تثبیت خاک با سیمان و نحوه اجرای آن

در این پست ابتدا تثبیت خاک با سیمان و تاثیر آن بر پارامترهای مختلف خاک های ریزدانه و درشت دانه را برمی شماریم سپس در پایان نحوه اجرای تثبیت خاک با سیمان را شرح می دهیم.

مقدمه

مشخصات فنی خاک های تثبیت شده با سیمان بستگی به جنس خاک، مقدار سیمان، وزن مخصوص خاک تثبیت و کوبیده شده، کیفیت اختلاط سیمان و خاک، شرایط عمل آوردن مخلوط و زمان دارد.

مقاومت خاک های تثبیت شده با سیمان نظیر بتن سیمانی در اثر مرور زمان افزایش می یابد. این افزایش مقاومت در روزهای اول با سرعت بیشتری انجام گرفته و سپس با گذشت زمان از سرعت ازدیاد، مقاومت خاک ثبیت شده کاسته می شود. (شکل 1)

توجه : برای آشنایی با اهداف تثبیت خاک و مفاهیم مربوط به تثبیت خاک با آهک اینجا کلیک کنید.

شکل 1- افزایش مقاومت یک نمونه خاک رس لای دار تثبیت شده با سیمان با زمان

تثبیت خاک با سیمان (خاک ریزدانه)

اکثر خاک های ریزدانه به غیر از خاک های الی قابل تثبیت با سیمان هستند. میزان سیمان لازم برای تثبیت خاک ها بستگی به خواص خمیری خاک دارد. هر اندازه خاکی درصد ریزدانه بیشتری داشته و یا خمیری تر باشد (حد روانی و دامنه خمیری بیشتر)، درصد سیمان بیشتری برای انجام عمل تثبیت لازم خواهد بود. ضمنا هر قدر وزن مخصوص نهایی خاک تثبیت شده بیشتر باشد مقدار کمتری سیمان لازم است. حدود تقریبی سیمان لازم برای تثبیت خاک های ریزدانه بین 7 تا 20 درصد وزن خشک خاک است که در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1

از سیمان گاهی برای کاستن خواص خمیری خاک ها استفاده می شود. تاثیر سیمان بر روی خواص خمیری یک نمونه خاک رس لای دار در شکل 2 نشان داده شده است. به طوری که از این شکل مشاهده می شود با افزایش درصد سیمان به کار رفته برای اصلاح خاک از حد روانی و دامنه خمیری خاک کاسته شده و حد خمیری افزایش می یابد. خاک اصلاح شده با سیمان دارای درصد رطوبت بهینه بیشتر و حداکثر وزن مخصوص خشک کمتری از خاک اصلاح نشده است. از این جهت سیمان یکی از مناسب ترین مواد برای اصلاح خاک های ریزدانه بستر راه هایی که میزان رطوبت انها نسبتا زیاد است می باشد.

شکل 2- تاثیر سیمان بر روی خواص خمیری یک نمونه خاک رس لای دار

تثبیت خاک با سیمان (خاک ماسه ای)

خاک های ماسه ای از جمله ماسه بادی به سهولت قابل تثبیت با سیمان است. مقدار سیمان لازم برای تثبیت این گونه خاک ها در درجه اول بستگی به درجه تخلخل خاک تثبیت شده دارد. عوامل دیگری که در میزان سیمان لازم موثر هستند عبارتند از : درصد شن و درصد مواد ریزدانه. حدود تقریبی سیمان لازم برای تثبیت خاک های ماسه ای در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2- حدود تقریبی سیمان لازم برای تثبیت خاک های ماسه ای

تثبیت خاک با سیمان (خاک شنی)

اینگونه خاک ها نیز قابل تثبیت با سیمان هستند. خاک های شنی تثبیت شده با سیمان برای لایه های اساس و زیراساس هر نوع راهی قابل استفاده هستند. میزان سیمان لازم برای تثبیت خاک های شنی بین 2 تا 6 درصد وزن خاک متغیر بوده و بستگی به درصد مواد ریزدانه و همچنین وزن مخصوص نهایی خاک تثبیت شده دارد. برخی خاک های شنی به علت خمیری بودن بخش ریزدانه آنها قابل استفاده برای روسازی نیستند. با افزودن مقدار کمی سیمان به اینگونه خاک ها می توان از خاصیت خمیری آنها کاسته و یا کاملا این خاصیت را از بین برد و از این مصالح برای لایه های اساس و زیراساس استفاده کرد.

مقاومت خاک های شنی تثبیت شده معمولا زیاد بوده و مقاومت فشاری تک محوری آنها به سهولت به حدود 70 تا 140 کیلوگرم بر سانتی متر مربع می رسد. یکی از موارد استفاده از تثبیت مصالح سنگی با سیمان بازسازی رویه های شنی است.

طرح مخلوط های خاک و سیمان

درصد سیمان لازم برای تثبیت خاک و مصالح سنگی با انجام آزمایش مقاومت فشاری و آزمایش دوام به دست می آید. ابتدا نمونه هایی با درصدهای مختلف سیمان ساخته می شود و پس از عمل آمدن به مدت 7 روز در اتاق مرطوب بر روی آنها آزمایش فشاری تک محوری انجام شده و منحنی نمایش تغییرات مقاومت فشاری نمونه ها بر حسب درصد سیمان رسم می شود.

با در دست داشتن مقاومت فشاری مطلوب میزان سیمان مورد لزوم به دست می آید. مقاومت فشاری مطلوب تابعی از دانه بندی خاک بوده و مقدار آن از نموگرام داده شده در شکل 3 که بر اساس مطالعات تجربی انجام شده توسط انجمن سیمان پرتلند تهیه شده است به دست می آید.

شکل 3- نموگرام برای تعیین مقاومت فشاری مطلوب در تثبیت خاک با سیمان

معمولا خاک تثبیت شده ای که مقدار سیمان آن بر اساس انجام آزمایش مقاومت فشاری به دست آمده باشد دارای دوام کافی خواهد بود. با این وجود اگر روسازی در محلی ساخته شود که مصالح تثبیت شده در معرض یخبندان و ذوب یخ های مکرر و یا تغییرات زیاد رطوبت قرار داشته باشد این امکان وجود دارد که مصالح تثبیت شده در اثر تکرار یخبندان و یا تر و خشک شدن های متوالی خرد شده و از مقاومت آنها کاسته شود.

در اینگونه موارد لازم است که درصد سیمان به دست امده بر اساس آزمایش مقاومت با انجام آزمایش یخبندان، ذوب یخ و یا آزمایش تر و خشک کنترل شود. مقدار درصد سیمان باید طوری انتخاب شود که میزان افت مصالح در آزمایش یخبندان – ذوب یخ و یا آزمایش تر – خشک از مقادیری که در جدول 3 داده شده است بیشتر نباشد.

جدول 3- حداکثر افت مجاز مصالح در تثبیت خاک با سیمان (انجمن سیمان پرتلند)

برای انجام آزمایش های تر – خشک و یخبندان ذوب یخ ابتدا نمونه هایی از خاک و سیمان در درصد رطوبت بهینه که قبلا با انجام آزمایش تراکم بر روی مخلوط خاک و سیمان تعیین شده است در استوانه فلزی آزمایش تراکم ساخته می شود.

نمونه ای که برای انجام آزمایش یخبندان – ذوب یخ به کار می رود به مدت 7 روز در اتاق مرطوب قرار داده می شود تا عمل بیاید. سپس این نمونه به مدت 1 روز در داخل یخچالی با برودت 28- درجه سانتی گراد قرار داده می شود تا کاملا منجمد شود. پس از این مدت، نمونه از یخچال خارج شده و به مدت 5 تا 6 ساعت بر روی سنگ متخلخلی که در داخل آب قرار دارد و سطح آب درست تا سطح زیرین نمونه است قرار داده می شود تا فرصت جذب آب به نمونه داده شود. پس از آنکه از حالت انجماد خارج شد به دقت توزین شده و سپس با یک برس سیمی زبر 2 بار هر طرف نمونه برس زده می شود. نمونه دوباره توزین می شود تا کسری وزن آن به دست آید. این آزمایش جمعا 12 بار تکرار می شود تا مقدار کل کسری وزن نمونه به دست آید. از تقسیم کسری وزن نمونه به وزن اولیه آن افت نمونه بر حسب درصد تعیین می شود.

آزمایش تر – خشک به این نحو انجام می شود که پس از آنکه نمونه خاک تثبیت شده با سیمان به مدت 7 روز در اتاق مرطوب عمل آورده شد نظیر آنچه که برای انجام آزمایش یخبندان – ذوب یخ شرح داده شد بر روی سنگ متخلخلی که در داخل آب قرار دارد و سطح آب درست تا سطح زیرین نمونه است قرار داده می شود تا فرصت جذب آب به نمونه داده شود. سپس نمونه به مدت 5 تا 6 ساعت در داخل فر گرمخانه ای با گرمای 60 درجه سانتی گراد قرار داده می شود. پس از آنکه نمونه خشک گردید از گرمخانه خارج گردیده و به دقت توزین می شود و سپس با یک برس سیمی زبر 2 بار هر طرف نمونه برس زده می شود و پس از توزین مجدد کسری وزن نمونه به دست می آید. این آزمایش نظیر آزمایش یخبندان – ذوب یخ به تعداد 12 بار تکرار می شود تا مقدار کل کسری وزن نمونه به دست آید. از تقسیم کسری وزن نمونه به وزن اولیه آن، افت بر حسب درصد تعیین می شود.

اجرای تثبیت خاک با سیمان

عملیات اجرای تثبیت خاک شامل شیار دادن خاک و خرد کردن کلوخه های آن، پخش سیمان، اختلاط خاک و سیمان، پخش آب، اختلاط خاک و سیمان و آب، کوبیدن و متراکم کردن خاک تثبیت شده با سیمان و عمل آوردن آن است.

از آنجا که سیمان ماده زودگیری است باید طول راه به قطعات کوچکی تقسیم شود تا بتوان تمام عملیات تثبیت خاک از جمله کوبیدن و متراکم کردن نهایی خاک را قبل از گرفتن سیمان به پایان رساند. این طول معمولا بین 100 تا 450 متر بوده و بستگی به روش انجام عملیات، دما و رطوبت هوا، ضخامت لایه، نوع و تعداد ماشین آلات و تجربه فنی افراد دارد.

در مواردی که خاک درجا باید با سیمان تثبیت شود، خاک به ضخامت لازم با استفاده از شانه گریدر یا تراکتور شخم زن شیار داده شده و کلوخه های خاک خرد می شود. خاکی که دارای کلوخه است به خوبی با سیمان اندود نشده و جسم یکنواختی به دست نمی آید. اغلب ایین نامه ها مقرر می دارند که خاک باید طوری خرد و نرم شود که بیش از 80 درصد وزنی آن از الک شماره 4 عبور کند. در مواردی که مصالح تثبیت شده با سیمان به عنوان لایه ای از روسازی به کار می رود مصالح سنگی مورد نظر باید به ضخامت لازم در طول راه پخش شود.

بر روی خاک یا مصالح سنگی اماده شده میزان سیمان لازم پخش شده و با استفاده از تیغه گریدر و یا مخلوط کن های دوار به خوبی خاک و سیمان مخلوط می شوند. پس از آن مقدار آب لازم با استفاده از ماشین آب پاش بر روی مخلوط خاک و سیمان پخش شده و پس از اختلاط به کمک غلتک های پاچه بزی و یا چرخ لاستیکی کوبیده و متراکم می شود مرحله آخر عملیات اجرای تثبیت خاک با سیمان شامل آب پاشی مجدد تنظیم رقوم سطح لایه با استفاده از تیغه گریدر و کوبیدن و متراکم کردن نهایی با استفاده از غلتک های چرخ لاستیکی و یا چرخ فولادی است.

میزان آب لازم برای تثبیت خاک با سیمان بر اساس درصد رطوبت بهینه که با انجام آزمایش تراکم به دست می آید تعیین می شود. این میزان آب باید در عمل برای مقدار رطوبت طبیعی خاک و مقدار آبی که در اثر تبخیر از دست می رود تصحیح شود. مقدار آبی که در اثر تبخیر از دست می رود بستگی به دما و میزان رطوبت هوا داشته و میزان آن ممکن است به حدود 10 لیتر در متر مربع و یا بیشتر هم برسد.

سطح لایه تثبیت شده با سیمان باید مرطوب نگه داشته شود تا مخلوط خود را بگیرد. برای جلوگیری از تبخیر رطوبت مخلوط معمولا از حصیر، ماسه مرطوب و یا از یک لایه نازک قیر استفاده می شود. در مواردی که از ماسه برای این منظور استفاده می شود باید سطح لایه تثبیت شده قبل از اجرای لایه روی آن از ماسه پاک شود. برای پاک کردن ماسه از سطح لایه تثبیت شده از جاروی مکانیکی استفاده می شود.

منبع : کتاب روسازی راه از امیر محمد طباطبایی، مرکز نشر دانشگاهی