312-6-4-3- واکنش‌ کربناسيون
322-6-5- تأثير آهک بر مشخصات خاک
33(CEC)2-6-5-1- تأثير آهک بر هدايت الکتريکي
34 خاک pH2-6-5-2- تأثير ميزان آهک بر
352-6-5-3- تأثير ميزان آهک بر نفوذپذيري خاک
362-6-5-4- تأثير آهک بر حدود اتربرگ
362-6-5-5- تأثير آهک بر وزن مخصوص خشک
372-6-5-6- تأثير آهک بر روي مقاومت خاک
382-7- مرور کلي بر پژوهش‌هاي انجام شده
432-8- تأثير سولفات بر واکنش‌هاي خاک و آهک
432-8-1- مقدمه
532-8-2- تأثير سولفات بر حدود اتربرگ
552-8-3- تأثير سولفات بر خصوصيات تراکم
572-8-4- بررسي اثر سولفات‌ها بر خاک‌هاي تثبيت شده
602-9- تورم ناشي از سولفات
622-10- اترينگايت
632-10-1- مکانيزم تورم ناشي از اترينگايت
642-11- روش‌هاي کاهش اثرات نامطلوب سولفات‌ها
652-11-1- روش دو مرحله‌اي اختلاط خاک و آهک
672-11-2- روش عمل‌آوري
672-11-3- استفاده از تثبيت کننده‌هاي بدون کلسيم
682-11-4- استفاده از ژئوتکستايل – ژئوگريد
682-11-5- جايگزيني با سرباره کوره ذوب آهن
712-12- خلاصه و نتيجه‌گيري
فصل سوم: دوام خاک در برابر يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگي
753-1- تورم در اثر يخبندان
763-2- اثرات منفي يخبندان بر روسازي راه‌ها
763-3- عوامل اساسي براي متورم شدن روسازي در اثر يخبندان
763-4- راهکارهاي جلوگيري از يخبندان
773-5- خاک‌هاي حساس در برابر يخ‌زدگي
803-6- مروري بر مطالعات گذشته
963-8- خلاصه و نتيجه‌گيري
فصل چهارم: مصالح و روش‌هاي آزمايش
994-1- مقدمه
1004-2- مصالح به کار برده شده در تحقيق
1004-3- آزمايش دانه‌بندي
1014-3-1- دانه‌بندي کائولينيت
1014-4- آزمايش تعيين درصد رطوبت خاک
101(Gs)4-5- آزمايش تعيين چگالي
1024-6- آزمايش حد رواني و خميري
1024-7- آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده (تک‌محوري)
1044-7-1- ابعاد نمونه
1044-7-2- تهيه و ساخت نمونه
1044-7-2-1- تهيه خاک آلوده به مواد شيميايي (سولفات سديم و منيزيم)
1064-7-2-2- ساخت نمونه‌‌‌ها جهت آزمايش تک‌محوري
1084-7-3- نمونه‌هاي به کار برده شده در آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده
1094-8- آزمايش يخ زدن و آب شدن
1114-9- آزمايش تر و خشک شدگي
1124-10- ترکيب نمونه‌هاي مورد آزمايش
1144-11- خلاصه
فصل پنجم: نتايج آزمايش‌ها و تحليل نتايج
1175-1- مقدمه
1185-2- نتايج آزمايش‌هاي اوليه خاک رس
1185-2-1- دانه‌بندي خاک رس کائولينيت
1185-2-2- خواص مهندسي خاک رس
1195-3- کاني‌شناسي مصالح مصرفي
1195-3-1- خاک رس کائولينيت
1195-3-2- آهک
1205-3-3- سرباره
1205-4- ترکيب نمونه‌هاي مورد آزمايش
1225-5- نتايج آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده
1225-6- نتايج آزمايش‌ها پس از اعمال سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن
1225-6-1- خاک بدون آلودگي
1275-6-2- خاک آلوده به سولفات سديم
1305-6-3- خاک آلوده به سولفات منيزيم
1335-7- مقاومت فشاري محدود نشده پس از اعمال سيکل‌هاي تر و خشک شدگي
1335-7-1- خاک بدون آلودگي
1365-7-2- خاک آلوده به سولفات سديم
1405-7-3- خاک آلوده به سولفات منيزيم
1435-8- مقايسه آزمايش‌هاي دوام دراثر آلودگي به سولفات سديم و منيزيم
1435-8-1- مقايسه حالت‌هاي مختلف يخ زدن و آب شدن
1455-8-2- مقايسه حالت‌هاي مختلف تر و خشک شدگي
147 (DI) 5-9- مقايسه پارامتر دوام
1525-10- مقايسه مدول الاستيسيته در خاک آلوده و خاک بدون آلودگي تحت تاثير آزمايش‌هاي دوام
155(SIR)5-11- مقايسه نسبت بهبود مقاومت خاک
1565-12- خلاصه و نتيجه‌گيري
فصل ششم: نتيجهگيري و پيشنهادها
1606-1- مقدمه
1606-2- نتايج
1616-3- پيشنهادها
165مراجع
فهرست جداول
43جدول (2-1): نتايج آزمايش مقاومت فشاري محدود نشده
49جدول (2-2): ميزان نمک‌هاي معدني در نمونه‌هاي آزمايشگاهي
58بر نمونه‌ خاک رس تثبيت شده با 6 درصد آهک XRDجدول (2-3): نتايج آناليز
59جدول (2-4): غلظت مواد شيميايي
70جدول (2-5): راه‌حل‌هاي مختلف جهت مقابله با حمله سولفات‌ها در خاک
78جدول (3-1): ميزان حساسيت خاک در برابر يخ زدگي
79جدول (3-2): طبقه‌بندي خاک‌ها از نظر حساسيت در برابر يخ‌زدگي
79جدول (3-3): خصوصيات خاك‌هاي حساس در برابر يخبندان
88جدول (3-4): بررسي تاثير آهک و سرباره فولادسازي بر دوام بر خاک رس
90جدول (3-5): درصد ترکيبات مختلف خاک رس با آهک و پوزولان
92جدول (3-6): درصد ترکيبات مختلف خاک رس، دوده سيليسي و گچ
109جدول (4-1): نسبت‌هاي مختلف اختلاط مواد با خاک رس کائولينيت
111جدول (4-2): مشخصات طرح‌هاي اختلاط به کار رفته
113جدول (4-3): تعداد نمونه‌هاي ساخته‌شده جهت انجام آزمايش در خاک بدون مواد شيميايي
113جدول (4-4): تعداد نمونه‌هاي ساخته شده جهت انجام آزمايش در خاک آلوده به سولفات سديم
113جدول (4-5): تعداد نمونه‌هاي ساخته شده جهت انجام آزمايش در خاک آلوده به سولفات منيزيم
118جدول (5-1): -خواص مهندسي خاک رس کائولينيت
119جدول (5-2): کاني‌شناسي خاک رس کائولينيت
119جدول (5-3): کاني‌شناسي آهک
120جدول (5-4): کاني‌شناسي سرباره
121جدول (5-5): نتايج به‌دست آمده از آزمايش تراکم
148در حالت تر و خشک شدگي K+4%L+12%S جدول (5-6): بررسي نشانه دوام در نمونه
149در حالت تر و خشک شدگي K+6%L جدول (5-7): بررسي نشانه دوام در نمونه
149در حالت تر و خشک شدگي K+12%S جدول (5-8): بررسي نشانه دوام در نمونه
150در حالت يخ زدن و آب شدن K+4%L+12%S جدول (5-9): بررسي نشانه دوام در نمونه
150در حالت يخ زدن و آب شدن K+6%L جدول (5-10): بررسي نشانه دوام در نمونه
151در حالت يخ زدن و آب شدن K+12%S جدول (5-11): بررسي نشانه دوام در نمونه
156(SIR) جدول (5-12): بررسي نسبت بهبود مقاومت خاک
فهرست اشکال
12شکل ( 2-1): سيليکا تترا‌هدرون و ورقه چهاروجهي سيليکا
12شکل ( 2-2): آلومينا اکتا‌هدرون و ورقه هشتوجهي آلومينا (گيبسيت)
14شکل ( 2-3): ساختمان اتمي کائولينيت
14شکل ( 2-4): ساختمان اتمي ايليت
15شکل ( 2-5): ساختمان اتمي مونت‌موريلونيت
23شکل (2-6): رابطه دما و زمان عمل‌آوري با ميزان مصرف آهک
26شکل ( 2-7): نمودار تعيين درصد بهينه آهک در روش اشتو
33EC شکل ( 2-8): تأثير دوره عمل‌آوري با درصدهاي مختلف آهک بر ميزان
34EC شکل ( 2-9): تأثير دما با درصدهاي مختلف آهک بر ميزان
35 خاک رس مخلوط شده با آهکpHشکل ( 2-10): تأثير زمان عمل‌آوري در دماي 50 درجه سانتي‌گراد بر
35خاک رس مخلوط شده با آهک در زمان‌ها و دماهاي مختلف pHشکل ( 2-11): تأثير درصد آهک بر
36شکل ( 2-12): تغييرات حد مايع، نشانه خميري و حد انقباض رس مخلوط شده با آهک
37شکل ( 2-13): تأثير افزايش آهک در وزن مخصوص خاک رس
37شکل ( 2-14): تغييرات مقاومت فشاري محدود نشده بر حسب ميزان آهک افزوده
39شکل ( 2-15): مقايسه مقاومت تک‌‌محوري براي ترکيبات مختلف از آهک و پوزولان
40شکل ( 2-16): مقايسه تأثير ترکيبات مختلف در زمانهاي عملآوري بر مبناي نتايج آزمايش پينهول
42شکل ( 2-17): بررسي دوره‌ عمل‌آوري بر مقاومت خاک رس تثبيت شده با آهک و سرباره
47شکل ( 2-18): تاثير غلظت‌هاي مختلف سولفات سديم بر مقاومت فشاري
48شکل ( 2-19): تاثير سولفات با غلظت‌هاي متفاوت بر مقاومت فشاري
49 در نمونه‌هاي تثبيت شده با سيمانC-S-H+C-A-H شکل ( 2-20): تغييرات ميزان
49 نمونه‌هاي تثبيت شده با سيمان پس از دوره عمل‌آوري 28 روزهSEM شکل ( 2-21): تصوير
50 نمونه تثبيت شده با سيمانC-S-H در ترکيب Mg2+شکل ( 2-22): جايگزيني
52 و تغييرات ريز ساختاري در نمونه خاک رسي SEM شکل ( 2-23): تصوير
54شکل ( 2-24): تغيير ميزان سولفات بر حدود اتربرگ
55شکل ( 2-25): اثر تغيير درصد سولفات بر حدود اتربرگ
56شکل ( 2-26): تأثير آهک بر چگالي خشک حداکثر
56شکل ( 2-27): تأثير آهک بر درصد رطوبت بهينه
56شکل ( 2-28): تاثير سولفات‌هاي فلزي مختلف بر درصد رطوبت بهينه و چگالي خشک حداکثر
59شکل ( 2-29): تأثير مواد شيميايي بر مقاومت ماسه تثبيت شده با سيمان
66شکل ( 2-30): تغييرات ميزان تورم در خاک رس ترکيب شده با گچ و آهک در روش اختلاط يک مرحله‌‌اي
66شکل ( 2-31): تغييرات ميزان تورم در خاک رس ترکيب شده با گچ و آهک در روش اختلاط دو مرحله‌‌اي
81شکل ( 3-1): تأثير فرآيند يخ زدن و آب شدن در ريزساختارهاي خاک ريزدانه
83شکل ( 3-2): رابطه تعداد سيکل يخ زدن و آب شدن و نيروي چسبندگي
83شکل ( 3-3): رابطه تعداد سيکل يخ زدن و آب شدن و زاويه اصطکاک داخلي
84شکل ( 3-4 ): تصاوير ميکروسکوپ الکتروني از بنتونيت
84شکل ( 3-5 ): تصاوير ميکروسکوپ الکتروني از کائولينيت
86(تغيير ميزان آب نمونه) T (تغيير ميزان ارتفاع نمونه) و Rشکل ( 2-8): رابطه
87شکل ( 3-7): تأثير سيکل يخ زدن و آب شدن بر ضريب نفوذپذيري خاک رس
90شکل ( 3-8): نتايج سيکل‌هاي تر و خشک شدگي بر مقاومت خاک رس تثبيت شده با آهک و پوزولان
91شکل ( 3-9): نتايج سيکل‌هاي تر و خشک شدگي بر فشار تورم خاک رس تثبيت شده با سيليکافوم
936L-1Gشکل ( 3-10): نمودار حداکثر مقاومت در هر سيکل در آزمايش‌هاي چهارگانه نمونه
936L-1G-5S شکل ( 3-11): نمودار حداکثر مقاومت در هر سيکل در آزمايش‌هاي چهارگانه نمونه
946L-5Sشکل ( 3-12): نمودار حداکثر مقاومت در هر سيکل در آزمايش‌هاي چهارگانه نمونه
104شکل ( 4-1): دستگاه آزمايش تک‌محوري
105شکل ( 4-2): افزودن محلول آلوده به مواد شيميايي به کيسه‌هاي دو کيلوگرمي خاک
105شکل ( 4-3): نگهداري خاک آلوده به مدت دو هفته در کيسه‌هاي دربسته
106شکل ( 4-4): پهن کردن خاک جهت خشک شدن خاک آلوده
106شکل ( 4-5): آسياب کردن خاک آلوده و عبور دادن از الک
107شکل ( 4-6): مخلوط خاک و افزودني‌ها به صورت خشک
108شکل ( 4-7): افزودن آب به مخلوط و گلوله شدن ذرات
108شکل ( 4-8): عبور خاک گلوله شده از الک
110شکل ( 4-9): قرار دادن نمونه‌ها در فريزر
110شکل ( 4-10): فريزر مورد استفاده جهت آزمايش‌هاي يخ زدن و آب شدن
111شکل ( 4-11): از بين رفتن نمونه‌هاي بدون قالب بعد از خارج کردن از فريزر
112شکل ( 4-12): از بين رفتن نمونه بدون قالب در آب
118شکل ( 5-1): منحني دانه‌بندي خاک رس کائولينيت به روش هيدرومتري
123شکل ( 5-2): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده پس از دوره عمل‌آوري 28 روزه
124K+4%L+12%S شکل ( 5-3): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده يخ زدن و آب شدن نمونه
124K+6%Lشکل ( 5-4): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده يخ زدن و آب شدن نمونه
125K+12%Sشکل ( 5-5): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده يخ زدن و آب شدن نمونه
126شکل ( 5-6): مقاومت حداکثر هر ترکيب طي سيکل‌هاي مختلف يخ زدن و آب شدن
127شکل ( 5-7): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده 28 روزه خاک آلوده به سولفات سديم
128K+4%L+12%S شکل ( 5-8): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده يخ زدن و آب شدن نمونه
129 K+6%L شکل ( 5-9): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده يخ زدن و آب شدن نمونه
130K+12%Sشکل ( 5-10): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده يخ زدن و آب شدن نمونه
131شکل ( 5-11): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده 28 روزه خاک آلوده به سولفات منيزيم
132K+4%L+12%Sشکل ( 5-12): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده يخ زدن و آب شدن
132K+6%L شکل ( 5-13): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده يخ زدن و آب شدن نمونه
133K+12%Sشکل ( 5-14): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده يخ زدن و آب شدن نمونه
134 K+4%L+12%S شکل ( 5-15): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده تر و خشک شدگي نمونه
135 K+6%L شکل ( 5-16): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده تر و خشک شدگي نمونه
135K+12%Sشکل ( 5-17): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده تر و خشک شدگي نمونه
136شکل ( 5-18): مقاومت حداکثر هر ترکيب طي سيکل‌هاي مختلف تر و خشک شدگي
137شکل ( 5-19): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده پ 28 روزه خاک آلوده به سولفات سديم
137 K+4%L+12%S شکل ( 5-20): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده تر و خشک شدگي نمونه
138K+6%L شکل ( 5-21): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده تر و خشک شدگي نمونه
138 K+12%S شکل ( 5-22): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده تر و خشک شدگي نمونه
140شکل ( 5-23): مقاومت حداکثر هر ترکيب طي سيکل‌هاي مختلف تر و خشک شدگي
140شکل ( 5-24): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده 28 روزه خاک آلوده به سولفات منيزيم
141K+4%L+12%Sشکل ( 5-25): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده تر و خشک شدگي نمونه
141K+6%Lشکل ( 5-26): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده تر و خشک شدگي نمونه
142K+12%Sشکل ( 5-27): نمودار مقاومت فشاري محدود نشده تر و خشک شدگي نمونه
143شکل ( 5-28): مقاومت حداکثر هر ترکيب طي سيکل‌هاي مختلف تر و خشک شدگي در خاک آلوده
144 K+4%L+12%S شکل ( 5-29): مقاومت حداکثر سيکل‌هاي مختلف يخ زدن و آب شدن در نمونه
144 K+6%L شکل ( 5-30): مقاومت حداکثر سيکل‌هاي مختلف يخ زدن و آب شدن در نمونه
145 K+12%Sشکل (5-31): مقاومت حداکثر سيکل‌هاي مختلف يخ زدن و آب شدن در نمونه
146 K+4%L+12%S شکل ( 5-32): مقاومت حداکثر سيکل‌هاي مختلف تر و خشک شدگي در نمونه
146K+6%L شکل ( 5-33): مقاومت حداکثر سيکل‌هاي مختلف تر و خشک شدگي در نمونه
147K+12%S شکل ( 5-34): مقاومت حداکثر سيکل‌هاي مختلف تر و خشک شدگي در نمونه
152شکل ( 5-35): تغييرات مدول الاستيسيته در برابر سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن خاک بدون آلودگي
153شکل ( 5-36): تغييرات مدول الاستيسيته خاک آلوده به سولفات سديم
153شکل ( 5-37): تغييرات مدول الاستيسيته خاک آلوده به سولفات منيزيم
154شکل ( 5-38): تغييرات مدول الاستيسيته در برابر سيکل‌هاي تر و خشک شدگي خاک بدون آلودگي
154شکل ( 5-39): تغييرات مدول الاستيسيته خاک آلوده به سولفات سديم
155شکل ( 5-40): تغييرات مدول الاستيسيته خاک آلوده به سولفات منيزيم

فصل اول
مقدمه
1-1- کليات
خاک‌هاي رسي از نظر ظرفيت باربري و نشست، همواره در گروه خاک‌هاي مسأله‌دار‌ هستند و معمولاً سازه‌هايي که بر روي اين نوع خاک‌ها بنا مي‌شوند، بايد تمهيدات ويژه‌اي در مورد آن‌ها در نظر گرفته شود. به‌طور کلي روش‌هاي مختلفي براي اصلاح خصوصيات اينگونه خاک‌ها ارائه شده است، يکي از اين روش‌ها جهت اصلاح اينگونه خاک‌ها، به‌منظور افزايش ظرفيت باربري و کاهش تورم آن‌ها روش تثبيت است. با توجه به گستردگي خاک‌هاي ريزدانه و اجبار در اجراي بسياري از پروژه‌ها بر روي اينگونه خاک‌ها، اهميت تثبيت خاک‌هاي ريزدانه به‌ويژه خاک‌هاي رسي روشن مي‌شود. تثبيت خاک براي بهبود خصوصيات مهندسي خاک‌هاي نامرغوب، در احداث سازه‌هاي مهندسي عمران مثل راه‌ها، فرودگاه‌ها، خاکريزها، سدها و پي‌هاي کم عمق به‌کار مي‌رود. از آنجا که 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 پتانسيل بالايي 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 فولادسازي داراي خواص مکانيکي مطلوبي به‌عنوان مصالح دانه‌اي است، که شامل مقاومت خوب در برابر فرسايش و ظرفيت باربري مناسب است. از سرباره به‌عنوان مصالح دانه‌اي در خاکريزها، شانه‌هاي خاکي بزرگراه‌ها، آسفالت پياده‌روها، بزرگراه‌ها و سازه‌هاي هيدروليکي استفاده مي‌شود. 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. جايگزيني آهک با سرباره سبب کاهش مقدار آهک آزاد و کاهش مقدار pH مي‌شود. بنابراين با افزايش نسبت سرباره به آهک حتي در غلظت‌هاي زياد سولفات، تورم کاهش مي‌يابد. درنواحي سردسير، خاک‌ها در معرض سيکل يخ زدن و آب شدن هستند. اين سيکل يخ زدن و آب شدن، تغييرات مهمي بر خواص ژئوتکنيکي ايجاد مي‌کند. خاک‌هاي ريزدانه تحت تأثير 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. صدمات ناشي از يخ زدن و آب شدن يکي از مشکلات اساسي براي 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. لذا تورم ناشي از يخبندان و تورم ناشي از حضور سولفات در خاک‌هاي ريزدانه تثبيت شده با آهک امر مهمي در پروژه‌هاي عمراني محسوب مي‌شود که لزوم تحقيقات بيشتر در اين زمينه در پروژه‌هاي عمراني احساس مي‌شود.

1-2- اهداف پايان‌نامه
خاک‌هاي ريزدانه رس‌دار همواره باعث ايجاد مشکل در پروژه‌هاي عمراني شده‌اند، يکي از روش‌هاي بهبود خواص خاک‌هاي مسأله‌دار، استفاده از آهک به‌منظور تثبيت خاک است، در صورتي که خاک حاوي يون سولفات باشد يا خاک تثبيت شده در معرض آب سولفاته قرار گيرد، حضور آهک نه‌تنها باعث کاهش تورم لايه تثبيت شده نمي‌شود، بلکه نتيجه عکس داده و سبب افزايش تورم مي‌گردد. اين پديده به علت انجام واکنش‌هاي شيميايي بين کاني‌هاي رس، آهک و سولفات است که منجر به تشکيل کاني‌هاي اترينگايت و تاماسايت شده و اين کاني‌ها با جذب آب به‌شدت متورم مي‌شوند. اخيراً ترکيبات شيميايي جديدي براي تثبيت خاک‌هاي رسي مورد استفاده قرار گرفته است که در اين ميان استفاده از سرباره فولادسازي ( 1(BOSدر افزايش مقاومت خاک رس، روش جديدي محسوب مي‌شود، از آنجا که خاک‌ها‌‌‌‌ از دانه‌‌‌‌‌‌‌ها و کاني‌‌هاي رس تشکيل شده‌اند، در مقابل پديده يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدن‌هاي متوالي دچار مشکل مي‌شوند و در مناطق سردسير، عمق يخ‌بندان ممکن است به خاک لايه بستر راه‌ها نيز برسد که در نهايت منجر به کاهش مقاومت و ظرفيت باربري خاک به علت افزايش رطوبت ناشي از آب شدن يخ مي‌شود، در اين تحقيق تاثير سرباره فولاد ‌ذوب آهن اصفهان بر دوام خاک رس، در دو حالت بدون آلودگي و آلوده به مواد شيميايي (سولفات سديم و منيزيم) به کمک آزمايش تک‌محوري مورد بررسي قرار گرفته است. به‌طور کلي درزمينه استفاده از (BOS) در تثبيت خاک‌هاي رسي تحقيقات کمي انجام شده است، از آنجا که سرباره ماده زائدي در طبيعت به‌حساب مي‌آيد استفاده از اين مواد زائد (در بهبود خواص خاک) از نظر اقتصادي و جنبه‌هاي زيست‌محيطي مي‌تواند از اهميت خاصي برخوردار باشد. اين پايان‌نامه در ادامه تحقيقات پايان‌نامه‌هاي قبلي دانشکده مهندسي دانشگاه بوعليسينا توسط اکرمي (1385)، نادري (1388)، نجاتي (1389) و صفا (1392) انجام شده‌است.

1-3- معرفي فصل‌هاي پايان‌نامه
فصل‌هاي موجود در اين پايان‌نامه به شرح زير است:
* فصل اول: مقدمه
* فصل دوم: تثبيت خاک رس با آهک و سرباره فولادسازي و اثر سولفات بر خاک رس تثبيت شده با آهک
در اين فصل پس از معرفي کلي خاک رس، تاثير آهک و سرباره در تثبيت خاک بررسي شده است. سپس تأثير سولفات بر مقاومت و دوام خاک رس مورد بررسي قرار گرفته است. .
* فصل سوم: دوام خاک در برابر يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگي
دراين فصل تأثير سيکل‌هاي يخ زدن و آب شدن و تر و خشک شدگي بر مقاومت و دوام خاک بررسي شده‌است.
* فصل چهارم: مصالح و روش‌هاي آزمايش
در اين فصل از پاياننامه، مراحل و روند نمونه سازي و آزمايش‌هاي مربوطه شرح داده شده است..
* فصل پنجم: نتايج آزمايش‌ها و تحليل نتايج
در اين فصل ابتدا نمودارهاي بدست آمده از نتايج آزمايش‌ها ارائه شده است سپس نتايج مورد تحليل قرار گرفته است.
* فصل ششم: نتيجهگيري و پيشنهادها
در فصل ششم، نتايج کلي به صورت خلاصه جمع‌بندي شده است و همچنين پيشنهادهاي لازم جهت ادامه دادن مسير اين تحقيق و کار در زمينههاي بعدي آمده است.
فهرست مراجع
در انتها فهرست مراجع مورد استفاده در اين پاياننامه ارائه شده است.

فصل دوم

تثبيت خاک رس با آهک و سرباره فولادسازي و اثر سولفات بر خاک رس تثبيت شده با آهک

2-1- مقدمه
استفاده از خاک به‌عنوان اصلي‌ترين مصالح در اکثر پرو‌ژه‌هاي عمراني غير قابل انکار است. توسعه چشمگير در ايجاد فرودگاه‌ها، تونل‌ها و فضاهاي زيرزميني، احداث اسکله‌هاي عظيم، بزرگراه‌ها، احداث سدها و سازه‌هاي مربوط به آن‌ها، شبکه‌هاي عظيم آبياري و زهکشي و غيره، نياز به مصالح ساختماني را افزايش داده است. بر اين اساس امروزه استفاده از مصالح جايگزين که از نظر مهندسي کيفيتي بالاتر از مصالح مورد استفاده در گذشته را داشته و همچنين از نظر اقتصادي نيز مقرون به‌صرفه باشد، مورد توجه زيادي قرار گرفته است. از جمله مهمترين و پرهزينه‌ترين مصالحي که در پروژه‌هاي مختلف عمراني مورد استفاده قرار مي‌گيرد، خاک است. توجه به اين نکته که خاک نمي‌تواند تمام خصوصيات ژئوتکنيکي مورد نياز براي پروژه‌ها را در بر داشته باشد، اهميت استفاده از روش‌هاي گوناگون براي بهبود و تثبيت خاک را روشن مي‌سازد [14].
خاک را مي‌توان تجمعي از ذرات جامد توليد شده به‌وسيله تجزيه مکانيکي و شيميايي سنگ‌ها معرفي کرد. آگاهي از مشخصات فيزيکي ترکيبات خاک، براي درک عملکرد آن در حين عمليات ساختماني ضروري است [2].
خاک‌ها توده‌هايي از ذرات کاني هستند که همراه با هوا يا آب موجود در فضاهاي خالي، سيستم‌هاي سه‌فازي را تشکيل مي‌دهد. خاک‌ها بخش وسيعي از سطح زمين را پوشانده‌اند و به گستردگي و فراواني به‌صورت مصالح ساختماني و زيرسازي مورد استفاده قرار مي‌گيرند [11].
خاک‌هاي رسي، دامنه وسيعي از کاني‌هاي گوناگون را شامل مي‌شود. اين خاک‌ها شامل نسبت‌هاي متفاوتي از انواع کاني‌هاي رسي، عمدتاً شامل کائولينيت، ايليت، کاني‌هاي چند‌گانه و مونت‌موريلونيت است. کاني‌هاي غير رسي موجود در اين خاک‌ها عمدتاً کوارتز، مواد آلي و اکسيدهاي کلوئيدي است. مقدار کمي از کاني رسي معين، شايد بتواند تغييرات فيزيکي-شيميايي زيادي در خاک ايجاد کند [95].
خاک‌هاي رسي از هوازدگي شيميايي سنگ‌ها تشکيل ميشوند. نظر به تفاوت نحوه تشکيل خاک رس با ديگر انواع خاک‌ها از قبيل شن و ماسه و لاي، که از هوازدگي فيزيکي سنگ مادر تشکيل شده‌اند، خاک‌هاي رسي از ويژگي‌هاي منحصر به‌فردي برخوردارند. بشر از ديرباز با خاک‌هاي رسي و مشکلات آن آشناست [10].
خاک‌هاي رسي از نظر ظرفيت باربري و نشست، همواره در گروه خاک‌هاي مسأله‌دار‌ هستند و معمولاً سازه‌هايي که بر روي اين نوع خاک‌ها بنا مي‌شوند، بايد تمهيدات ويژه‌اي در مورد آن‌ها در نظر گرفته شود. به‌طور کلي روش‌هاي مختلفي براي اصلاح خواص اينگونه خاک‌ها ارائه شده است تا بتوان با اعمال اين روش‌ها خصوصيات اين نوع خاک‌ها را اصلاح نمود و به حد مطلوب رساند. يکي از اين روش‌ها جهت اصلاح اينگونه خاک‌ها، به‌منظور افزايش ظرفيت باربري و کاهش تورم آن‌ها، تثبيت است. با توجه به گستردگي خاک‌هاي ريزدانه و اجبار در اجراي بسياري از پروژه‌ها بر روي اينگونه خاک‌ها، اهميت تثبيت خاک‌هاي ريزدانه، به‌ويژه خاک‌هاي رسي، روشن مي‌شود [78].

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

خاک‌هاي رسي اغلب داراي مشکلاتي نظير ضعف مقاومتي، تورم‌پذيري، ترک خوردن هنگام از دست دادن آب، نشست زياد تحت سربار و حتي وزن خود، جذب رطوبت زياد، چسبندگي زياد هنگام کار با ماشين‌آلات ساختماني، دوام کم در مقابل عوامل جوي نظير دورههاي تر و خشک شدگي و يا يخ زدن و آب شدن است. خاک رس آب ميمکد، منبسط ميشود، خشک ميشود و ترک ميخورد [10].
تثبيت خاک براي بهبود خواص مهندسي خاک‌هاي نامرغوب، در احداث سازه‌هاي مهندسي عمران مثل راه‌ها، فرودگاه‌ها، خاکريزها، سدها و پي‌هاي کم عمق به‌کار مي‌رود. نوع تثبيت انتخابي در هر پروژه، بستگي به ماهيت سازه و خواص ژئوتکنيکي و فيزيکي- شيميايي خاک‌هاي مورد نظر دارد [27].
بنابر‌اين شناخت کلي راجع به خاک رس و همچنين تثبيت آن، امر مهمي است که در اين فصل کلياتي در اين مورد به‌اختصار ذکر شده است.

2-2- کاني‌هاي رس
2-2-1- ترکيب و ساختمان کاني‌هاي رس

کاني‌هاي رس مرکب از سيليکات‌هاي مرکب آلومينيوم، منيزيم و آهن هستند. دو واحد کريستالي
بنيادي کاني‌هاي رس عبارتند از: 1) چهاروجهي سيليسيم-اکسيژن و 2) هشت وجهي آلومينيوم يا منيزيم. واحدهاي چهار وجهي سيليسيم-اکسيژن از چهار اتم اکسيژن در اطراف يک اتم سيلسيم تشکيل شده است. از ترکيب واحدهاي چهاروجهي، صفحه سيليس تشکيل مي‌شود. سه اتم اکسيژن واقع در قاعده هر چهار وجهي با چهار وجهي مجاور مشترک است. هر اتم سيليسيم با ظرفيت مثبت 4 با چهار اتم اکسيژن با کل ظرفيت منفي 8 مرتبط شده است. از طرفي هر اتم اکسيژن در قاعده چهار‌‌‌وجهي به دو اتم سيليسيم اتصال پيدا کرده است اين امر موجب مي‌شود که يک بار با ظرفيت منفي هر اتم اکسيژن بالايي هر چهار‌‌‌‌‌‌‌‌‌وجهي نامتعادل باقي بماند. ترکيب واحدهاي هشت‌وجهي آلومينيوم، يک صفحه گيبسيت را تشکيل مي‌دهد. اگر اتم‌هاي اصلي فلزي در واحدهاي هشت‌‌وجهي منيزيم باشد، اين صفحه‌ها بهنام صفحه بروسيت ناميده مي‌شوند [12]. در اشکال 2-1 و 2-2 ورقه چهار‌‌وجهي سيليکا و هشتوجهي آلومينا نشان داده شده است.
شکل 2-1- سيليکا تترا‌هدرال و ورقه چهاروجهي سيليکا [12]

شکل 2-2- آلومينا اکتا‌هدرال و ورقه هشتوجهي آلومينا (گيبسيت) [12]

مهمترين کاني‌هاي رسي عبارتند از :
کائولينيت2
ايليت3
مونت‌موريلونيت4
در کنار سه کاني معروف مذکور، ساير کاني‌هاي رس که معمولاً يافت ميشوند عبارتند از: کلريت5، هالوسيت6، ورميکوليت7 و آتاپولگيت8.

2-2-2- کائولينيت
نام کائولينيت از لغت چيني kauling به معني رشته کوه مرتفع يا تيغه کوه گرفته شده و نام تپه‌اي در چين است [95]. کائولينيت داراي لايههاي متناوب ورقههاي سيليکا-گيبسيت است که به آن ساختار 1:1 گفته مي‌شود. هر لايه در حدود 2/7 انگستروم ضخامت دارد. اين لايهها توسط پيوندهاي هيدروژني به‌يکديگر مربوط شده‌اند. کائولينيت مانند صفحات کوچکي ديده مي‌شوند که بعد جانبي از 1000 تا 20000 انگستروم و ضخامت آن‌ها از 100 تا 1000 آنگستروم است. مساحت سطح ذرات کائولينيت در واحد جرم در حدود 15 مترمربع بر گرم است [12]. يک پولک کائولينيت از 70 تا 100 لايه پايه تشکيل شده‌ که اندازه پولک آن 1/0 تا 4 ميکرومتر و ضخامت آن 05/0 تا 2 ميکرومتر است. در کائولينيت پيوندهاي هيدروژني قوي برقرار است که سبب کاهش بار منفي مي‌گردد و از آنجا که جدايي لايه‌ها در کائولينيت صورت نمي‌گيرد، کاتيون‌هاي متعادل کننده، بايد قاعدتاً در سطح خارجي ذره جذب شوند. در کائولينيت به دليل پيوندهاي هيدروژني قوي، pH،9 CEC و SSA10 خاک داراي کمترين مقدار در بين کاني‌هاي رسي است [95]. در شکل‌هاي 2-3 تا 2-5 ساختمان اتمي کاني‌هاي رسي نمايش داده شده است.

شکل 2-3- ساختمان اتمي کائولينيت [12]
2-2-3- ايليت
ايليت، مرکب از ورقههاي گيبسيت است که به دو ورقه سيليکا، يکي در بالا و يکي در پايين متصل شدهاند و بعضي مواقع به‌نام ميکاي رسي ناميده مي‌شود. لايههاي ايليت به‌وسيله يون‌هاي پتاسيم به‌يکديگر متصل ميشوند. بار منفي لازم براي تعادل يون‌هاي پتاسيم، از جايگزيني آلومينيوم به‌جاي بعضي از سيليکون‌ها در ورقه‌هاي تترا‌هدرال ناشي مي‌شود. ذرات ايليت معمولاً داراي ابعاد جانبي 1000 تا 5000 و ضخامت 50 تا 500 انگستروم است. سطح ويژه ذرات در حدود 80 مترمربع بر گرم است [12].

شکل 2-4- ساختمان اتمي ايليت [12]
2-2-4- مونت‌موريلونيت
مونت‌موريلونيت داراي ساختماني شبيه به ايليت است، به‌عبارت ديگر، يک ورقه گيبسيت بين دو ورقه سيليکا قرار دارد. در مونت‌موريلونيت جانشيني ايزومورفيک منيزيم و آهن به‌جاي آلومينيوم در ورقههاي هشت‌وجهي وجود دارد. در اينجا يون‌هاي پتاسيم همانند ايليت ظاهر نميشوند و به‌جاي آن در فضاي بين دانهها، مقدار قابل توجهي آب ظاهر ميشود. ذرات مونت‌موريلونيت داراي اندازه جانبي 1000 تا 5000 و ضخامت 10 تا 50 انگستروم است. سطح ويژه ذرات در حدود 800 مترمربع بر گرم است [13]. يک پولک مونت‌موريلونيت داراي اندازه 1 تا 2 ميکرومتر و داراي بيشترين مقدار pH، CEC وSSA خاک نسبت به کائولينيت و ايليت است. به‌طور کلي کائولينيت در پايدارترين حالت و مونت‌موريلونيت در حالت ناپايداري نسبي به‌سر مي‌برد [95].

شکل 2-5- ساختمان اتمي مونت‌موريلونيت [12]

2-3- ويژگي‌هاي کاني‌هاي رس
2-3-1- ظرفيت تبادل کاتيوني (CEC)
ذرات رسي در سطح خود بار منفي خالصي را حمل ميکنند. در يک کريستال فرضي، بارهاي مثبت و منفي با هم در حال تعادل خواهند بود. اما جايگزيني هم‌شکل11 و شکست پيوستگي ساختمان مولکولي در ذرات در لبهها موجب توليد بار منفي خالص در سطوح ذرات رس هستند (همچنين مقداري بار مثبت در لبهها وجود دارد). براي متعادل کردن بار منفي، ذرات رس، يون‌هاي با بار مثبت را از نمک‌هاي موجود در آب‌ حفرهاي جذب ميکنند. اين يون‌ها، به اسم يون‌هاي قابل تبادل ناميده مي‌شوند. بعضي از اين يون‌ها نسبت به ديگر يون‌ها به‌طور محکمتري جذب ميشوند. کاتيون‌ها در سري ليوتروپي بر حسب قابليت توانايي جذب به شكل زير مرتب ميشوند:
Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH41+ > K+ > H+ > Na+ > Li+(2-1)
اين سري نشان ميدهد که مثلاً يون‌هاي Al3+ ميتوانند جايگزين يون‌هاي Ca2+ شوند و يون‌هاي Ca2+ ميتوانند جايگزين يون‌هاي Na+ گردند. اين فرايند، تبادل کاتيوني ناميده ميشود. براي مثال:
Naclay + CaCl2 Caclay + NaCl(2-2)
ظرفيت تبادل کاتيوني (CEC) رس برابر مقدار يون‌هاي قابل تبادل تعريف ميشود و بر اساس ميلي‌اکيوالان در 100 گرم رس خشک بيان ميشود [11].

2-4- تثبيت خاک
تثبيت خاک روشي است که در راه سازي به منظور بهبود کيفيت مصالح به‌کار مي‌رود تا مصالحي با مشخصات مناسب براي به کار بردن در لايه هاي روسازي به دست آيد از مصالح تثبيت شده براي ايجاد خاکريزها، ساخت لايه‌هاي اساس، زيراساس و خاک بستر روسازي‌ها و حتي در پاره‌اي موارد به عنوان يک لايه رويه مي‌توان استفاده کرد [22]. تثبيت خاک‌ها به طرق گوناگون نظير روش‌هاي مکانيکي، شيميايي، فيزيکي، بيولوژيک (روياندن گياه) و روش الکتريکي امکا‌ن‌پذير است.
ويژگيهاي اصلي بهسازي به‌ اين شرح است [26]:
* زمين درجا اصلاح ميشود،
* مشخصات فني ژئوتکنيکي آن به سطح قابل قبول ميرسد،
* زمين بخشي از سيستم خاک_سازه ميگردد،
* روشهاي کنترل و تاييد کار انجام شده، موجود است.
امروزه از روشهاي بهسازي به‌طور گستردهاي در جهان استفاده ميشود. کاربرد اين روشها باعث بهبود پارامترهاي ژئوتکنيکي خاک، کاهش هزينهها، کوتاه شدن زمان اجرا و افزايش طول عمر بهره‌برداري ميگردد.
انتخاب روش تثبيت براي خاک‌ها بستگي به نوع و جنس خاک و همچنين هدف از تثبيت خاک دارد. تثبيت خاک مانند هر تصميم ديگر مهندسي، بايستي از نظر فني و اقتصادي موجه باشد [15].

2-5- اهداف تثبيت
اصولاً در مهندسي ژئوتکنيک خاک‌هاي موجود در محل‌هاي مختلف شرايط ايده‌آل براي ساخت سازه‌هاي دلخواه را دارا نيستند. در ايالات متحده آمريکا خسارات سالانه ناشي از خاک‌هاي متورم‌شونده، به‌مراتب بيشتر از طوفان، سيل و زلزله است [82]. اخيراً خاک‌هاي متورم‌شونده مورد توجه بسياري از محققان جهان قرار گرفته است. معمولاً خاک‌هاي متورم‌شونده در مناطقي با آب و هواي گرمسيري و در شرايط خاص به‌وجود مي‌آيند. محيط قليايي و فقدان زهکشي به تشکيل کاني مونت‌موريلونيت که داراي خاصيت تورمي زيادي است کمک مي‌کند [35].
برخي از خاک‌ها به‌ علت مشخصات فني نا‌مطلوب و يا دارا بودن مقادير قابل توجهي رس يا لاي، براي عمليات راهسازي نا‌مرغوب محسوب مي‌شوند. اينگونه خاک‌ها به‌دليل حساسيت و ناپايداري در برابر رطوبت، مقاومت کم و فشردگي‌پذيري مشکلات فراواني را از نظر فني و اقتصادي در راهسازي ايجاد مي‌کنند. چنانچه مسير راه از مناطقي با خاک‌هاي نا‌مرغوب عبور کند، طرح و اجراي زيرسازي و روسازي، مستلزم استفاده از لايه‌هايي با مصالح متنوع و ضخيم خواهد بود. اين امر باعث مصرف مقادير قابل توجهي مصالح، افزايش هزينه‌هاي اجرايي و طولاني شدن زمان اجراي پروژه مي‌شود. در اين موارد اغلب اقدام به تغيير مسير راه يا تعويض خاک مي‌گردد. هرگاه به عللي امکان تغيير مسير راه و يا تعويض خاک نباشد و يا اينکه هزينه تعويض خاک مقرون به‌صرفه نباشد، بايد روش اصلاح و بهبود خاک مورد بررسي قرار گيرد تا چنانچه از نظر اقتصادي و فني قابل توجيه باشد، به انجام آن مبادرت گردد [15].
براي انتخاب نوع ماده تثبيت کننده در راهسازي عوامل گوناگوني به اين شرح وجود دارد:
* نوع خاکي که عمليات تثبيت روي آن انجام مي‌گيرد.
* هدف از تثبيت خاک.
* نوع عمليات اصلاح زمين.
* ميزان مقاومتي که پس از اصلاح انتظار مي‌رود که خاک کسب نمايد.
* اقتصادي بودن پروژه.
اهم اهداف تثبيت خاک تأمين يک يا تعدادي از موارد زير است:
* استفاده مؤثر از قرضه‌هاي جانبي.
* اصلاح خاک‌‌هاي نرم و کم‌مقاومت.
* افزايش دوام خاک.
* افزايش ظرفيت باربري خاک.
* کاهش نفوذ‌پذيري خاک.
* کاهش تورم و انقباض خاک.
* کاهش رطوبت خاک.
* کاهش نشانه خميري خاک.
* جلوگيري از فرسايش خاک.
* کاهش ضخامت لايه‌هاي روسازي.
* ايجاد لايه‌هاي اساس و زيراساس با قابليت باربري بيشتر.
* بازسازي روسازي‌هاي فرسوده با استفاده از مصالح موجود.
* آماده سازي محوطه‌اي براي اجراي آسانتر عمليات ساختماني.
* کاهش گرد و غبار.
* صرفه‌جويي در مصرف مصالح.
* صرفه‌جويي در مصرف انرژي.
* تسريع در عمليات اجرايي [15].


پاسخ دهید