بکارگیر خرده لاستیک و یونولیت در بتن به منظور سبک سازی و افزایش جذب انرژی

یکی از مشکلاتی که در برخی موارد موجب محدود شدن کاربرد بتن می­گردد، وزن مخصوص بالا و شکل پذیری پایین این ماده می­باشد. بری غلبه بر مشکل نخست، تکنولوژی بتن های سبک مورد توجه قرار گرفته و مشکل شکل­پذیری را نیز می­توان با افزودن مواد انعطاف­پذیر و ارتجاعی مانند خرده لاستیک به بتن حل نمود. استفاده از خرده لاستیک و یا یونولیت در بتن به نوعی می­تواند برطرف کننده هر دو مشکل چگالی بالا و شکل پذیری پایین بتن باشد. از سوی دیگر، بکارگیری لاستیک­های ضایعاتی برای این منظور نیز با توجه به اثرات زیست محیطی آن، می­تواند به عنوان یک راهکار بازیافت مواد ضایعاتی در بتن مورد توجه قرار گیرد که این امر، مزایای چند جانیه­ای را برای این راهکار به نمایش می­گذارد. با در نظر گرفتن موارد ذکر شده، در این تحقیق با توجه به شکل ­پذیری بالای لاستیک و یونولیت و سبکی آنها، از این دو ماده به منظور سبک سازی و افزایش جذب انرژی بتن استفاده شده است.

1- مقدمه

مصرف زباله ­های جامد یک مشکل زیست محیطی در نقاط مختلف جهان به شمار می ­آید. بر اساس تحقیقاتی که در سال 2000 توسط موسسه تولید لاستیک ایالات متحده منتشر شده است، سالانه بیش از 270 میلیون حلقه لاستیک (حدود6/3 میلیون تن) در این کشور تولید می­شود که دارای انباشته­ ها و ضایعات بسیاری می­باشد که این انباشته­ها نه تنها از لحاظ آتش­سوزی برای محیط زیست خطرناک محسوب می­شوند، بلکه از نظر بهداشتی نیز مشکل آفرین هستند [1]. برای حل این معضل محیط زیستی راه حل­هایی پیشنهاد شده است که عبارتند از :استفاده از لاستیک به عنوان یک ماده سوختی در کارخانه ­های تولید سیمان [2]، استفاده از لاستیک در مخلوط­های بتن آسفالتی، استفاده مجدد از لاستیک­های پودر شده در تولید تعدادی از محصولات لاستیکی و پلاستیکی، و ساخت اسکله مصنوعی در محیط­های دریایی[1].

با توجه به کاربرد لاستیک در آسفالت، ساخت بتن با سیمان پرتلند حاوی خرده ­های لاستیک فرسوده توجه محققین را به خود جلب نموده است. بر خلاف آسفالت اصلاح شده با لاستیک فرسوده که نیاز به پودر کردن لاستیک از طریق فرایند پر هزینه مطلوب دارد، بتن اصلاح شده با لاستیک فرسوده با استفاده از یک فرایند کم هزینه خشک تولید می­شود[3]. در نتیجه هدف اولیه تولید بتن حاوی لاستیک فرسوده با استفاده از یک فرایند کم هزینه بوده است. از آن پس محققین بسته به اهداف مورد نظر خود، کاربردهایی را برای این بتن کشف کرده اند، برای مثال از مهم­ترین مشکلاتی که استفاده از بتن معمولی در روسازی های بتنی ایجاد نموده است، رفتار صلب دال­های بتنی و پر صدا بودن آن­ها خصوصا در بزرگراه­ها می­باشد که این مساله به دلیل مدول الاستیسیته بالا، میرایی و بسکوزیته پایین می­باشد در این راستا، استفاده از بتن حاوی لاستیک یک راه حل با صرفه اقتصادی و زیست محیطی می­باشد که به راحتی باعث کاربرد وسیع این بتن در روسازی­های بتنی شده است[2].

الدین و سینوسی در سال 1993 [4] پیشنهاد نمودند که بتن با دانه­ های لاستیکی بر ای مواردی مناسب می­باشد مانند کاربردهای معماری نظیر نمای کاذب بتن با قابلیت میخ­کوبی، ساخت سازه ها و پانل­های داخلی، به دلیل وزن مخصوص پایین این نوع بتن، جاهایی که بتن با مقاومت پایین مورد نیاز است مانند پیاده ­روها و سواره ­روها، استفاده در مواقع سقوط جاده­ ای اطراف پل­ها و سازه ­های مشابه به دلیل طاقت بالای این ماده.

فتوحی و کلارک در سال 1996 [5] پیشنهاد نمودند که بتن لاستیکی می تواند در موارد زیر استفاده گردد: مواردی که میزان ارتعاش مورد نیاز است، مانند لایه فوقانی فونداسیون ماشین آلات چرخشی و در ایستگاه­های قطار، برای پر کردن ترانشه، بستر لوله ­ها، سرشمع ­هاو دال­های روسازی، مواردی که مقاومت در برابر ضربه یا انفجار مورد نیاز است، مانند ضربه­ گیرهای راه ­آهن و موانع بین جاده ­ای. تاپکو و اوکولار در سال 1997 [6و7] پیشنهاد کردند که بتن حاوی لاستیک را می­توان در سازه ­های بزرگراهی به منظورهای ضربه­ گیر در موانع، موانع صوتی که صوت را به صورت موثری کنترل می­کنند و به عنوان یک لایه جذب کننده ضربه ناشی از زلزله، به کار برد.

پلی استایرن منبسط شده (EPS) نیز یک نوع فوم پایدار با دانسیته پایین، متشکل از حفرات هوای مجزا در یک ماتریس پلیمری می­باشد[8]. دانه­ های پلی استایرن را می­توان به راحتی به بتن اضافه کرد و بتن سبک با گستره دانسیته وسیعی را ایجاد نمود [9]. تحقیق بر روی بتن حاویپلی استایرن به سال 1973 باز می­گردد که در آن کوک از EPS به عنوان دانه بندی بتن استفاده کرد و بتنی با دانسیته بسیار پایین­تر از بتن معمولی را تولید نمود [9]. نیاز به بتن سبک برای کاربردهای زیادی در سازه­های جدید، در حال افزایش می­باشد. استفاده از بتن با دانسیته پایین منجر به فواید قابل ملاحظه ­ای در سازه از قبیل سطح مقطع کوچک­تر در المان­های متحمل بار و کاهش نظیز آن در ابعاد فوندانسیون می­باشد [10]. بتن حاوی پلی استایرن علاوه بر خاصیت سبک بودن، به دلیل خصوصیات عایق بندی آکوستیک و حرارتی نیز مورد استفاده قرار می­گیرد. مطالعات گذشته نشان می­دهند که باافزودن لاستیک یا پلی استایرن به بتن، مقاومت فشاری این ماده کاهش می­یابد. بنابراین در این مطالعه، در کنار اندازه گیری مقاومت خمشی و طاقت نمونه­ ها، میزان مقاومت فشاری نیز تعیین شده است. این کار به ما کمک می­کند که بدانیم افزایش طاقت در بتن تا چه میزان موجب کاهش مقاومت فشاری می­شود. در همین راستا، به منظور بهبود مقاومت در این نوع بتن­ها و نیز جلوگیری از جداشدگی دانه­های سبک در حین اختلاط، از میکروسیلیس استفاده شده است. تاثیر مقادیر مختلف میکروسیلیس نیز بر میزان دمقاومت فشاری و خمشی بتن، مورد بررسی قرار گرفته است.

2- مشخصات مصالح و طرح اختلاط

از آنجا که در تولید بتن، مشخصات مصالح نقش ویژه­ای در شکل گیری خصوصیات مخلوط بتن بر عهده دارند، سعی گردد که مصالح بکار رفته در ساخت بتن در محدوده مجاز تعریف شده توسط استاندارد ASTM قرار داشته باشند. علاوه بر انتخاب مصالح مناسب جهت ساخت بتن، یک طرح اختلاط مناسب نیز باید انتخاب گردد. انتخاب طرح اختلاط به معنی برگزاری تعادل بین اقتصاد طرح، مقاومت، دوام، چگالی و کارایی بتن می­باشند[11]. طرح اختلاط ­های مورد استفاده در این تحقیق با بهره­ گیری از روش طرح اختلاط بتن معمولی آیین­ نامه بتن آمریکا مطابق ACI21189 و ضمایم آن، پیرامون جایگزینی درصدی از سیمان توسط مواد پوزولانی [11] و همچنین با جمع­آوری تجربیات بدست آمده از فعالیت­های مختلف آزمایشگاهی، اراده شده است.

مشخصات مصالح مصرفی

مصالح مورد استفاده در این تحقیق عبارت اند از:

1- درشت دانه­ های سنگی

2- ریز دانه ­های سنگی

3- مصالح چسباننده (شامل سیمان نوع II و میکروسیلیس)

4- دانه­ های لاستیکی با ابعاد مختلف

5- پلی استایرن منبسط شده با ابعاد مختلف

6- آب

درست دانه استفاده شده در این تحقیق از نوع شکسته آهکی می­باشد. در جدول 1 نتایج دانه بندی شن مصرفی مطابق با ASTM C33 اراده شده است.

جدول 1- دانه بندی شن مصرفی

اندازه الک (mm)	19	5/12	5/9	75/4	36/2	18/1
محدوده مجاز درصد عبوری مطابق ASTM C33	100	100-90	70-40	15-0	5-0	–
درصد عبوری از الک	100	7/91	7/61	7/11	4/3	–

ریز دانه، مصالح رد شده از الک شماره ۴ می­باشد که حدودا 30 تا 40 درصد کل مصالح سنگی را تشکیل می­دهد. تحقیقات و آزمایش­های مختلف نشان می­دهند که مقاومت فشاری ریزدانه تاثیر چندانی در شکل گیری مقاومت فشاری بتن ندارد [12]. اما استفاده از ریزدانه ­هایی که اتصالی بهتر با خمیر سیمان برقرار می­سازند، مقاومت فشاری ملاترا افزایش داده و در نتیجه منجر به بالا رفتن مقاومت فشاری بتن می­گردد [13]. با توجه به امکان واکنش بین کلیست موجود در ریزدانه­ های اهکی و هیدروکسید کلسیم موجود در خمیر سیمان، انتظار می­رود اتصال بین خمیر سیمان و ریزدانه آهکی نسبت به اتصال بین خمیر سیمان و ریزدانه های از جنس سنگ­های دیگر قوی تر باشد. آزمایش­ها و پژوهش­های مختلف موید مطلب فوق می­باشد [13]. در نتیجه، ریزدانه مصرفی از نوع ماسه طبیعی آهکی تهیه گردید.

در جدول 2 نتایج دانه بندی ماسه مذکور مطابق با فرمول ASTM C33 ارائه شده است.

جدول 2- دانه بندی شن مصرفی

اندازه الک (mm)	5/9	75/4	36/2	18/1	60/0	30/0	15/0
محدوده مجاز درصد عبوری مطابق ASTM C33	100	100-97	100-82	87-53	65-28	34-10	17-3
درصد عبوری از الک	100	36/98	9/84	3/59	1/47	6/20	9/7

 

2-1- خرده های لاستیک

همانگونه که اشاره گردید، لاستیک­ های فرسوده به عنوان یک مشکل زیست محیطی محسوب شده و محققین به روش­های مختلف سعی در بازیافت این مواد دارند. استفاده مجدد از این لاستیک­ها در بتن یکی از راه­های پیشنهادی برای حل این مشکل می­باشد. در این تحقیق نیز به منظور افزایش طاقت در بتن، از این ماده به عنوان جایگزین سنگدانه استفاده شده است. به منظور بررسی تاثیر اندازه لاستیک و خصویات مکانیکی و طاقت بتن، خرده لاستیک هایی با اندازه اسمی 5/9- 75/4 میلی متر با نشانه اختصاری R1 به عنوان جایگزین بخشی از درشتدانه مورد استفاده قرار گرفتند و برای جایگزینی بخشی از مصالح سنگی ریزدانه نیز، از دانه­ های پلی استایرن منبسط شده استفاده گردید.

2-2- دانه ­های پلی استایرن منبسط شده

به منظور افزایش طاقت در بتن، از دانه­ های پلی استایرن منبسط شده استفاده شده است. دانه­ های بسیار ریز پلی استایرن، تحت تاثیر دما منبسط می­شوند که در این تحقیق جهت بررسی تاثیر دانه ­های پلی استایرن منبسط شده بر مشخصات مکانیکی بتن، دانه­ های با اندازه اسمی 75/4-18/21 میلی متر با نشانه اختصاری EPS1  مورداستفاده قرار گرفت.

3- طرح اختلاط بتن معمولی با سیمان پرتلند و میکروسیلیس

در این تحقیق جهت ساخت بتن معمولی از روش استاندارد ACI211 استفاده گردید و جهت ساخت بتن حاوی میکروسیلیس از ضمیمه ACI211 پیرامون جایگزینی درصدی از سیمان توسط مواد پزولانی [11] کمک گرفته شد. با توجه به مطالبی که در زمینه تحقیقات به عمل آمده بر روی پیش عمل آوری لاستیک قبل از مصرف در بتن وجو دارد؛ لاستیک های مصرفی در این تحقیق قبل از مخلوط شدن در بتن با آب شستشو داده شدند تا خاک و مواد آلی موجود در سطح دانه ­های لاستیک، مانع از چسبندگی دانه ­های لاستیک با خمیر سیمان نشود.

4- روش اختلاط

یکی از مسائلی که در خواص بتن تازه و سخت شده موثر می­باشد، نحوه اضافه کردن هر یک از اجزاء سازنده بتن و مدت زمان اختلاط در هنگام اضافه نمودن این اجزاء می­باشد. در تحقیق حاضر جهت ساخت بتن از دستگاه مخلوط کن استوانه­ ای با حجم 62 لیتر که با سرعت 18 دور بر دقیقه به صورت افقی می­چرخد استفاده شده است. و نحوه انجام طرح اختلاط بتن با الگو گرفتن از مقامات مختلف و انجام سعی و خطاهای مختلف به قرار زیر می­باشد:

قرار دادن مصالح سنگی لاستیکی و پلی استایرن ریزدانه و درشت دانه در مخلوط کن و اختلاط به مدت 60 ثانیه؛

اضافه نمودن سیمان و اختلاط به مدت 30 ثانیه؛

اضافه نمودن میکروسیلیس و اختلاط به مدت 30 ثانیه؛

اضافه نمودن آب همزمان با اختلاط به مدت 30 ثانیه؛

اختلاط به مدت 3 دقیقه؛

به این ترتیب عملیات ساخت بتن در مدت رمان 5/5 دقیقه انجام گرفت.

5- ساخت بتن، آزمایش اسلامپ، قالب گیری و عمل آوری نمونه­ ها

در تحقیق حاضر به منظور انجام آزمایش­های مقاومت فشاری، از نمونه های مکعبی 10×10×10 میلی متری استفاده شد. آزمایش­های مقاومت خمشی نیز بر روی نمونه ­های منشوری 350×100×100 میلی متری انجام شدند. پس از مخلوط کردن مصالح، آزمایش اسلامپ مطابق [14]ASTM C143  انجام گرفت که اسلامپ بتن شاهد 9 سانتیمتر به دست آمد. بعد از انجام آزمایش اسلامپ، بتن را در سه لایه در داخل قالب­ها ریخته و هر لایه بتن با استفاده از ضربات میله اسلامپ متراکم گردید. پس از گذشت 24 ساعت از بتن ریزی، نمونه­ ها را از قالب بیرون آورده و به منظور عمل­آوری به مدت 90 روز، درون حوضچه آب به صورت مستغرق قرار گرفتند.

5-1- آزمایش تعیین مقاومت فشاری

برای تعیین مقاومت فشاری 90 روزه نمونه ­های مکعبی10×10×10 میلی متری از دستگاه الکتروهیدرولیکی، به ظرفیت نهایی 100 تن استفاده شده است. جهت انجام این آزمایش با استفاده از یک کولیس دیجیتال، سطح واقعی نمونه ­ها را اندازه گیری کرده و با تقسیم بار به دست آمده جهت شکست نمونه بر سطح واقعی نمونه­ها، مقاومت فشاری آن­ها تعیین گردید.

5-2- آزمایش مقاومت خمشی

مطابق با این استاندارد ASTM C78 مقاومت خمشی تیرهای بتنی واقع بر روی دو تکیه گاه ساده، تحت بار ناشی از خمش چهار نقطه­ای (شکل 4-3) تعیین شده و نتایج به صورت مدول گسیختگی بیان می­شود [15]. رایج ترین روش برای اندازه گیری طاقت استفاده از منحنی بار- تغییر مکان به دست آمده از یک تیر با تکیه گاه­ های دو سر ساده و یا بارگذاری یک سوم دهانه می­باشد [16]. شاخص ­های طاقت در دستورالعمل ACI544 برگرفته از روش پیشنهادی هنگار [17] می­باشد، که الستفاده از ضرایب بدون بعد با مبنای انرژی را به منظور بررسی عملکرد بتن مسلح به الیاف توصیه می­کند. این روش بیانگر این واقعیت است که بتن الیافی کارا، بتنی است که علاوه بر مقاومت بالا بایستی از قدرت جذب انرژی و شکل پذیری قابل قبولی نیز برخوردار باشد. رئش استاندارد ASTM C1018 کمابیش شبیه روش پیشنهادی ACI 544 است، با این تفاوت که در ASTM C1018 اندیس­های طاقت از تقسیم سطح زیر منحنی بار- تغییر مکان تا یک جابجایی مشخص به سطح زیر منحنی بار تغییر مکان تا جابجایی مربوط به اولین ترک خوردگی به دست می­آید.

6- ارائه نتایج و بحث

در جدول زیر، مشخصات اسلامپ، چگالی، مقاومت فشاری و مقاومت خمشی مخلوط­های مختلف ارائه شده است. مقادیر گزارش شده میانگین آزمایش بر روی سه نمونه می­باشد.

جدول 3- نتایج آزمایشات صورت گرفته بر روی نمونه­ های بتنی

همانگونه که از جدول ملاحظه می-گردد، با افزایش مقادیر خرده لاستیک و دانه ای پلی استایرناسلامپ کاهش می یابد که این کاهش برای خرده لاستیک چشمگیرتر می­باشد. جایگزینی بخشی از سیمان با میکروسیلیس نیز مقداری به کاهش اسلامپ کمک می کند. با توجه به جدول 3 می توان دریافت که چگالی نمونه ها با جایگزینی 40 درصدی و بویژه 60 درصدی خرده­ های لاستیک به میزان نسبتا زیادی کاهش یافته است. این کاهش برای جایگزینی دانه های پلی استایرن کمتر بوده به گونه ای که چگالی از 2000 kg/m3 کمتر نشده است. جایگزینی جزئی از سیمان با میکروسیلیس نیز به میزان بسیار کم موجب کاهش چگالی شده است.

از آنجا که یکی از اهداف اصلی در این مقاله به سبک­سازی بتن و بررسی مشخصات بتن سبک می­باشد، نتایج مقاومت فشاری و خمشی مخلوط­های مختلف بر حسب چگالی آنها به ترتیب در شکل­های 1 و 2 ترسیم شده است تا از روی آنها بررسی مشخصات برای کاهش چگالی مخلوط در جهت سبک سازی بتن بطور واضح­تری صورت گیرد. در شکل 1، 5 بخش مختلف هر یک شامل سه مخلوط (نقطه)، قابل تشخیص می­باشد. مرز مقاومتی بتن سازه­ای و غیرسازه­ای نیز با خط چین آبی مشخص شده است که مقدار MPa 17 می­باشد. مشاهده می­گردد که تنها مخلوط­های R1 60% در محدوده غیرسازه­ای بوده و بقیه مخلوط­ها در محدوده سازه ­ای قرار دارند. همچنین کمترین چگالی بدست آمده از آزمایشات برای بتن سازه ­ای و غیرسازه­ ای با رنگ نارنجی متمایز شده است که به ترتیب برابر 1961 kg/m3 و kg/m3 1886 می­باشد.

وزن مخصوص kg/m3

شکل1- مقاومت فشاری بتن بر حسب چگالی برای مخلوط­های مختلف

وزن مخصوص kg/m3

شکل2 مقاومت خمشی بتن بر حسب چگالی برای مخلوط­های مختلف

نتایج مقاومت خمشی بر حسب چگالی نیز برای مخلوط­های مختلف در شکل 2 قابل مشاهده می­باشد. همانگونه که ملاحظه می­گردد، مقادیر مقاومت خمشی مخلوط­ها دارای هم­پوشانی بوده و تنها مقاومت خمشی بتن ساده به طور واضح از بقیه فاصله دارد. خط چین های آبی این موضوع را بخوبی نشان می­دهند. در این نمودار، در هر بخش که با نام اختصاری کلی مخلوط­ها مشخص شده است، یک روند افزایشی مقاومت خمشی به سمت چگالی­های کمتر قابل تشخیص است که مربوط به افزایش درصدهای جایگزین میکروسیلیس می­باشد که در عین کمک اندک به کاهش چگالی، منجر به بهبود مقاومت خمشی شده است.