Document Type : Research Paper
Authors
1 M.S. Department of Civil Engineering and environment, University Of TarbiatModares
2 Professor, Department of Civil Engineering environment, University Of TarbiatModares
3 Assistant Professor, Institute of Transportation, Ministry of Roads and Urban Development
Abstract
Keywords
در تهران روزانه بیش از 42 هزار تن آوار ساختمانی دفع میشود]1[. این حجم زیاد آوار تولیدی در تهران و به تبع آن در سایر کلان شهرها پیامدهای زیستی نامطلوبی دارد]2[. یکی از راهکارها در مدیریت مصالح این گونه آوارها، بازیافت و استفاده مجدد از آنها میباشد. نخالهها را میتوان بعد از جداسازی خرد نموده وبعد از سرند کردن به عنوان سنگدانه در بتن استفاده کرد.
سالانه در جهان حدود 1 میلیارد حلقه لاستیک فرسوده بر محیط زیست تحمیل میشود که تنها 33% آن بهطور کامل بازیافت میگردد و باقیمانده آن یا در طبیعت رها شده و یا سوزانده و دفن می شود که سهم کشورمان در این میان، مصرف سالانه 7 میلیون حلقه معادل 200 هزار تن می باشد]3[. یکی از راهکارهای ارائه شده برای کاهش میزان آلودگی این مواد به محیط زیست، بازیافت و استفاده مجدد از آنهاست.آنچه که پس از بازیافت لاستیک بجا میماند معمولاً پودر لاستیک ، سیمهای فلزی و دیگر مواد زائد است. پودر لاستیک مجدداً در صنایع دیگر مانند تولید لاستیکهای نو و یا قیر لاستیکی استفاده میشود اما باقیمانده مواد بازیافتی بدون استفاده در طبیعت رها میشوند. از سیمهای فلزی موجود در باقیمانده بازیافت لاستیک خودرو میتوان به عنوان الیاف در بتن استفاده کرد، که استفاده از آنها علاوه بررفع مشکل زیست محیطی ، باعث افزایش مقاومت بتن میگردد.
استفاده از سنگدانههای بازیافتی ناشی از تخریب روسازی‌ها به عنوان جایگزین سنگدانه در بتن از سال 1942 در آمریکا شروع شد]4[. امروزه اکثر حجم نخالههای ساختمانی در کشورهای صنعتی ترکیبی از بتن است اما، در ایران آمارها نشان میدهند که بیشتر ساختمانهای ساخته شده در دهه 50 و قبل از آن در دست تخریب است که عمدتاً از نوع بنایی (آجری با سقف طاق ضربی) بوده و به ندرت با اسکلت بتنی میباشند]1[.نخالههای موجود در کشور علاوه بر بتن مواد دیگری همچون آجر ، خرده سنگ و دیگر مواد نیز موجود میباشد.
افزایش و کاهش مقاومت بتن با استفاده از سنگدانههای بازیافتی در گزارشها امده است، به طوری که تغییر در مقاومت این نوع بتن به پارامترهایی همچون مقاومت سنگدانههای بازیافتی،درصد جایگزینی سنگدانهها، نسبت آب به سیمان و شرایط رطوبتی سنگدانههای بازیافتی، وابسته است]5[.
2- مرور ادبیات
در مطالعهای کارنیرو و همکاران در خصوص بررسی جایگزنی مصالح بازیافتی با ترکیب از 55% ملات، 20% بتن و 25% آجر پرداختند. بتن با 25% سنگدانهای بازیافتی مقاومت بیشتری نسبت به بتن با سنگدانههای طبیعی دارد. علت افزایش مقاومت بتن با این سنگدانهها تغییر در خرابی بتن (شکست سنگدانهها) بهعلت چسبندگی بهتر سنگدانههای بازیافتی با خمیر سیمان میباشد]5[.مطالعات دبایب وکنای بررسی جایگزینی خرده آجر به عنوان سنگدانه در بتن است. کاهش مقاومت فشاری بتن با جایگزینی خرده آجر به عنوان درشتدانه، ریزدانه و هر دو به ترتیب 35 %، 30 %و 40 %در نظر گرفته شده است]6[. وجیحو همکاران به بررسی درشتدانهای بازیافتی بجای سنگدانههای طبیعی پرداختند. میزان کاهش مقاومت فشاری بتن حاوی25 % ، 50%، 75 %و100سنگدانههای بازیافتی به ترتیب 4 %، 12%، 22% و 27 %گزارش شده است . نتایج نشان داد که درصد بهینه درشتدانههای بازیافتی بین 25 تا 50 درصد میباشد]7[. زیائو و همکاران به مطالعهی استفاده از درشتدانههای بازیافتی به میزان 30 %تا 100 %پرداختند و نتایج نشان داد که تا30 %جایگزینی اینگونه مصالح کاهش مقاومت فشاری بتن ناچیز میباشد]8[.
چوی و یان نشان دادند که استفاده همزمان از درشتدانه و ریزدانه بازیافتی باعث افزایش مقاومت فشاری بتن میشود. دلیل این افزایش مقاومت به چسبندگی بالاتردرشتدانههای بازیافتی و خمیر سیمان نسبت دادهشده است. افزایش چسبندگی بین سنگدانههای بازیافتی و خمیر سیمان بعلت تیزگوشه گی سنگدانهها و ملات چسبیده قدیمی به سطح سنگدانهها میباشد. سطح زبر وناصاف سنگدانهها باعث نفوذ خمیر سیمان به حفرات درشتدانههای بازیافتی میشود که باعث گیرش بهتر خمیر سیمان و سنگدانه میشود]9[.
به طور کلی سنگدانههای بازیافتی مقاومت کمتری نسبت به سنگدانههای طبیعی دارند و بهعلت جذب آب بیشتر، بتن حاوی اینگونه سنگدانهها مقاومت کمتری نسبت به بتن معمولی دارند. راهکارهای گوناگونی برای جبران این کاهش مقاومت پیشنهاد شده است. افزودن خاکستر بادی ، میکروسیلیس، افزایش مقدار سیمان و استفاده از انواع الیاف ازجمله آنها میباشد.
پراساد و همکارنش از خرده نخاله های ساختمانی و خرده بتن به عنوان سنگدانه های بازیافتی به میزان 50 %و 100 %و همچنین از الیاف شیشهای و پلی پروییلن در بتن استفاده کردند. نتایج نشان داد که با افزایش سنگدانههای بازیافتی مقاومت بتن کاهش مییابد اما با افزودن الیاف کاهش مقاومت جبران میشود. همچنین الیاف شیشه ای نسبت به الیاف پلی پروپیلن عملکرد بهتری از خود نشان دادهاند]10[. در مطالعۀ دیگری ویتلاکیلاوا از نخالههای ساختمانی و خرده بتن بهصورت جداگانه به عنوان سنگدانه های بازیافتی به میزان 100 %به‌همراه الیاف پلی پروپیلن استفاده کرد. بر طبق گزارش ایشان سنگدانه های بازیافتی از خرده نخاله های ساختمانی نسبت به خرده بتن عملکرد بهتری از خود نشان داده اند]11[. آوچات و کانه از خرده بتن بهمراه الیاف فولادی و پلیمری در بتن استفاده کردند. بررسیها نشان داد با افزایش الیاف در بتن با سنگدانه های بازیافتی مقاومتهای فشاری و خمشی افزایش مییابد]12[. در مطالعه ی دیگری صدرممتازی و همکارانش از خرده بتن به میزان 25 %، 50 %، 75% و 100 % به‌همراه الیاف پلی پروپیلن در بتن استفاده کردند طبق گزارش ایشان با افزایش سنگدانه های بازیافتی مقاومت فشاری بتن کاهش مییابد. همچنین با افزایش الیاف، مقاومت فشاری بتن به میزان ناچیزی کاهش مییابد]13[. در مطالعهای که توسط جاگانادها رائو و همکاران بر روی الیاف شیشه ای در بتن با سنگدانه های بازیافتی انجام شد نتایج نشان داد که با افزایش الیاف تا % 03/0 حجم بتن مقاومتهای فشاری، کششی و خمشی افزایش میباید]14[.
3- روش تحقیق
در این پژوهش سنگدانههای بازیافتی به میزان 0 %، 50 % و 100% جایگزین درشت دانههای طبیعی و همچنین از سیمهای فلزی بازیافتی از لاستیک خودروهای فرسوده به عنوان الیاف با درصد حجمی5/0 % استفاده شده است وبه منظور بررسی اثر سنگدانهها بر مقاومت بتن از دانهبندی یکسان برای مصالح طبیعی و بازیافتی استفاده شده است. پس از ساخت بتن و عمل آوری بعد از 28 روز، آزمونهای مقاومت فشاری، مقاومت کششی غیر مستقیم و مقاومت خمشی بر روی نمونهها انجام گرفت
4- مصالح مصرفی
4-1- سنگدانههای طبیعی
سنگدانههای طبیعی استفاده شده در این تحقیق از نوع رودخانهای سیلیسی میباشد که از معادن اطراف شهر تهران تهیه شده است. مشخصات فیزیکی سنگدانهها ی مصرفی در جدول1 نشان داده شده است. در شکل های1و 2 دانهبندی و محدوده مربوط به دانهبندی شماره 2 نشریه 101 نشان داده شده است. همانطورکه نمودار‌ها نشان میدهد دانه بندی مصالح طبیعی مذکور در محدودهی استاندارد قرار دارد.
4-2- سنگدانههای بازیافتی
سنگدانه های بازیافتی مورد استفاده فقط درشتدانه بوده که ترکیبی از 2/43 %خرده بتن، 6/28 %خرده سنگهای ساختمانی، 2/14 % خرده سرامیک و0/14 % خرده آجر میباشد. دانهبندی این نوع سنگدانهها مشابه با درشتدانههای طبیعی میباشد. همچنین مشخصات فیزیکی این نوع سنگدانهها در جدول 2 نشان داده شده است.
4-3- سیمان
سیمان استفاده شده در این مطالعه از نوع پرتلند تیپ 2، تولید کارخانه آبیک، با توده ویژهیgr/cm3 11/3 و سطح ویژۀ gr/cm2 3027 است. در جدول 2 مشخصات شیمیایی این سیمان نشان داده شده است.
4-4 - الیاف
الیاف فلزی بهمراه دیگر مواد بازیافتی همچون ذرات لاستیک خودرو از یک کارگاه واقع در ساوه تهیه شده و سپس الیاف با قظر 1 میلیمتر از سایر مواد زائد تفکیک شده است. یکی از ویژگیهای مهم الیاف که تاثیر به سزایی در افزایش مقاومت بتن دارد، نسبت ظاهری یا نسبت طول به قطر آن است. معمولا نسبت ظاهری برای الیاف 30 تا 150 میباشد]5[.به منظور بررسی تاثیر الیاف فولادی بازیافتی بر روی خواص مکانیکی بتن در طرح اختلاطها از الیاف فولادی با قطر 1 میلیمتر و با طول بین30 تا 70 میلیمترکه معادل با نسبت ظاهری30 تا 70 میباشد، استفاده شده است. خصوصیات الیاف فلزی بازیافتی در جدول 3 نشان داده شده است.
5- طرح اختلاط
طرح اختلاط استفاده شده در این تحقیق براساس ACI211.1-91 و به روش حجمی و با در نظر گرفتن مقاومت فشاری استوانهای MPa 30 میباشد. نتایج طرح اختلاط در جدول4 آمده است. همچنین در جدول5 مقادیر مختلف مصالح در واحد حجم بتن برای نمونههای مختلف نشان داده شده است. در این تحقیق برای بررسی اثر سنگدانههای بازیافتی و الیاف مقدار نسبت آب به سیمان ثابت نگه داشته شده است.درشتدانه های بازیافتی و طبیعی قبل از اختلاط به مدت 24 ساعت در آب غوطه ور شدهاند و فاقد هرگونه مواد نامطلوب میباشند. همچنین این سنگدانهها قبل از اختلاط به حالت اشباع با سطح خشک رسیده اند بنابراین سنگدانههای بازیافتی مخصوصاً خرده آجر هیچ مقدار از آب محاسبه شده در طرح اختلاط را جذب خود نمیکنند. همچنین ریزدانههای مصرفی چون در حالت خشک به مخلوط اضافه گردیده مقدار آب مورد نیاز برای رسیدن به حالت اشباع با سطح خشک به آب مورد نیاز برای اختلاط اضافه گردید.
6- روشهای آزمایش
بعد از اختلاط مصالح، آزمون روانی بتن توسط دستگاه اسلامپ طبق استاندارد ASTM C143 صورت گرفت. همچنین بعد از بتنریزی و عملآوری به مدت 28 روز، نمونه ها برای تعیین مقاومتهای فشاری، کششی غیر مستقیم و خمشی مورد آزمایش قرار گرفتند. آزمایش مقاومت فشاری بر روی نمونههای مکعبی با ابعاد 150×150×150 میلیمتر و براساس استاندارد BS 1881-116 انجام گرفت. همچنین آزمایش مقاومت کششی غیر مستقیم بر روی نمونههای استوانهای با ابعاد 300×150 میلیمتر طبق استاندارد ASTM C496-96 انجام گرفت. نمونههای تیری شکل با ابعاد 500×100×100 میلیمتر تحت آزمون خمشی 4 نقطهای براساس استاندارد ASTM C1018 انجام گردید.
7- نتایج وبحث
7-1- آزمایش مقاومت فشاری
نتایج آزمون مقاومت فشاری بر روی نمونههای مکعبی در شکل 3 آمده است.با توجه به شکل مذکور مشاهده میشود که با افزایش مصالح بازیافتی مقاومت فشاری بتن کاهش مییابد. میانگین مقاومت فشاری در نمونه شاهد (بدون الیاف و مصالح بازیافتی)MPa 1/37 میباشد. با جایگزینی 50 % و100 % مصالح بازیافتی با درشتدانههای طبیعی مقاومت فشاری به ترتیب به MPa 9/34 و MPa 5 /33میرسد . بنابراین مقاومت فشاری در هر دو نمونه نسبت به بتن شاهد بترتیب1/94% و 4/90 % میباشد.ا ین کاهش مقاومت با نتایجآقایان دبایب وکنای مطابقت دارد .طبق گزارش ایشان کاهش مقاومت فشاری بتن در سن 28 روز با جایگزینی درشتدانه، ریزدانه و هر دو به ترتیب 35% ، 30% و 40% میباشد]6[.این مقدار کاهش مشاهدهشده در مقاومت فشاری به علت مقاومت کم سنگدانههای بازیافتی، مخصوصاً سرامیک و آجر نسبت به مصالح طبیعی میباشد.مطابق با شکل3 با افزودن الیاف به میزان 5/0% در بتن با 0%، 50 % و100% سنگدانههای بازیافتی باعث میشود که مقاومت فشاری بتن نسبت به حالت بدون الیاف به ترتیب به میزان 2/3 % ، 3/10 % و9/3 % افزایش بابد. عامل اصلی بر مقاومت فشاری بتن مقاومت سنگدانهها،خمیر سیمان و اتصال بین این دو ناحیه میباشد و افزودن الیاف در صورتی که نمونهها به خوبی متراکم شده باشند تاثیر اندکی بر بهبود مقاومت فشاری دارد.
7-2- مقاومت کششی غیر مستقیم
نتایج آزمون مقاومت کششی غیر مستقیم در شکل 4 آمده است.میانگین مقاومت کششی غیر مستقیم در نمونه شاهدMPa 29/3 میباشد با جایگزینی50 % و100% از مصالح بازیافتی با درشتدانههای طبیعی مقاومت کششی غیر مستقیم به ترتیب به MPa 04/3 و MPa 88/2 میرسد. همانند مقاومت فشاری، افزودن سنگدانه های بازیافتی باعث کاهش مقاومت کششی غیر مستقیم میشود. این نتایج با نتایج دیگر محققان مطابقت دارد. طبق گزارش وجیح و همکاران کاهش مقاومت کششی بتن با 50 و 100 % درشتدانههای بازیافتی به ترتیب 14% و 23% میباشد]7[.
همانطور که شکل 4نشان میدهد با افزودن الیاف به میزان 5/0% در بتن با 0 %، 50 % و 100 % سنگدانه های بازیافتی باعث میشود که مقاومت کششی بتن نسبت به حالت بدون الیاف به ترتیب به میزان 4/0 %، 3%، 6/28% و 2/30% افزایش مییابد. افزودن الیاف فلزی به بتن باعث کاهش رشد ترکهای بزرگ بعلت اتصال ترکها توسط الیاف میشود که خود باعث افزایش مقاومت بتن میگردد]5[.
7-3- مقاومت خمشی
در شکل 5 میانگین مقاومت خمشی نمونهها با درصدهای مختلف سنگدانههای بازیافتی بهمراه 0% و 5/0 % الیاف آمده است. میانگین مقاومت خمشی در نمونه شاهد MPa 05/3 میباشد با جایگزینی 50 % و100% از درشتدانههای طبیعی با مصالح بازیافتی مقاومت خمشی به ترتیب به MPa 42/3 و MPa 51/3 میرسد . بنابراین مقاومت خمشی بتن با %50% و %100 مصالح بازیافتی نسبت به بتن شاهد %0/122 و %0/115میباشد که نشان میدهد مقاومت خمشی بتن با درصدهای مختلف سنگدانههای بیشتر از بتن با سنگدانههای طبیعی میباشد . عاملی که میتواند توجیهی بر این ادعا باشد چسبندگی بهتر مصالح بازیافتی با خمیر سیمان نسبت به مصالح طبیعی میباشد.مصالح طبیعی از شن رودخانهای با سطح صاف و گردگوشه میباشد اما مصالح بازیافتی مصالحی شکسته شده و تیز گوشه با سطوح ناصاف میباشد افزایش چسبندگی بین سنگدانههای بازیافتی و خمیر سیمان بعلت تیزگوشگی این سنگدانهها و ملات چسبیده قدیمی سطح سنگدانهها میباشد. سطح زبر وناصاف سنگدانهها باعث نفوذ خمیر سیمان به حفرات درشتدانههای بازیافتی میشود و درگیری بهتری بین خمیر سیمان و سنگدانهها بوجود میآید]5[.شکلهای 6 تا 8 سطح شکست نمونههای بتنی با درصدهای مختلف سنگدانههای بازیافتی را نشان میدهد. شکل 6 مربوط به نمونۀ بتنی با 0% مصالح بازیافتی میباشد که نشان میدهد در بعضی از قسمتها شکستگی بتن از وسط سنگدانهها و در بعضی از قسمتها از محل اتصال خمیر سیمان وسنگ‌دانه میباشد اما با افزایش سنگدانههای بازیافتی درصد شکستگی از وسط سنگدانهها افزایش مییابد به طوری که در نمونه بتنی با 100 % مصالح بازیافتی (شکل 8) محل شکستگی تماماً از وسط سنگدانه ها عبور کرده است.مطابق با شکل 5 با افزودن 5/0 % الیاف فلزی بازیافتی به نمونه شاهد ، مقاومت خمشی به Mpa91/3 میرسد که این مقدار الیاف باعث بهبود مقاومت خمشی به میزان 2/28 % میشود. همچنین افزودن این مقدار الیاف به نمونه های با 50 % و 100 % سنگدانه بازیافتی باعث افزایش مقاومت خمشی به ترتیب به میزان 0/14 % و 1/9 % میشود . مقاومت خمشی در نمونههای حاوی الیاف به درصد جایگزینی سنگدانه های بازیافتی وابسته نیست به طوری که در نمونههای حاوی درصدهای مختلف سنگدانه های بازیافتی مقاومت خمشی تقریباً Mpa9/3 میباشد.
جدول 1- مشخصات فیزیکی سنگدانههای طبیعی و بازیافتی
|
مشخصات سنگدانهها |
استاندارد مربوطه |
نوع سنگدانهها |
||
|
درشتدانه طبیعی |
درشتدانه بازیافتی |
ریزدانه طبیعی |
||
|
حداکثر اندازهی اسمی(mm) |
ASTM C136 |
19 |
19 |
38/2 |
|
وزن مخصوص بالک(Kg/m3) |
ASTM C127 |
2610 |
2580 |
2600 |
|
درصد جذب آّب در حالت اشباع با سطح خشک |
ASTM C127 |
25/1 |
25/6 |
1/2 |
|
مدول نرمی |
ASTM C136 |
- |
- |
03/3 |
شکل1- منحنی دانهبندی درشتدانههای طبیعی و بازیافتی
شکل2- منحنی دانه بندی ریزدانه مصرفی
جدول2- ترکیبات شیمیایی سیمان پرتلند تیپ 2
|
SiO2 |
CaO |
Al2O3 |
Fe2O3 |
MgO |
SO3 |
|
21 |
64 |
4/5 |
9/3 |
4/3 |
3/2 |
جدول 3- مشخصات الیاف فلزی بازیافتی از لاستیک خودرو
|
مقاومت نهایی گسیختگی (kg/cm2) |
مدول الاستیسیته (kg/cm2) |
وزن مخصوص (kg/m3) |
درصد افزایش طول هنگام پارگی |
قطر الیاف (mm) |
|
20000-18000 |
106͓2 |
7800 |
10 |
1 |
جدول4- طرح اختلاطبکاررفته در تحقیق
|
مشخصات بتن |
مقدار |
|
مقاومت فشاری استوانه استاندارد ( ) (kg/cm2) |
300 |
|
عیار سیمان(kg/m3) |
352 |
|
w/c |
54/0 |
|
مقدار شن مصرفی (kg/m3) |
970 |
|
مقدار ماسه مصرفی (kg/m3) |
831 |
|
مقدار الیاف بازیافتی (kg/m3) |
39 |
جدول5- مقادیر مختلف مصالح در واحد حجم بتن
|
نام طرح اختلاط |
سیمان (kg) |
ریزدانه (kg) |
درشتدانه طبیعی (kg) |
درشتدانه بازیافتی (kg) |
آب (lits) |
الیاف بازیافتی (kg) |
|
R0F0 |
352 |
831 |
970 |
0 |
190 |
0 |
|
R50F0 |
352 |
831 |
485 |
485 |
190 |
0 |
|
R100F0 |
352 |
831 |
0 |
970 |
190 |
0 |
|
R0F0/5 |
352 |
831 |
970 |
0 |
190 |
39 |
|
R50F0/5 |
352 |
831 |
485 |
485 |
190 |
39 |
|
R100F0/5 |
352 |
831 |
0 |
970 |
190 |
39 |
شکل 3- مقاومت فشاری بر حسب درصدهای مختلف سنگدانه بازیافتی و الیاف
شکل 4- مقاومت کششی غیر مستقیم بر حسب درصدهای مختلف سنگدانه بازیافتی و الیاف
شکل 5- مقاومت خمشی بر حسب درصدهای مختلف سنگدانه بازیافتی و الیاف
شکل 6-سطح شکست نمونۀ بتنی با %0 سنگدانههای بازیافتی
شکل 7- سطح شکست نمونهی بتنی با 50 %سنگدانههای بازیافتی
شکل 8- سطح شکست نمونۀ بتنی با 100% سنگدانههای بازیافتی
8- نتیجه گیری
مخلوطهای حاوی بتن با سنگدانههای بازیافتی رفتار متفاوتی در مقاومتهای فشاری، کششی غیر مستقیم و خمشی از خود نشان میدهد به طوری که با افزایش درصد جایگزینی مصالح بازیافتی مقاومتهای فشاری و کششی غیر مستقیم کاهش ، اما مقاومت خمشی افزایش مییابد.تغییرات مقاومت بتن با سنگدانههای بازیافتی نسبت به سنگدانههای طبیعی به میزانی اندکی است واین به علت خلل و فرج و همچنین شکستگی سنگدانههای بازیافتی میباشد که این خلل و فرج باعث نفوذ خمیر سیمان به درون حفرات شده و درگیری بهتری خمیر سیمان با سنگدانهها بهوجود میآید لذا، کاهش مقاومت اینگونه سنگدانهها مخصوصاً آجر و سرامیک را جبران میکند. افزودن الیاف بازیافتی به میزان 5/0 % حجم بتن باعث افزایش خواص مکانیکی بتن میشود اما این مقدار افزایش در مقاومتهای کششی غیرمستقیم و خمشی بسیار بیشتر از مقاومت فشاری میباشد.به طور کلی میتوان عنوان کرد که با افزودن الیاف به بتن با سنگدانههای بازیافتی کاهش مقاومت بتن به دلیل مقاومت پایین اینگونه سنگدانهها را میتوان جبران کرد.
)