تاثیر نانو رس بر رفتار مهندسی خاک های رسی در سیکل های یخبندان و ذوب شدن

در پروژه های مهندسی که در نواحی سردسیر انجام می شوند، یخبندان و ذوب یکی از عوامل جوی موثر بر پایداری رفتار مهندسی خاک، شامل ترک خوردگی در بستر رسی مراکز دفن مهندسی زباله، دوام و عملکرد روسازی ها و شیروانی های خاکی است، مرور تحقیقات گذشته مرتبط با پروژه های مهندسی ژئوتکنیک و ژئوتکنیک زیست محیطی نشان می دهد که تأثیر بخش پولک های رسی با ابعاد بسیار ریز (نانو ذرات رسی) بر فرایند یخبندان و ذوب خاک ها تقریباً ناشناخته باقی مانده-است. بر این اساس هدف اصلی این پژوهش مطالعه تأثیر بخش پولک های رسی با ابعاد بسیار ریز (نانورس) بر رفتار مهندسی خاک های رسی درفرایند یخبندان و ذوب می باشد. برای این منظور از دو نوع نمونه رسی کائولینیت و بنتونیت با خصوصیات ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیست محیطی مختلف و درصد های مختلف نانو رس کلوزایت na (که به علت داشتن پولک هایی در ابعاد نانو دارای مساحت سطح مخصوص و ظرفیت تبادل کاتیونی بالایی است)، استفاده شده است. استفاده از نانو رس با درصد های مختلف به درک بهتر تاثیر پارامترهای مساحت سطح مخصوص (ssa) و ظرفیت تبادل کاتیونی (cec) بر رفتار خاک در فرایند یخبندان و ذوب کمک زیادی می کند. برای دستیابی به هدف این پژوهش، در این تحقیق دو سری آزمایش درشت ساختاری (حدود اتربرگ، تحکیم یک بعدی، و تورم) و آزمایش ریز ساختاری (ظرفیت تبادل کاتیونی، مساحت سطح مخصوص و عکسبرداری میکروسکوپ الکترونی) انجام شده است. سیکل های یخبندان و ذوب مورد مطالعه در این پژوهش شامل 0، 1، 3، 5، 7، 11، و 15 سیکل می باشد. با تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش ها، مکانیسم حاکم بر فرایند یخبندان و ذوب را می توان به صورت ذیل تشریح نمود. هنگامی که آب در حفرات خاک یخ می زند کاتیون های موجود تمایل به مهاجرت به سمت ذرات رس را دارند که این موضوع سبب کاهش ضخامت لایه ی دوگانه رس می شود. در نتیجه نیروی دافعه ی موجود بین پولک های رسی کاهش می یابد، پولک ها به هم نزدیک تر می شوند و این فرایند سبب شکل گیری پولک های لخته شده در سیکل های بعدی می شود. این پدیده ها فرایند حاکم بر سیکل های اول تا هفتم در خاک است. پس از سیکل هفتم به علت کشش ها و فشار های زیادی که در اثر اعمال سیکل ها به وجود آمده است ساختار پولک های لخته شده تخریب می شود که این موضوع باعث افزایش در ssa خاک و در نتیجه باعث افزایش احتمال در معرض قرار گرفتن سطح بیشتری از پولک ها برای جایگزینی کاتیون در سطح رس (یعنی افزایش cec) می شود. در این تحقیق مکانیسم شرح داده شده به کمک عکس برداری sem از نمونه ها تائید شده است. این پدیده در رفتار دو خاک بنتونیت و کائولینیت رخ می دهد. اگر چه در کائولینیت به علت مساحت سطح مخصوص و ظرفیت تبادل کاتیونی پایین این کانی، مرحله ی اول و دوم قابل ملاحظه نمی باشد. افزودن نانورس به کائولینیت که به معنی افزایش مقادیرcec و ssa نمونه است، سبب می شود بخش اول و دوم مکانیسم شرح داده شده به وضوح قابل مشاهده شود. بررسی نتایج آزمایش تحکیم یک بعدی بیانگر آن است که آن چه در فرایند یخبندان و ذوب حاکم است فروپاشی و پراکندگی ساختار خاک در مقیاس ماکرو بوده چرا که تمامی نمودار های تحکیم در سیکل های مختلف زیر نمودار خاک اصلی قرار می گیرند و نمونه ها در اثر فرایند یخبندان و ذوب، تراکم پذیرترشده اند. نتایج این تحقیق هم چنین نشان می دهند که تنش پیش تحکیمی در اثر اعمال سیکل ها کاهش پیدا می کند و بیشترین کاهش در تنش پیش تحکیمی، در سیکل هفتم مشاهده می شود. ضمن آنکه مجموعاً کاهش تنش پیش تحکیمی تابعی از مشخصات ریز ساختاری خاک است.