نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی
تازه های تحقیق
عنوان مقاله English
نویسندگان English
The growth of the petrochemical industry in Iran has resulted in the generation of substantial quantities of chemical waste, posing a significant environmental challenge in terms of waste management. Chlor-alkali process waste predominantly contains calcium carbonate and magnesium hydroxide, and its composition provides potential for beneficial reuse in various applications, including as a filler in construction materials, a neutralizing agent, and a stabilizing material for problematic soils. Marl soils are also highly sensitive to moisture variations and may experience substantial reductions in strength, with strength losses of up to 80% reported with increasing moisture content. Conventional soil stabilization methods, particularly the use of cement and lime, have limited environmental sustainability due to their high energy consumption and associated greenhouse gas emissions. Therefore, this study investigates the feasibility of utilizing chlor-alkali waste from Bandar Imam Khomeini as a low-cost stabilizing agent to improve the mechanical properties of marl soil.
In this laboratory study, marl soil specimens were mixed with 30% chlor-alkali waste by dry weight, both with and without alkaline activators. The specimens were subsequently cured for 7 days and subjected to unconfined compressive strength (UCS) testing in accordance with ASTM D2166. The results showed that the addition of chlor-alkali waste increased the compressive strength from 90 kPa for the untreated control specimen to 123 kPa for the stabilized specimen, corresponding to a 35.66% improvement in strength. This enhancement in strength is attributed to the formation of hydrated calcium silicate and magnesium silicate phases resulting from pozzolanic reactions between the calcium and magnesium ions present in the waste and the silicate and aluminate components of the marl soil. In contrast, specimens containing alkaline activators exhibited a substantial reduction in strength, reaching 48.49 kPa, indicating the adverse effect of excessive alkalinity on the stabilization process. Based on the findings of this study, chlor-alkali process waste can provide a practical approach for the management and beneficial reuse of industrial waste while serving as an effective stabilizing material for marl soils
کلیدواژه‌ها English
در دهه‌های اخیر، رشد سریع صنایع نفت و پتروشیمی نقش بسزایی در توسعه اقتصادی کشورها ایفا کرده‌است، اما در عین حال منجر به تولید حجم بالایی از آلاینده‌ها و پسماندهای صنعتی شده‌است (Das et al., 2023; Oladimeji et al., 2024; Yeshiwas et al., 2025). بر اساس گزارش‌های موجود، صنایع پتروشیمی سالانه میلیون‌ها تن پسماند جامد تولید می‌کنند که بخش قابل‌توجهی از آن بدون مدیریت اصولی دفع میشود. این پسماندها به‌دلیل دارا بودن ترکیبات شیمیایی خطرناک نظیر فلزات سنگین، نمک‌های قلیایی و مواد سمی، اثرات نامطلوبی بر محیط‌زیست و سلامت انسان دارند ( Das et al., 2023;Hsu et al., 2019). مدیریت نادرست این پسماندها در کشورهای در حال توسعه، یکی از چالش‌های اساسی زیست‌محیطی محسوب میشود. یکی از فرآیندهای مهم در صنایع پتروشیمی، فرآیند کلر-آلکالی است که با استفاده از الکترولیز محلول آب‌نمک، محصولات اصلی از جمله کلر، هیدروکسید سدیم و هیدروژن را تولید می‌کند (Aziz et al., 2017; Crook & Mousavi, 2016; Lakshmanan & Murugesan, 2014). کلر و هیدروکسید سدیم جزو ده ماده شیمیایی برتر و پرمصرف در جهان هستند که در تولید طیف گسترده‌ای از محصولات شامل داروها، مواد شوینده، دئودورانت‌ها، ضدعفونی‌کننده‌ها، علف‌کش‌ها، آفت‌کش‌ها و پلاستیک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند (Contreras et al., 2025; Ito & Manabe, 2022).
این فرآیند علاوه بر تولید مواد سودمند، منجر به ایجاد پسماندهایی غنی از کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم میشود که دفع غیراصولی آنها مشکلات زیست‌محیطی جدی به همراه دارد. پسماندهای حاوی ترکیبات قلیایی و نمک‌ها، در صورت دفن غیراصولی، می‌توانند منابع آب زیرزمینی را آلوده کرده و تعادل شیمیایی خاک را بر هم بزنند. این فرآیند علاوه بر تولید مواد سودمند، منجر به تولید پسماندهای جامدی نیز میشود که بخش عمده آنها در مرحله تصفیه و نمک‌زدایی آب‌نمک، پیش از ورود محلول به سلول‌های الکترولیز، ایجاد می‌شوند. در این مرحله، ناخالصی‌های موجود در آب‌نمک حذف شده و پسماندی موسوم به پسماند جامد آب‌نمک[1] تولید میشود که عمدتاً حاوی ترکیباتی نظیر کربنات کلسیم، هیدروکسید منیزیم و مقادیر متغیری از کلرید سدیم است. این پسماند معمولاً به محل‌های دفن صنعتی منتقل میشود و مدیریت نامناسب آن میتواند پیامدهای محیط زیستی به همراه داشته باشد .(De Carvalho Izidoro et al., 2021; Brinkmann et al., 2014)
در بخش نمک‌زدایی[2] و تغلیظ آب نمک مراحل مختلفی جهت خالص‌سازی چرخه آب نمک وجود دارد. یکی از آنها حذف مواد جامد معلق از آب نمک در خروجی کلاریفایرها می‌باشد که توسط فیلتر پرس[3] انجام میشود که از رایج‌ترین سیستم‌های تصفیه فاضلاب می‌باشد (Ali et al., 2025; de Carvalho Izidoro et al., 2021). در این فرآیند عمل جداسازی جامد از مایع را تحت فشار انجام داده و رسوبات جمع‌آوری شده به شکل کیک با گل نمک جدا می‌گردد. رسوبات جمع‌آوری شده در بخش نمک‌زدایی فرآیند کلر-آلکالی به مقدار ۱۳۳ کیلوگرم در ساعت جمع‌آوری می‌شوند (Aziz et al., 2017; Brinkmann et al., 2014; O'Brien et al., 2005).
از طرفی دیگر، خاک مارن از خاکهای مسئله‌دار به شمار می‌رود که به علت وجود حدود ۳۵ تا ۶۵ درصد کربنات کلسیم و کانی‌های رسی در ترکیبات خاک، رفتار مکانیکی پیچیده‌ای در شرایط مختلف به همراه دارد (Ouhadi & Yong, 2003). در مهندسی ژئوتکنیک، خاکهای مسئله‌دار به خاک‌هایی اطلاق میشود که به دلیل ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی یا کانی‌شناسی خود، رفتار مهندسی نامطلوبی از جمله کاهش مقاومت، تغییر حجم، نشست یا ناپایداری در برابر تغییرات رطوبت یا بارگذاری از خود نشان می‌دهند. خاک مارن نیز به دلیل حضور همزمان کانی‌های رسی و کربناته، در مواجهه با تغییرات رطوبتی مستعد افت مقاومت و تخریب ساختار بوده و ازاین‌رو در زمره خاکهای مسئله‌دار قرار می‌گیرد. وجود کانی‌های رسی فعال در خاک مارن، آن را به یکی از حساس‌ترین خاک‌ها از نظر واکنش به رطوبت تبدیل کرده است (Ebrahimi et al., 2025). خاک مارن با وجود مقاومت بسیار بالای آن در حالت خشک، مقاومت آن در حالت اشباع تا حدود ۸۰ درصد کاهش می‌یابد. لذا فقدان مقاومت فشاری مناسب خاک مارن در شرایط آب و هوایی مختلف باعث محدودیت استفاده از این خاک در پروژه‌های زیرساختی مانند بزرگراه و راه آهن شده است .مطالعات متعدد نشان داده‌اند که خاک مارن در اثر چرخه‌های تر و خشک شدن، رفتار ضعیف‌تری از خود نشان می‌دهد که لزوم تثبیت آن را دوچندان می‌کند (Jamalimoghadam et al., 2024; Moallemi et al., 2025; Vakili et al., 2025).
روش‌های گوناگونی برای تثبیت خاکهای ضعیف ارائه شده‌است که شامل روش‌های مکانیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و الکتریکی می‌باشد. در میان آنها، تثبیت شیمیایی به‌دلیل انعطاف‌پذیری، دوام و هزینه کمتر، روشی رایج و مؤثر محسوب میشود. در این روش، با افزودن مواد معدنی یا پوزولانی، واکنش‌هایی مشابه با واکنش‌های سیمانی در خاک رخ می‌دهد که منجر به تشکیل فازهای سیمانی از جمله C–S–H و C–A–S–H با افزایش مقاومت خاک میشود (Vu et al., 2018; Wang et al., 2024). تثبیت شیمیایی خاک مارن با استفاده از افزودنی به عنوان یک روش اقتصادی و انعطاف‌پذیر با رویکرد اصلاح فیزیکی و مکانیکی خاک همواره مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است . مطالعات پیشین نشان داده‌اند که تثبیت شیمیایی میتواند موجب بهبود ویژگی‌های مهندسی خاکهای مارنی شود. اوحدی و قلندرزاده اثر افزودن آهک و سیمان را بر خاک مارن بررسی کردند و نشان دادند که نوع ماده تثبیت‌کننده بر عملکرد خاک تثبیت‌شده تأثیرگذار است (Ouhadi & Ghalandarzadeh, 1991). همچنین العمودی و همکاران با بررسی تثبیت خاک مارن با آهک هیدراته و سیمان پرتلند، عملکرد بهتر نمونههای تثبیت‌شده با سیمان را نسبت به آهک گزارش کردند Al-Amoudi et al., 2010)). فیوضی و همکاران (Feyozi et al., 2016) نیز اثر مقادیر مختلف آهک و زمان‌های مختلف عمل‌آوری شامل 1، 7 و15 روز را بر پارامترهای مقاومت برشی خاک مارن بررسی کردند و نشان دادند که مقدار حداکثر چسبندگی خاک، در عمل‌آوری ۷ روزه و با ۸ درصد آهک حاصل شد تثبیت‌شده هستند. محمدرضایی و همکاران (Mohammad Rezaei, 2022) به بررسی اثر متاکائولن و خاکستر پوسته برنج بر روی خاک مارن پرداختند. ایشان درصد های 10، 20 و 30 درصد افزودنی را بررسی نمودند. و دریافند بیشترین مقاومت برشی در 30 درصد افزودنی حاصل شده است. آبیان و همکاران (Aiban, et al., 1998 Aiban, et al., 1995;) بررسی پارامترهای تراکم، درصد رطوبت و وزن مخصوص خشک در خاکهای مارن بدون افزودنی و تثبیت شده پرداختند. ایشان دریافتند نمونههای متراکم شده با سمت تر و خشک منحنی تراکم نسبت به نمونههای متراکم شده با رطوبت بهینه، تراکم‌پذیری بیشتر و مقاومت کمتری دارند. به طور کلی مطالعات گذشته حاکی از تاثیر نوع و مقدار ماده تثبیت‌کننده، شرایط رطوبتی، وزن مخصوص خشک و زمان عمل‌آوری در فرآیند تثبیت شیمیایی خاک مارن دارند.. همچنین در میان افزودنی‌های خاک مارن به جهت تثبیت، سیمان جزو رایج ترین مواد می‌باشد. با توجه به تولید هر تن سیمان به انرژی زیادی برای پخته شدن ۸/۲ تن مواد خام نیاز است که تقریباً یک تن دی‌اکسید کربن را در هوا پخش می‌کند، تولید سیمان با مسائل چالش‌برانگیز، تاثیرات خطرناک بر محیط زیست همراه است. بر اساس مطالعات، صنعت سیمان حدود ۵ تا ۸ درصد از انتشار جهانی دی‌اکسید کربن را به خود اختصاص داده است که این موضوع لزوم یافتن جایگزین‌های پایدار را آشکار می‌سازد (Lacheheub et al., 2025). با توجه به پیامدهای محیط‌زیستی تولید سیمان، از جمله انتشار دی‌اکسیدکربن و همچنین با هدف توسعه پایدار جهت عدم استفاده از منابع، یافتن افزودنی پایدار، ارزان‌قیمت و دوستدار محیط زیست در راستای توسعه پایدار امری ضروری است (Bansal & Jain, 2026; Inweer et al., 2025; Vakili et al., 2024). امروزه استفاده از پسماندهای صنعتی به عنوان جایگزین سیمان، یکی از رویکردهای نوین در تثبیت خاک محسوب میشود که ضمن کاهش هزینه‌ها، به مدیریت پسماند نیز کمک می‌کند (Luo et al., 2025).
بر این اساس، هدف پژوهش حاضر، بررسی اثر استفاده از پسماند فرآیند کلر-آلکالی بندر امام خمینی به‌عنوان ماده تثبیت‌کننده بر مقاومت فشاری تک‌محوری خاک مارن است. در این راستا، با افزودن پسماند کلر-آلکالی به خاک مارن، تغییرات مقاومت فشاری تک‌محوری نمونههای تثبیت‌شده مورد بررسی قرار گرفته و میزان بهبود مقاومت خاک در اثر افزودن پسماند ارزیابی میشود. نوآوری و اهمیت این پژوهش، بررسی قابلیت استفاده از پسماند فرآیند کلر-آلکالی به‌عنوان یک ماده تثبیت‌کننده برای بهسازی خاک مارن، همزمان با ارائه رویکردی برای استفاده مجدد از یک پسماند صنعتی است که میتواند در کاهش مشکلات ناشی از دفع این پسماند و بهبود ویژگی‌های مهندسی خاک مؤثر باشد.
روششناسی پژوهش
روش انجام پژوهش به صورت آزمایشگاهی می‌باشد. ابتدا با مطالعه پژوهش‌های انجام شده مرتبط با تثبیت خاک، این نتیجه حاصل شد که با توجه به وجود ترکیبات کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم در پسماند نهایی فرآیند کلر-آلکالی، می‌توان از این پسماند به عنوان تثبیت کننده خاک مارن استفاده کرد. لذا برای سنجیدن میزان مقاومت فشاری حاصل شده از تثبیت نیاز است نمونه‌هایی مختلفی ساخته و با استفاده از مقاومت فشاری تک محوره، مقاومت فشاری بررسی شود. در ادامه به مراحل مختلف روش انجام و مواد مورد استفاده پژوهش پرداخته شده‌است.
خاک مارن
در این پژوهش از خاک مارن منطقه شهرک قدس شهر قم واقع در استان قم استفاده و با مشخصات فیزیکی در جدول 1 نشان داده شده‌است. با توجه به جدول 1، این خاک از نوع رس غیرآلی با پلاستیسیته کم و بافت نیمه سنگین است.
جدول 1. مشخصات فیزیکی خاک مارن پژوهش
Table 1. Physical Characteristics of the Marl Soil Studied
|
مشخصات |
حد خمیری |
حدروانی |
نشانه خمیری |
دانسیته در محل |
وزن مخصوص |
رطوبت بهینه |
چگالی مخصوص ذرات جامد |
رده‌بندی خاک بر اساس نتایج دانه بندی |
|
مقدار |
41 |
1/21 |
9/18 |
61/1 |
78/1 |
14% |
58/2 |
CL |
|
استاندارد |
ASTM-D4318 |
ASTM-D1556 |
ASTM-D698 |
ASTM-D854 |
ASTM-D422 |
|||
به‌منظور شناسایی ترکیبات کانی‌شناسی و فازهای بلوری خاک مارن مورد استفاده در این تحقیق، آنالیز XRD انجام شد. نتایج این آنالیز در شکل 1 و جدول 2 ارائه شده است.
شکل1. آنالیز XRD خاک مارن بدون افزودنی
Figure 1. XRD analysis of marl soil without additives
جدول 2. مواد تشکیل دهندهی خاک مارن
Table 2. Marl Soil Constituents
|
ماده تشکیل دهنده |
فرمول شیمیایی |
درصد (%) |
|
Calcite |
CaCO3 |
3/36 |
|
Quartz |
SiO2 |
8/10 |
|
Enstatite |
MgSiO3 |
26 |
|
Kyanite |
Al₂SiO5 |
3/15 |
|
Dolomite |
CaMg(CO3) |
7/11 |
پسماند فرآیند کلر-آلکالی
پسماند نهایی فرآیند کلر-آلکالی پتروشیمی امام خمینی حاوی ترکیبات ناخالصی از جمله کلرید سدیم، کربنات کلسیم، هیدروکسید منیزیم و فلزات سنگین می‌باشد. این پسماند به عنوان تثبیت کننده خاک مارن مورد استفاده قرار گرفته‌است. این پسماند بدین جهت جایگزین سیمان شده‌است که مانند سیمان آلودگی‌های محیط زیستی در فرآیند تولید ندارد و از منابع دست اول استفاده نمی‌کند و همچنین کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم با نسبت ۴ به ۱ در پسماند نهایی فرآیند موجود می‌باشد. به منظور تاثیرگذاری بیشتر و اختلاط بهتر با خاک، ابتدا این ماده در اون در دمای ۶۰ درجه سانتی گراد و به مدت ۲۴ ساعت خشک شد. سپس پسماند آسیاب شد و به شکل پودر مورد استفاده قرار گرفت. در جدول 3 ترکیبات و درصد وزنی هر یک از مواد موجود در پسماند نهایی فرآیند کلر-آلکالی و نمونه‌ای از پسماند خشک‌شده در شکل 2 نشان داده شده‌است.
جدول 3. مشخصات شیمیایی پسماند فرآیند کلر-آلکالی بندر امام خمینی
Table 3. Chemical Characteristics of Chlor-Alkali Process Waste in Bandar Imam Khomeini
|
ترکیبات |
کلرید سدیم |
کربنات کلسیم |
منیزیم هیدروکسید |
منعقد کننده |
پوشش فیلترها |
آب |
سایر |
|
درصد وزنی |
9/۴۰ |
9/10 |
4/5 |
2/1 |
7/9 |
05/28 |
85/3 |
شکل 2. پسماند فرآیند کلر-آلکالی به صورت پودر خشک
Figure 2. Chlorine-alkali process waste as dry powder
فعال‌ساز
به جهت فعالسازی اثرگذاری ترکیبات از فعال‌ساز ترکیبات بر پایه هیدروکسید سدیم (NaOH) و سیلیکات سدیم (Na₂SiO₃) استفاده شده‌است.
مواد و روش ها
طرح اختلاط و آمادهسازی نمونه خاک
با توجه به روش تحقیق در این پژوهش، مقدار 30 درصد وزنی پسماند با استناد به نتایج مطالعات پیشین در زمینه تثبیت خاکهای مارنی با مواد افزودنی معدنی و پوزولانی، به‌عنوان یک سطح مناسب اولیه برای بررسی عملکرد پسماند انتخاب شد (Moallemi et al., 2025; Mohammad Rezaei, 2022) مشخصات نمونههای تهیه‌شده در جدول 4 ارائه شده است. بر اساس اصول پیشنهادی FHWA (2013)، ابتدا مصالح خشک شامل خاک مارن و پسماند فرآیند کلر-آلکالی به‌طور یکنواخت با یکدیگر مخلوط شدند و سپس مقدار آب موردنظر به مخلوط افزوده شد و اختلاط تا دستیابی به توزیع یکنواخت رطوبت ادامه یافت. رطوبت اولیه نمونهها برابر 8 درصد در نظر گرفته شد که بر اساس نتایج آزمایش تراکم در سمت خشک رطوبت بهینه قرار داشت. انتخاب این مقدار رطوبت با هدف شبیه‌سازی شرایط نسبتاً محافظه‌کارانه و بحرانی انجام شد. نمونهها با وزن مخصوص خشک 1.5 گرم بر سانتی‌مترمکعب، معادل حدود 84 درصد وزن مخصوص خشک بیشینه، متراکم شدند. در نمونههای حاوی فعالکننده قلیایی، ابتدا محلول NaOH با غلظت 14 مولار تهیه شد و سپس محلول NaOH و سدیم سیلیکات (Na₂SiO₃) با نسبت وزنی برابر با یکدیگر مخلوط شدند. محلول فعالکننده حاصل به میزان 50 درصد وزنی نسبت به مقدار پسماند به مخلوط افزوده شد. پس از آمادهسازی و اختلاط کامل، مخلوط‌ها در قالب‌های استوانه‌ای ساخته‌شده از لوله PVC با قطر 5 سانتی‌متر و ارتفاع 10 سانتی‌متر قرار داده و متراکم شدند. این ابعاد مطابق با استاندارد مقاومت فشاری تک‌محوری نمونهها ASTM D2166 تعیین شد. قالب‌ها به‌صورت دوکپه‌ای طراحی شدند تا خروج نمونه پس از عمل‌آوری با حداقل دست‌خوردگی انجام شود. برای اتصال دو بخش قالب از بست‌های فلزی و پلاستیکی استفاده شد و سطح داخلی قالب‌ها نیز پیش از آمادهسازی نمونه با لایه‌ای نازک از وازلین پوشانده شد تا از چسبندگی نمونه به قالب و آسیب هنگام خروج جلوگیری شود. پس از قالب‌گیری، نمونهها در محفظه پلاستیکی قرار داده شدند تا از تبخیر رطوبت جلوگیری شود و به مدت 7 روز در دمای محیط آزمایشگاه، حدود 25 درجه سانتی‌گراد، عمل‌آوری شدند. در جدول 4، مشخصات نمونههای ساخته شده نشان داده شده است.
جدول 4. مشخصات نمونههای ساخته شده
Table 4. Specifications of the fabricated samples
|
شماره نمونه |
وزن مخصوص خشک (گرم بر سانتی متر مکعب) |
درصد رطوبت |
درصد پسماند |
زمان عمل‌آوری |
فعالکننده قلیایی |
|
1 |
5/1 |
8 |
0 |
0 |
- |
|
2 |
5/1 |
8 |
30 |
7 |
- |
|
3 |
5/1 |
8 |
30 |
7 |
دارد |
آزمایش مقاومت فشاری تک‌محوری
آزمایش‌های مقاومت فشاری تک محوری[4] طبق استاندارد ASTM D2166 انجام شد. بارگذاری به صورت کنترل کرنش[5]و با سرعت ۱ میلیمتر بر ثانیه و حداکثر جابجایی ۱۰ میلیمتر و با استفاده از سه‌محوری سیکلیک الکترومکانیکال شرکت MTM ثبت و در شکل 3 نمایش داده شده‌است. آزمایش مقاومت فشاری تک‌محوری، یک روش آسان و سریع برای تعیین مقاومت زهکشی نشده خاکهای چسبنده است. مقاومت فشاری تک‌محوری بدست‌آمده از این آزمایش، در پروژهشهای متعدد شاخصی برای تعیین تنش کل وارده و نتیجه بهسازی در نظر گرفته میشود. نوع بارگذاری به صورت کنترل کرنش قرار داده‌شد و جابه‌جایی و زمان بارگذاری با توجه به سرعت 1میلیمتر بر ثانیه، 10 میلیمتر و 600 ثانیه تعیین شده‌است.
شکل 3. دستگاه 3 محوری سیکلیک مورد استفاده در این پژوهش
Figure 3. Three-axis cyclic device used in this research
یافتهها و بحث
مقایسه مقاومت فشاری نمونهها
طبق نتایج بدست‌آمده و مطابق شکل 4، مقاومت فشاری نمونه خاک مارن بدون تثبیت کننده برابر با ۹۰ کیلوپاسکال است. شکل 4، نشان دهنده منحنی تنش‌کرنش نمونههای ساخته‌شده می باشد.
افزودن پسماند فرآیند کلر-آلکالی به عنوان تثبیت‌کننده، به دلیل ترکیبات کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم، موجب افزایش مقاومت تا ۱۲۳ کیلوپاسکال شده‌است. در نمونه فعالکننده قلیایی حاوی سدیم هیدروکسید و سیلیکات سدیم، مقاومت نهایی کاهش‌یافته و به 49/48 کیلوپاسکال رسیده‌است. در این پژوهش، استفاده از فعالکننده قلیایی با هدف افزایش انحلال فازهای واکنش‌پذیر موجود در خاک مارن و تسریع فرآیند تثبیت انجام شد. با این حال، نتایج نشان داد که استفاده از فعالکننده در سامانه مورد بررسی منجر به کاهش مقاومت فشاری گردید. این رفتار احتمالاً به ترکیب شیمیایی پسماند مورد استفاده مربوط است؛ به‌گونه‌ای که پسماند حاوی 9/40 درصد کلرید سدیم بوده و استفاده همزمان از محلول14 مولار NaOH و سدیم سیلیکات (با نسبت وزنی برابر) میتواند موجب افزایش غلظت یون‌های سدیم و شوری محیط واکنش شود. علاوه بر این، ممکن است قلیائیت بالای محیط موجب انحلال بخشی از ترکیبات کربناته یا تشکیل فازهایی با قابلیت چسبندگی کمتر شده باشد که در نهایت به کاهش مقاومت فشاری منجر شده است. با این وجود، با توجه به اینکه در این پژوهش آزمون‌های ریزساختاری نظیر SEM و XRD انجام نشده است، این موارد صرفاً به‌عنوان تفسیرهای علمی محتمل مطرح شده و تأیید قطعی آنها مستلزم انجام مطالعات تکمیلی است. به طور کلی ، افزایش مقاومت فشاری در بهترین حالت معادل 66/35 درصد نسبت به نمونه‌ی اولیه تثبیت‌نشده بود. افزایش مقاومت فشاری میتواند ناشی تثبیت با پسماند به دلیل واکنش‌های میان یون‌های Ca²⁺ و Mg²⁺ موجود در پسماند با سیلیکات‌ها و آلومینات‌های خاک مارن می‌باشد که منجر به تشکیل پیوندهایی از جمله C–S–H و M–S–H شده‌است. این پیوندها باعث فاز چسبندگی بین ذرات، کاهش تخلخل و بهبود ساختار خاک شده‌است. جدول5 به تفسیر نمونه ها و نتایج پرداخته شده است.
مطابق جدول 5 مقاومت فشاری تک‌محوری متوسط نمونههای خاک مارن، خاک مارن حاوی 30 درصد پسماند و خاک مارن حاوی 30 درصد پسماند به همراه فعالکننده قلیایی، به‌ترتیب 90، 123 و 49/48 کیلوپاسکال به‌دست آمد. انحراف معیار نتایج به‌ترتیب 83/2، 51/3 و 26/3 بدست آمد.
شکل 4. منحنی تنش‌کرنش نمونههای ساخته‌شده
Figure 4. Stress-strain curves of the fabricated samples
جدول5: نمونهها و نتایج
Table 5: Samples and Results
|
نمونه |
مقاومت فشاری میانگین(Kpa) |
انحراف معیار(Kpa) |
تعداد آزمونه |
|
خاک مارن بدون افزودنی |
90 |
83/2 |
2 |
|
خاک مارن+30 درصد پسماند |
123 |
51/3 |
3 |
|
خاک مارن+30 درصد پسماند+فعال کننده |
49/48 |
26/3 |
3 |
تحلیل رفتار مکانیکی نمونهها
در نمونههای تثبیت‌شده با پسماند، تغییر شکل پلاستیک در مرحله‌ی بارگذاری به‌صورت یکنواخت‌تر مشاهده شد. این امر بیانگر افزایش پیوستگی ساختاری در خاک است. همچنین، مقاومت نهایی در اثر عمل‌آوری ۷ روزه، افزایش قابل ملاحظه‌ای به همراه داشته‌است که نشان از تداوم واکنش‌های شیمیایی در طول زمان عمل‌آوری می‌باشد.
مقایسه با پژوهش‌های مشابه
برای ارزیابی بهتر عملکرد پسماند فرآیند کلر-آلکالی، نتایج این پژوهش با یافته‌های مطالعات مشابه بین‌المللی مقایسه گردید. در جدول 6 مقایسه میان پژوهش حاضر با سایر پژوهش‌های انجام شده نشان داده‌شده است.
جدول 6. مقایسه میان پژوهش حاضر با سایر پژوهش‌های انجام شده
Table 6. Comparison of the present study with other conducted studies
|
ردیف |
نوع پسماند تثبیت‌کننده |
نوع خاک |
مقاومت فشاری تک محوره قبل از تثبیت (kPa) |
مقاومت فشاری تک محوره بعد از تثبیت (kPa) |
دامنه افزایش مقاومت گزارش‌شده (%) |
نتایج |
منابع |
|
1 |
پسماند فرآیند کلر-آلکالی (حاوی کربنات کلسیم و منیزیم هیدروکسید) |
خاک مارن (رس غیرآلی با پلاستیسیته کم و بافت نیمه سنگین) |
90 |
123 |
66/35 |
پیوندهای C–S–H و M–S–H ، افزایش مقاومت فشاری، افزایش مقاومت فشاری با افزایش مدت زمان عمل آوری، پرشدن منافذ |
پژوهش حاضر |
|
2 |
Brine Sludge (پسماند آب‌نمک فرایند کلر-آلکالی) |
Marine Clay |
5/8 (مقاومت نمونه 30 درصد افزودنی در زمان عمل اوری صفر) |
3/11 |
9/32 |
Brine Sludge در درصدهای 10، 20، 30 و40موجب افزایش مقاومت و بهبود خواص مهندسی خاک شد؛ افزودن 3% آهک افزایش بیشتری در مقاومت ایجاد کرد. |
|
|
3 |
پسماند فرآیند کلر-آلکالی (حاوی کربنات کلسیم و منیزیم هیدروکسید) |
خاک مارن (رس غیرآلی با پلاستیسیته کم و بافت نیمه سنگین) |
90 |
123 |
66/35 |
پیوندهای C–S–H و M–S–H ، افزایش مقاومت فشاری، افزایش مقاومت فشاری با افزایش مدت زمان عمل آوری، پرشدن منافذ |
پژوهش حاضر |
|
4 |
پسماند صنعتی غنی از منیزیم |
خاک تورب |
52 |
280-210 |
400-300 درصد |
بهبود پیوسته با لایه‌چینی و زمان کیورینگ؛ افزایش چسبندگی و تراکم‌پذیری. |
Almuaythir et al. |
|
5 |
سرباره فولاد، خاکستر بویلر، پسماند بتن |
خاک رسی و ماسه‌ای |
300-200 |
900-600 |
250-200 درصد |
اثر ترکیبی پرکنندگی و تشکیل C–S–H؛ مناسب برای خاکهای ضعیف. |
|
|
6 |
خاکستر پوسته برنج (RHA) و باگاس (Bagasse Ash) |
خاک رسی انبساطی |
150 |
1200-650 درصد |
700-300 درصد |
واکنش‌های پوزولانی با C–S–H و کاهش تورم |
|
|
7 |
ترکیب پسماندهای صنعتی دوده، سرباره، لجن و خاکستر |
خاک رسی انبساطی |
160 |
1250-980 درصد |
700-500 درصد |
افزایش مقاومت و دوام تشکیل C–S–H و Ettringite. |
مطابق جدول 6 مطالعات پیشین نشان داده‌اند که استفاده از پسماندهای کشاورزی و صنعتی به‌عنوان مواد تثبیت‌کننده میتواند، بسته به نوع و ترکیب ماده، مقدار مصرف و شرایط آمادهسازی و عمل‌آوری، موجب افزایش قابل‌توجه مقاومت خاک شود. در مطالعات مرورشده توسط گیدبو و همکاران (Gidebo et al., 2023) افزایش مقاومت در برخی مطالعات استفاده‌کننده از پسماندهای کشاورزی در محدوده 300 تا 700 درصد و در برخی موارد 650 تا 1200 درصد گزارش شده است. همچنین، زیمار و همکاران ((Zimar et al., 2023 افزایش قابل‌توجه مقاومت خاک را در اثر استفاده از ترکیبی از پسماندهای صنعتی گزارش کردند. اختلاف میان این نتایج و نتایج پژوهش حاضر را می‌توان به تفاوت در ماهیت و ترکیب شیمیایی مواد تثبیت‌کننده، میزان مواد واکنش‌پذیر، مقدار مصرف و شرایط آمادهسازی و عمل‌آوری نمونهها نسبت داد. کیریاکوز و همکاران (Kuriakose et al., 2024) اثر پسماند جامد آب‌نمک حاصل از صنعت کلر-آلکالی برای بهسازی خاک رسی نرم بررسی کردند. این پسماند حاوی مقدار قابل توجهی (نزدیک به 5/32 درصد از مواد تشکیل دهنده) کربنات کلسیم بود و نتایج نشان داد که افزودن این پسماند میتواند موجب بهبود برخی خواص مهندسی و افزایش مقاومت فشاری خاک شود. همچنین، نویسندگان تشکیل ترکیبات پوزولانی را به‌عنوان یکی از سازوکارهای احتمالی بهبود رفتار خاک مطرح کردند و نشان دادند که افزودن مقدار کمی آهک و افزایش زمان عمل‌آوری میتواند افزایش مقاومت را تقویت کند. در پژوهش حاضر، پسماند فرآیند کلر-آلکالی حاوی 9/40 درصد کلرید سدیم، 9/10 درصد کربنات کلسیم و 4/5 درصد هیدروکسید منیزیم بوده و نمونهها با 30 درصد پسماند، تراکم 84 درصد و رطوبت سمت خشک رطوبت بهینه تهیه و پس از 7 روز عمل‌آوری مورد آزمایش قرار گرفتند. تفاوت در ترکیب شیمیایی و واکنش‌پذیری مواد تثبیت‌کننده و همچنین تفاوت در شرایط تراکم، رطوبت و زمان عمل‌آوری میتواند از عوامل مؤثر بر اختلاف میزان افزایش مقاومت در مطالعات مختلف باشد. با توجه به حضور ترکیبات کلسیمی و منیزیمی در پسماند و وجود ترکیبات سیلیسی و آلومینوسیلیکاتی در خاک مارن، تشکیل احتمالی محصولات سیمانی از جمله C–S–H و M–S–H میتواند یکی از سازوکارهای مؤثر در بهبود مقاومت باشد. با این حال، از آنجا که در پژوهش حاضر آزمون‌های ریزساختاری نظیر XRD و SEM انجام نشده است، تشکیل این فازها به‌صورت تجربی تأیید نشده و بررسی دقیق سازوکار واکنش‌ها به مطالعات تکمیلی نیاز دارد. در پژوهش حاضر، استفاده از پسماند فرآیند کلر-آلکالی موجب افزایش 66/35 درصدی مقاومت فشاری تک‌محوره خاک مارن نسبت به خاک طبیعی شد. اگرچه این میزان افزایش در مقایسه با برخی مطالعات پیشین کمتر است، نتایج نشان می‌دهد که پسماند مورد بررسی، تحت شرایط آزمایش حاضر، قابلیت بهبود مقاومت خاک مارن را دارد. همچنین، استفاده مجدد از این پسماند میتواند از منظر کاهش نیاز به دفع و بهره‌گیری مجدد از یک ماده زائد صنعتی دارای پتانسیل زیست‌محیطی باشد. از طرفی در دسترس‌بودن و هزینه پایین این پسماند استفاده از آن را به‌عنوان گزینه‌ای مناسب برای تثبیت خاک در پروژه‌های محلی توجیه‌پذیر می‌سازد.
از منظر زیست‌محیطی، استفاده از پسماند کلر-آلکالی میتواند با کاهش مصرف سیمان و استفاده مجدد از یک پسماند صنعتی همراه باشد. با این حال، با توجه به احتمال وجود عناصر بالقوه آلاینده در این نوع پسماندها، ارزیابی قابلیت آبشویی آنها ضروری است. ژانگ و همکاران در بررسی یک نوع لجن تصفیه آب‌نمک حاصل از فرایند کلر-آلکالی، مقادیر TCLP جیوه حدود 200-400 میکروگرم بر لیتر (μg/L) را برای پسماند اولیه گزارش کردند. بنابراین، اگرچه استفاده از پسماند مورد مطالعه میتواند از نظر کاهش مصرف سیمان و بازیافت پسماند دارای مزیت بالقوه باشد، تأیید قطعی ایمنی زیست‌محیطی آن نیازمند ارزیابی قابلیت آبشویی عناصر بالقوه آلاینده با آزمون‌هایی نظیر TCLP است .(Zhuang et al., 2004)
نتیجهگیری
بر اساس داده‌های آزمایشگاهی این نتیجه حاصل شد که افزودن ۳۰ درصد وزنی از پسماند فرآیند کلر-آلکالی بندر امام خمینی به خاک مارن باعث افزایش حدود 66/35 درصدی مقاومت فشاری تک‌محوری 7 روزه در مقایسه با نمونه خاک مارن بدون افزودنی 7 روزه شده‌است. این افزایش مقاومت به دلیل تشکیل احتمالی فازهای C-S-H (کلسیم-سیلیکات-هیدرات) و M-S-H (منیزیم-سیلیکات-هیدرات) به دلیل وجود کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم در پسماند می‌باشد که باعث ایجاد پیوندهای محکم بین ذرات خاک و در نتیجه افزایش چسبندگی، کاهش تخلخل و بهبود یکپارچگی ساختار خاک شده‌است. با این حال، به دلیل عدم انجام آزمون‌های ریزساختاری نظیر XRD و SEM، تشکیل این فازها در پژوهش حاضر به‌صورت تجربی تأیید نشده است. در نمونه دیگر که از فعالکننده ی قلیایی سدیم هیدروکسید و سیلیکات سدیم استفاده شده، کاهش مقاومت فشاری تک‌محوری به دلیل واکنش‌های نامطلوب بین ترکیبات معدنی پسماند و ذرات خاک مشاهده گردید که نشان‌دهنده اثر منفی قلیائیت بالا بر فرآیند تثبیت می‌باشد.
لذا پسماند فرآیند کلر-آلکالی میتواند به‌عنوان یک گزینه بالقوه، پایدار و اقتصادی برای جایگزینی بخشی از مواد سیمانی در تثبیت خاکهای مسئله‌دار مورد توجه قرار گیرد. این امر باعث کاهش استخراج منابع طبیعی و کاهش آلودگی‌های ناشی از تولید سیمان میشود. همچنین استفاده از روش استفاده مجدد از این پسماند در تثبیت خاک، باعث مدیریت پسماند صنعتی و حفاظت بیشتر از محیط‌زیست میشود. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده، پیشنهاد میشود در پروژه‌های عمرانی مناطق جنوبی کشور که دسترسی به این پسماند به‌راحتی میسر است، از این روش به‌عنوان یک راهکار عملی و کم‌هزینه بهره گرفته شود. با توجه به محدودیت‌های پژوهش حاضر، انجام مطالعات تکمیلی در زمینه بررسی اثر درصدهای مختلف پسماند، زمان‌های طولانی‌تر عمل‌آوری، دوام خاک تثبیت‌شده در چرخه‌های تر و خشک، و همچنین بررسی رفتار نشت و آزادسازی احتمالی آلاینده‌ها پیشنهاد میشود. انجام آزمون‌های ریزساختاری نظیر XRD و SEM نیز میتواند به شناسایی محصولات واکنش و تبیین دقیق‌تر سازوکار بهبود یا کاهش مقاومت کمک کند. پژوهش حاضر نشان داد که رویکرد استفاده مجدد از پسماندهای صنعتی در بهسازی خاک، ضمن کاهش بار محیط زیستی، گامی مؤثر در جهت تحقق اهداف توسعه پایدار در صنعت ساخت‌وساز کشور محسوب میشود.
