بررسی اثرنانوذرات بر فرآیند خودترمیمی خاک های رسی- قسمت ۳

بررسی اثرنانوذرات بر فرآیند خودترمیمی خاک های رسی- قسمت ۳

آوریل 8, 2021 0 By مدیر سایت

نمودار۵-۲۳- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵% افزودنی در مرحله اولیه
بعد از ساخت نمونه………………………………………………………………………………………………………….۶۳
. نمودار۵-۲۴- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵% افزودنی بعد از ۱۴ روز……۶۳
نمودار۵-۲۵-تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه بدون افزودنی در مرحله اولیه
بعد از ساخت نمونه………………………………………………………………………………………………………….۶۵
نمودار۵-۲۶-تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه بدون افزودنی بعداز۲۸ روز ……….۶۵
نمودار۵-۲۷- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۱% افزودنی در مرحله اولیه
بعد از ساخت نمونه……………………………………………………………………………………………………………۶۶
نمودار۵-۲۸- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۱% افزودنی بعد از ۲۸ روز……….۶۶
نمودار۵-۲۹- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵/۲% افزودنی در مرحله اولیه
بعد از ساخت نمونه…………………………………………………………………………………………………………….۶۷
نمودار۵-۳۰- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵/۲% افزودنی بعد از ۲۸ روز…….۶۷
نمودار۵-۳۱- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵% افزودنی در مرحله اولیه
بعد از ساخت نمونه…………………………………………………………………………………………………………….۶۸
نمودار۵-۳۲- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵% افزودنی بعد از۲۸ روز………۶۸
نمودار۵-۳۳-تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه بدون افزودنی در مرحله اولیه
بعد از ساخت نمونه…………………………………………………………………………………………………………..۷۰
نمودار۵-۳۴-تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه بدون افزودنی بعداز۶۰ روز ………..۷۰
نمودار۵-۳۵- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۱% افزودنی در مرحله اولیه
بعد از ساخت نمونه………………………………………………………………………………………………………….۷۱
نمودار۵-۳۶- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۱% افزودنی بعد از ۶۰ روز……..۷۱
نمودار۵-۳۷- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵/۲% افزودنی در مرحله اولیه
بعد از ساخت نمونه………………………………………………………………………………………………………….۷۲
نمودار۵-۳۸- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵/۲% افزودنی بعد از ۶۰ روز…..۷۲
نمودار۵-۳۹- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵% افزودنی در مرحله اولیه
بعد از ساخت نمونه…………………………………………………………………………………………………………..۷۳
نمودار۵-۴۰- تغییرات مقاومت فشاری محصور نشده برای نمونه با ۵% افزودنی بعد از ۶۰ روز………۷۳
نمودار۶-۱- مقاومت نهایی بدست آمده در آزمایش تک محوری برای نمونه های با
درصدهای مختلف مواد افزودنی …………..۷۹
نمودار۶-۲- تغییرات با توجه به زمان ودرصد ماده افزودنی …………..۸۰
۱- ۱- مقدمه
خاک های رسی غالبا دارای مشکلاتی از جمله نشست زیاد، مقاومت برشی پایین و دشواری تراکم می باشند. برای تامین مقاومت مناسب خاک روش های مختلفی سازی خاک، پیش بارگذاری، اختلاط و تثبیت خاک هستند. بسته به نوع پروژه و شرایط وجود دارد که در قالب روش های متنوع بهسازی قرار می گیرند. برخی از این روش ها عبارت از متراکم ساختگاه یکی از این روش ها به عنوان روش مناسب جهت تثبیت انتخاب می شود]۱[.
تثبیت رس ها با بهره گرفتن از افزودنی های متداول همچون سیمان، آهک، خاکستر بادی و … همواره در مطالعات پژوهشگران مورد بررسی قرار گرفته است. در کنار آن نانو مواد که حائز ویزگی های منحصر به فردی هستند کمتر مورد توجه بوده اند. ]۲[. نتایج آزمایشات پیشین نشان می دهد که افزودن درصد کمی نانو رس مونتموریلونیت به خاک رس باعث افزایش چشمگیر مقاومت آن می شود]۲[و]۳[؛ (به همین دلیل ماده افزودنی مورد استفاده در این پژوهش نانو رس مونتموریلونیت اصلاح نشده انتخاب شده است).
از طرف دیگر خاک رس دارای ویژگی مثبتی است که موجب ترمیم ترک های به وجود آمده در آن می شود. خاصیت ترمیم ترک رس به معنای بسته شدن ترک های ایجاد شده در آن می باشد ]۱۵[و]۲۳[و]۲۴[. عوامل موثر بر خودترمیمی خاک رس مخصوصا خصوصیات خمیری خاک ها در شرایط مختلف تراکمی-تحکیمی و رطوبتی سبب رفتارهای خاص مربوط به خاک رس می گردد]۴[.
بیشتر آزمایش های انجام شده در زمینه خودترمیمی رس ها آزمایشات نفوذپذیری بوده و محدود به ترک های ایجاد شده از انقباض و انبساط در مراکز دفن زباله]۱۵[و]۲۴[، یا ترک های ناشی از فرسایش درونی در سدهای خاکی بوده اند]۴[و]۲۳[. در حالیکه از این خاصیت رس ها می توان در سایر پدیده های ژئوتکنیکی که تحت یک سربار مشخص و قابل پیش بینی به وقوع می پیوندند نیز استفاده کرد. برای رسیدن به این مطلوب در این تحقیق با ایجاد یک ترک به وسیله آزمایش مقاومت فشاری محصور نشده در خاک تقویت شده با نانو رس مونتموریلونیت و نگهداری از آن در جهت ترمیم شدن تا زمان های مشخصی سعی در بررسی تاثیر افزایش مقاومت در روند این پدیده را داریم.
۱-۲- اهداف پژوهش
– ارائه یک راهکار جدید برای بررسی پدیده خود ترمیمی و استفاده از آن
– افزایش مقاومت خاک و بررسی تاثیر این افزایش مقاومت بر روند ترمیم ترک
-بررسی خصوصیات فیزیکی خاک و اصلاح آن ها
– بررسی نقش نانو رس مونتموریلونیت اصلاح نشده بر میزان خود ترمیمی خاک ها در طول زمان
– بدست آوردن یک درصد بهینه افزودنی نانو رس که علاوه بر افزایش مقاومت باعث تسریع خود ترمیمی شود.
۱-۳- ساختار پژوهش
این پژوهش در قالب فصل های جداگانه تنظیم شده که به طور کلی مباحث مربوط به موضوع تحقیق را شامل می شود.
در این تحقیق بعد از بیان توضیحاتی در ارتباط با پژوهش های انجام گرفته و نتایج بدست آمده تا کنون با بررسی خاک های رسی، میزان تاثیرگذاری خاک های رسی در خصوصیات فیزیکی از جمله خودترمیمی خاکها را مورد ارزیابی قرار داده ایم و بعد از شناخت تاثیر خاک های رسی با انجام آزمایش هایی موضوع خودترمیمی خاک های رسی را مورد سنجش قرار داده و اهداف پژوهش را مورد ارزیابی و بررسی قرار داده و نتایج حاصل از آن را در بخش نتیجه گیری و پیشنهادات آورده ایم.
۲- ۱- مقدمه
در این فصل در ابتدا توضیحاتی در رابطه با تاریخچه نانو فناوری و لزوم استفاده از آن در ژئوتکنیک داده ایم سپس مطالعات انجام شده در رابطه با موضوع تحقیق تا کنون را بیان کرده ایم.
۲-۲-تاریخچه نانو فناوری
اولین جرقه فناوری نانو (البته درآن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود ) در سال ۱۹۵۹ زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی باعنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد»، ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده ای نزدیک می توانیم مولکول ها و اتم ها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم]۵[.
وی عنوان کرد که با افزایش فراگیری دانشمندان در زمینه ساخت ترانزیستورها و سایر اندازه های مقیاس کوچک، خواهیم توانست مرتبا آنها را کوچک وکوچکتر بسازیم تا نهایتا به محدوده طبیعی خودشان در لبه های بی اطمینانی کوانتم نزدیک شوند و جایی توقف کنیم که اتم ها خودشان بسیار لغزنده، غیر قابل شناخت و از لحاظ مکانیکی قابل اعتماد شوند. در اوایل دهه ی ۹۰ بودکه توجهات ما به سمت آنچه امروز «فناوری نانو» می نامیم، شتاب سرسام آوری به خود گرفت]۶[.
در دهه ی ۸۰ وسایل اندازه گیری که دارای خصوصیات و توانایی های مورد نظر فاینمن باشد اختراع شد. این وسایل که شامل: میکروسکوپ تونل زنی پیمایش گر، میکروسکوپ های اتمی و میکروسکوپ های میدان نزدیک می شوند، «چشم ها » و «انگشتان» لازم برای اندازه گیری و دست کاری نانو ساختارها را فراهم آوردند. هم زمان با این موضوع، گسترش توانایی محاسباتی، شبیه سازی پیچیده رفتار مواد در مقیاس نانو را ممکن ساخته است]۷[.
واژه ی فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی، استاد دانشگاه علوم توکیو در سال ۱۹۷۴ بر زبان ها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد ( وسایل ) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانو متر می باشد، به کاربرد. در سال ۱۹۸۶ این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان «موتور آفرینش:آغاز دوران فناوری نانو » باز آفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکتری خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان « نانو سیستم ها ماشین های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها » توسعه داد]۵[.
۲-۳-دلایل استفاده از فناوری نانو
شاید این سوال در ذهن پدید آیدکه چه چیزی در مقیاس نانومتری وجود دارد که یک تکنولوژی بر پایه آن بنا نهاده شده است.آنچه باعث ظهور نانوتکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای مواد است. این موضوع یکی از مهمترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو (نانومواد یا مواد نانو ) است. در مقیاس نانو، اشیا شروع به تغییر رفتار می کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غلبه می کند. دراین مقیاس، برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند نقض می شوند. برای مثال، یک سیم یا اجزای یک مدار در مقیاس نانو، لزوما از قانون اهم پیروی نمی کنند. قانون اهم، به جریان ولتاژ و مقاومت بستگی دارد. اما در مقیاس نانو، وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چند اتم باشد، الکترونها لزوما باید در صف به ترتیب و یک به یک از سیم رد شوند. بنابراین ممکن است قانون اهم در این مقیاس تا حدودی نقض شود. در حقیقت در این مقیاس، قوانین فیزیک کوانتوم وارد صحنه می شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار وحتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواهد داشت.
اگر یک مکعب از جنس طلا با ابعاد ۳ سانتی متر را از طول، عرض و ارتفاع نصف کنیم، تا ۸ مکعب کوچک تر بدست آوریم، خواص ماده، در هر ۸ مکعب کوچک تر، دقیقا مشابه خواص مکعب اولیه است. هر مکعب کوچکتر، هنوز طلاست، زرد است، درخشنده و سنگین است. همه ی این مکعب ها نرم هستند، یک فلز هادی الکتریسیته هستند، با همان نقطه ی ذوبی که قبل از تقسیم شدن به این مکعب های کوچک تر داشتند.
حال اگریکی از این مکعب ها ی کوچک شده را به روش مشابهی به ۸ مکعب کوچکتر تقسیم کنیم، مکعب های بدست آمده از این مرحله هم همان خواص مکعب اولیه را دارا هستند. اگر به این فرایند ادامه دهیم و مکعب ها ی طلا را مرتبا کوچک وکوچک نماییم، سرانجام قادر به دیدن تکه های ریز شده طلا با چشم غیر مسلح نخواهیم بود. اما همچنان خواص فیزیکی وشیمیایی تکه های طلا بدون تغییر باقی می ماند.
وقتی به مقیاس نانو برسیم، تقریبا همه چیز تغییر می کند حتی رنگ طلا. نقطه ذوب و خواص شیمیایی آن کاملا متحول می شود. مثلا نانو ذرات طلا بسته به اندازه خود می توانند نارنجی، ارغوانی، قرمز یا آبی متمایل به سبز به نظر رسند. توسط میکروسکوپ می توان دید که یک نانو نقطه ی[۱] طلا قرمز به نظر می رسد. اما وقتی این ذرات به هم متصل شوند، رنگشان به زرد تبدیل می شود. اگر تعداد کافی نانو نقاط طلا به هم نزدیک شوند به طوری که با هم ترکیب نشوند، می توان رنگ قرمز نانوذرات را با چشم غیر مسلح نیز دید]۸[.
هرچه اندازه ی ذرات کوچک تر باشد، تاثیر کاهش اندازه ذرات بر مقدار اتم های سطحی بیشتر می شود. در موادی باابعاد میکرومتر ومتر، مقدار اتم ها ی سطحی نسبت به اتم های کل ماده، بسیار ناچیز و تقریبا برابر با صفر است. بنابراین، تاثیر این اتم ها برخواص ماده بسیار ناچیز است. اما در مقیاس های نانومتری، درصد این اتم ها بسیار زیاد است و می توانند نقشی تعیین کننده در خواص مواد داشته باشند. به نظر می رسد عاملی که بسیاری ا زخواص نانو مواد را کنترل می کند، رفتار اتم های سطحی و مقدار آنهاست]۹[.
۲-۴- نانو فناوری و مهندسی ژئوتکنیک
نانو فناوری در رشته ژئوتکنیک به نسبت سایر رشته ها بسیار نوپاست و یافته های بشر به ویژه در داده های تجربی و آزمایشگاهی بسیار محدود است؛ اما ایده های فراوانی وجود دارد که در صورت بررسی دقیق آن ها و انجام آزمایش های لازم، تحول شگرف یاد شده در بخش پیشین را در این رشته نیز دور از انتظار نخواهد نمود. عوامل زیر باعث می شود که دانشمندان علم ژئوتکنیک به ابعاد نانو توجه ویژه مبذول دارند:
– کانی های خاک وسنگ نانو مواد هستند.
– برخی از مواد، نانو ساختار جالبی دارند که می تواند برای توسعه «نانو مواد ژئوتکنیکی» مورد استفاده قرار گیرد.
– نانو مکانیک می تواند برای بهبود فهم پایه ای رفتار مکانیکی خاک و سنگ (اصطکاک،خزش، اثرات سرعت،اثرات حرارتی،خردشدن دانه ها،اثرات شیمیایی و…) مفید واقع شود.
-برهم کنش خاک وسنگ با مایعات (مثلا هوازدگی) فرایندی در ابعاد نانو است.
-ابزار ذخیره انرژی در آینده از کامپوزیت های پلیمری نانو رس بهره خواهند برد]۳[.
تحقیقاتی که تاکنون در این باره انجام گرفته و نتایج جالب توجهی را به همراه داشته است، شامل موارد زیر است
Noll et al در سال ۱۹۲۲ استفاده از نانو ذرات سیلیکا را برای ارتقاء مقاومت خاک در مقابل تحکیم و نفوذپذیری را مورد بررسی قرار دادند.
برای بررسی اثر نانو ذرات سیلیکا درمحدوده ی ابعاد ۵ تا ۱۰۰ نانومتر, Batron et al آزمایش تحکیم, ازمایش سه محوری و آزمایش مقاومت فشاری را انجام دادند و نشان دادند که خاک حاوی نانو ذرات در مراحل اولیه شکل پذیر بوده و متعاقبا الاستوپلاستیک می شوند.
در سال ۲۰۰۴ Ghang نشان داد که وجود نانو ساختار در خاک باعث افزایش حدود اتربرگ می شود ]۱۰[.
قاضی۱۳۸۹ گزارش کرده است که نانو رس مونتموریلونیت اصلاح شده (MMN )، حد روانی را به طور قابل ملاحظه ای افزایش داده است، لذا افزودن نانو رس مونتموریلونیت اصلاح شده موجب افزایش دامنه ی خمیری خاک شده است. همچنین افزودن ۸ درصد وزنی MMN به خاک رسی دامنه خمیری خاک را حدود ۶۸ درصد افزایش داده است که می تواند در سد های خاکی با هسته رسی بسیار مفید باشد. ایشان همچنین مقادیر مختلف MMN بر مقاومت فشاری تک محوره ی خاک رسی را مورد بررسی قرار دادند که نتایج نشان دهنده افزایش معنادار این پارامتر است. با افزایش MMN مقاومت فشاری محدود نشده افزایش یافته و در بیشترین مقدار خود, ۲/۳۴ درصد نسبت به حالت بدون افزودنی بهبود یافته است. همچنین اثر افزودن نانوسیلیس بر مقاومت فشاری نمونه های مکعبی خاک رس که با سیمان تثبیت شده اند مورد بررسی قرار گرفته است که نتایج بیانگر افزایش چشم گیر در مقاومت نمونه های مکعبی با مقادیر ۵/۰ ,۲/۱ درصد نانو سلیس می باشد]۳[.

جدول۲-۱- حدود خمیری، روانی و دامنه ی خمیری خاک با درصدهای مختلف افزودنی MMN و بنتونیت
خسروانی و قربانی۱۳۹۰ نیز با مجموعه ای از آزمایشات حدود اتربرگ و آزمایش مقاومت فشاری محدود نشده بر روی دو نوع خاک چسبنده ( رس کائولینیت تجاری و رس لای دار شهررشت ) با درصد های مختلف نانو رس به منظور بررسی کمی و کیفی اثر نانو رس بر خواص ژئوتکنیکی خاک های چسبنده به نتایج زیر دست یافته اند:
-با افزایش مقدار نانو رس، حد خمیری افزایش کمی در دو نوع خاک رس آزمایش شده نشان می دهد.
-با افزایش مقدار نانو رس در خاکهای چسبنده مورد آزمایش،حد روانی و دامنه خمیری افزایش چشمگیری می یابد.

(۱) کائولینیت (۲) رس لای دار رشت

 

جهت دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت jemo.ir مراجعه نمایید.