خاک چیست؟

خاک

خاک پس از آب مهمترین عامل در تکوین حیات و ایجاد تمدن بشری بوده است. در طول تاریخ تمدنهای بزرگ در مناطقی که این کالا را با کیفیت مناسب داشته‌اند، ظهور کرده‌اند.

خاکها توده‌های نامتجانس متشکل از ذرات کانی‌های ناپیوسته یا با پیوند ضعیف است. ذرات تشکیل دهنده این محصول از فرسایش، هوازدگی و متلاشی شدن سنگها حاصل میشوند. تخریب سنگ و پیدایش خاک‌ها، یا روند فیزیکی دارد یا روند شیمیایی.

• روند فیزیکی:

فرسایش ناشی از اثر باد، آب، امواج دریا، نفوذ آب به درون حفره سنگ‌ها و انجماد و ذوب شدن مکرر آن، غلتیدن سنگ‌ها به روی یکدیگر و… . در این حالت ترکیب دانه‌های خاک حاصل، همان ترکیب سنگ مادر است. شکل این دانه‌ها معمولاً مکعبی و گوشه‌دار می‌باشد.

• روند شیمیایی:

آب باران با CO_٢ موجود در هوا ترکیب شده و تولید اسیدکربنیک می‌کند که اسیدی زود اثر و ناپایدار است و موجب تجزیه و تخریب سنگ‌ها می‌شود. حاصل تخریب شیمیایی سنگ‌ها، ذرات کوچکتر از ۲ میکرون خاکهای رسی هستند. این ذرات صفحهای (پولکی) شکل اند و به شدت تحت تأثیر نیروهای سطحی میباشند. ذرات رسی ندرتاً به صورت سوزنی شکل و کروی نیز یافت می‌شوند.

خاک از چهار جزء اصلی تشکیل شده است که عبارتند از: مواد معدنی، مواد آلی، آب و هوا. مواد معدنی و آلی، ذرات جامد آن را تشکیل می‌دهند و فضای خالی بین ذرات نیز با آب و هوا پر می‌شود.

مواد معدنی موجود در خاکها عمدتاً اکسید آلومینیوم، اکسید سیلیسیم، اکسید کلسیم، اکسید منیزیم، اکسید تیتانیوم و اکسید کروم هستند. مواد آلی (کربندار) نیز درصد بسیار کمی از خاک‌ها را به خود اختصاص میدهند که هر چه مقدار آنها بیشتر باشد، رنگ خاک تیره تر می‌گردد.

انواع

دسته بندی انواع خاکها براساس اندازه دانه های آن ها صورت میگیرد. در جدول زیر حدود اندازه دانه ها برای هر نوع خاک، مشخص شده است.

خاکهای رسی

رس مهمترین نوع مورد استفاده در صنعت ساختمان است و تنها چسب طبیعی محسوب می‌شود. خاکهای رس از تخریب شیمیایی میکاها و فلدسپارها (Feldspar) که جز مهمی از سنگ‌های آذرین و دگرگونی هستند، به وجود می‌آیند. مواد اصلی تشکیل دهنده رس، اکسید آلومینیوم (آلومین Al_۲O_۳) اکسید سیلیسیم (سیلیس SiO_۲) و مقداری آب تبلور است اکسیدهای دیگری نیز به صورت ناخالصی در رس یافت میشوند. رس خالص سفید رنگ است ولی ناخالصی‌هایی نظیر زغال (سیاه)، گرافیت (خاکستری)، اکسید آهن (سرخ) و هیدرواکسید آهن (زرد) باعث رنگی شدن آن می شوند. بخش عمده رس موجود در طبیعت سرخ رنگ است.

دانه‌های رس اغلب صفحه ای (پولکی) شکل هستند یعنی یکی از ابعاد آن ها از دو بعد دیگر بسیار کوچکتر است. هر چقدر دانه های رس ریزتر باشند، آن خاک مرغوبتر است.

رس پس از اشباع شدن میتواند تا ۸ برابر حجم خود آب جذب کند و تا زمانی که خیس است آب نمی‌تواند در آن نفوذ کند. بنابراین می تواند نقش آب بندی را ایفا کند. لذا در گذشته از آن برای آب‌بندی بامها، گیرها و… استفاده می‌کردند.

انواع خاک‌های رس

1. خاک رسهای معدنی (مانده): این رسها در محلی که تولید شده اند، باقی مانده و حرکت نکرده‌اند. این خاک ها خالصتر از دسته دوم هستند و از آنها در کارهای ظریف استفاده می کنند. یکی از انواع این خاک ها، کائولن (کائولین Kaolin) است که به مصرف چینی سازی میرسد از این رو به آن خاک چینی (China Clay) نیز میگویند. قسمت اعظم کائولن، کائولینیت (Kaolinite) است که عاری از ناخالصیهای اکسید آهن و فلزات قلیایی می باشد. به همین علت در درجه حرارت بسیار بالا ذوب میشود و رنگ آن
   پس از ریختن کاملاً سفید می گردد. از کائولینیت برای تهیه سفال استفاده میکنند لذا به آن خاک سفال نیز می گویند.
2. خاک رسهای آبرفتی (رسوبی، حمل شده): این خاک رسها توسط عوامل جوی از محل اولیه خود حرکت کرده و در محل دیگری ته نشین میشوند. دانه های این خاک ها از خاک رسهای معدنی ریزتر است به همین علت خاصیت پلاستیسیته (شکل پذیری) بیشتری دارند. این خاک ها در تهیه آجر، سرامیک و نسوزها به کار می روند.

نوع دیگری از خاک های رسی نیز وجود دارد که از سنگ شیست (Schist) که ازسنگهای دگرگونی است، حاصل میشود. از این خاک رس برای تهیه آجرهای مرغوب استفاده می کنند که در برابر سایش و عوامل جوی از آجرهای معمولی مقاوم ترند و در گذشته آن ها را در کف سازی به کار می بردند.

خواص فیزیکی

برای سنجش رفتار خاک و پیش بینی عملکرد آن تحت اثر بارهای وارده و تأثیرات محیط و عوامل جوی، نیاز به شناخت و تعیین ویژگیهای گوناگون خاک می باشد، که با انجام آزمایشهای مختلف می توان خواص مختلف آن، از جمله خواص فیزیکی خاک را شناسایی نمود.

وزن مخصوص

خاک های مختلف با توجه به اندازه دانه های آنها، وزن مخصوص متفاوتی دارند که باید با آزمایش خاک مورد نظر به دست آید. به طور کلی خاک های دانه درشت بر اثر تراکم، وزن مخصوص بیشتری نسبت به خاک های دانه ریز خواهند یافت.

رنگ

اکسیدهای آهن موجود در خاک، رنگ آن را سبب می شوند. رنگ اغلب خاک ها پس از پخته شدن، در اثر حرارت تغییر می کند. اگر خاک ۱% یا کمتر اکسید آهن داشته باشد، رنگ آن پس از پخته شدن زرد یا کرم خواهد شد؛ اگر ۲ تا ۳% اکسید آهن داشته باشد، قهوه ای مایل به زرد؛ و اکر ۴ تا ۵% اکسید آهن داشته باشد، قرمز رنگ می شوند.

دانه بندی

هم اندازه دانه‌ها و هم شکل آن ها بر ویژگی های خاک تاثیرگذار هستند. دانه‌بندی یکی از خواص فیزیکی این محصول بوده که در صنعت بسیار مهم و پر اهمیت می‌باشد.

هرچه دانه‌ها ریزتر باشند، وزن مخصوص و همچنین تاب تحمل خاک کاهش پیدا خواهد کرد. از طرفی خاکهای ریز دانه آب بیشتری به خود جذب خواهند نمود که البته این یک ویژگی مطلوب در ساختمان سازی تلقی نمی شود. بطور کلی خاک با دانه بندی مطلوب خاکی است که از دانه های ریز و درشت تشکیل شده باشد، تا دانه های ریزتر فضای بین دانه های درست تر را پر کنند. در این حالت قفل و بستی که میان دانه ها بوجود می آید، حرکتشان را محدود کرده و آن ها را فشرده تر می کند، از همین رو استحکام خاک بیشتر می شود و قابلیت تحمل بارهای سنگین را خواهد داشت.

شکل دانه‌ها نیز از عوامل مهم در تعیین خواص فیزیکی این محصول خواهد بود و نقش مهمی در استحکام و مقاومت خاک دارد. دانه های خاک به شکل صفحه ای (پولکی)، سوزنی، گرد، نیم گرد و یا گوشه دار هستند. دانه های گوشه دار بهترین مصالح برای ساختمان سازی می باشند زیرا روی هم نمیغلتند و قفل و بست لازم بین آن ها ایجاد می شود. همچنین اصطحکاک میان این دانه ها مانع از حرکت بیش از حد آن ها می گردد.

ساختمان و ساختار

نحوه قرار گرفتن و چگونگی اجتماع دانه های خاک را ساختمان آن گویند. بسیاری از خواص فیزیکی خاک نظیر وزن مخصوص، فضای منافذ، حرکت آب، انتقال حرارت و تهویه به ساختمان خاک بستگی دارد. ساختمان خاک از یکی از دو حالت زیر به وجود می آید:

1. دانه های خاک به صورت فردی قرار گرفته و اجتماع مشخصی از دانه ها در آن ها صورت نگرفته است.
2. اجتماع دانه ها به صورت تودههای فشرده، بی شکل و نا منظم.

جذب آب

یکی از مشخصه های بارز خاک، جذب آب است. با جذب آب پاره ای از خواص خاک تغیر می یابد. خاک خشک خاصیت چسبندگی و قالبگیری ندارد ولی با جذب آب قابلیت چسبندگی، خمیری و قالبگیری پیدا میکند. برخی از خاکها چندین برابر وزنشان آب جذب می کنند. خاک های دانه ریز جذب آب بیشتری دارند. زیرا آب به علت خاصیت موئینگی از شکافهای موئینه و باریک بیشتر بالا می رود. همچنین هر چه خاک خالصتر باشد، جذب آب آن بیشتر است.

شکل پذیری (خاصیت پلاستیسیته)

پنج عامل در میزان شکل پذیری خاک موثرترند که عبارتند از:

1. میزان آب موجود در خاک: خاک فقط در صورت مرطوب بودن (گِل)، شکل پذیر خواهد بود. میزان آب لازم با توجه به نوع خاک، متفاوت است. اگر گِل را به حدی حرارت دهیم که علاوه بر آب فیزیکی، آب شیمیایی (آب تبلور) خاک نیز از بین برود، خاصیت شکل پذیری خود را از دست میدهد در این صورت اگر مجدداً به آن آب اضافه کنیم، باز هم شکل پذیر نخواهد شد.
2. اندازه دانه های خاک: هر چه دانه های خاک ریزتر باشند، شکل پذیری آن ها بیشتر است. به همین علت اگر ماسه مصرفی در ملات ماسه سیمان کاملاً شسته و تمیز و فاقد ریزدانه باشد، کارکردن با آن مشکل خواهد بود. زیرا چنین ملاتی زیر ماله شکل نمیگیرد و بنّا مجبور است برای پهن کردن آن روی آجر نیروی بیشتری مصرف کند یا سیمان بیشتری در آن به کار برد.
3. شکل دانه های خاک: هر چه دانه های پولکی شکل در خاک بیشتر باشد، لغزندگی آنها روی هم بیشتر شده و شکل پذیری خاک نیز افزایش می یابد.
4. صیقلی بودن دانه ها: هر چه دانه ها صیقلیتر باشند، اصطکاک بین آنها کاهش می یابد و شکل پذیرترند.
5. فشار: این عامل به دستگاهی که خاک را شکل میدهد بستگی دارد. هر چه فشار دستگاه بیشتر باشد، آب کمتری مورد نیاز است زیرا فضای خالی بین ذرات کمتر میشود بنابراین آب کمتری برای پر کردن این فضا لازم است.

انقباض هنگام خودگیری

کلیه مصالح ساختمانی که هنگام مصرف با آب مخلوط می شوند (به جز گچ و سیمان انبساطی)، هنگام خودگیری و سخت شدن کاهش حجم پیدا میکنند. این ویژگی سبب ایجاد ترک در آنها می شود. در گذشته برای جلوگیری از ایجاد ترک در گل به آن کاه اضافه می کردند. هر چه میزان جذب آب خاک بیشتر باشد، میزان انقباض آن نیز بیشتر می شود.

خواص شیمیایی

خواص شیمیایی خاک به ترکیبات معدنی، مواد آلی و محیط بستگی دارد و برای خاک های مختلف، متفاوت است. هر چه میزان اکسیدهای بازی در خاک بیشتر باشد، مقاومت آن در برابر اسیدها و نیز نقطه ذوب آن کاهش می یابد.

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی خاک های مختلف نظیر مقاومت برشی، سختی، میزان تغییر شکل در اثر بارهای وارده و… باید با استفاده از آزمایش های گوناگون مشخص شود.

با توجه به متخلخل بودن خاک و وجود آب در بین حفره های آن و با توجه به خصلت تراکم ناپذیری آب، این مایع به خصوص در خاک های ریزدانه میتواند از نشست آنی خاک در برابر بارهای وارده جلوگیری کند. این پدیده، تحکیم نام دارد و میزان آن توسط آزمایشهای ویژه محاسبه می گردد.

ضرورت استفاده و کاربرد

خاکها علاوه بر تأمین مواد غذایی، تقریباً در تمام صنایع شیمیایی، رنگرزی، دارویی، ظروف سفالی، ساختمان سازی و به طور کلی در تمام ابعاد زندگی بشر به صورت مستقیم و غیر مستقیم کاربرد دارد.

در ساختمان سازی، انواع خاکها از یک طرف به عنوان مصالح، مورد توجه مهندسین و طراحان قرار میگیرد و از سوی دیگر به عنوان یک محیط طبیعی که در اختیار آدمی قرار گرفته است، مورد توجه و استفاده است.

• کاربرد خاک به عنوان مصالح (کاربرد اختیاری): ایجاد خاکریز پشت دیوارهای حائل، زهکشیها، روسازی راه و فرودگاه و نیز به عنوان ماده اصلی تهیه ملاتها، آجر، سرامیک، کاشی، چینی، نسوزها، بتن و …
• کاربرد خاک به عنوان محیط و بستر (کاربرد اجباری): زیر پیها و بستری که ساختمان روی آن احداث میشود، زیرسازی جادهها، زیر پایه پلها، محل قرار دادن لوله ها و تأسیسات مکانیکی و الکتریکی و …

خاک مهمترین عنصر ساخت آجر

در تولید آجر، خشت خشک شده راحرارت می‌دهند و آجر بدست می‌آورند. خشت را از قالب زدن گل بدست می‌آورند. گل، مخلوط یکنواخت آب و خاک است. خاک، جسم جامد همراه با آب و هواست. خاک رس، ماسه، سنگ آهک، سولفاتها، فلدسپات، ترکیبات آهن، رستنیها و… قسمت جامد خاک را تشکیل می‌دهند.

قسمت جامد

• خاک رس

رس از پوشیدن فلدسپات و میکا در سنگهای آذرین مثل گرانیت بدست می‌آید. عامل پوسیدن، آب باران است که دارای اسید کربنیک می‌باشد. نوع خالص خاک رس،کائولن نام دارد و همان خاکی است که در صنعت ساخت چینی از آن بهره می‌گیرند. کائولن دانه‌هایی پولکی و ورقه ورقه دارد. این پولکها از دو میکرون هم کوچکترند. خاک رس خالص سفید رنگ است.

• ماسه

اگر با رس خالص آجر درست شود، پس از خشک شدن ترک می‌‌خورد و ثبات حجمی ندارد. برای رفع این عیب ، به خاک رس ذرات ماسه می‌افزایند . این ذرات بصورت استخوان بندی عمل می کند و جمع شدگی را کنترل می‌ نماید. جنس ماسه می تواند سیلیسی یا آهکی باشد. اما  ذرات درشت ماسه ، چه آهکی و چه سیلیسی ، ایجاد مشکل می‌کند. ذرات درشت سیلیس در گل ، در هنگام حرارت دادن، با کسب حرارت منبسط می‌شود؛ در حالیکه خشت آجر در حال خشک شدن یا پخته شدن و جمع شدن است. در نتیجه آجر ترک می‌خورد. دانه‌های درشت آهک هم در اثر حرارت پخته شده ، تبدیل به آهک می‌شود که با جذب آب منبسط شده، تکه‌ای از آجر را بیرون می‌اندازد. به این پدیده اصطلاحاً ً آلوئک ً گویند.

سنگ آهک: یکی از دیگر از موادی است که می‌تواند همراه خاک باشد. مقدار اندک آن ، باعث سفید شدن آجر است؛ در حالیکه میزان بیشتری از آن، سبب  پایین آمدن نقطه ذوب و تولید آجر جوش می‌شود .( آجر جوش ، آجری است که در کوره ذوب شده و شکل هندسی خود را از دست داده است.) درصد آهک در خاک آجر ، نباید بیش از ۳۰% باشد.

• سولفاتها

سولفاتها بصورت سولفات عنصرهای سدیم، پتاسیم، کلسیم و منیزیم در خاک وجود دارند و باعث می‌شوند که بعدها روی آجر ً سفیدک سولفاتی ً ظاهر شود.

• فلدسپات

در فرایندهای تولدی آجر ، فلدسپات در نقش گدازآور عمل کرده، سبب پایین آمدن درجه حرارت حالت خمیری آجر می‌شود . در بسیاری از سرامیکها، از خاک با فلدسپات زیاد استفاده می‌کنند.

• ترکیبات آهن

اکسیدهای آهن نیز گدازآورند. اگر در خاک به ۵% وزنش برسد، آن خاک سرخ رنگ می‌شود. از خاکهای با اکسید آهن بالا برای ساخت قطعات سفالی ـ که آب را از خود عبور نمی‌دهند ـ استفاده می‌شود. در برخی کشورهای خارجی، از این خاکها در صنعت سفال، جهت ساخت لوله‌های فاضلاب بهره می‌گیرند؛ در حالیکه در ایران، برای این مصرف از لوله‌های چدنی یا پولیکا استفاده می‌شود . کاربرد عمده سفال در کشورمان، در قسمتهای شمالی و برای پوشش سقف است. در آجرهای نسوز، مقدار آهن خاک باید بسیار کم بوده ، از ۱% وزن خاک تجاوز نکند.

• رستنیها

از دیگر مواد تشکیل دهنده خاک ، بقایایی گیاهان است که اگر همراه خاک باشند، در کوره می‌سوزند و جایشان خالی می‌شود. از این پدیده استفاده کرده، به خاک آجر، مواد آلی می‌زنند تا پس از سوختن در کوره و خالی شدن جایشان، آجر سبک بدست آید. این آجرها، کاربرد عایقی دارد.

آب

آب به دو صورت در خاک وجود دارد:

آب آزاد و آب جذب شده (که سبب مرطوب بودن خاک است).

آب جذب شده را تنها با استفاده از حرارت میتوان آزاد کرد.

طبقه بندیی برای مخلوط آب و خاک

یک مهندس سوئدی بنام Atterberg. مخلوط آب و خاک را به پنج دسته تقسیم کرده است: آبکی، شل، خمیری، سفت و خشک.

گلی که برای تولید آجر استفاده می شود، باید حالت خمیری داشته باشد. برای پی بردن به حالت خمیری گل در آزمایشگاه، از دستگاهی بنام ً Cassagrandً یا ً Atterbergً استفاده می‌کنند. اما در کارگاههای ساختمانی، بدین منظور با خمیر مورد نظر، فتیله‌ای نازک بقطر mm3 می‌سازند. اگر آن فتیله ترک نخورد و گل آن هم به دست نچسبد، خمیر آزمایش شده مطلوب می‌باشد.

روش های بهبود کیفیت

کیفیت خاک و بطور کلی کیفیت یکی از مباحث فنی و اساسی در استفاده از هر نوع مصالح در عملیات ساختمانی می باشد. کارفرمایان همواره در تلاش هستند تا مواد مرغوبتری را تهیه کرده تا ساختمان های با استحکام بیشتر و کیفیت بالاتر تولید کنند و در همین راستا همواره در حال جستجو و تهیه مصالح ساختمانی با کیفیت ممتاز هستند. یکی از این مصالح خاک است. خاک به دلیل ماهیت خود از استحکام کمی بر خوردار است اما با روش های مختلفی می توان کیفیت این ماده را ارتقا بخشید.

جهت ارتقای کیفیت خاک، استفاده بهتر از آن، افزایش مقاومت آن در برابر زلزله و…، رفتار خاک را با استفاده از روشهای گوناگون به شرح زیر بهبود می بخشند:

• افزودنیهای فیزیکی: این افزودنی ها نظیر کاه، موی چهارپایان و… در خاک رس باعث مسلح شدن خاک و افزایش مقاومت کششی آن در سازههای قدیمی میشود. یکی دیگر از افزودنیهای فیزیکی در خاک، قیر است. اختلاط خاک با قیر معمولاً برای خاکهای درشت دانه نظیر شن و ماسه مناسب است. خاکهای ریزدانه در صورتی قابل تثبیت با قیر هستند که بتوان آنها را کاملاً از حالت کلوخه بودن خارج کرد و دانه های آن را با قیر اندود کرد. هر اندازه که مخلوط خاک و قیر متراکم تر شود، استقامت و باربری آن بیشتر خواهد بود.
• افزودنیهای شیمیایی: این افزودنیها با ایجاد فعل و انفعال با ذرات خاک باعث بهبود ویژگیهای مکانیکی از جمله افزایش ظرفیت باربری، کاهش نشست پذیری و کاهش نفوذ پذیری خاک میشوند. از جمله این مواد می توان به آهک، سیمان و …. اشاره کرد که تا حدود زیادی در افزایش کیفیت انواع خاک ها موثر خواهند بود.
• ژئوگرید (Geogrid) و ژئوسنتتیک (Geosynthetic): این مسلح کننده ها توسط اصطکاک ایجاد شده بین سطح خود و خاک، باعث افزایش مقاومت کششی خاک می شوند.
• مسلح کردن خاک با لاستیکهای فرسوده نیز یکی از روش های افزایش کیفیت خاک می باشد.
• میخ کوبی (Nailing)، میل مهار (Anchor)، ریز شمعها (Microphile) و.. نیز از دیگر روش های بهبود کیفیت خاک می باشند.