به اولين سيکل آزمايش يخ زدن و آب شدن است و بعد از آن از افت مقاومت کاسته مي‌شود. 5. در آزمايش يخ ‌زدن و آب ‌شدن، بيشترين کاهش مقاومت در سيکل دوم مربوط به نمونه بدون دوده سيليسي و با 1 درصد گچ، و 6 درصد آهک است. همچنين اين نمونه‌ کمترين تعداد سيکل يخ‌ زدگي و آب ‌شدن را تحمل کرده است. 6. نمونه‌هاي 6L-1G-5S و 6L-5S که بيشترين سيکل‌هاي يخ‌ زدگي و آب ‌شدن را تحمل کردند، نشان مي‌دهد در اين دو نمونه وجود دوده سيليسي باعث افزايش دوام خاک تثبيت شده گرديده است. 7. با مقايسه نتايج چهار آزمايش انجام شده بر روي ترکيبات، مشخص مي‌شود اثر مخرب آزمايش يخ ‌زدن و آب ‌شدن از ديگر آزمايش‌ها بيشتر است و بعد از آن مي‌توان به آزمايش محلول سولفات منيزيم و سپس سولفات سديم اشاره کرد؛ و كمترين افت مقاومت در آزمايش تر و خشک ‌شدگي رخ داده است [4]. نجاتي تاثير سرباره دانه‌اي کوره بلند ذوب آهن اصفهان (GGBS)بر دوام خاک رس تثبيت شده با آهک در مجاورت سولفات را بررسي نمود. در اين تحقيق نمونه‌هايي با درصدهاي مختلف خاک رس، گچ، آهک و سرباره پس از دوره عمل آوري 28 روزه در دماي 45 درجه سانتي‌گراد مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج اين تحقيق نشان داد که حضور سرباره در خاک رس تثبيت شده با آهک، باعث کاهش کرنش محوري نمونه‌ها به‌هنگام گسيختگي مي‌شود که اين امر مي‌تواند از نظر کاهش پتانسيل تورم‌زائي خاک و نشست آن در اثر بارهاي وارده نيز مهم باشد. همچنين تثبيت خاک رس را مي‌توان توسط ترکيبي از آهک و سرباره انجام داد، با توجه به اينکه سرباره ماده جانبي و زائد در کوره‌هاي ذوب آهن است، لذا جايگزيني درصدي از آهک توسط سرباره سبب کاهش ميزان آهک مصرفي در پروژه‌هاي مهندسي مي‌شود که اين جايگزيني از جنبه‌هاي زيست محيطي و اقتصادي مناسب است [30]. 3-8- خلاصه و نتيجه‌گيري صدمات ناشي از يخ زدن و آب شدن يکي از مشکلات اساسي براي خاک‌هاي ريزدانه محسوب مي‌شود، در نواحي سردسير، خاک‌ها در معرض سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن هستند. اين سيکل يخ زدن و آب شدن تغييرات مهمي بر خواص ژئوتکنيکي ايجاد مي‌کند. خاک‌هاي ريزدانه تحت تاثير سيکل يخ زدن و آب شدن دچار تغييراتي در حجم، مقاومت و فشردگي‌پذيري، چگالي، ميزان آب يخ نزده و ظرفيت باربري در ريز‌ساختار مي‌شوند. در نتيجه تغييرات فصلي که عمده آن يخ زدن و آب شدن است، رفتار خاک به‌طور کلي تغيير مي‌يابد. انتشار ترک و گسيختگي از پيامدهاي يخ زدن و آب شدن است و با افزايش سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن ترک‌ها به‌طور وسيعي گسترش يافته و انتشار مي‌يابند در نتيجه مقاومت خاک کاهش يافته و اندازه و تعداد ترک ها افزايش مي‌يابد. ترک‌ها و شکاف‌هاي ايجاد شده رايج‌ترين صدمات ناشي از يخ زدن و آب شدن محسوب مي‌شود. لذا وجود خسارت‌هاي احتمالي ناشي از پديده يخ زدن و آب شدن، لزوم تحقيقات بيشتر در اين زمينه را ضروري مي‌سازد. فصل چهارم مصالح و روش‌هاي آزمايش 4-1- مقدمه در اين فصل ابتدا آزمايش‌هاي شناسايي خصوصيات مهندسي خاک مورد آزمايش و افزودني‌ها تشريح مي‌شود، سپس تأثير سرباره فولادسازي بر دوام خاک رس تثبيت شده با آهک در برابر عمل يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگي، در حالت خاک بدون آلوده کننده‌هاي شيميايي و خاک آلوده به مواد شيميايي (سولفات سديم و سولفات منيزيم) مورد بررسي قرار گرفته است. در اين تحقيق بررسي اثر دوام با درصدهاي مختلف آهک و سرباره فولادسازي با کمک آزمايش مقاومت تک‌محوري بررسي شده است. با توجه به نتايج اين تحقيق، سرباره فولادسازي که محصول فرعي و زائد کارخانجات فولادسازي است، مي‌تواند از جنبه‌هاي گوناگون مانند جايگزين درصدي از آهک با سرباره فولادسازي مفيد باشد. 4-2- مصالح به‌کار برده شده در تحقيق در اين تحقيق از خاک رس کائولينيت، آهک، سرباره فولادسازي و آب مقطر استفاده شده است. با توجه به اينکه هدف از انجام اين تحقيق بررسي اثر آلودگي‌ها (سولفات سديم و سولفات منيزيم) بر دوام خاک رس است و در ميان کاني‌هاي رسي کائولينيت به دليل غني بودن از يون آلومينيوم نسبت به کاني‌هاي ديگر جهت تشکيل اترينگايت مستعدتر است از خاک رس کائولينيت براي انجام آزمايش‌هاي دوام استفاده شد. خاک رس کائولينيت از شرکت چيني نام ايران واقع در شهر لالجين همدان تهيه شده است. معدن تهيه اين خاک شهر زنوز در استان آذربايجان شرقي واقع است. جهت تثبيت نمونه‌ها از آهک صنعتي شکفته استفاده گرديد که در کيسه‌هاي 50 کيلوگرمي در بازار مصالح شهر همدان ارائه مي‌گردد. سرباره مورد استفاده سرباره پاتيل فولادسازي ذوب آهن اصفهان است. آب مصرفي در اين پژوهش، آب مقطر است، که توسط دستگاه تهيه آب مقطر در آزمايشگاه مکانيک خاک دانشگاه بوعلي‌سينا توليد شده است. مواد شيميايي مورد استفاده در اين تحقيق با نام تجاري مرک (Merk) نيز، از شهر تهران تهيه شد. 4-3- آزمايش دانه‌بندي منظور از آزمايش دانه‌بندي، جداسازي دانه‌هاي خاک در اندازه‌هاي مختلف است که هر بخش به صورت درصدي از کل نمونه خشک بيان مي‌شود. در قسمت ريزدانه خاک، براي اندازه‌گيري قطر دانه‌ها از روش هيدرومتري استفاده مي‌شود. اين آزمايش بر اساس اندازه‌گيري وزن مخصوص مايع يا گرم در ليتر دانه‌هاي معلق در خاک است که با گذشت زمان به‌تدريج که دانه‌ها رسوب مي‌کنند، وزن مخصوص مايع کاسته مي‌شود. لذا ميزان کاهش وزن مخصوص مبناي محاسبه مقدار و اندازه ذرات معلق در آب است. براي خاک‌هايي که بيش از 90% ريزتر از الک 200 باشند، آزمايش هيدرومتري انجام مي‌گيرد که اين آزمايش بر پايه قانون استوکس و کروي بودن دانه‌هاست [1]. آزمايش هيدرومتري بر اساس استاندارد شماره ASTM D421-58 انجام شد [44]. 4-3-1- دانه‌بندي کائولينيت با توجه به اينکه 100% خاک مصرفي از الک 200 رد شد، بنابراين براي دانه‌بندي از روش هيدرومتري استفاده شد. در اين آزمايش از هيدرومتر 152H و محلول 4 درصد هگزامتافسفات سديم استفاده شد. مقدار خاک نمونه جهت انجام اين آزمايش، 50 گرم بود. 4-4- آزمايش تعيين درصد رطوبت خاک هدف از اين آزمايش، تعيين درصد وزني رطوبت خاک است. در بسياري از خاک‌ها درصد رطوبت طبيعي يکي از خواص فيزيکي مهم است که رفتار خاک را در رابطه با حدود اتربرگ بيان مي‌کند. در خاک‌هاي ريزدانه، پايداري و مقاومت خاک بستگي به درصد رطوبت آن دارد. اين آزمايش بر اساس استاندارد شماره ASTM D2216-90 انجام شد [44]. 4-5- آزمايش تعيين چگالي (Gs) چگالي ويژه يک خاک يا Gs عبارت است از نسبت وزن حقيقي حجم مشخصي از ذرات خاک، به وزن حقيقي همان حجم آب مقطر در دماي 4 درجه سانتي‌گراد. وزن مخصوص ويژه خاک اغلب براي روابط وزني-حجمي خاک به‌کار مي‌رود [1]. براي انجام اين آزمايش نمونه‌هاي 25 گرمي از هر نوع ماده انتخاب شد و آزمايش براي هر نوع ماده 3 بار تکرار و ميانگين آن‌ها به‌عنوان وزن مخصوص ماده مورد نظر محسوب شد. اين آزمايش بر اساس استاندارد شماره ASTM D854-87انجام گرفت [44]. 4- 6- آزمايش حد رواني و خميري خاک ريزدانه بر حسب درصد رطوبتش مي‌تواند در يکي از حالات جامد، نيمه‌جامد، خميري و مايع دسته‌بندي شود. حد رواني، درصد رطوبتي است که در آن و رطوبت‌هاي بيشتر از آن، خاک به‌صورت سيال لزج عمل مي‌کند و حد خميري، درصد رطوبتي است که خاک تا قبل از حد رواني، به‌صورت خميري رفتار مي‌کند [1]. اين آزمايش بر اساس استاندارد شماره ASTM D4318-83 انجام گرفت [44]. 4-7- آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده (تک‌محوري)60 معمولاً از اين آزمايش براي تعيين مقاومت برشي خاک‌هاي چسبنده استفاده مي‌شود. اين آزمايش، ساده‌ترين روش تعيين پارامتر‌هاي مقاومت برشي است و در تعيين مقاومت درجاي خاک نيز از آن استفاده مي‌شود. اين آزمايش را مي‌توان آزمايش سه‌محوري UU با فشار همه جانبه صفر ناميد. انجام آزمايش مقاومت برشي در خاک‌هاي چسبنده، بسيار پيچيده‌تر از خاک‌هاي دانه‌اي است. خاک‌هاي دانه‌اي از ذراتي تشکيل شده‌اند که به‌علت اندازه و شکل، داراي سطح مخصوص کوچکتري هستند و در آن‌ها رفتار نيروهاي جرمي مانند وزن بيشتر از نيروهاي سطحي، کنترل‌کننده است. از طرف ديگر ذرات خاک چسبنده به‌علت شکل و اندازه‌اي که دارند، داراي سطح مخصوص زيادي بوده و رفتار آن‌ها بيشتر تابع نيروهاي سطحي است تا نيروهاي جرمي. مقاومت برشي خاک‌هاي چسبنده از دو نوع مقاومت اصطکاکي و مقاومت چسبندگي ناشي مي‌شود. مقاومت اصطکاکي تابع نيروهاي وزني است که اغلب در خاک‌هاي دانه‌اي وجود دارد و مقاومت چسبندگي تابع نيروهاي سطحي است. در حالتي که هيچ تنش جانبي بر نمونه وارد نشود، چسبندگي به‌عنوان مقاومت برشي خاک مطرح مي‌شود. آزمايش فشاري محدود نشده، نوع ويژه‌اي از آزمايش برشي سه‌محوري است. آزمايش فشاري محدود نشده، جهت تعيين مقاومت فشاري نمونه استوانه‌اي خاک بدون هيچ تنش جانبي است. اين آزمايش مشابه آزمايش تحکيم نيافته _ زهکشي‌نشده است و مي‌توان از آن براي تعيين چسبندگي su در خاک‌هاي رسي استفاده کرد. (4-1) su = qu / 2 که در آن qu مقاومت فشاري محدود نشده است. اين آزمايش به‌دليل عدم اعمال فشار جانبي بر نمونه، خواص زير را دارد: 1- اين آزمايش سريعترين و ساده‌ترين روش براي تعيين مقاومت برشي خاک‌هاي چسبنده است. 2- آزمايش فشاري محدود نشده فقط در خاک‌هاي چسبنده کاربرد دارد. 3- از اين آزمايش مي‌توان براي تعيين مقاومت درجاي خاک استفاده کرد. 4- با توجه به سرعت بيشتر اين آزمايش و تعداد بيشتر نمونه‌ها در آزمايش تک‌محوري، هزينه انجام آن از حالت آزمايش سه‌محوري کمتر خواهد بود. آزمايش فشاري محدود ‌نشده اين مزيت را نسبت به آزمايش برش مستقيم دارد که تنش‌ها و کرنش‌ها به‌شکل يکنواخت در نمونه ايجاد مي‌شود. همچنين سطح شکست در ضعيف‌ترين قسمت نمونه رسي اتفاق مي‌افتد [1]. آزمايش‌هاي انجام گرفته در اين پروژه، از نوع کرنش کنترل با دستگاه شکل 4-1 انجام شده است. اين آزمايش طبق استاندارد شماره ASTM D2166 - 87 انجام شد[44] . شکل 4-1- دستگاه آزمايش تک‌محوري 4-7-1- ابعاد نمونه براي تهيه نمونه از لوله PVC استفاده شد. قطر داخلي نمونه‌ها 6/3 سانتي‌متر و ارتفاع نمونه‌ها 8 سانتي‌متر بود. قطر نمونه از 3/3 سانتي‌متر، حداقل قطر نمونه که در استاندارد آمده است، بزرگتر است. همچنين نسبت ارتفاع نمونه به قطر نمونه برابر 22/2 است که در محدوده مجاز پيشنهاد شده توسط آيين‌نامهASTM که مابين 2 تا 3 است، قرار دارد. بنابراين ابعاد نمونه قابل قبول است. حداکثر قطر بزرگترين دانه نيز از 10% قطر نمونه کوچکتر است و لذا کليه شرايط مورد نظر جهت ساخت نمونه‌هاي استاندارد برقرار است. 4-7-2- تهيه و ساخت نمونه‌ها 4-7-2-1- تهيه خاک آلوده به مواد شيميايي (سولفات سديم و منيزيم) روند تهيه خاک آلوده بدين صورت بود که 40 گرم سولفات سديم و40 گرم سولفات منيزيم هرکدام به‌صورت جداگانه در 600 سي‌سي آب حل شدند (محلولppm 66666 ([20]. سپس هريک از محلول‌هاي به‌دست آمده به کيسه‌هاي 2 کيلوگرمي خاک رس اضافه شد. جهت آلوده شدن تمام ذرات خاک، ترکيب خاک و محلول سولفات سديم و منيزيم در کيسه‌هاي دربسته به مدت 14 روز نگهداري شدند. پس از گذشت 14 روز جهت خشک شدن خاک، خاک آلوده از کيسه‌هاي دربسته خارج و در محيطي پهن شد. پس از خشک شدن خاک، با توجه به اينکه خاک تبديل به گلوله‌هاي کوچک شده بود، خاک آسياب شده و از الک 200 عبور داده شد و براي انجام آزمايش‌هاي تک‌محوري آماده شد. در اشکال 4-2 تا 4-5 مراحل تهيه خاک آلوده نشان داده شده است. . شکل 4-2- افزودن محلول آلوده به مواد شيميايي به کيسه‌هاي دو کيلوگرمي خاک شکل 4-3- نگهداري خاک آلوده به مدت دو هفته در کيسه‌هاي در بسته شکل 4-4- پهن کردن خاک جهت خشک شدن خاک آلوده شکل 4-5- آسياب کردن خاک آلوده و عبوردادن از الک 4-7-2-2- ساخت نمونه‌ها جهت آزمايش تک‌محوري براي ساخت نمونه‌هاي تک‌محوري پس از مشخص شدن ميزان خاک و افزودني‌ها براي هر قالب، مواد به‌صورت خشک در کيسه دربسته کاملاً مخلوط شد پس از مخلوط شدن کامل مواد، آب به‌تدريج به آن اضافه شد، با توجه به اينکه با اضافه کردن آب در بعضي نقاط کلوخه‌هايي در خاک ايجاد شد، مخلوط حاضر از الک 10 عبور داده شد تا براي ساخت نمونه‌هاي تک‌محوري مخلوط همگني به‌دست آيد، جهت برقراري يکنواختي اختلاط خاک و آب و به‌دست آوردن مخلوطي کاملاً همگن، نايلوني که حاوي خاک مرطوب بود در داخل 3 نايلون ديگر قرار مي‌گرفت، اين عمل جهت جلوگيري از فرار رطوبت و عايق‌کاري نمونه‌ها انجام مي‌گرفت. سپس خاک داخل نمونه‌ها به‌مدت 24 ساعت جهت همگني و يکنواختي کامل مخلوط، نگهداري مي‌شد. سپس نمونه‌سازي به‌وسيله قالب‌ها آغاز مي‌گردد. بايد توجه داشت که خود خاک نيز حاوي درصد رطوبت طبيعي به مقدار خيلي کم بود که از مقدار رطوبت طبيعي خاک براي در نظر گرفتن کاهش رطوبت اختلاط در حين نمونه‌سازي صرف‌نظر شد. مخلوطي را که پس از گذشت 24 ساعت کاملاً داراي رطوبت يکنواخت است، از داخل نايلون‌ها درآورده و در 4 لايه مساوي خاک داخل قالب ريخته شد. هر قسمت در يک لايه 20 ميلي‌متري به کمک چکش و ميله تفلون کوبيده مي‌شد. نمونه‌ها به قطر 6/3 و ارتفاع 8 سانتي‌متر بودند. سپس نمونه‌ها در کيسه هاي دربسته پيچيده، به‌مدت 28 روز در دماي 35 درجه عمل‌‌آوري ‌شدند. پس از سپري شدن اين مدت، نمونه‌ها جهت آزمايش‌هاي يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگي آماده مي‌شدند. مراحل تهيه و ساخت نمونه‌ها در اشکال 4-6 تا 4-8 نمايش داده شده است. شکل 4-6- مخلوط خاک و افزودني‌ها به‌صورت خشک شکل 4-7- افزودن آب به مخلوط و گلوله شدن ذرات خاک شکل 4-8- عبور دادن خاک گلوله شده از الک 4-7-3- نمونه‌هاي به‌کار برده شده درآزمايش مقاومت فشاري محدود نشده در جدول 4-1، نسبت‌هاي مختلف اختلاط مواد با خاک رس کائولينيت آمده است. در آزمايش مقاومت فشاري محدود ‌نشده، خاک رس کائولينيت به‌تنهايي و نيز همراه درصدهاي مختلف وزني خشک از آهک و سرباره مورد آزمايش قرار گرفت. درصدهاي ترکيبات مختلف مواد، همچنين ميزان رطوبت بهينه استفاده شده در اين تحقيق از نتايج آزمايش‌هاي صفا (1392) که بيشترين مقاومت را داشته‌اند، گرفته شده است [20]. در اين پايان‌نامه اين ترکيبات تحت سيکل‌هاي يخ ‌زدن و آب شدن و همچنين سيکل‌هاي تر و خشک شدن قرار مي‌گيرند و تأثير اين سيکل‌ها بر مقاومت تک‌محوري آن‌ها مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. جدول 4-1- نسبت‌هاي مختلف اختلاط مواد با خاک رس کائولينيت [20] رطوبت بهينه ترکيبات زمان عمل‌آوري 5/20 K 28 0/24 K+6%L 28 5/18 K+12%S 28 0/22 K+4%L+12%S 28 منظور از K، کائولينيت، L، آهک و S، سرباره BOS است. 4-8- آزمايش يخ ‌زدن و آب ‌شدن براي اعمال سيکل‌هاي يخ‌ زدن و آب‌ شدن تا حد امکان سعي شد الزامات استاندارد شماره ASTM D 560-96 برآورده شود. از آنجا که اين استاندارد صرفاً جهت بررسي دوام نمونههاي خاک - سيمان بر اساس افت وزن ناشي از سيکل‌هاي يخ‌ زدن و آب ‌شدن است و از طرف ديگر، در اين پژوهش پارامترهاي مقاومتي مورد تحقيق است، در روش اتخاذي، اختلافاتي با استاندارد نامبرده وجود دارد. روش آزمايش بدين صورت است که ابتدا نمونههاي تکمحوري پس از مدت عملآوري مشخص درون فريزري در دماي 23- درجه سانتي‌گراد به مدت 24 ساعت جهت يخ ‌زدن قرار داده شدند (شکل 4-9 و 4-10). پس از اين مدت نمونهها از فريزر بيرون آورده شده، در محيط آزمايشگاه به مدت 24 ساعت در دمايي در حدود 20 درجه سانتي‌گراد قرار گرفتند. اين فرايند به‌عنوان يک سيکل يخ‌ زدن- آب ‌شدن در نظر گرفته شد. پس از اعمال هر سيکل، تعدادي نمونه مورد آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده قرار ميگرفت. شکل 4-9- قراردادن نمونه‌ها در فريزر شکل 4-10- فريزر مورد استفاده جهت آزمايش‌‌هاي يخ زدن و آب شدن نمونههاي تکمحوري که بدون قالب در فريزر نگهداري شدند، حتي قادر به تحمل يک سيکل يخ ‌زدن- آب‌ شدن با شيوه ذکر شده نبودند، لذا نمونهها با قالب در داخل فريزر قرار ‌گرفتند (شکل 4-11). شکل 4-11- از بين رفتن نمونه‌هاي بدون قالب بعد از خارج کردن از فريزر 4-9- آزمايش تر و خشک ‌شدگي براي اعمال سيکل‌هاي تر و خشک ‌شدگي تا حد امکان سعي شد الزامـــات استـاندارد شماره 559-96 ASTM D برآورده شود. از آنجا که اين استاندارد صرفاً جهت بررسي دوام نمونههاي خاک- سيمان بر اساس افت وزن ناشي از سيکل‌هاي تر و خشک ‌شدگي است و از طرف ديگر، در اين پژوهش پارامترهاي مقاومتي مورد تحقيق است، در روش اتخاذي، اختلافاتي با استاندارد نامبرده وجود دارد. روش آزمايش بدين صورت است که ابتدا نمونههاي تکمحوري پس از مدت عملآوري مشخص، همراه با قالب به‌مدت 24 ساعت به‌طور کامل درون ظرف آب قرار داده مي‌شد و پس از اين زمان به‌مدت 24 ساعت از ظرف آب بيرون قرار مي‌گرفت. اين فرايند به‌عنوان يک سيکل تر و خشک شدگي در نظر گرفته شد. پس از اعمال هر سيکل تعدادي نمونه مورد آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده قرار ميگرفت. نمونههاي تکمحوري که بدون قالب درون آب قرار مي‌گرفتند، حتي قادر به تحمل يک سيکل تر و خشک شدگي نبودند، لذا نمونهها با قالب در داخل آب قرار مي‌گرفتند (شکل 4-12). شکل 4-12- از بين رفتن نمونه بدون قالب در آب 4-10- ترکيب نمونههاي مورد آزمايش در آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده، نمونههاي مختلفي از درصدهاي مختلف مخلوط خاک با آهک و سرباره ساخته و پس از زمان عملآوري مشخص و تحت شرايط مختلف مورد آزمايش قرار گرفتند. در جدول 4-2 نسبت اختلاط مصالح با خاک ارائه شده است. جدول 4-2- مشخصات طرح‌هاي اختلاط به‌کار رفته [20] علامت اختصاري درصد آهک L درصد سرباره S K+6%L 6 K+12%S 12 K+4%L+12%S 4 12 لازم به ذکر است که درصدهاي به‌کار رفته، از مقالات علمي و نتايج قبلي در دانشگاه بوعليسينا (صفا، 1392) انتخاب شده است. ترکيبات جدول 4-2 براي 6 سيکل تر و خشک شدگي و يخ زدن و آب شدن مورد آزمايش قرار گرفتند. براي آزمايش در مورد هر نوع ترکيب، سه نمونه ساخته شد و ميانگين نتايج به‌دست آمده از آزمايش بر روي سه نمونه به‌عنوان عدد نهائي ثبت شد. در بعضي از ترکيبات به‌علت پراکندگي داده‌ها و قابل استناد نبودن نتايج، آزمايش‌ها دوباره تکرار شد. تعداد نمونه‌هاي ساخته شده جهت انجام آزمايش در جدول‌هاي 4-3 تا 4-5 ارائه شده ‌است. جدول 4-3- تعداد نمونه‌هاي ساخته‌شده جهت انجام آزمايش در خاک بدون مواد شيميايي علامت اختصاري يخ ‌زدن و آب‌ شدن تر و خشک ‌شدگي ميزان تکرار K+6%L 6 6 ----------- K+12%S 6 6 ----------- K+4%L+12%S 6 6 ----------- جدول 4-4- تعداد نمونه‌هاي ساخته‌شده جهت انجام آزمايش در خاک آلوده به سولفات سديم علامت اختصاري يخ‌ زدن و آب ‌شدن تر و خشک‌ شدگي ميزان تکرار K+6%L 6 6 يک مرتبه K+12%S 6 6 يک مرتبه K+4%L+12%S 6 6 يک مرتبه جدول 4-5- تعداد نمونه‌هاي ساخته‌شده جهت انجام آزمايش در خاک آلوده به سولفات منيزيم علامت اختصاري يخ‌ زدن و آب ‌شدن تر و خشک ‌شدگي ميزان تکرار K+6%L 6 6 يک مرتبه K+12%S 6 6 يک مرتبه K+4%L+12%S 6 6 يک مرتبه تعداد 108 عدد نمونه براي 6 سيکل يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگي ساخته شد که با احتساب تهيه سه نمونه در هر حالت و سعي و خطاهاي صورت گرفته، و پراکندگي داده ها در بعضي حالت‌ها، و تکرار دوباره آزمايش‌ها در حالت خاک‌هاي آلوده جهت آزمايش‌ تک‌محوري، حدود 400 نمونه ساخته شده است. 4-11- خلاصه جهت انجام آزمايش‌هاي مربوط به اين پايان‌نامه، از مصالح مختلفي استفاده شد. آهک صنعتي از بازار همدان و خاک رس کائولينيت نيز از کارخانه چيني‌سازي نام واقع در شهرک صنعتي لالجين همدان فراهم گرديد. سرباره فولاد سازي نيز از کارخانه ذوب آهن اصفهان تهيه شد. پس از فراهم نمودن مصالح مورد نياز جهت انجام پروژه، نوبت به انجام آزمايش‌ها و تهيه خاک آلوده جهت آزمايش‌هاي يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگي رسيد. پس از انجام آزمايش‌هاي شناسايي ابتدايي مواد و مصالح مصرفي، نظير دانه‌بندي، تعيين حد رواني و خميري، آزمايش‌هاي تک‌محوري بر نمونه‌هاي K+6%L، K+12%S، K+4%L+12%S و K در سه حالت خاک بدون مواد شيميايي، خاک آلوده به سولفات سديم و خاک آلوده به سولفات منيزيم که تحت تأثير سيکل‌هاي مختلف يخ ‌زدن و آب شدن وتر و خشک شدگي قرار گرفته بودند انجام شد تا طي اين آزمايش‌ها، تأثير اين سيکل‌ها بر خاک تثبيت شده با آهک و سرباره مورد بررسي قرار گيرد. فصل پنجم نتايج آزمايش‌ها و تحليل نتايج 5-1- مقدمه در اين فصل منحني دانه‌بندي خاک رس کائولينيت ارائه گرديده است، سپس نتايج آزمايش‌هاي شناسايي اوليه خاک، نظير آزمايش‌هاي تعيين درصد رطوبت، تعيين چگالي ويژه، حد خميري، حد رواني و وزن مخصوص آورده شده ‌است و در ادامه آزمايش‌هاي اصلي شامل يخ‌ زدن و آب شدن، تر و خشک شدگي در سه حالت خاک بدون آلودگي شيميايي و خاک آلوده به سولفات سديم و منيزيم مورد بررسي قرار گرفت. ابتدا نتايج آزمايش‌هاي يخ زدن و آب شدن و نمودارهاي مربوط به آن ارائه شده است. سپس نتايج آزمايش‌هاي تر و خشک شدگي ارائه شده و در ادامه نتايج تمام حالت‌ها (خاک بدون آلودگي شيميايي و خاک آلوده به مواد شيميايي) با يکديگر مقايسه شده‌اند. 5-2- نتايج آزمايش‌هاي اوليه خاک رس 5-2-1- دانه‌بندي خاک رس کائولينيت دانهبندي خاک رس، توسط آزمايش هيدرومتري مطابق با استانداردهاي شماره ASTM D 422-63 و ASTM D 421-58انجام شد [44]. در شکل 5-1 منحني دانه‌بندي خاک رس کائولينيت ارائه شده است. در جداول 5-1 تا 5-4 نيز خواص مصالح مصرفي در اين تحقيق آمده‌ است. شکل 5-1- منحني دانهبندي خاک رس کائولينيت به روش هيدرومتري 5-2-2- خواص مهندسي خاک رس جدول 5-1- -خواص مهندسي خاک رس کائولينيت [20] 17 وزن مخصوص خشک حداکثر(kN/m3) 5/20 (%) رطوبت بهينه 6/1 (%) رطوبت طبيعي 65/2 (Gs) چگالي نسبي دانه‌ها 5/9 pH 2/40 LL 5/24 PL 7/15 PI CL طبقه‌بندي خاک طبق روش يکنواخت 5-3- کاني شناسي مصالح مصرفي 5-3-1- خاک رس کائولينيت جدول 5-2- کاني‌شناسي خاک رس کائولينيت [20] درصد ترکيب شيميايي 11/0 Na2O 20/0 MgO 49/20 Al2O3 05/69 SiO2 10/0>
SO3
36/0
K2O
20/1
CaO
10/0
MnO
83/0
Fe2O3
46/7
L.O.I
5-3-2- آهک
جدول 5-3- کاني‌شناسي آهک [20]
ترکيب شيميايي
Na2O
MgO
Al2O3
SiO2
SO3
K2O
CaO
L.O.I
درصد
10/0
53/0
69/0
19/1
10/0
10/0
14/71
86/25
5-3-3- سرباره
جدول 5-4- کاني‌شناسي سرباره [20]
درصد
ترکيب شيميايي
2/1
Na2O
78/0
MgO
4/5
MnO
11
SiO2
6/50
CaO
2/23
Fe2O3
8/1
TiO2
2
P2O5
22/1
Al2O3
6/0
SO3
2/2
V2O5
1
La & Lu
0/0
L.O.I
5-4- ترکيب نمونه‌هاي مورد آزمايش
در جدول 5-5 نسبت‌هاي اختلاط مواد با خاک رس کائولينيت آمده است. درصدهاي ترکيبات مختلف آهک و سرباره و همچنين ميزان رطوبت بهينه استفاده شده جهت آزمايش يخ‌ زدن و آب شدن و تر و خشک ‌شدگي، دراين تحقيق از نتايج صفا (1392) که بيشترين مقاومت را داشته‌اند، گرفته شده است [20].
جدول 5-5- نتايج به‌دست آمده از آزمايش تراکم [20]
شماره حالت
ترکيب
حداکثر وزن مخصوص خشک(kN/m3)
درصد رطوبت بهينه
شماره حالت
ترکيب
حداکثر وزن مخصوص خشک(kN/m3)
درصد رطوبت بهينه
1
K
00/17
5/20
9
K+2%L+8%S
90/15
0/22
2
K+2%L
70/15
5/21
10
K+2%L+12%S
10/16
8/21
3
K+4%L
60/15
0/23
11
K+4%L+4%S
30/15
5/25
4
K+6%L
35/15
0/24
12
K+4%L+8%S
60/15
0/23
5
K+4%S
57/16
7/20
13
K+4%L+12%S
00/16
0/22
6
K+8%S
97/16
2/19
14
K+6%L+4%S
08/15
8/25
7
K+12%S
13/17
5/18
15
K+6%L+8%S
62/15
2/24
8
K+2%L+4%S
66/15
1/22
16
K+6%L+12%S
73/15
9/23
5-5- نتايج آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده61
جهت انجام آزمايش‌هاي دوام (يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگي) بر روي خاک بدون آلودگي شيميايي و خاک آلوده به سولفات سديم و سولفات منيزيم تعدادي نمونه براي تحمل 6 سيکل متوالي ساخته شد. براي اطمينان از نتايج آزمايش‌ها، از هر حالت سه نمونه ساخته شد و در مواردي که نتايج آزمايش‌ها پراکنده بود و نتايج قابل استناد نبود، آزمايش‌ها دوباره تکرار شد. نمونه‌ها پس از دوره عمل‌آوري 28 روزه تحت آزمايش‌ مقاومت فشاري محدود نشده قرار گرفتند.
5-6- نتايج آزمايش‌ها پس از اعمال سيکل‌هاي يخ ‌زدن وآب ‌‌شدن
5-6-1- خاک بدون آلودگي
در شکل‌هاي 5-2 تا 5-5 مقاومت فشاري محدود نشده نمونهها با زمان عملآوري 28 روز و ترکيبات مختلف آهک و سرباره مشخص شده است. درشکل 5-2 نمودار بيشترين مقاومت فشاري محدود نشده نمونه‌ها پس از دوره عمل‌آوري 28 روزه نمايش داده شده است. کمترين مقاومت، مربوط به خاک رس بدون هيچ‌گونه افزودني و بيشترين مقاومت مربوط به نمونه‌ داراي ‌4 درصد آهک و 12 درصد سرباره است. از مقايسه مقاومت نمونه K+%12S و نمونه‌K+4%L+12%S مي‌توان چنين استنباط کرد که آهک به‌عنوان فعال کننده، سبب افزايش واکنش‌هاي پوزولاني و هيدراتاسيون در خاک شده و مقاومت خاک را در مقايسه با نمونه حاوي سرباره به‌تنهائي، به‌طور چشمگيري افزايش داده است.
شکل 5-2- نمودار بيشترين مقاومت فشاري محدود نشده پس ازدوره عمل‌آوري 28 روزه
در شکل 5-3 نمودار بيشترين مقاومت فشاري محدود نشده نمونه طي 6 سيکل متوالي يخ زدن و آب شدن نشان داده شده است. تاثير نامطلوب سيکل‌هاي متوالي بر مقاومت نمونه مشاهده مي‌شود با افزايش سيکل‌ها از ميزان افت مقاومت کاسته مي‌شود و مقاومت حداکثر سيکل‌هاي مختلف به‌هم نزديکتر مي‌شود. از مقايسه نمودارهاي 5-3 و 5-4 مي‌توان نتيجه گرفت که نمونه‌ حاوي سرباره، داراي عملکرد بهتري از نظر مقاومت تک‌محوري در سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن است؛ به‌طوري‌که علاوه بر تحمل تعداد سيکل بيشتر، مقاومت بهتري از خود در برابر سيکل‌هاي يخ‌ زدن و آب شدن نشان داده است.
شکل 5-3- نمودار بيشترين مقاومت فشاري محدود نشده در سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن نمونه K+4%L+12%S
شکل 5-4- نمودار بيشترين مقاومت فشاري محدود نشده در سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن نمونه K+6%L
شکل 5-5- نمودار بيشترين مقاومت فشاري محدود نشده در سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن نمونه K+12%S
از مقايسه نمودارهاي 5-3 و 5-5 مي‌توان به تاثير مثبت سرباره در حضور آهک پي برد. به‌طوري‌که افزايش 4 درصد آهک (در مقايسه با نمودار 5-5) سبب افزايش تحمل تعداد سيکل‌هاي بيشتر خاک شده است. از طرفي از مقايسه نمودار 5-5 (نمونه K+12%S) با خاک رس خالص که حتي قادر به تحمل يک سيکل هم نبود. مي‌توان چنين استنباط کرد که اين نوع سرباره به‌‌تنهايي نيز سبب افزايش مقاومت و دوام خاک رس مي‌گردد. دليل اين امر وجود مقدار قابل توجهي (CaO) در سرباره است (طبق جدول 5-4 ميزان CaO موجود در سرباره 6/50 درصد است).
بيشترين مقاومت در نمونه‌ها، پس از سپري شدن زمان عمل‌آوري 28 روزه در دماي 35 درجه سانتي‌گراد و قبل از قرار دادن نمونه‌ها در فريزر به‌دست آمد. با قرار دادن نمونه‌ها در فريزر و سپري شدن اولين سيکل يخ زدن و آب شدن، نمونه‌‌‌ها دچار افت مقاومت شديد شدند که با افزايش سيکل‌هاي متوالي از ميزان افت مقاومت در مقايسه با سيکل اول کاسته شده است، مقايسه نمودارهاي 5-3 تا 5-5 نشان مي‌دهد که نمونه حاوي سرباره و آهک، در مقايسه با نمونه حاوي آهک يا سرباره به تنهايي، در تحمل تعداد سيکل‌هاي بيشتر و افت کمتر مقاومت، داراي عملکرد بهتري است. در واقع آهک در حضور سرباره، منجر به واکنش‌هاي پوزولاني و افزايش مقاومت خاک مي‌شود. مقايسه ساير نمودارها در سيکل‌هاي مشابه نشان مي‌دهد که در تمام سيکل‌ها، نمونه K+4%L+12%S داراي بيشترين مقاومت است در حالي‌که نمونه خاک رس خالص حتي قادر به تحمل يک سيکل هم نبود و نمونه پس از سپري شدن اولين سيکل از بين رفت. از مقايسه نمونه K+4%L+12%S و K+12%S با خاک رس خالص، مي‌توان چنين استنباط کرد که سرباره به‌تنهايي و در مجاورت آهک در بهبود مقاومت و دوام خاک رس خالص موثر است. لازم به ذکر است که در تمام حالت‌ها با توجه به اينکه قرار دادن نمونه‌ها بدون قالب سبب از بين رفتن آن‌ها مي‌شد و نمونه‌ها قادر به تحمل يک سيکل يخ زدن و آب شدن نبودند لذا با قالب درون فريزر قرار داده شدند. در شکل 5-6 حالت‌هاي مختلف در سيکل‌هاي يکسان مقايسه شده است.
شکل 5-6- مقاومت حداکثر هر ترکيب طي سيکل‌هاي مختلف يخ‌ زدن و آب ‌شدن
نتايج نشان مي‌دهد در تمام حالت‌ها مقاومت حداکثر بعد از سپري شدن دوره

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید