Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

ईरान के उत्तरी हिस्सों में, गोर्गन शहर के नीचे, एक विशेष प्रकार की मिट्टी के रूप में जानी जाने वाली 'लोएस' (loess) की एक विशाल विस्तार मौजूद है। एक अनभ प्रशिक्षित व्यक्ति की नज़र में, यह साधारण, मलाईदार रंग की मिट्टी जैसी दिखती है, लेकिन एक भू-तकनीकी इंजीनियर (geotechnical engineer) के लिए, यह एक छिपा हुआ खतरा है। यह मिट्टी हवा से उड़कर आई धूल से बनी है जो एक ढीली, मधुमक्खी के छत्ते जैसी संरचना में जम जाती है। हालांकि यह सूखने पर भार सह सकती है, लेकिन इसमें एक खतरनाक रहस्य छिपा है: जैसे ही यह पानी से संतृप्त (saturated) होती है, इसके नाजुक आंतरिक बंधन घुल जाते हैं, और जमीन अचानक धंस जाती है, जिससे इमारतों और सड़कों का भार तेजी से नीचे बैठ जाता है। 'कोलैप्सिबिलिटी' (collapsibility) के रूप में जानी जाने वाली इस घटना ने इस क्षेत्र में महत्वपूर्ण संरचनात्मक क्षति पहुंचाई है, जहाँ लोएस के जमाव 70 मीटर से अधिक गहराई तक हो सकते हैं। इंजीनियरों के लिए चुनौती इस मिट्टी को भंगुर बनाए बिना या उपचार करने में महंगा बनाए बिना इसे मजबूत करने का तरीका खोजना है, ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि बारिश आने पर भी जमीन स्थिर रहे।

तेहरान विश्वविद्यालय और कौम विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक सामान्य, सस्ते पदार्थ: सीमेंट का परीक्षण करके इस समस्या को हल करने का प्रयास किया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या गोर्गन लोएस में सीमेंट मिलाने से इसे एक ढहने वाले खतरे से एक ठोस नींव में बदला जा सकता है। उन्होंने स्थानीय मिट्टी के नमूने लिए और उनमें सीमेंट की विभिन्न मात्रा मिलाई, जो वजन के अनुसार शून्य से लेकर 9 प्रतिशत तक थी। प्रक्रिया पर समय के प्रभाव को समझने के लिए, उन्होंने मिश्रणों का परीक्षण तुरंत नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने नमूनों को सात, चौदह और अट्ठाइस दिनों की अवधि के लिए सीलबंद कंटेनरों में रखा, जो वास्तविक निर्माण परियोजनाओं में होने वाली 'क्योरिंग' (curing) प्रक्रिया का अनुकरण करता है। फिर उन्होंने इन कठोर नमूनों को परीक्षणों की एक श्रृंखला के अधीन किया, जिसमें यह मापा गया कि वे कितना दब सकते हैं, वे कितना फूल सकते हैं, और टूटने से पहले वे कितना बल सहन कर सकते हैं। उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) के नीचे मिट्टी का बारीकी से निरीक्षण किया और इसके रासायनिक गठन का विश्लेषण किया ताकि यह देखा जा सके कि सूक्ष्म स्तर पर क्या हो रहा है।

परिणाम आश्चर्यजनक थे। अनुपचारित लोएस अत्यंत कमजोर था, जिसकी संपीड़न शक्ति (compressive strength) मात्र 0.1 मेगापास्कल थी, जो इस बात का माप है कि मिट्टी विफल होने से पहले कितना दबाव झेल सकती है। हालांकि, जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने अधिक सीमेंट मिलाया और मिश्रण को पकने (cure होने) के लिए अधिक समय दिया, मिट्टी काफी मजबूत हो गई। सबसे नाटकीय सुधार 9 प्रतिशत सीमेंट वाले नमूनों में देखा गया। अट्ठाइस दिनों की क्योरिंग के बाद, ये नमूने अनुपचारित मिट्टी की तुलना में 8.5 गुना अधिक मजबूत थे। शोधकर्ताओं ने देखा कि मिट्टी को जितना अधिक पकने दिया गया, वह उतनी ही मजबूत होती गई, जो यह दर्शाता है कि रासायनिक प्रतिक्रियाएं समय के साथ मिट्टी के कणों को लगातार आपस में जोड़ रही थीं। यह मजबूती केवल सीमेंट के एक 'फिलर' के रूप में कार्य करने का मामला नहीं था; यह एक रासायनिक परिवर्तन का परिणाम था जहाँ सीमेंट ने मिट्टी के खनिजों के साथ प्रतिक्रिया करके नए, टिकाऊ बंधन बनाए।

मजबूत होने के अलावा, उपचारित मिट्टी बहुत अधिक स्थिर भी हो गई और उस खतरनाक धंसाव के प्रति कम संवेदनशील हो गई जो इस क्षेत्र में बड़ी समस्या है। शोधकर्ताओं ने गीला होने पर मिट्टी के ढहने की प्रवृत्ति को मापा और पाया कि सीमेंट मिलाने से यह जोखिम काफी कम हो गया। अनुपचारित नमूनों में, ढहने की क्षमता को 'मध्यम गंभीर' के रूप में वर्गीकृत किया गया था। लेकिन 9 प्रतिशत सीमेंट वाले नमרוों में, यह जोखिम घटकर "मामूली" स्तर पर आ गया, जिसका अर्थ है कि मिट्टी के अचानक धंसने की संभावना बहुत कम हो गई। इसी तरह, दबाव में मिट्टी के दबने या गीला होने पर फूलने की प्रवृत्ति में भी काफी कमी आई। जितना अधिक सीमेंट मिलाया गया, मिट्टी उतनी ही कम हिली, जिससे एक ऐसा पदार्थ बना जो ढीली, पानी के प्रति संवेदनशील मिट्टी के बजाय एक ठोस चट्टान की तरह व्यवहार करता है।

यह परिवर्तन क्यों हुआ, इसे समझने के लिए टीम ने 'स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी' और रासायनिक विश्लेषण का उपयोग करके मिट्टी के भीतर झांका। अनुपचारित लोएस ने एक अराजक संरचना दिखाई जिसमें बड़े, खुले छिद्र और कणों के बीच कमजोर संबंध थे, जो रेत के ढीले ढेर जैसा दिखता था। इसके विपरीत, सीमेंट-उपचारित नमूनों ने एक पूरी तरह से अलग तस्वीर पेश की। सूक्ष्मदर्शी छवियों ने दिखाया कि सीमेंट ने खाली स्थानों को भरने के लिए सुई जैसी संरचनाएं और एक जेल जैसा पदार्थ बना दिया था। ये नई संरचनाएं, जिन्हें 'कैल्शियम सिलिकेट हाइड्रेट' के रूप में जाना जाता है, गोंद की तरह काम करती हैं, जो व्यक्तिगत कणों को एक तंग, परस्पर जुड़े नेटवर्क में बांध देती हैं। इस प्रक्रिया को 'फ्लोक्यूलेशन' (flocculation) कहा जाता है, जिसने ढीली, खुली संरचना को एक घने, सघन द्रव्यमान में बदल दिया। रासायनिक विश्लेषण ने पुष्टि की कि कैल्शियम और अन्य बंधन तत्वों की मात्रा बढ़ गई थी, जबकि मूल मिट्टी की ढीली, विसरित प्रकृति को एक ठोस, एकजुट संरचना द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया था।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि उत्तरी ईरान में पाई जाने वाली समस्याग्रस्त लोएस को स्थिर करने के लिए सीमेंट मिलाना एक अत्यधिक प्रभावी तरीका है। सीमेंट की मात्रा बढ़ाकर और मिश्रण को पकने (cure होने) के लिए पर्याप्त समय देकर, इंजीनियर एक ऐसी मिट्टी बना सकते हैं जो न केवल बहुत मजबूत है बल्कि पानी के प्रवेश के साथ होने वाले अचानक ढहने के प्रति भी प्रतिरोधी है। शोध यह प्रदर्शित करता है कि 9 प्रतिशत सीमेंट के सही मिश्रण और पर्याप्त समय के साथ, एक भू-तकनीकी खतरे को एक विश्वसनीय नींव में बदला जा सकता है, जो इस विशिष्ट प्रकार की मिट्टी की विफलता वाले क्षेत्रों में निर्माण के लिए एक व्यावहारिक और सुलभ समाधान प्रदान करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि सही मिश्रण और पर्याप्त समय के साथ, हमारे पैरों के नीचे की जमीन को दृढ़ बनाया जा सकता है।