عنوان : تأثیر تثبیت با آهک و سرباره فولادسازی ذوب آهن اصفهان (BOS) بر دوام خاک رسی و خاک رس آلوده به مواد شیمیایی

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 گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
چکیده:
خاک‌های ریزدانه رس‌دار همواره باعث ایجاد مشکل در پروژه‌های عمرانی شده‌اند، یکی از روش‌های بهبود خواص خاک‌های مسأله‌دار رسی، بهره گیری از آهک به‌مقصود تثبیت خاک می باشد، 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 نمی‌گردد، بلکه نتیجه عکس داده و سبب افزایش تورم می گردد. این پدیده به علت انجام واکنش‌های شیمیایی بین کانی‌های رس، آهک و سولفات می باشد که منجر به تشکیل کانی‌های اترینگایت و تاماسایت شده و این کانی‌ها با جذب آب به‌شدت متورم می شوند. اخیراً ترکیبات شیمیایی جدیدی برای تثبیت خاک‌های رسی مورد بهره گیری قرار گرفته می باشد که در این بین بهره گیری از سرباره فولادسازی ((BOS روش جدیدی برای افزایش مقاومت خاک رس به شمار می رود. در مناطق سردسیر، عمق یخ‌بندان ممکن می باشد 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 می گردد.
در این پژوهش 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 مطالعه قرار گرفته می باشد. خاک مورد بهره گیری در این پژوهش خاک رس کائولینیت می باشد که با درصدهای مختلف آهک و سرباره، در درصد رطوبت بهینه در هم شده و پس از دوره اقدام‌آوری 28 روزه در دمای 35 درجه سانتی‌گراد، تحت آزمایش‌های دوام قرار گرفته می باشد. نمونه‌ها برای تحمل 6 سیکل متوالی ساخته شدند و برای اطمینان از نتایج آزمایش‌ها از هر حالت 3 نمونه ساخته گردید. بالغ بر 400 نمونه تک‌محوری جهت آزمایش‌های دوام ساخته گردید. خاطر نشان می گردد 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 می گردد. 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 گردید. به‌گونه کلی درزمینه بهره گیری از (BOS) در تثبیت خاک‌های رسی تحقیقات کمی انجام شده می باشد، از آنجا که سرباره ماده زائدی در طبیعت به‌حساب می‌آید، پس نتایج این پژوهش می‌تواند در بهره گیری 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 می شوند، بایستی تمهیدات ویژه‌ای در مورد آن‌ها در نظر گرفته گردد. به‌گونه کلی روش‌های مختلفی برای اصلاح خصوصیات اینگونه خاک‌ها ارائه شده می باشد، یکی از این روش‌ها جهت اصلاح اینگونه خاک‌ها، به‌مقصود افزایش ظرفیت باربری و کاهش تورم آن‌ها روش تثبیت می باشد. با در نظر داشتن گستردگی خاک‌های ریزدانه و اجبار در اجرای بسیاری از پروژه‌ها بر روی اینگونه خاک‌ها، اهمیت تثبیت خاک‌های ریزدانه به‌ویژه خاک‌های رسی روشن می گردد. 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 می باشد بیشتر این مواد بهره گیری مهمی ندارند و سبب معضلات زیست‌محیطی می شوند. در بعضی موردها این مواد زائد دارای پتانسیل بالایی هستند و می‌توانند به‌عنوان ماده اولیه در صنایع ساخت سیمان و یا صنایع دیگر مفید واقع شوند. بهره گیری از مواد زائد نه تنها سبب کاهش معضلات زیست‌محیطی می گردد؛ بلکه به حفظ منابع طبیعی مانند آهک و سنگدانه نیز کمک می کند. سرباره فولادسازی دارای خواص مکانیکی مطلوبی به‌عنوان مصالح دانه‌ای می باشد، که شامل مقاومت خوب در برابر فرسایش و ظرفیت باربری مناسب می باشد. از سرباره به‌عنوان مصالح دانه‌ای در خاکریزها، شانه‌های خاکی بزرگراه‌ها، آسفالت پیاده‌روها، بزرگراه‌ها و سازه‌های هیدرولیکی بهره گیری می گردد. تورم خاک‌‌های رسی از موضوعات مهمی می باشد که مورد توجه بسیاری از محققین قرار دارد. تورم در خاک رس می‌تواند به علل مختلف رخ دهد، یکی از این موردها، اثر مخرب وجود سولفات در خاک تثبیت شده با آهک می باشد. جایگزینی آهک با سرباره سبب کاهش مقدار آهک آزاد و کاهش مقدار pH می گردد. پس 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 می کند. خاک‌های ریزدانه تحت تأثیر سیکل یخ زدن و آب شدن دچار تغییراتی در حجم، مقاومت و فشردگی‌پذیری، چگالی، اندازه آب یخ نزده و ظرفیت باربری در ریز ساختار می شوند. صدمات ناشی از یخ زدن و آب شدن یکی از معضلات اساسی برای خاک‌های ریزدانه به شمار می رود. 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 به شمار می رود. پس تورم ناشی از یخبندان و تورم ناشی از حضور سولفات در خاک‌های ریزدانه تثبیت شده با آهک امر مهمی در پروژه‌های عمرانی به شمار می رود که لزوم تحقیقات بیشتر در این زمینه در پروژه‌های عمرانی احساس می گردد.
2-1- اهداف پایان نامه
خاک‌های ریزدانه رس‌دار همواره باعث ایجاد مشکل در پروژه‌های عمرانی شده‌اند، یکی از روش‌های بهبود خواص خاک‌های مسأله‌دار، بهره گیری از آهک به‌مقصود تثبیت خاک می باشد، 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 نمی‌گردد، بلکه نتیجه عکس داده و سبب افزایش تورم می گردد. این پدیده به علت انجام واکنش‌های شیمیایی بین کانی‌های رس، آهک و سولفات می باشد که منجر به تشکیل کانی‌های اترینگایت و تاماسایت شده و این کانی‌ها با جذب آب به‌شدت متورم می شوند. اخیراً ترکیبات شیمیایی جدیدی برای تثبیت خاک‌های رسی مورد بهره گیری قرار گرفته می باشد که در این بین بهره گیری از سرباره فولادسازی ( [1](BOSدر افزایش مقاومت خاک رس، روش جدیدی به شمار می رود، از آنجا که خاک‌ها‌‌‌‌ از دانه‌‌‌‌‌‌‌ها و کانی‌‌های رس تشکیل شده‌اند، پیش روی پدیده یخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدن‌های متوالی به مانع بر می خورند و در مناطق سردسیر، عمق یخ‌بندان ممکن می باشد 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 می گردد، در این پژوهش 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 مطالعه قرار گرفته می باشد. به‌گونه کلی درزمینه بهره گیری از (BOS) در تثبیت خاک‌های رسی تحقیقات کمی انجام شده می باشد، از آنجا که سرباره ماده زائدی در طبیعت به‌حساب می‌آید بهره گیری 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 شده‌می باشد.
3-1- معرفی فصل های پایان نامه
فصل‌های موجود در این پایان‌نامه به تبیین زیر می باشد:
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 مطالعه شده می باشد. سپس تأثیر سولفات بر مقاومت و دوام خاک رس مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. .
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 مطالعه شده‌می باشد.
فصل چهارم: مصالح و روش‌های آزمایش
در این فصل از پایان­نامه، مراحل و طریقه نمونه سازی و آزمایش‌های مربوطه تبیین داده شده می باشد..
فصل پنجم: نتایج آزمایش‌ها و تحلیل نتایج
در این فصل آغاز نمودارهای بدست آمده از نتایج آزمایش‌ها ارائه شده می باشد سپس نتایج مورد تحلیل قرار گرفته می باشد.
فصل ششم: نتیجه­گیری و پیشنهاد­ها
در فصل ششم، نتایج کلی به صورت اختصار جمع‌بندی شده می باشد و همچنین پیشنهادهای لازم جهت ادامه دادن مسیر این پژوهش و کار در زمینه­های بعدی آمده می باشد.
فهرست مراجع
در انتها فهرست مراجع مورد بهره گیری در این پایان­نامه اراﺋﻪ شده می باشد.
فصل دوم: تثبیت خاک رس با آهک و سرباره فولادسازی و اثر سولفات بر خاک رس تثبیت شده با آهک
1-2- مقدمه
 بهره گیری از خاک به‌عنوان اصلی‌ترین مصالح در اکثر پرو‌ژه‌های عمرانی غیر قابل انکار می باشد. 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 می باشد. بر این اساس امروزه بهره گیری از مصالح جایگزین که از نظر مهندسی کیفیتی بالاتر از مصالح مورد بهره گیری در گذشته را داشته و همچنین از نظر اقتصادی نیز مقرون به‌صرفه باشد، مورد توجه زیادی قرار گرفته می باشد. مانند مهمترین و پرهزینه‌ترین مصالحی که در پروژه‌های مختلف عمرانی مورد بهره گیری قرار می‌گیرد، خاک می باشد. در نظر داشتن این نکته که خاک نمی‌تواند تمام خصوصیات ژئوتکنیکی مورد نیاز برای پروژه‌ها را در بر داشته باشد، اهمیت بهره گیری 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 نمود. آگاهی از مشخصات فیزیکی ترکیبات خاک، برای درک عملکرد آن در حین عملیات ساختمانی ضروری می باشد [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 بهره گیری قرار می‌گیرند [11].
خاک‌های رسی، دامنه وسیعی از کانی‌های گوناگون را شامل می گردد. این خاک‌ها شامل نسبت‌های متفاوتی از انواع کانی‌های رسی، اکثراً شامل کائولینیت، ایلیت، کانی‌های چند‌گانه و مونت‌موریلونیت می باشد. کانی‌های غیر رسی موجود در این خاک‌ها اکثراً کوارتز، مواد آلی و اکسیدهای کلوئیدی می باشد. 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 چگونگی­ 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 معضلات 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 می شوند، بایستی تمهیدات ویژه‌ای در مورد آن‌ها در نظر گرفته گردد. به‌گونه کلی روش‌های مختلفی برای اصلاح خواص اینگونه خاک‌ها ارائه شده می باشد 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، به‌مقصود افزایش ظرفیت باربری و کاهش تورم آن‌ها، تثبیت می باشد. با در نظر داشتن گستردگی خاک‌های ریزدانه و اجبار در اجرای بسیاری از پروژه‌ها بر روی اینگونه خاک‌ها، اهمیت تثبیت خاک‌های ریزدانه، به‌ویژه خاک‌های رسی، روشن می گردد [78].
خاک‌های رسی اغلب دارای مشکلاتی نظیر اشکال 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 پیش روی عوامل جوی نظیر دوره­های تر و خشک شدگی و یا یخ زدن و آب شدن می باشد. خاک رس آب می­مکد، منبسط می­گردد، خشک می­گردد 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 می باشد که در این فصل کلیاتی در این مورد به‌اختصار ذکر گردیده می باشد.
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 می باشد. از ترکیب واحدهای چهاروجهی، صفحه سیلیس تشکیل می گردد. سه اتم اکسیژن واقع در قاعده هر چهار وجهی با چهار وجهی مجاور مشترک می باشد. هر اتم سیلیسیم با ظرفیت مثبت 4 با چهار اتم اکسیژن با کل ظرفیت منفی 8 مرتبط شده می باشد. از طرفی هر اتم اکسیژن در قاعده چهار­‌‌‌وجهی به دو اتم سیلیسیم اتصال پیدا کرده می باشد این امر موجب می گردد 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 می شوند [12]. در اشکال 2-1 و 2-2 ورقه چهار‌­‌وجهی سیلیکا و هشت­وجهی آلومینا نشان داده شده می باشد.
مهمترین کانی‌های رسی عبارتند از :
کائولینیت[1]
ایلیت[2]
مونت‌موریلونیت[3]
در کنار سه کانی معروف مذکور، سایر کانی‌های رس که معمولاً پیدا نمود 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 می باشد [95]. کائولینیت دارای لایه­های متناوب ورقه­های سیلیکا-گیبسیت می باشد که به آن ساختار 1:1 گفته می گردد. هر لایه در حدود 2/7 انگستروم ضخامت دارد. این لایه­ها توسط پیوندهای هیدروژنی به‌یکدیگر مربوط شده‌اند. کائولینیت مانند صفحات کوچکی دیده می شوند که بعد جانبی از 1000 تا 20000 انگستروم و ضخامت آن‌ها از 100 تا 1000 آنگستروم می باشد. مساحت سطح ذرات کائولینیت در واحد جرم در حدود 15 مترمربع بر گرم می باشد [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 می باشد. در کائولینیت پیوندهای هیدروژنی قوی مستقر می باشد که سبب کاهش بار منفی می گردد و از آنجا که جدایی لایه‌ها در کائولینیت صورت نمی‌گیرد، کاتیون‌های متعادل کننده، بایستی 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 می باشد [95]. در شکل‌های 2-3 تا 2-5 ساختمان اتمی کانی‌های رسی نمایش داده شده می باشد.
[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 : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   سمینار کارشناسی ارشد رشته عمران : بررسی رفتار لرزه ای ستون های مشبک با بست فقی در کنار مهابند همگرا

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       [email protected]

دسته‌ها: عمران