توصيفگر ها :
يخبندان , سيليكا آيروژل , GSAL , عايق حرارتي , ژئوتكستايل
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
Soil protection against freezing is one of the challenges of geotechnical engineering in cold regions. Soil freezing, especially by causing damage and reducing the efficiency of road pavement, imposes significant costs for the repair and reconstruction of roads. Therefore, the purpose of this study is to provide a suitable solution to prevent frost in the soil and eliminate its adverse effects on soil-based structures, especially road pavement. The proposed method is based on the use of a thermal insulation on the soil surface to prevent cold air from penetrating into the soil. In order to provide a suitable thermal insulation for use in earthen structures, silica aerogel, which is a nanomaterial with very low thermal conductivity, was used. The results of experiments showed that by mixing soil and silica aerogel, the thermal conductivity of the soil is reduced and this mixture can be used in the preparation of thermal insulation. Three types of soil including two types of sand and one type of clay, with different minerals and granulation, were mixed with different amounts of silica aerogel (1, 2, 3, 4, 5 and 6 wt.%) and the thermal conductivity of all soil-aerogel mixtures was measured. According to the results obtained from the experiments, sand due to lower voids ratio, provides less thermal conductivity after mixing with silica aerogel. Therefore, coarse-grained sand was selected for mixing with silica aerogel and preparing soil-aerogel mixture. On the other hand, the reduction trend of thermal conductivity of soil-aerogel mixtures showed that by increasing the amount of silica aerogel, its effectiveness in reducing the thermal conductivity of soil decreases. After determining the suitable soil for mixing with silica aerogel, soil-aerogel mixtures with different thicknesses and different amounts of silica aerogel were enclosed between two layers of geotextiles, and the obtained product was used as thermal insulation on the soil surface. In fact, the novel designed sandwich structure, which called GSAL, is a geocomposite composed of two layers of geotextiles encapsulating soil-aerogel mixture. The results of experiments showed that after using GSAL on the surface of frost susceptible soil, the rate of temperature drop in the soil significantly decreased and the process of freezing is delayed. Moreover, among the two factors of GSAL thickness and the amount of silica aerogel in GSAL, the effect of thickness on improving GSAL efficiency is much more than the effect of silica aerogel content. Therefore, the optimal method to increase the thermal resistance of GSAL is to use small amounts of silica aerogel and increase the thickness of GSAL. Considering the significant effect of moisture on the thermal conductivity of GSAL, hydraulic properties including hydrophobicity, permeability and water absorption of GSAL were also investigated. The results of these experiments showed that soil-aerogel mixtures are significantly hydrophobic. On the other hand, the permeability of soil-aerogel mixtures also showed a significant decrease compared to the initial soil. Water absorption in the soil-aerogel mixtures was also significantly reduced. The combination of the mentioned hydraulic properties for soil-aerogel mixtures caused that moisture had little effect on increasing their thermal conductivity and reducing GSAL efficiency. On the other hand, the experimental results showed that flood currents, wetting-drying cycles and freezing-thawing cycles will not reduce the efficiency of GSAL. At the end of the research, a computer simulation was performed using ANSYS software to study various factors affecting GSAL efficiency. Experimental verification of the results of the computer simulation showed that this model can predict the temperature changes of different depths of soil covered by GSAL with good and acceptable accuracy.
