نمودار۲-۱- حدود خمیری ، روانی و دامنه ی خمیری با درصدهای مختلف نانو رس ب
– با افزایش مقدار نانو رس در خاک های چسبنده مورد آزمایش, مقاومت تک محوری افزایش قابل ملاحظه ای از خود نشان می دهد.
– با افزایش مقدار نانو رس در خاک های چسبنده مورد آزمایش, مقاومت در برابر تغییر شکل افزایش می یابد]۲[.

(۱)رس کائولینیت (۲) رس لای دار رشت
نمودار۲-۲- نتایج آزمایش مقاومت فشاری محدود نشده با درصد های مختلف نانو رس
گنجی و همکارانش ۱۳۹۱ به بررسی اثر نانو رس ها بر روی تغییرات تنش برشی پرداختند و مقایسه نتایج آزمایش فشار تک محوری در دو حالت با حضور نانو رس و بدون نانو رس نشان می دهد که تنش برشی خاک با بکارگیری نانو رس ها افزایش خواهد یافت]۱۱[.
فخری و همکارانش در سال ۱۳۹۱ به بررسی اثر نانو رس بر خصوصیات ژئوتکنیکی پایه ای خاک رس کائولینیت پرداختند. نتایج حاصل از این آزمایش ها نشان می دهد دامنه خمیری با اضافه کردن مقدار کمی از نانو رس مونتموریلونیت اصلاح شده به طور قابل توجهی افزایش و خواص خاک رس کائولینیت بهبود می یابد]۱۲[.
جانعلیزاده و همکارانش در سال ۱۳۹۲ به بررسی اثر نانو سیلیس در بهبود رفتار مقاومتی خاک های رسی پرداختند. در این تحقیق به منظور بررسی کنترل خواص مقاومتی، آزمایش مقاومت فشاری تک محوری بر نمونه های ۰%، ۱%، ۵/۱%، ۲% و ۳% از نانو سیلیس انجام شد.تحلیل نتایج نشان می دهد که مخلوط سیمان و نانو سیلیس، پارامترهای مقاومتی خاک رس را به طور قابل توجهی بهبود می بخشند]۱۳[.
همچنین جانعلیزاده و همکارانش در سال ۱۳۹۲ در مقاله ای به منظور بررسی تاثیر نانو سیلیس بر خواص مقاومتی، آزمایش مقاومت فشاری تک محوری بر نمونه های حاوی ۳، ۵، ۷ و ۱۰ درصد وزنی نانو سیلیس در تراکم های مختلف ۹۰، ۹۵، ۹۸ درصد و در سنین ۴، ۷، ۱۴ به ترتیب انجام دادند. خلاصه نتایج به شرح زیر می باشد:
با افزایش درصد نانو سیلیس مقدار مقاومت فشاری محصور نشده افزایش می یابد. با افزایش مقدار تراکم، مقدار مقاومت فشاری محصور نشده نمونه های تثبیت شده با نانو سیلیس افزایش می یابد. با افزایش سن عمل آوری مقدار مقاومت فشاری محصور نشده نمونه های تثبیت شده با نانو سیلیس افزایش می یابد]۱۴[.
۲-۵- بررسی های انجام گرفته در مورد پدیده خودترمیمی
شان و دانیل در سال ۱۹۹۱ خصوصیات خود ترمیمی بنتونیت را به وسیله ایجاد سوراخ هایی به قطر (۱۲و۲۵و۷۵ میلی متر) در نمونه های به قطر ۱۵۲ میلی متر آزمایش کردند و نمونه ها بدون ترکیب با آب تحت تنش محدود شده kpa 14در نظر گرفته شدند. مقادیر نفوذپذیری اندازه گیری شده نشان داد که بنتونیت بدون ترکیب با آب سوراخهای با قطر ۱۲و۲۵ میلیمتر را پر می کند و تغییرات آن ها در نفوذپذیری هیدرولیکی، در حدود بوده است. ولی برای سوراخ به قطر ۷۵ میلی متر در نفوذپذیری هیدرولیکی، در حدود افزایش یافته بود]۲۶[.
بناپارت در سال ۱۹۹۶ آزمایش های ترکیبی با آب را بر روی سه نوع مختلف لایه رسی توام با لایه ژئوسنتیک در تماس با رس های متراکم شده انجام داد و گزارش داد که بعد از ۷۵ روز مقدار آب در لایه رسی حدود ۹۰ درصد است] ۴[.
هوشیار۱۳۸۵ بررسی روند خودترمیمی را در نمونه های رسی بوسیله آزمایش پین هول بر اساس درصد بنتونیت اضافه شده به خاک رس مورد ارزیابی قرار داد. پارامترهایی همچون رطوبت، تراکم، زمان نگهداری نمونه و خواص خمیری به عنوان عوامل تاثیرگذار برروند میزان افزایش یا کاهش خودترمیمی خاک رس در این تحقیق برشمرده است. براین اساس نتایج حاصله از آزمایش ها در این تحقیق به قرار ذیل می باشد:
– خواص خمیری (نشانه خمیری، میزان رطوبت، پتانسیل تورم و …)
– مشخصات تراکم
– زمان ارزیابی و آزمایش نمونه ها (که از اهمیت بیشتری برخوردار می باشد)
– ترکیب مناسبی از شرایط فوق در هسته سدهای خاکی، میتواند سبب افزایش کارایی لایه نفوذ ناپذیر وکاهش امکان بروز و شکل گیری رگاب گردد. نتایج آزمایش ها حاکی از آن است که افزایش میزان بنتونیت سبب افزایش پتانسیل تورم شده و این افزایش سبب بروز قابل توجهی از خودترمیمی در رس خواهد شد. این موضوع در شرایط ۲٪ زیر رطوبت بهینه با ۲۰٪ بنتونیت اضافه شده در تراکم استاندارد، شکل مطلوب و مناسبی را در میان کلیه نمونه های آزمایش شده از خود نشان می دهند. بررسی و ارزیابی نتایج کلیه آزمایش ها، رفتار مناسب لایه های نفوذناپذیر را در نمونه های با پتانسیل تورمی کم و یا نمونه های با پتانسیل تورمی زیاد تایید می نماید. همچنین نمونه هایی که دارای شاخص خمیری کمتر از ۱۵ و یا بیشتر از ۳۵ هستند کارایی مطلوبتری را برای لایه نفوذناپذیر از خود نشان می دهند]۴[.

نمودار۲-۳- میزان دبی خروجی در طول آزمایش در بنتونیت ۱۰% و رطوبت ۱۸%
اسکندری نژاد۱۳۸۹روند خودترمیمی را در نمونه های رسی بوسیله آزمایش پین هول بر اساس درصد بنتونیت اضافه شده به ۴نوع خاک رس با خواص خمیری متفاوت مورد ارزیابی قرار داد.پارامترهایی همچون رطوبت، زمان نگهداری نمونه به عنوان عوامل تآثیر گذار بر روند خودترمیمی خاک رس در این تحقیق برشمرده است.براین اساس نتایج حاصله از آزمایش ها در این تحقیق به قرار ذیل می باشد:
خود ترمیمی رابطه مستقیم با پتانسیل تورم ،میزان بنتونیت اضافه شده و مدت زمان نگهداری نمونه ها دارد.
با افزایش میزان بنتونیت قابلیت خود ترمیمی خاک افزایش می یابد ولی وزن مخصوص خشک حداکثر کاهش می یابد ،بنابر این با توجه به اهمیت هریک از پارامترها در پروژه خاص باید میزان بنتونیت لازم انتخاب گردد.
جهت رسیدن به بیشترین میزان خود ترمیمی ،لایه ها باید در سمت خشک بهینه متراکم گردند.
برای پوشش های رسی نفوذ ناپذیر توصیه می شود که با توجه به شرایط اجرای پروژه تست های پین هول جداگانه تحت شرایط رطوبتی خاص انجام گیرد]۱۵[.

نمودار۲-۴-بررسی زمان رسیدن به خود ترمیمی کامل برای نمونه هایخاک طبیعی، خاک طبیعی با ۱۰% بنتونیت، خاک طبیعی با ۲۰% بنتونیت،خاک طبیعی با ۳۰% بنتونیت
Wang et al 2013، تعداد ۱۲ آزمایش برای بررسی فاکتورهای تاثیرگذار بر خودترمیمی ترک ها در تراوش گیرهای رسی انجام دادند. این فاکتورها شامل عمق ترک، اندازه دانه های خاک پایه و اندازه دانه های خاک فیلتر می شود. چهار نوع ترک با عمق متفاوت، ۵ خاک پایه و ۵ خاک فیلتر با منحنی دانه بندی متفاوت مورد بررسی قرار گرفتند.

نمودار۲-۵- تغییرات میزان جریان با زمان سپری شده
خاک های تست شده مطابق با معیار تجربی{ } طراحی شدند. در طول آزمایش ها، تغییرات میزان جریان با زمان سپری شده مشاهده شدند.
نتایج آزمایش معرف این می باشند که خود ترمیمی ترک در لایه خاک پایه نمونه در طول تست و تحت فشار آب ایجاد شده است. ترک بعد از خود ترمیمی ممکن نیست مجددا درون فشار آب گسیخته شود.ضمن اینکه فشار آب از تا افزایش یافته سپس تا حد می رسد.
میزان جریان بحرانی که در آن خود ترمیمی ترک شروع می شود با افزایش عمق ترک و/ یا مقادیر بالا می رود.

نمودار۲-۶-ارتباط جریان بحرانی با عمق ترک

نمودار۲-۷- ارتباط جریان بحرانی با نسبت
مکانیسم خودترمیمی ممکن است شامل، خوردگی کانال، انسداد کانال، رسوب مجدد در فیلتر و تورم ذرات معدنی قابل انبساط شود. برای آزمایش های کنونی تجمیع ذرات منتقل شده در فیلتر خروجی و انسداد بخش ورودی فیلتر جریان خروجی ممکن است دلیل اصلی برای مشاهده نفوذپذیری کاهش یافته باشد]۲۳[.
۲- ۶- جمع بندی
در این فصل مطالعات انجام گرفته در زمینه نانو فناوری در ژئوتکنیک و همچنین اقدامات انجام گرفته در رابطه با فرایند خودترمیمی را بیان کردیم.
با مروری بر تاریخچه نانو فناوری، انگیزه اصلی دانشمندان به پژوهش در روی موادی با ابعاد و ساختار نانو، در سه دهه اخیر را می توان به آگاهی آنان در ناهمسانی ویژگی های اینگونه مواد با خصو صیات موادی در ابعاد بزرگتر یا ریزتر دانست. این ویژگی ها شامل خواص شیمیایی، فیزیکی، نوری و مکانیکی بوده و به طور کلی می توان گفت که مواد با ابعاد نانو، به حالت انفرادی یا مجتمع، از رفتار های منحصر به فردی برخوردارند. بسیاری از مواد زیستی با نقش کلیدی خود در ادامه حیات انسان و دیگر موجودات زنده، از نظر ابعاد، در ردیف نانو مواد قرار می گیرند و در حالت کلی، نانو ذرات به موادی گفته می شود که از ابعادی ما بین ۱۰ تا ۱۰۰ نانو متر برخوردارند.
داده های تجربی و آزمایشگاهی در ارتباط با نانو افزودنی ها و اثراتشان بر رفتار ژئوتکنیکی خاک و توانایی آ ن ها در اصلاح و تثبیت خاک، بسیار محدود است و این در حالی است که ظرفیت تحقیق و بررسی در این زمینه به مراتب فراتر است. با توجه به اینکه افزودن مقادیر اندک نانو مواد به خاک باعث تغییرات شگرف در مقاومت، نفوذپذیری و شکل پذیری خاک می شود ضرورت انجام پژوهش های بیشتر در این زمینه مشخص می شود.
به همین دلیل در این تحقیق، بررسی مقاومت و تاثیر آن بر قابلیت خودترمیمی خاک رس با مقادیر مختلف نانو افزودنی به عنوان هدف انتخاب شده است.
۳-۱- مقدمه
خاک های رسی رفتار متفاوتی نسبت به مصالح دانه ای دارند. این رفتار متفاوت ناشی از وجود پتانسیل های فیزیکی و شیمیایی ناشی از دافعه و جاذبه بین ذرات رسی است.
شناخت خاک های رسی با تورم بالا ، مانند بنتونیت ما را در بررسی عملکرد خاک های خودترمیم و آزمایش های مربوطه کمک می کند.در بسیاری از موارد جهت افزایش دامنه ی خمیری و بالابردن مقاومت در مقابل ترک خوردگی از خاک رس با تورم بالا استفاده می گردد. قدرت تورم این رس به حدی است که در تماس با آب معمولا حجم آن ۱۰ تا ۱۵ برابر شده و در موارد استثنایی ممکن است این رقم به ۲۵ تا ۳۰ برابر افزایش یابد]۱۶[.
در این فصل پس از معرفی کانی های رسی و ویژگی های آن ها به بیان عوامل ایجاد خرابی در لایه های رسی پرداخته و در نهایت سعی در ارئه راهکار مناسب برای مقابله با این مشکلات داشته ایم.
۳-۲- کا

شکل ۳-۱-کانی رس
کانی ها مواد کریستالی می باشند که قسمت جامد خاک را تشکیل می دهند. ذرات کانی خاک های ریزدانه صفحه ای شکل هستند. کانی ها بر اساس ترکیب شیمیایی و ساختمان آن طبقه بندی می شوند. اکثر کانی های مورد توجه مهندسین ژئوتکنیک از اکسیژن و سیلیکون که دو عنصر بسیار فراوان در روی زمین می باشند، تشکیل می شوند. سیلیکات ها گروهی از کانی ها با یک واحد ساختمانی که چهار وجهی سیلیکا نامیده می شود می باشند.
یک کاتیون مرکزی سیلیکا، (یون با بار مثبت) به وسیله چهار آنیون اکسیژن (یون های با بار منفی) که هریک از آنها در یک گوشه از چهار وجهی واقعند محاصره شده است. بار موجود روی یک چهار وجهی تنها برابر ۴ می باشد و برای رسیدن به یک بار خنثی، باید کاتیون اضافه گردد یا اینکه چهار وجهی ها با اشتراک در یون اکسیژن، با همدیگر ارتباط حاصل کنند.کانی های سیلیکات، با اضافه کردن کاتیون ها و ارتباط داخلی چهار وجهی ها تشکیل می گردند. چهار وجهی های سیلیکا با هم ترکیب می شوند تا ورق هارا تشکیل دهندکه به نام ورق های سیلیکات نامیده می شوند و لایه های نازکی از چهار وجهی های سیلیکا می باشند که در آن سه یون اکسیژن بین چهار وجهی های مجاور در اشتراک هستند. ورق های سیلیکات ممکن است محتوی سایر واحدهای ساختمانی نظیر ورق های آلومینا باشند. ورق های آلومینا از ترکیب کانی های آلومینا تشکیل می گردند و شامل یک یون آلومینیوم می باشندکه با شش اتم اکسیژن یا هیدروکسیل در یک هشت وجهی محاصره شده اند.
گروه های اصلی مواد کریستالی که رس ها را تشکیل می دهند کانی های کائولینیت، ایلیت و مونتموریلونیت هستند.

شکل ۳-۲- (a) چهار وجهی سیلیکا، (b) ورق های سیلیکا، © هشت وجهی تک آلومینیوم، (d) ورق های آلومینیوم
کائولینیت دارای ساختمانی است که شامل یک ورق سیلیکا و یک ورق آلومینا چسبیده به هم از لایه ای به ضخامت تقریبی ۷۲/۰ نانومتر می باشد که روی هم قرار گرفته اند لایه ها به وسیله رابط های هیدروژن نگه داشته می شوند. لایه های فشرده روی هم از رابط های متعدد هیدروژن ناشی می شوند. کائولینیت در رس های موجود در نواحی مرطوب گرمسیری متداول است. ایلیت شامل لایه های تکراری یک ورق آلومینا است که با دو ورق سیلیکات ساندویچ شده باشد. این لایه ها هر یک به ضخامت nm ۹۶/۰ با یون های پتاسیم نگه داشته می شوند.
مونتموریلونیت دارای یک ساختمان مشابه ایلیت می باشد ولی لایه ها با نیروهای ضعیف واندروالس و یون های قابل تبدیل با همدیگر نگه داشته می شوند.آب می تواند به سهولت وارد شده و لایه ها را در مونتموریلونیت جدا سازد و موجب تورم گردد. معمولا مونتموریلونیت به نام رس متورم شونده یا منبسط شونده نامیده می شود. ]۱۷[.

شکل۳-۳- ساختمان کائولینیت،ایلیت و مونتموریلونیت
۳-۳- تورم و انقباض در خاک های رسی
کیفیت تورم بطور خلاصه بدین ترتیب است که در اثر اضافه شدن رطوبت،حجم خاک قابل تورم بتدریج زیاد می شود و مثلا در مورد یکی از انواع رس خالص موسوم به مونتموریلونیت ازدیاد حجم به ۱۵ برابر حجم این ماده در حالت خشک می رسد. ولی خوشبختانه اکثر خاکها حاوی مقدار کمی از مواد رسی قابل تورم هستند و میزان ازدیاد حجم آن ها کمتر از ۵/۱ برابر حجم اولیه است خاک های قابل تورم در جهتی کاملا خلاف عمل تحکیم عمل می کنند. در حقیقت این نوع خاک ها بجای از دست دادن آب و کاهش حجم، آب را جذب و ازدیاد حجم پیدا می کنند]۱۸[.
تورم خاک های رس، ناشی از افزایش ضخامت لایه یون پخش شده به دنبال افزایش آب است. یون های تک ظرفیتی سدیم قابل معاوضه در مقایسه با یون های کلسیم دو ظرفیتی، تورم بیشتری ایجاد می کنند. سید و همکارانش آزمایش های مختلفی بر روی مخلوط های کانی رس-ماسه متراکم شده در آزمایشگاه برای محاسبه پتانسیل تورم آن ها انجام دادند. پتانسیل تورم برابر درصد تورم نمونه تراکم شده در رطوبت بهینه به روش استاندارد ,ASHTOتحت فشار است.
براساس این آزمایش ها، یک رابطه دقیق میان پتانسیل تورم، عدد فعالیت و درصد رس خاک بدست آمده است]۴[.
پدیده تورم پدیده ای برگشت پذیر است و بعد از کم شدن رطوبت، خاک منقبض می شود. البته حدودی وجود دارد که تغییر رطوبت در خارج از آن ها در تغییر حجم خاک تاثیری نخواهد داشت. یکی از این دو حد، انقباض است که هرگاه میزان رطوبت از این حد کمتر شد دیگر کاهش حجمی به وجود نخواهد آمد و حد دیگر حد اشباع است که خاک تحت بار معین نمی تواند آب بیشتری از حد انقباض داشته باشد و بیش از آن متورم نخواهد شد]۱۸[.
۳-۴- واگرایی خاک های رسی
خاک های واگرا، خاک های رسی هستند که در آبهای با غلظت پایین نمک به راحتی شسته می شوند . این رس ها معمولا دارای مقادیر بالایی یون سدیم در کاتیون های جذبی خود می باشند. واگرایی یک پدیده پیشرونده می باشد که از یک نقطه با تمرکز جریان آب شروع شده و به تدریج گسترش می یابد. نقطه شروع پدیده واگرایی می تواند ترک های حاصل از انقباض، نشست نامساوی و یا ترک های هیدرولیکی باشد. پدیده واگرایی و اهمیت شناخت آن در طرح هایی نظیر سدهای خاکی و کانال های آبرسانی که تمرکز فشار آب در داخل وجود دارد ، دارای اهمیت بسیار زیادی می باشد. خاک های واگرا در انواع مختلف اقلیم ها و مناطق مختلف جهان نظیر استرالیا، برزیل، ایران و ایالات متحده آمریکا به وفور وجود دارد.
پدیده واگرایی دارای ماهیت فیزیکی- شیمیایی است که عمدتا از نوع کانی های خاک و خصوصیات شیمیایی آب منفذی خاک متاثر می گردد. تجربیات گذشته نشان میدهند که عمده کانی تشکیل دهنده خاک های واگرا مونتموریلونیت ها می باشند. براساس تاثیر آب منفذی بر روی رفتار واگرایی خاک، می توان گفت که هرگاه یک خاک واگرا در معرض آب قرار گیرد، ذرات رس ممکن است از هم جدا گردیده و به صورت معلق درآیند. به همین دلیل شکل گیری پدیده واگرایی می تواند باعث شکل گیری پدیده پایپینگ در سدهای خاکی
(Sherard et al,1972; Ingles,1985) تخریب جاده ها، کانال های آب رسانی و پی سازه ها گردد (Ouhadi and Goodarzi,2006). در گذشته توصیه اکید بر عدم استفاده از این نوع خاک ها بوده اما امروزه با توجه به گسترش روز افزون ساخت پروژه های خاکی و برخورد با این گونه خاک ها و اقتصادی نبودن جایگزینی منابع قرضه ریزدانه واگرا با منابع قرضه غیر واگرا می توان بر اهمیت و ضرورت اصلاح خاک های واگرا تاکید نمود]۱۹[.
عکس مرتبط با اقتصاد
۳-۵- ماهیت ترک خوردگی
ترک خوردگی، عامل ناپیوستگی در خاک رسی است.
ایجاد ترک در اثر خشک شدگی یکی از ویژگی های معمول در خاک های رسی به شمار می آید. در نتیجه این فرایند، دیگر نمی توان خواص هیدرولیکی خاک را ثابت فرض کرد. نفوذپذیری آن تحت تاثیر تاریخچه خشک شدگی و مرطوب شدگی خاک، دستخوش تغییراتی می گردد. این مسئله مشکل اساسی در شناخت رفتار هیدرولیکی خاک های رسی بوده و ذهن محققین زیادی را به خود مشغول کرده است پارامترهای موثر در ترک خوردگی از نظر کیفی شناخته شده اند اما ویژگی های هندسی مربوط به الگوی ترک خوردگی، نظیر شکل، فاصله و عمق این ترک ها، به روشنی قابل پیش بینی نیست. ترک خوردگی ناشی از خشک شدن در نتیجه تبخیر آب و انقباض خاک ایجاد می شوند.
ترک ها موقعی تشکیل می شوند که نیروهای کششی در داخل خاک و حفرات آن، از مقاومت کششی خاک بیشتر شوند. رفتار جمع شدگی- باز شدگی خاک رس، خصوصا خاک های واگرا، عامل شکل گیری ترک های ناشی از خشک شدگی است. ترک های ناشی از خشک شدگی و جمع شدگی خاک رس، تحت تاثیر ویژگی هایی نظیر مقاومت برشی، مقاومت کشش، ضریب پواسون و مدول فشاری آن است. نتایج تحقیقات نشان میدهد که در الگوی ترک خوردگی، ضخامت نمونه خاک، عامل موثرتری از دما و رطوبت است. طول کل ترک ها با افزایش ضخامت نمونه کاهش می یابد]۲۰[.
۳-۵-۱- تقسیم بندی ترک ها بر اساس ماهیت ترک
در یک تقسیم بندی بر حسب ماهیت ترک ، می توان ترک را به چهار نوع: ترک های انقباضی، ترک های حرارتی، ترک های کششی، ترک های شکست تقسیم بندی نمود.

برای