تأثیر حرارت بر فرایند اندرکنش رس و کربنات از دیدگاه ریزساختاری

انواع مختلف خاک ها، و خصوصاً خاک های رسی از منابع و به دلایل مختلف از جمله تثبیت حرارتی ، وجود رژیم حرارتی اعمال شده به خاک در مراکز دفن زباله های هسته ای، اصلاح حرارتی خاک های آلوده و ساخت مصالح ساختمانی، در معرض حرارت قرار می گیرند. مرور تحقیقات گذشته نشان دهنده تاثیر حرارت بر مشخصات فیزیکی و مکانیکی خاک ها و به ویژه تاثیر حرارت بر خصوصیات مهندسی خاک های رسی است. با این وجود مطالعات گذشته عمدتاً بر رفتار مکانیکی و درشت ساختار خاک متمرکز بوده و مطالعات مربوط به ریز ساختار محدود می باشد. با توجه به رابطه و تأثیر متقابل این دو مسئله، به منظور درک و تفسیر مکانیزم تغییرات مشخصات مهندسی خاک در اثر تغییر حرارت، لازم است به مطالعه این موضوع از دیدگاه ریزساختاری توجه بیشتری مبذول داشته و تاثیر آن بر خصوصیات درشت ساختار مشخص شود. از سوی دیگر وجود مقادیر فراوان کربنات به عنوان یکی از اجزای اصلی خاک های رسی به ویژه در مناطق خشک و نیمه خشک و تاثیر آن بر خصوصیات مهندسی خاک ها، لزوم مطالعه تاثیر توامان حرارت و کربنات بر رفتار مهندسی خاک های رسی را به اثبات می رساند. بر این اساس در پژوهش حاضر به مطالعه اندرکنش رس و کربنات در حرارت های بالا و تاثیر آن بر خصوصیات خاک های رسی به کمک مجموعه ای از آزمایش های درشت ساختاری و ریزساختاری پرداخته شده است. بدین منظور دو نوع خاک رسی کائولینیت و بنتونیت در ترکیب با درصدهای مختلف کربنات و ماسه در معرض سطوح حرارتی متفاوت شامل دمای 25، 110، 300، 500، 700، 900 و 1100 درجه قرار داده شده اند. پس از مطالعه تغییرات ایجاد شده در خصوصیات فیزیکی و مهندسی خاک به وسیله آزمایش های درشت ساختار از جمله انقباض خطی، تغییر وزن، جذب آب و مقاومت فشاری محدود نشده، به کمک آزمایش های ریزساختاری شامل آنالیز پراش پرتو ایکس (xrd) و تصاویر میکروسکوپ الکترونی (sem)، ریزساختار خاک مطالعه و تاثیر آن بر تغییرات درشت ساختار مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان دهنده آن است که افزایش حرارت منجر به تغییرات مهمی در ریز ساختار خاک از جمله تخریب، تغییر فاز و تشکیل کانی های جدید و همچنین تغییر بافت و آرایش ساختار داخلی نمونه ها می شود. با افزایش حرارت تا پیش از دمای دیهیدروکسیلاسیون، مقاومت به تدریج افزایش یافته که برای بنتونیت به دلیل حساسیت بالاتر، افزایش مقاومت بیشتر است. در دمای دی هیدروکسیلاسیون، مقاومت برای هر دو نوع کانی رسی به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. به طوری که مقاومت نمونه های کائولینیت به میزان 2 تا 5/2 برابر و نمونه های بنتونیت به میزان 3 تا 4 برابر افزایش داشته است. با اعمال حرارت بیش از دمای دی هیدروکسیلاسیون، روند متفاوتی در نمونه های کائولینیت و بنتونیت مشاهده گردید. به طوری که با افزایش حرارت، مقاومت نمونه های کائولینیت به طور پیوسته افزایش داشته و حداکثر مقدار مقاومت (19.19 mpa) در دمای 1100 درجه به دست آمد، که نشان دهنده افزایش مقاومت به میزان 8 برابر است. با توجه به نتایج آنالیز پراش پرتو ایکس و تصاویر میکروسکوپ الکترونی، این افزایش مقاومت به دلیل تشکیل کانی های سیلیکاتی از جمله مولیت و ایجاد ساختار یکپارچه رخ داده است. در مقابل، مقاومت نمونه های بنتونیت در حرارت بیش از دمای دی هیدروکسیلاسیون کاهش قابل ملاحظه ای یافته است، که به علت تشکیل حفرات میکروسکوپی و خلل و فرج بسیار در نمونه رخ داده است. بررسی تاثیر توامان درصد کربنات و حرارت بر مقاومت نشان دهنده آن است که در یک دمای مشخص، افزایش درصد کربنات منجر به کاهش مقاومت شده و در حرارت های مختلف میزان کاهش ایجاد شده، متفاوت میباشد. به طوری که بیشترین مقدار کاهش در مقادیر حداکثر مقاومت و همچنین پس از تجزیه کربنات کلسیم رخ می دهد (کاهش 60% تا 80% مقاومت برای نمونه های کائولینیت و 35% تا 40% برای نمونه های بنتونیت). دلیل این کاهش مقاومت عدم تشکیل کانی مولیت در نمونه های کائولینیت و تشکیل دیگر کانی ها از جمله ولاستونیت، ژلینیت و آنورتیت با خصوصیات مقاومتی ضعیف نسبت به مولیت و همچنین ایجاد ساختار متخلخل در هر دو سری از نمونه های کائولینیت و بنتونیت است. همچنین تغییرات جذب آب نمونه های کائولینیت در اثر افزایش حرارت، وابسته به درصد کربنات موجود در خاک می باشد، به طوری که افزایش حرارت در نمونه های حاوی کربنات طبیعی موجب کاهش میزان جذب آب شده است، ولی با افزایش درصد کربنات مصنوعی (کربنات صنعتی)، اعمال حرارت تا دمای 900 درجه منجر به افزایش جذب آب در نمونه حاوی کربنات مصنوعی شده است. افزایش حرارت در نمونه های بنتونیت موجب کاهش جذب آب شده و در مقابل در یک دمای مشخص افزایش درصد کربنات منجر به افزایش جذب آب می گردد. با وجود آن که حرارت تاثیر بسزایی بر خواص رفتاری رس از جمله مقاومت فشاری و جذب آب دارد، نوع و شدت تغییرات ناشی از حرارت به میزان زیادی متاثر از کربنات موجود در رس بوده و حتی در مواردی منجر به تغییر رفتار مورد انتظار از رس در معرض حرارت می شود. بر اساس نتایج آزمایش های ریز ساختاری شامل آنالیز پراش پرتو ایکس (xrd) و تصاویر میکروسکوپ الکترونی (sem) مشخص گردید که تاثیر حرارت بر خصوصیات مهندسی خاک های رسی و اندرکنش آن با کربنات و تغییرات درشت ساختار ناشی از آن به شدت متاثر از تغییرات ریزساختار بوده و این دو مقوله در ارتباطی تنگاتنگ با یکدیگر می باشند.