دست‌ يابي به فناوري كنترل اثر يخبندان در خاك‌هاي مستعد با استفاده از لايه‌هاي خاكي اصلاح شده با آيروژل

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي عمران

دكتري

حفاظت از خاك در برابر انجماد، يكي از چالش‌هاي مهندسي ژئوتكنيك در مناطق سردسير مي‌باشد. انجماد خاك به ويژه با ايجاد خرابي و كاهش كارايي روسازي راه‌ها، موجب تحميل هزينه‌هاي قابل توجه براي ترميم و بازسازي راه‌ها مي‌گردد. به همين جهت، هدف از اين تحقيق، ارئه‌ي راه‌ كاري مناسب براي ممانعت از يخبندان در خاك و حذف اثرات نامطلوب آن روي سازه‌هاي متكي بر خاك به ويژه روسازي راه‌ها مي‌باشد. روش پيشنهاد شده در اين تحقيق، مبتني بر استفاده از يك عايق حرارتي در سطح خاك براي ممانعت از نفوذ برودت و سرما در عمق خاك مي‌باشد. به منظور تهيه‌ي عايق حرارتي مناسب براي استفاده در سازه‌هاي خاكي، از سيليكا آيروژل كه يك نانو مواد با هدايت حرارتي بسيار كم مي‌باشد، استفاده شد. نتايج آزمايش‌ها نشان داد كه با مخلوط كردن خاك و سيليكا آيروژل، هدايت حرارتي خاك، كاهش مي‌يابد و مي‌توان از اين مخلوط، در تهيه‌ي عايق حرارتي استفاده نمود. نوع خاك مخلوط شده با سيليكا آيروژل و هم‌چنين ميزان سيليكا آيروژل مخلوط شده با خاك، دو عامل اصلي تأثير گذار روي هدايت حرارتي مخلوط‌هاي خاك-آيروژل مي‌باشند. به همين جهت، سه نوع خاك شامل دو نوع ماسه و يك نوع رس، با كاني‌ها و دانه‌ بندي متفاوت، با مقادير مختلف سيليكا آيروژل (1، 2، 3، 4، 5 و 6 درصد وزني) مخلوط شدند و هدايت حرارتي همه‌ي مخلوط‌هاي خاك-آيروژل اندازه ‌گيري گرديد. با توجه به نتايج به دست آمده از آزمايش‌ها، هر چند كه رس به دليل مقادير كم كاني كوارتز، در مقايسه با ماسه، هدايت حرارتي كم‌تري دارد، ولي ماسه به دليل نسبت منافذ كم‌تر در مقايسه با رس، پس از تركيب با سيليكا آيروژل، هدايت حرارتي كم‌تري را ايجاد مي‌نمايد. به همين جهت، ماسه‌ي درشت دانه براي تركيب با سيليكا آيروژل و تهيه‌ي مخلوط خاك-آيروژل انتخاب شد. از سوي ديگر، روند كاهش هدايت حرارتي مخلوط‌هاي خاك-آيروژل، نشان داد كه با افزايش مقدار سيليكا آيروژل، از اثر بخشي آن در كاهش هدايت حرارتي خاك كاسته مي‌شود؛ و بيش‌ترين اثر بخشي سيليكا آيروژل در مقادير كم‌تر از 2 درصد مي‌باشد. پس از تعيين خاك مناسب براي تركيب شدن با سيليكا آيروژل، مخلوط‌هاي خاك-آيروژل با ضخامت‌هاي متفاوت و مقادير متفاوت سيليكا آيروژل، در ميان دو لايه‌ي ژئوتكستايل محصور شدند، و از محصول به دست آمده به عنوان عايق حرارتي در سطح خاك استفاده گرديد. اين عايق حرارتي كه GSAL ناميده شد، در واقع يك ژئوكامپوزيت مركب از مخلوط‌هاي خاك-آيروژل است كه توسط دو لايه‌ي ژئوتكستايل احاطه شده‌اند. نتايج آزمايش‌هاي انجام گرفته براي بررسي عمل‌كرد GSAL و ميزان اثر بخشي آن در كنترل نفوذ يخبندان در خاك نشان داد كه پس از استفاده از GSAL در سطح خاك مستعد يخبندان، نرخ افت دما در خاك به طور قابل توجهي كاهش يافته و فرآيند يخبندان و انجماد خاك به تأخير مي‌افتد. به نحوي كه در نمونه‌ي با 2 درصد سيليكا آيروژل و ضخامت 3 سانتي‌متر، نرخ افت دما حدود 94 درصد كاهش يافت. هم‌چنين، نتايج آزمايش‌ها نشان داد كه اثر ضخامت روي بهبود عمل‌كرد GSAL به مراتب بيش‌تر از اثر ميزان سيليكا آيروژل است. بنابراين، روش بهينه براي افزايش مقاومت حرارتي GSAL، استفاده از مقادير كم سيليكا آيروژل و افزايش ضخامت GSAL مي‌باشد. با توجه به اثر قابل توجه رطوبت روي هدايت حرارتي GSAL، خواص هيدروليكي آن نيز مورد آزمايش و بررسي قرار گرفت. نتايج اين آزمايش‌ها نشان داد كه زاويه‌ي تماس مخلوط‌هاي خاك-آيروژل حدود 130 درجه است كه نشان دهنده‌ي آب گريزي قابل توجه آنها مي‌باشد. از سوي ديگر، ميزان نفوذ پذيري مخلوط‌هاي خاك-آيروژل نيز، در مقايسه با خاك اوليه، كاهش چشم گيري را نشان داد و از cm/s 03/0 در ماسه‌ي بدون آيروژل‌ به cm/s 0014/0 در ماسه‌ي با 2 درصد آيروژل كاهش يافت. هم‌چنين ميزان جذب آب در مخلوط‌هاي خاك-آيروژل نيز به طور قابل توجهي كاهش يافت؛ به نحوي كه، ميزان رطوبت ماسه‌ي بدون سيليكا آيروژل، چهار برابر مخلوط‌هاي خاك-آيروژل اشباع بود. مجموعه‌ي خواص هيدروليكي مذكور براي مخلوط‌هاي خاك-آيروژل، موجب گرديد كه رطوبت، تأثير چنداني در افزايش هدايت حرارتي آن‌ها و كاهش كارايي GSAL نداشته باشد. از سوي ديگر، نتايج آزمايش‌ها نشان داد كه جريان‌هاي سيلابي، سيكل‌هاي تر و خشك شدن و سيكل‌هاي انجماد-ذوب، موجب كاهش كارايي يا نقص در عمل‌كرد GSAL نخواهد شد. در پايان تحقيق، يك شبيه سازي كامپيوتري با استفاده از نرم افزار ANSYS براي مطالعه‌ي عوامل مختلف تأثير گذار روي عمل‌كرد GSAL انجام گرفت. صحت سنجي نتايج حاصل از اين شبيه سازي كامپيوتري، توسط نتايج آزمايشگاهي، نشان داد كه اين مدل مي‌تواند روند تغييرات دماي عمق‌هاي مختلف خاك پوشيده شده با GSAL را با دقت خوب و قابل قبول پيش‌ بيني نمايد.

213314

ژئوتكنيك

مهندسي عمران

دانشگاه صنعتي اصفهان

مهدي حجازي

علي پاك، رسول اجل لوئيان، داود مستوفي نژاد

مهدي ابطحي، حميد هاشم الحسيني