Feasibility study on waste silty clay as a recycled slurry material for slurry shield tunneling

आधुनिक शहरों की हलचल भरी सड़कों के बहुत नीचे, शील्ड टनलर्स (shield tunnelers) नामक विशाल मशीनें सबवे और भूमिगत परिवहन के मार्ग बनाती हैं। ये मशीनें केवल खुदाई ही नहीं करतीं; इन्हें मिट्टी और पानी के दबाव को लगातार रोकना भी पड़ता है। ऐसा करने के लिए, वे सुरंग के मुख में 'स्लरी' (slurry) नामक एक विशेष तरल कीचड़ पंप करती हैं। यह कीचड़ एक महत्वपूर्ण काम करता है: जैसे ही यह आसपास की मिट्टी के सूक्ष्म अंतराल में रिसता है, यह एक पतली, ठोस त्वचा या 'फिल्टर केक' (filter cake) छोड़ देता है, जो एक अस्थायी दीवार की तरह कार्य करता है। यह दीवार दबाव को संतुलित करती है, जिससे मशीन द्वारा आगे बढ़ने के दौरान सुरंग सुरक्षित रहती है और ढहने से बचती है। दशकों से, उद्योग इस कीचड़ को बनाने के लिए बेंटोनाइट (bentonite) नामक एक प्राकृतिक मिट्टी पर निर्भर रहा है। हालांकि, बेंटोनाइट एक सीमित संसाधन है जिसे खनन और संसाधित करना महंगा है। साथ ही, टनलिंग परियोजनाएं अक्सर अपने स्वयं के कचरे के रूप में भारी मात्रा में मिट्टी उत्पन्न करती हैं, जो गाद और मिट्टी का एक कीचड़ जैसा मिश्रण होता है जिसे वर्तमान में कचरा माना जाता है और लैंडफिल में फेंक दिया जाता है। इंजीनियरों के सामने सवाल यह है कि क्या इस अपशिष्ट मिट्टी को साफ करके और इसे उसी कीचड़ में बदला जा सकता है जिसकी आवश्यकता सुरंगों के निर्माण के लिए होती है, जिससे एक बंद चक्र (closed loop) बन सके जो पैसे बचाए और पर्यावरण की रक्षा करे।

वुहान यूनिवर्सिटी और नॉर्थईस्टर्न यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए यह परीक्षण करने का निर्णय लिया कि क्या अपशिष्ट सिल्टी क्ले (silty clay) को एक सरल रासायनिक योज्य (additive) के साथ उपचारित करने के बाद, बेंटोनाइट के विकल्प के रूप में उपयोग किया जा सकता है। उन्होंने शेनयांग में एक सबवे निर्माण स्थल से प्राप्त अपशिष्ट मिट्टी को लेकर, उसे सुखाकर और बारीक पाउडर में पीसकर शुरुआत की। इस पाउडर को टनलिंग के लिए आवश्यक उच्च-प्रदर्शन वाले कीचड़ जैसा व्यवहार कराने के लिए, उन्होंने इसे पानी, थोड़ी मात्रा में महीन रेत और सोडियम कार्बोनेट (जो वॉशिंग सोडा के समान एक सामान्य घरेलू रसायन है) के साथ मिलाया। उन्होंने पानी, पाउडर और रेत की मात्रा को समायोजित करते हुए दर्जनों अलग-अलग नुस्खे (recipes) आजमाए ताकि सही संतुलन पाया जा सके। उनका लक्ष्य एक ऐसा मिश्रण बनाना था जो चट्टान के टुकड़ों को बहा ले जाने के लिए पर्याप्त गाढ़ा हो, पाइपों में जम न जाए, और सुरंग की दीवार पर वह महत्वपूर्ण सुरक्षात्मक त्वचा बनाने में सक्षम हो। व्यापक परीक्षण के बाद, उन्होंने एक इष्टतम नुस्खा पहचाना: मिट्टी और पानी का एक विशिष्ट अनुपात, सोडियम कार्बोनेट की एक सटीक मात्रा, और महीन रेत की एक निश्चित मात्रा। यह मिश्रण उद्योग में उपयोग किए जाने वाले मानक बेंटोनाइट कीचड़ के समान प्रवाह और स्थिरता विशेषताओं वाला सिद्ध हुआ।

शोधकर्ताओं ने सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण की ओर कदम बढ़ाया: यह देखना कि क्या यह नया कीचड़ विभिन्न प्रकार की जमीन में वास्तव में एक सुरक्षात्मक दीवार बना सकता है। उन्होंने रेत और बजरी से भरा एक बड़ा, पारदर्शी कॉलम बनाया ताकि पृथ्वी का अनुकरण किया जा सके, फिर उन्होंने अपने नए कीचड़ को दबाव के तहत उसमें पंप किया और बारीकी से देखा कि कीचड़ मिट्टी के साथ कैसे क्रिया करता है। मध्यम और मोटे रेत की परतों में, परिणाम उत्साहजनक थे। संशोधित कीचड़ पर्याप्त रूप से अंदर रिस गया, जिससे एक ठोस त्वचा बन गई जिसने पानी के दबाव को प्रभावी ढंगت से रोक लिया। इन स्थितियों में, कीचड़ ने अपने पंपिंग दबाव का अस्सी प्रतिशत से अधिक हिस्सा जमीन को स्थिर करने वाले बल में बदल दिया, जो टनल निर्माण के सख्त सुरक्षा मानकों को पूरा करता है। इस कीचड़ ने एक ऐसी त्वचा बनाई जो प्राकृतिक बेंटोनाइट से बनी त्वचा की तुलना में थोड़ी कम पूर्ण थी, लेकिन काम करने के लिए पर्याप्त मजबूत थी।

हालांकि, कहानी तब बदल गई जब शोधकर्ताओं ने कीचड़ का परीक्षण बजरी (gravel) की एक परत में किया, जहाँ पत्थरों के बीच के अंतराल बहुत बड़े होते हैं। इस मोटे वातावरण में, कीचड़ एक सुरक्षात्मक त्वचा बनाने में विफल रहा। कण बजरी के पत्थरों के बीच के चौड़े अंतराल को भरने के लिए बहुत छोटे थे, इसलिए कीचड़ बिना किसी सील के सीधे नीचे बह गया। दबाव रूपांतरण दक्षता चालीस प्रतिशत से नीचे गिर गई, जिसका अर्थ है कि कीचड़ मिट्टी या पानी को रोक नहीं सका। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इस नई सामग्री की सीमाओं को परिभाषित करता है। यह रेतीली मिट्टी में अच्छा काम करता है लेकिन बिना किसी बदलाव के ढीली बजरी में इसका उपयोग नहीं किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि रेत में सफलता का कारण एक रासायनिक परिवर्तन था। सोडियम कार्बोनेट ने मिट्टी के कणों की सतह पर विद्युत आवेश (electrical charge) को बदल दिया, जिससे वे एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करने लगे और पानी में समान रूप से फैल गए, ठीक वैसे ही जैसे बेंटोनाइट स्वाभाविक रूप से व्यवहार करता है। इसने कणों को सही तरीके से आपस में जुड़ने की अनुमति दी ताकि वे मिट्टी के अंतरालों को अवरुद्ध कर सकें, एक प्रक्रिया जिसे कीचड़ और उसके द्वारा बनाई गई त्वचा की सूक्ष्म संरचना को देखकर सत्यापित किया गया था।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि अपशिष्ट सिल्टी क्ले, जब एक सरल रासायनिक संशोधक (modifier) के साथ उपचारित किया जाता है, तो टनलिंग के लिए महंगे बेंटोनाइट का एक व्यवहार्य और टिकाऊ विकल्प है। यह एक विशाल कचरे की समस्या को एक मूल्यवान संसाधन में बदलने का एक तरीका प्रदान करता है, जिससे लागत में काफी कमी आती है और निर्माण के पर्यावरणीय प्रभाव को कम किया जा सकता है। फिर भी, शोधकर्ता स्पष्ट हैं कि यह कोई सार्वभौमिक समाधान नहीं है। जबकि संशोधित कीचड़ रेत और गाद में, जो भूमिगत दुनिया का एक बड़ा हिस्सा बनाती है, सराहनीय प्रदर्शन करता है, यह अभी भी बजरी वाली जमीन के बड़े, खुले छिद्रों को संभालने में सक्षम नहीं है। उन चुनौतीपूर्ण स्थितियों के लिए, काम करने हेतु कीचड़ को बड़े कणों के साथ गाढ़ा करने की आवश्यकता होगी। फिलहाल, यह खोज निर्माण उद्योग के लिए एक नया द्वार खोलती है, यह सिद्ध करती है कि सुरंग बनाने के लिए खोदी गई मिट्टी का उपयोग स्वयं सुरंग बनाने में मदद के लिए किया जा सकता है, बशर्ते जमीन की स्थितियाँ सही हों।