خلاصه
تثبیت خاک با اضافه نمودن موادی همچون سیمان ، آهک ، قیر و … از دیرباز یکی از روش های موثر در بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی خاک ها بوده است. نانوذرات از جدیدترین افزودنی هایی می باشند که مطالعاتی در زمینه استفاده از این ذرات در بهبود خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک ها صورت پذیرفته است. در این پژوهش اثر نانو ذرات نانو سیلیس و نانو اکسید روی بر خواص مهندسی خاک ماسه ای مورد مطالعه قرار گرفته است. ابتدا از آسیاب توپی۱ برای پراکندن نانو ذرات در توده خاک و آماده سازی نمونه ها استفاده شد. از درصد های مختلفی از نانو ذرات شامل ۱ ، ۲ ، ۳ ، ۵ و ۷ درصد وزنی در نمونه ها استفاده شد تا میزان تغییرات به وجود آمده با افزایش درصد نانو ذرات بررسی شود. ابتدا به منظور دستیابی به رطوبت بهینه و وزن مخصوص بیشینه، آزمایش تراکم بر روی خاک مورد مطالعه انجام گرفت و سپس آزمایشات حدود اتربرگ به منظور بررسی تأثیر نانو ذرات یاد شده بر خصوصیات شاخص خاک ماسه ای رس دار با نسبت %۸۰ ماسه و %۲۰ رس کائولینیت انجام گرفتند. در آزمایشات برش مستقیم و سه محوری ( تحکیم یافته – زهکشی شده ) تأثیر نانوذرات بر مقاومت برشی خاک ماسه رس دار با نسبت %۸۰ ماسه و %۲۰ رس کائولینیت بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که افزودن نانو سیلیس به خاک موجب افزایش حدود روانی و خمیری شده ولی افزودن نانو اکسید روی به خاک تأثیر چندانی بر پارامتر های خمیری آن نداشته است. در آزمایش برش مستقیم شاهد افزایش زاویه اصطکاک داخلی و کاهش چسبندگی با اضافه کردن ۵ و ۷ درصد نانو سیلیس به خاک و کاهش زاویه اصطکاک داخلی و افزایش چسبندگی با افزودن نانو اکسید روی بودیم و آزمایش سه محوری نیز تأثیر اندک نانو اکسید روی بر بهبود پارامتر های مقاومتی خاک ماسه ای را نشان داد.

کلمات کلیدی: تثبیت، تانو سیلیس ، نانو اکسید روی ، برش مستقیم ، سه محوری

۱٫ مقدمه

وجود بستر مقاوم یکی از اصول اولیه ساخت در عملیات عمرانی می باشد. خاک، اساس یک سازه است که بار ها را به طور مؤثر توزیع می کند و اگر استحکام و پایداری خاک کافی نباشد، در سازه تحت اثر بارهای وارده نشست و ترک و گسیختگی رخ می دهد. خاک های رسی بیشتر درمعرض این مسئله هستند. یکی از روش های حل مشکل ضعیف بودن زمین، تثبیت خاک می باشد. بهسازی و تثبیت خاک دارای چند هدف اصلی همچون افزایش ظرفیت باربری، کنترل تغییرشکل و افزایش سرعت تحکیم، تأمین پایداری جانبی، کنترل تراوش، افزایش مقاومت در برابر روانگرایی، کاهش نفوذپذیری و… می باشد.

یکی از روش های بهبود خصوصیات خاک اصلاح آن با استفاده از مواد افزودنی است. در گذشته افزودنی های متداول همچون سیمان، آهک، قیر، خاکستر بادی، مواد پلیمری و… در مطالعات سایر پژوهشگران مورد مطالعه قرار گرفته است .[۱ – ۴] درکنار این مواد، نانوذرات که دارای ویژگی های منحصر بفردی هستند، در مهندسی ژئوتکنیک کمتر مورد توجه قرار گرفته اند.

۱ Ball Mill

نانو ذره به ذره ای اطلاق می شود که حداقل یک بعد در مقیاس نانو داشته باشد. ذرات با اندازه نانومتر در مقایسه با ذرات با اندازه بزرگتر، رفتارهای بسیار متفاوت با خصوصیات ارتقاء یافته ازخود نشان می دهند. نانو ذرات به دلیل داشتن خصوصیاتی همچون مساحت سطح ویژه بالا، بارهای سطحی و نانو تخلخل، در صورتی که به مقدار بسیار کمی هم در خاک حضور داشته باشند می توانند خصوصیات مهندسی و رفتار فیزیکی و شیمیایی خاک را تحت تاثیر قرار دهند .[۵] خاک های حاوی نانو ذرات با تخلخل های درون ذره ای به طور معمول حدود خمیری و روانی بیشتری از خود نشان می دهند .[۶] وجود نانو ذرات باعث افزایش خاصیت تیکسوتروپیک۱ خاک می شود که این مساله افزایش مقاومت برشی خاک را در پی دارد

.[۵]

با توجه به اینکه رفتار خمیری خاک رس در بسیاری موارد مثل هسته سدهای خاکی، کنترل تراوش، جلوگیری ازپدیده رگاب و… نقش بسزایی دارد، اهمیت بررسی این موضوع را در می یابیم. همچنین مطالعه ویژگی های مقاومتی خاک رس در افزایش ظرفیت باربری خاک و پی حائز اهمیت می باشد. مطالعات گسترده ای در زمینه اثر نانو ذرات در بهبود پارامترهای مقاومتی خاک انجام شده است. درسال ۱۹۹۲ یون کورا و میوا ۲ ازاین ذرات برای افزایش مقاومت فشاری خاک استفاده کردند .[۷] همچنین در همان سال نول و همکاران ۳ اثر نانو ذرات سیلیکا را در افزایش مقاومت در برابر نفوذپذیری بررسی کردند .[۸] در سال ۲۰۰۵ این ذرات برای افزایش چسبندگی وکاهش لزجت مورد استفاده قرار گرفتند و در نهایت مشخص شد که مقدار چسبندگی به درصد نانو ذره سیلیکا مرتبط است .[۹] ژانگ۴ در سال ۲۰۰۴ بیان کرد که افزایش نانو ساختار در خاک باعث زیاد شدن حدود اتربرگ می شود .[۱۰]

در این پژوهش تأثیر افزودن نانو سیلیس و نانو اکسید روی بر خصوصیات خاک ماسه ای مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش های حدود اتربرگ برای بررسی اثر نانو ذرات ذکر شده بر ویژگی های خمیری خاک ( در %۳ وزنی نانو ذرات ) انجام شده است. آزمایشات برش مستقیم و سه محوری به عنوان تست های مقاومتی برای مطالعه اثر نانو ذرات روی ویژگی های مقاومتی خاک انجام گرفتند .درصدهای وزنی نانو ذرات یاد شده در این آزمایش ها شامل پنج درصد مختلف ۱ ، ۲ ، ۳ ، ۵ و ۷ می باشند.

۲٫ معرفی مصالح

ماسه: خاک ماسه ای مورد استفاده در این پژوهش از ساحل بندر انزلی جمع آوری شده است. نمودار دانه بندی این خاک در شکل ۱ نشان داده شده است. دانه بندی خاک ماسه ای براساس استاندارد ASTM D 421-87 انجام گرفت .[۱۱]