अनेक वर्षांपूर्वी बांधकामासाठी जमीन निवडताना जमिनीची ताकद किंवा सक्षमता विचारात घेतली जात असे. म्हणजे जर जमीन पुरेशी टणक किंवा मजबूत असेल आणि आवश्यक तितका भार पेलण्याची तिची क्षमता असेल, तर त्या जमिनीचा वापर इमारत, रस्ते अशा विविध बांधकामांसाठी केला जात असे. जमीन जर नरम, भुसभुशीत किंवा दलदलीची असेल, तर मग त्या काळी शक्यतो अशी जमीन टाळून इतरत्र बांधकामाच्या पर्यायाबाबत विचार केला जाई. परंतु, जसा काळ गेला, तशी वाढती लोकसंख्या, वाढते उद्योगधंदे आणि वाढते नागरीकरण, यामुळे जमिनीची कमतरता भासू लागली आणि त्यांचे भावही वाढू लागले. यामुळे प्राप्त जमीन नाकारणे अशक्य होऊ लागले. तेव्हा आहे त्याच जमिनीचे आवश्यक ते अभियांत्रिकी गुणधर्म सुधारून तिचे सक्षमीकरण करणे गरजेचे झाले. या प्रक्रियेलाच मृदा सक्षमीकरण असे संबोधले जाते. याकरिता मृदेमध्ये काही भौतिक बदल करून किंवा काही पदार्थ अथवा रसायने मृदेमध्ये मिसळून तिचे रासायनिक किंवा भौतिक गुणधर्म सुधारले जातात. अशा प्रकारे मृदा सक्षमीकरणासाठी वापरल्या जाणाऱ्या रसायनांना अथवा पदार्थांना सक्षमक असे संबोधतात.
इतिहास व पार्श्वभूमी : हजारो वर्ष जुन्या असलेल्या स्थापत्य अभियांत्रिकीच्या शाखेत आधुनिक मृदा अभियांत्रिकी (Soil Engineering) ही उपशाखा मात्र, तुलनेने नवी म्हणजे साधारण शंभर-सव्वाशे वर्षे इतकीच जुनी आहे. त्यामध्ये मृदा सक्षमीकरणाचा इतिहास हा तर केवळ साठ-सत्तर वर्षे इतकाच जुना आहे. मृदा ही प्रामुख्याने दोन प्रकारची असते. असमाकर्षी किंवा बृहद्कणी मृदा अर्थात रेताड मृदा आणि समाकर्षी किंवा सूक्ष्मकणी मृदा अर्थात, चिकण मृदा. या दोन्ही प्रकारच्या मृदांमध्ये विविध पद्धतीने मृदेचे सक्षमीकरण केले जाते. जसजसे तंत्रज्ञान सुधारत गेले, तसतशी मृदा सक्षमीकरणाची विविध तंत्रे विकसीत होत गेलीत. मृदेचे सक्षमीकरण कोणत्या प्रकारे करायचे, ते ठरवताना अनेक मुद्दे विचारात घेतले जातात. त्यापैकी काही महत्त्वाचे मुद्दे खाली दिले आहेत :
१) हे सक्षमीकरण कोणत्या कारणासाठी करायचे आहे – उदाहरणार्थ, मृदेची घनता वाढविण्याकरिता, मृदेचे कार्तरिक सामर्थ्य (Shear Strength) वाढविण्याकरिता, मृदेची पारगम्यता (Permeability) कमी अथवा जास्त करण्याकरता, म्हणजेच अनुक्रमे मृदेतून वाहून जाणारे पाणी रोखण्याकरिता अथवा, मृदेचे जलनि:सारण (Drainage) सुधारण्याकरिता (मृदेतून केवळ पाणी गाळून ते वेगळे काढून घेण्याकरिता) या व अशा अनेक कारणांकरिता मृदेचे मूळ गुणधर्म बदलण्यासाठी जेव्हा सक्षमीकरण केले जाते, तेव्हा त्या-त्या कारणानुसार कोणत्या प्रकारचे सक्षमीकरण तंत्र वापरायचे याबाबतचा निर्णय घेतला जातो.
२) ज्या मृदेचे सक्षमीकरण करायचे आहे तिचा प्रकार कोणता आहे, याबाबतही विचार करणे गरजेचे असते. एकाच प्रकारचे मृदा सक्षमीकरण तंत्र सर्वच प्रकारच्या मृदांसाठी लागू पडेलच असे नाही. त्यामुळेच मृदेचा प्रकार विचारात घेऊनच तिच्या सक्षमीकरणाचा प्रकार ठरवावा लागतो.
३) सक्षमकाचे गुणधर्म कोणते आहेत आणि विशिष्ट सक्षमक वापरल्याने मृदेचे कोणते गुणधर्म सुधारता येऊ शकतात, याबाबतही विचार करणे गरजेचे असते.
वरील मुद्यांना अनुसरून काही महत्त्वाचे व नेहमी वापरले जाणारे मृदा सक्षमीकरणाचे प्रकार आणि त्यातील तंत्रे पुढे दिली आहेत.
सक्षमीकरणाचे प्रकार :
अ) यांत्रिकी सक्षमीकरण : सक्षमीकरणाचा हा प्रकार प्रामुख्याने दोन गोष्टींकरता उपयोगात आणला जातो. मृदेची घनता वाढवण्याकरता या प्रकारचे सक्षमीकरण तंत्र वापरले जाते. त्याबरोबरच तदनुषंगिक मृदेचे काही गुणधर्म बदलण्याकरता अथवा मृदेमध्ये काही घटक मिसळून तिचे गुणधर्म बदलण्याकरतादेखील या तंत्राचा वापर केला जातो. या तंत्रामध्ये विविध प्रकारचे वजनाने जड असलेले रस्ते-रूळ (Road Roller) मृदेवर फिरवून तिचे घनीकरण केले जाते.
आ. १ मधील छायाचित्रात दाखवल्यानुसार ८ ते १० टन वजनाचे तीन दंडगोलाकार पोलादी चाके असलेले रस्ते-रूळ, मेंढीच्या पायाच्या आकाराप्रमाणे उंचवटे असलेले मेंढीखूर (Sheep foot) रूळ, हवेच्या दाबावर चालणारे वायवीय (Pneumatic) रूळ, रेताड मृदेच्या घनीकरणाकरता कंपन (Vibratory) रूळ असे अनेक प्रकारचे रूळ वापरून मृदेचे घनीकरण केले जाते. अशा प्रकारच्या सक्षमीकरणामुळे केवळ मृदेचे घनीकरणच होते असे नाही, तर मृदेची पारगम्यताही कमी होते. मृदेतील बाष्प जितके कमी तितके तिच्यातील कार्यकारी कार्तरिक प्रतिबल (Effective shear stress) अधिक असल्याने मृदेचे कार्तरिक सामर्थ्य अधिक असते. त्यामुळे सक्षमीकरणाच्या माध्यमातून पारगम्यतेत झालेल्या घटीमुळे मृदेत शोषल्या जाणाऱ्या बाष्पाचे प्रमाण घटून तिचे कार्तरिक सामर्थ्य वाढायला मदत होते. तसेच घनीकरणानंतर रेताड मृदेचा अंतर्गत घर्षण कोन (Angle of internal friction) वाढायला मदत झाल्यामुळेही तिच्या कार्तरिक सामर्थ्यात वाढ व्हायला मदत होते.
ब) मृदा – चुना सक्षमीकरण : प्रामुख्याने समाकर्षी असलेल्या चिकण मृदेच्या सक्षमीकरणासाठी हे तंत्र वापरले जाते. रेताड मृदेमध्येही काही वेळा हे तंत्र वापरले जात असले, तरीही अशा मृदेमध्ये चुना थेट न मिसळता तो बेंटोनाइट (म्हणजे अतिउच्च द्रव अवस्थांक असलेली एक प्रकारची चिकण मृदा) अथवा सूक्ष्म-सिकता (Micro silica) अशा इतर घटकांसह मिसळला जातो.
चिकण मृदेमध्येही विशेषत: प्रसरणशील चिकण मृदेच्या (पाणी अथवा बाष्पाच्या संपर्कात आल्यानंतर ज्या मृदेचे आकारमान वाढते अशी मृदा) सक्षमीकरणासाठी हे तंत्र प्रामुख्याने उपयोगात आणले जाते. ही मृदा महाराष्ट्रात अहमदनगर, विदर्भ, मराठवाडा या ठिकाणी, तर भारतात महाराष्ट्राव्यतिरिक्त आढळते व कापसाच्या पिकाकरता उत्तम असते. ‘काळी माती’ या नावाने ती ओळखली जाते. पावसाळ्यात या मृदेत पाण्याचा जसजसा शिरकाव होतो, तसतशी ही मृदा सुजू लागते. त्यामुळेच या मृदेला सुजणारी मृदा (Swelling Soil) असेही संबोधले जाते. ही मृदा सुजते म्हणजे तिचे आकारमान वाढत जाते. मृदेच्या प्रसरणशीलतेसाठी जबाबदार असलेल्या तिच्यातील घटकांच्या प्रमाणानुसार कधीकधी हे आकारमान ८० ते १२० टक्क्यांपर्यंतही वाढते.
या वाढीमुळे अशा मृदेवर बांधलेले रस्ते अथवा इमारती यांच्यावर ऊर्ध्व दिशेने कार्य करणाऱ्या बलाच्या परिणामानुसार ही बांधकामे वर उचलली जातात. उन्हाळ्यात मात्र, ही मृदा तितकीच आकुंचन पावते. तेव्हा ही बांधकामे खाली बसतात. ऋतुमानानुसार बदलत जाणाऱ्या मृदेतील कमीअधिक होणाऱ्या बाष्पामुळे अशा मृदेवर बांधलेल्या बांधकामांना सततच्या प्रसरण-आकुंचन चक्रामुळे तडे जातात. अशा मृदेमध्ये चुना मिसळल्यानंतर दोन प्रकारच्या टप्प्यात या प्रक्रिया होतात. पहिल्या टप्प्यात त्वरित होणारी प्रक्रिया म्हणजे आयन विनिमय प्रक्रिया आणि दुसऱ्या टप्प्यात प्रदीर्घ काळापर्यंत चालणारी आणि बंध निर्माण करणारी संधानित प्रक्रिया (Pozzolanic reaction). पहिल्या टप्प्यातील प्रक्रिया पुढीलप्रमाणे होते. प्रसरणशील मृदेमध्ये मॉण्टमोरिलोनाइट नावाचे प्रसरणशील खनिज असते. हे खनिज ऋण प्रभारित असते. त्यामुळे सोडिअम, मॅग्नेशिअम, पोटॅशिअम आणि हायड्रोजन या मूलद्रव्यांचे धन प्रभारित आयन हे ऋण प्रभारित मॉण्टमोरिलोनाइटकडे आकृष्ट होतात आणि संयोग पावतात. मात्र, संयोगाचा हा बंध अशक्त असतो. त्यामुळे जेव्हा या मृदेत चुना मिसळला जातो, तेव्हा चुन्यातील धन प्रभारित कॅल्शिअमचे आयन याआधी उल्लेखलेल्या मूलद्रव्यांच्या आयनांची जागा घेऊन त्यांच्याऐवजी मॉण्टमोरिलोनाइटसोबत संयोग पावतात. मॉण्टमोरिलोनाइट आणि कॅल्शिअम यांच्यातला हा नवा बंध मात्र सशक्त असतो. दुसऱ्या टप्प्यातल्या प्रक्रियांमध्ये संधानित प्रक्रियेमुळे काळासोबत या मृदेचे कार्तरिक सामर्थ्यही वाढत जाते. तसेच या प्रक्रियेनंतर मृदेची पारगम्यता आणि मृदेची आकार्यताही घटत असल्याने या मृदेची प्रसरणशीलताही आणि समाकर्षकताही कमी होते.
क) मृदा – सिमेंट सक्षमीकरण : सक्षमीकरणाचे हे तंत्र बहुतांश प्रकारच्या मृदांकरता उपयुक्त आहे. सिमेंट हा चुन्याप्रमाणे नैसर्गिक पदार्थ नसून तो कारखान्यात प्रमाण दर्जा राखून तयार केला जाणारा उत्पादित पदार्थ असल्याने सक्षमक म्हणून असलेली त्याची गुणवत्ता ही अधिक खात्रीशीर असते. सिमेंटला स्वत:चे आनमन सामर्थ्य (Flexural strength) असल्याने ते मृदेत मिसळल्यानंतर मुळात कोणतेही आनमन सामर्थ्य नसलेल्या मृदेची भारवाहक क्षमता काही प्रमाणात वाढायला मदत होते. मात्र, मृदा – चुना सक्षमीकरणाच्या तुलनेत या तंत्राचा खर्च सिमेंटच्या किमतीमुळे अधिक आहे, हा या तंत्राचा तोटा म्हणावा लागेल. तसेच या तंत्राचा वापर करत असताना उच्च दर्जा नियंत्रण राखणे गरजेचे असते. कारण सिमेंटचे सजलीभवन (Hydration) होत असताना मोठ्या प्रमाणावर उत्सर्जित होणाऱ्या उष्णतेमुळे आकुंचित होणाऱ्या सिमेंटमिश्रित मृदेमध्ये तडे जाण्याचा संभव असतो. अशा रीतीने जर सिमेंटमिश्रित मृदेच्या थरांमध्ये तडे गेलेत, तर सक्षमीकरणाऐवजी मृदेचे सामर्थ्य कमी होऊ शकते.
ड) मृदा – शिलाजीत (Bitumen) सक्षमीकरण : खनिज तेल शुद्धीकरण प्रक्रियेत उपोत्पाद (By-product) म्हणून प्राप्त होणारे शिलाजीत हे डांबरी रस्त्यांच्या बांधकामात सर्वात वरचा काळा थर घालण्याकरिता वापरले जाते. हेच शिलाजीत मृदेमध्ये योग्य प्रमाणात मिसळल्यास मृदा सक्षमीकरणाकरिता कामी येते. हे तंत्र दोन प्रकारे काम करते. शिलाजीत मृदेमध्ये वितळवून मिसळल्यानंतर थंड झाल्यावर मृदेचा घट्ट थर तयार होतो. मृदेच्या कणांना एकत्रितपणे घट्ट बांधून ठेवण्याचे कार्य करतानाच शिलाजीत मृदेचे समाकर्षी सामर्थ्य वाढवते.
याबरोबरच शिलाजीत हे जलनिरोधक असल्याने शिलाजीतमिश्रित मृदेच्या थरातून पाणी झिरपू शकत नाही. त्यामुळे रस्त्याचा पाया असलेल्या मृदेमध्ये पाण्याचा निरोध केल्याने या मृदेचा चिखल होत नाही. रस्त्यांवरील खड्डे हे अनेक कारणांनी पडत असले, तरी पावसाळ्यानंतर रस्त्यांखालच्या मृदेचा चिखल झाल्यास तिचे कार्तरिक सामर्थ्य लोप पावते, या कारणामुळे पडणाऱ्या खड्ड्यांचे प्रमाण कमी करण्याकरता या तंत्राचा काही प्रमाणात उपयोग होऊ शकतो.
इ) मृदा – रसायन सक्षमीकरण : विविध रसायने मृदेमध्ये मिसळून तिचे नैसर्गिक गुणधर्म बदलले जातात. कच्च्या रस्त्यांच्या बांधकामात शिलाजीताचा वापर होत नाही. केवळ खडीचाच वापर होतो. अशावेळी, अतिशुष्क प्रदेशांमधल्या कच्च्या रस्त्यांच्या थरांमधील बाष्प कमी झाल्याने त्यावर होणाऱ्या वाहनांच्या वाहतुकीमुळे खडीचे काही प्रमाणात चूर्ण होते. अर्थातच अशा रस्त्यांचे सामर्थ्यही काळासोबत कमी होत जाते. यावर उपाय म्हणून कॅल्शिअम क्लोराईडचा वापर अशा रस्त्याच्या थरांमध्ये केला असता, या रसायनाच्या आर्द्रताग्राही गुणधर्मामुळे या थरांमधील बाष्प टिकून राहिल्याने होणाऱ्या नुकसानीचे प्रमाण कमी व्हायला मदत होते. सोडिअम क्लोराईड अर्थात जेवणात वापरल्या जाणाऱ्या मीठाचा वापरही काहीवेळा केला जातो. मात्र, ते कॅल्शिअम क्लोराईड इतके आर्द्रताग्राही नाही.
अशाप्रकारे, विविध कारणांकरिता आणि विविध प्रकारच्या मृदांमध्ये विविध प्रकारची तंत्रे वापरून मृदेचे सक्षमीकरण केल्यामुळे मुळात एखाद्या विशिष्ट कार्यासाठी सक्षम नसलेली मृदा सक्षमीकरणाच्या माध्यमातून तिचे गुणधर्म परिवर्तित करून आवश्यक त्या कार्याकरता सक्षम करता येऊ शकते. हेच सक्षमीकरणाचे महत्त्व आहे.
पहा : मृदा यामिकी
संदर्भ:
- Dr. B. C. Punmia, Ashok Kumar Jain and Arun Kumar Jain, Soil Mechanics and Foundations, Laxmi Publications (P) Ltd., Sixteenth Edition
- Dr. K. R. Arora, Soil Mechanics and Foundation Engineering, Standard Publishers Distributors, Sixth Edition (2004).
- Dr. L. R. Kadiyali, Dr. N. B. Lal, Principles and Practices of Highway Engineering, Khanna Publishers, Fifth Edition (2004).
- Terzaghi, Peck & Mesri, Soil Mechanics in Engineering Practice, Jhon Wiley & Sons Co., Third Edition (1996).
समीक्षक : सुहासिनी माढेकर
