تحقیق مقاله بتن بازیافتی

بتن بازیافتی

امروزه استفاده از بتن های بازیافتی به یکی از مهم ترین مسائل تبدیل شده است و اقتصاد توجه زیادی به استفاده از بتن با دانه بندی بازیافتی (RAC) دارد.

تخمین زده شده است که نزدیک به 150 میلیون تن قلوه سنگ برای شن و ماسه بتن سالیانه در ایالات متحده تولید می شود و به مصرف می رسد. حال اگر این حجم بالای مصالح سنگی می توانست از مصالح گذشته بازیافت شود دیگر معادن شن و ماسه به سرعت رو به کاهش نمی رفت. بنابراین استفاده از بتن سازه های فرسوده جهت ساختن بتن با دانه بندی بازیافتی شاید نتوان که به طور کامل در نگه داشتن ذخایر و منابع طبیعی کمک کند ولی می تواند از هدررفتن یک حجم بزرگی از این منابع خدادادی کمک کند. همچنین استفاده از بتنهای RAC به تخریب نشدن محیط زیست نیز کمک بزرگی خواهد کرد.

استفاده از بتن های بازیافتی از سازه های قدیمی در دهه های گذشته منافعی را برای انسانها به دنبال داشته است. برای مثال در سال 1980بخش حمل و نقل مینسولتا (Minnesolta) 16 مایل از یک مسیر مسطح را با بتن بازیافتی پوشاند و بعد از آن تخمین زده شد که تقریباً در این پروژه حدود 600 هزار دلار صرفه جویی شده است.

بسمه تعالی

بخش اول:

مقاومت بتن بازیافتی در برابر سیکلهای ذوب شدن و یخ زدن

این مقاله به بررسی مقاومت بتن با دانه های بازیافتی (Recycled Aggregate Concrete) در برابر سیکلهای یخ زدن و ذوب شدن می پردازد و آن را با بتنهای طبیعی (معمولی) (Natural Aggregate Concrete) مقایسه می‌کند. این بررسی ها و نتایج حاصل یک سری آزمایشات علمی است که در آزمایشگاه صورت گرفته است.

سه حالت مختلف برای مقایسه بتنهای RAC و NAC درنظر گرفته می شود:

حالت یکم (Case I): استفاده از یک نسبت آب به سیمان متوسط  با مقدار 0.47 را مورد رسیدگی قرار می دهد (base Mixture) که برای RAC و NAC استفاده می شود.

حالت دوم (Case II): در این حالت با کم کردن نسبت آب به سیمان  از 0.47 به 0.29 حالتی را پدید می آورد که متفاوت از حالت اول خواهد بود که به آن بتن با عملکرد بالا گویند. (Concrete High-Performance)

حالت سوم (Case III): با اضافه کردن %5 مواد هوازا به بتن اصلی (base Mixture) این حالت را پدید می آوریم.

عملکرد بتن RAC (بتن بازیافتی) در حالتهای I و II به دلیل استفاده از دانه های بازیافتی خوب نخواهد بود. این نتیجه با بتن NAC مقایسه می شود که به دوام کامل رسیده است و نهایتاً نتیجه گرفته می شود که اگر در بتن RAC از مواد هوازا استفاده شود دوام بتن RAC به اندازه بتن NAC خواهد شد.

مقدمه :

امروزه استفاده از بتن های بازیافتی به یکی از مهمترین مسائل تبدیل شده است و اقتصاد توجه زیادی به استفاده از بتن بازیافتی (RAC) دارد.

تخمین زده شده است که نزدیک 150 میلیون تن قلوه سنگ برای تهیه     سنگدانه های بتن سالیانه در ایالات متحده آمریکا تولید می شود و به مصرف می رسد. حال اگر این حجم بالای مصالح سنگی می توانست از مصالح گذشته و قدیمی بازیافت شود دیگر معادن شن و ماسه رو به کاهش و نابودی       نمی رفت.

بنابراین استفاده از بتن سازه های فرسوده و راهها که عمر مفید خود را    کرده اند جهت ساختن بتن با دانه های بازیافتی شاید نتواند که به طور کامل در نگه داشتن ذخایر و منابع طبیعی کمک کند ولی می تواند که از هدر رفتن یک حجم بزرگی از این منابع خدادادی کمک کند. همچنین استفاده از بتنهای RAC به تخریب نشدن محیط زیست نیز کمک بزرگی خواهد کرد.

استفاده از بتن های بازیافتی با تخریب بتن های فرسوده در دهه های گذشته منافعی را برای انسانها به دنبال داشته است. به عنوان مثال در سال 1980 بخش حمل و نقل مینسوتا (Minnesota) توانست 19 مایل از یک مسیر مسطح را با بتن بازیافتی بپوشاند و تقریباً 600 هزار دلار صرفه جویی اقتصادی داشته باشد.

اهمیت تحقیق:

بازیافت بتن سیمانی (Portland Cement Concrete) و تهیه یک بتن مناسب از مصالح بازیافتی به یک مطالعه کامل و جامع در رابطه با مشخصات فیزیکی مصالح و عملکرد دوام (durability concrete) نیاز دارد.

هرچند اطلاعات زیادی در رابطه با عملکرد دوام بتن سیمانی (PCC) در دست است اما با این حال این اطلاعات نمی تواند به خوبی عملکرد دوام بتن را برای ما آشکار کند، زیرا محدودیتها و تناقضات در نتایج آزمایشات انجام شده وجود دارد. بنابراین واضح است که گستره استفاده از بتن با دانه های بازیافتی (RAC) نیازمند تحقیقات وسیع به منظور انتقال دادن شفاف شرایط ساختاری موادی که ممکن است بر دوام و مقاومت بتنی در برابر یخبندان تأثیر کند.

اهداف:

بر طبق کمیته ACI شماره 201 (ACI Committee 201)، دوام بتن سیمانی (PCC) اینگونه تعریف می شود که توانایی مقاومت کردن در برابر عوامل جوی (Weathering faction)، مواد شیمیایی، ساییدگی یا دیگر مسایلی که باعث تخریب می شود. یک بتن بازیافتی (RAC) مقاوم مانند بتن طبیعی (NAC) باید بتواند شکل خود را حفظ کند، کیفیت خودش را از دست ندهد و کارآیی خود را از لحاظ سرویس دهی در سرتاسر عمر طراحی سازه حفظ کند.

بیوک (BUCK) متوجه شد که اختلاف بین مقاومت در برابر ذوب شدن و یخ زدن بتن اصلی (بتنی که بتن RAC از آن مشتق می شود.) و بتن RAC که از بتن خرد شده در آزمایشگاه تهیه شده است زیاد نیست.

مالهرون و اُماهونی (Malheron and Omahony) گزارش کردند که بتن ساخته شده از دانه های که بتن ساخته شده از دانه های بازیافتی در آزمایشگاه از نظر مقاومت در برابر ذوب شدن و یخ زدن مشابه یا بهتر از بتن ساخته شده با دانه های معمولی (Conventional aggregates) با همان طرح اختلاط هستند.

برخلاف مالهرون و اُماهونی دو دانشمند دیگر به نامهای نیشیبایاشی و یامورا (Nishibayashi & Yamura) گزارش کردند که مقاومت در برابر ذوب شدن و یخ زدن بتن RAC بطور قابل توجهی نسبت به بتن نرمال پایین است و حتی به وسیله استفاده از مواد هوازا در آن (Case III) نیز افزایش نمی یابد.

همانطور که ملاحظه می کنیم سه نظریه داده شده با هم اختلاف دارند. بنابراین نیاز به تحقیق و مطالعه زیاد در باره فاکتورهای اولیه داریم با بتوانیم عملکرد بتن RAC را در مقابل ذوب شدن و یخ زدن و دیگر عوامل را بفهمیم.

برنامه تجربی:

مصالح (Materials):

از سیمان پرتلند تیپ I برطبق ASTMC 150 برای طرح اختلاط بتنهای RAC و NAC استفاده می شود. در هر دو بتن از سنگدانه های خوب استفاده       می شود و سنگدانه هایی که در بتن NAC مورد استفاده قرار می گیرد باید از نوع خشن و زبر باشد مطابق ASTMC33 (کمیته C33 یکی از کمیته های مؤسسه ASTM است که روی خصوصیات مصالح شن و ماسه تحقیق      می کند. جداول 1 و 2 از استاندارد فوق الذکر اقتباس شده است و محدوده مجاز شن و ماسه مصرفی را مشخص می کند.)

خاکستر بادی (Fly ash):

خاکستر بادی که مورد استفاده قرار می گیرد بر طبق ASTM 618 باید از نوع F باشد.

خاکستر بادی در هر دو بتن RAC و NAC مورد استفاده قرار می گیرد و در طرح اختلاف باید مصرف گردد.

آب:

آب مورد نیاز برای اختلاط بر طبق ASTMC494 مورد نیاز است برای انواع A و F.

ترکیبات شیمیایی:

ترکیبات شیمیایی شامل سوفونات نفتالین فرمالدئین شده است. (Sulfonated naphthalene Formal) دانه های بازیافتی به وسیله خرد کردن نمونه های قدیمی استوانه ای که در آزمایشات قبلی در آزمایشگاه مورد استفاده قرار گرفته است تهیه شده است. ابعاد خرد شده (12in×6) 305mm×152 می‌باشد.

روش خرد کردن به این ترتیب است که ابتدا هرکدام از نمونه های بتنی استوانه‌ای را به دو قسمت تبدیل می کنند سپس در داخل دستگاه خردکننده می‌اندازند. دستگاه آرواره هایی که این آرواره ها به میزان 1in باز و بسته می‌شوند. با باز شدن و بسته شدن آرواره های دستگاه نمونه ها خرد می‌شوند. سپس به وسیله یک سرند که به صورت اتوماتیک حرکت می کند (Sieve Shaker) دانه های خرد شده به چهار اندازه مختلف تقسیم می شوند و برای تهیه بتن RAC آماده می شود بر طبق ASTMC33.

لازم به تذکر است که دانه های بازیافتی و دانه های طبیعی در تهیه بتن RAC و NAC به صورت خشک مورد استفاده قرار می گیرند.

اختلاط بتن:

همه طرحهای اختلاطی که در این تحقیق مورد استفاده قرار می گیرند قابل استفاده کردن در روش حجم مطلق است. جدول شماره 1 سهم اختلاط هر یک از عناصر در طرح را برای هر دو بتن NAC و RAC مشخص کرده است. همانطور که در جدول مشاهده می شود نسبت آب به سیمان  حالت II در مقایسه با حالت I و III کمتر است. ولی مقدار خاکستر بادی (Fly ash) در حالت II بیشترین مقدار است .

حالت III نیز با اضافه کردن %5 مواد هوازا به طرح اختلاط با حالتهای I و II کاملاً متفاوت شده است.

توضیح در باره طرح اختلاط بتن بر طبق ACI211:

طرح مخلوط بتنی به این مفهوم است که به چه نسبتی اجزاء بتن (سیمان – آب – شن و ماسه) را مخلوط کنیم تا بتن ساخته شده به خواص مشخصی دست یابد. معمولاً در طرح مخلوط بتن سه مسئله مطرح است:

1-

2-

3-

موارد یکم و دوم به بتن سخت شده و مورد سوم به بتن تازه مربوط می شود.

در مورد دوم باید توجه کرد که دوام کافی برای هر بتنی به شرایط محیطی که آن بتن در معرض آن قرار خواهد گرفت، بستگی دارد.

عامل مخرب برای بتنی که در محیط سولفاتی قرار گرفته با بتنی که در ساحل دریا و در تماس با آب دریا قرار گرفته، متفاوت خواهد بود و عامل مخرب برای بتنی که در معرض یخ زدن و آب (ذوب) شدن متوالی قرار گرفته، با دو مورد قبلی (که مورد بحث ما نیز است) تفاوت خواهد داشت.

بنابراین در یک طرح مخلوط مناسب، تأثیر هر یک از عوامل مخرب محیطی در جای مناسب درنظر گرفته شده و تدابیر مناسب جهت تأمین دوام کافی، اتخاذ خواهد گردید.

قابل ذکر است که اکثر روشهای طراحی مخلوط بتن بر اساس خواص مصالحی که در هر منطقه یا هر کشور موجود بود تنظیم شده و طبعاً کاربرد آنها در یک منطقه دیگر چندان دقیق نخواهد بود.

آیین نامه آمریکا یا ACI از این مزیت برخوردار است که در مراحل پایانی طرح، با ساخت یک نمونه آزمایشگاهی و انجام چند آزمایش ساده روی این نمونه، نتایج مراحل قبلی را اصلاح کرده و به این ترتیب تأثیر خواص ویژه مصالح هر منطقه را به نحو مناسب، در نتایج طراحی دخالت می دهد.

آزمایش ذوب شدن و یخ زدن:

مقاومت بتن در برابر ذوب شدن و یخ زدن به وسیله نمونه منشوری  مطابق ASTMC666، روش A، تعیین می شود.

سیکلهای ذوب شدن و یخ زدن به این ترتیب است که ابتدا درجه نمونه بتنی منشوری از  به  کاهش و سپس از  به  ( به ) افزایش می یابد.

بعد از 14 روز که از عمل آوردن (Curing) نمونه ها در محیط مرطوب استاندارد گذشت (همانطور که در روش آزمایش مشخص شده) سه نمونه از هر اختلاط وزن و برای فرکانس عرضی اصلی (Frequency Fundamental Transvers) آزمایش می شود برطبق ASTM215.

نمونه ها مورد آزمایش قرار می گیرند برای فرکانس های بسامد افزار (پرطنین) و هر 36 بار که سیکل ذوب شدن و یخ زدن صورت گرفت وزن می شوند این کار ادامه دارد تا وقتی که سیکلهای ذوب شدن و یخ زدن به 300 مرتبه برسد یا مربع مقدار فرکانس عرضی اصلی کمتر از %60 مقدار فرکانس عرضی آغازین برسد.

مراقبت از بتن:

چون در بالا از نگهداری (Curing) 14 روزه بتن صحبت شد در اینجا چند سطری در باره عمل آوردن بتن (نگهداری) توضیح می دهیم.

به عمل آوردن بتن یا مراقبت از بتن مراقبتی است که سازنده بتن باید در طول 7 الی 10 روز اول از بتن به عمل آورد. (که در این آزمایش 14 روز مراقبت لازم است.)

در مراقبت از بتن باید به دو مسئله مورد توجه باشد:

الف) رطوبت کافی و مناسب.

ب) دمای خوب و کافی.

کنترل دما در هوای معمولی چندان ضروری نیست، ولی در هوای بسیار گرم و یا در هوای سردتر از 4 درجه سانتی گراد باید تدابیر ویژه ای اتخاذ شود.

روشهای مراقبت شامل موارد زیر است:

الف) روشهایی که حضور آب در کنار بتن تأمین می شود که به قرار زیر است: