مزايا و معايب استفاده از بتن بازيافتي

 

امروزه استفاده از بتن هاي بازيافتي به يكي از مهم ترين مسائل تبديل شده است و اقتصاد توجه زيادي به استفاده از بتن با دانه بندي بازيافتي (RAC) دارد.
تخمين زده شده است كه نزديك به ۱۵۰ ميليون تن قلوه سنگ براي شن و ماسه بتن ساليانه در ايالات متحده توليد مي شود و به مصرف مي رسد. حال اگر اين حجم بالاي مصالح سنگي مي توانست از مصالح گذشته بازيافت شود ديگر معادن شن و ماسه به سرعت رو به كاهش نمي

رفت. بنابراين استفاده از بتن سازه هاي فرسوده جهت ساختن بتن با دانه بندي بازيافتي شايد نتوان كه به طور كامل در نگه داشتن ذخاير و منابع طبيعي كمك كند ولي مي تواند از هدررفتن يك حجم بزرگي از اين منابع خدادادي كمك كند. همچنين استفاده از بتنهاي RAC به تخريب نشدن محيط زيست نيز كمك بزرگي خواهد كرد.
استفاده از بتن هاي بازيافتي از سازه هاي قديمي در دهه هاي گذشته منافعي را براي انسانها به دنبال داشته است. براي مثال در سال ۱۹۸۰بخش حمل و نقل مينسولتا (Minnesolta) 16 مايل از يك مسير مسطح را با بتن بازيافتي پوشاند و بعد از آن تخمين زده شد كه تقريباً در اين پروژه حدود ۶۰۰ هزار دلار صرفه جويي شده است.

اينجانب در اين پروژه سعي بر آن دارم كه به بررسي اين بتنها (بتنهاي بازيافتي) بپردازم و عملكرد آنها را در مقايسه با بتنهاي طبيعي (NAC) بررسي كنم.
امضاء استاد راهنما امضاء مدير گروه عمران

بسمه تعالي
بخش اول:
مقاومت بتن بازيافتي در برابر سيكلهاي ذوب شدن و يخ زدن
اين مقاله به بررسي مقاومت بتن با دانه هاي بازيافتي (Recycled Aggregate Concrete) در برابر سيكلهاي يخ زدن و ذوب شدن مي پردازد و آن را با بتنهاي طبيعي (معمولي) (Natural Aggregate Concrete) مقايسه مي‌كند. اين بررسي ها و نتايج حاصل يك سري آزمايشات علمي است كه در آزمايشگاه صورت گرفته است.

سه حالت مختلف براي مقايسه بتنهاي RAC و NAC درنظر گرفته مي شود:
حالت يكم (Case I): استفاده از يك نسبت آب به سيمان متوسط با مقدار ۰٫۴۷ را مورد رسيدگي قرار مي دهد (base Mixture) كه براي RAC و NAC استفاده مي شود.
حالت دوم (Case II): در اين حالت با كم كردن نسبت آب به سيمان از ۰٫۴۷ به ۰٫۲۹ حالتي را پديد مي آورد كه متفاوت از حالت اول خواهد بود كه به آن بتن با عملكرد بالا گويند. (Concrete High-Performance)

حالت سوم (Case III): با اضافه كردن %۵ مواد هوازا به بتن اصلي (base Mixture) اين حالت را پديد مي آوريم.
عملكرد بتن RAC (بتن بازيافتي) در حالتهاي I و II به دليل استفاده از دانه هاي بازيافتي خوب نخواهد بود. اين نتيجه با بتن NAC مقايسه مي شود كه به دوام كامل رسيده است و نهايتاً نتيجه گرفته مي شود كه اگر در بتن RAC از مواد هوازا استفاده شود دوام بتن RAC به اندازه بتن NAC خواهد شد.
مقدمه:
امروزه استفاده از بتن هاي بازيافتي به يكي از مهمترين مسائل تبديل شده است و اقتصاد توجه زيادي به استفاده از بتن بازيافتي (RAC) دارد.
تخمين زده شده است كه نزديك ۱۵۰ ميليون تن قلوه سنگ براي تهيه سنگدانه هاي بتن ساليانه در ايالات متحده آمريكا توليد مي شود و به مصرف مي رسد. حال اگر اين حجم بالاي مصالح سنگي مي توانست از مصالح گذشته و قديمي بازيافت شود ديگر معادن شن و ماسه رو به كاهش و نابودي نمي رفت.

بنابراين استفاده از بتن سازه هاي فرسوده و راهها كه عمر مفيد خود را كرده اند جهت ساختن بتن با دانه هاي بازيافتي شايد نتواند كه به طور كامل در نگه داشتن ذخاير و منابع طبيعي كمك كند ولي مي تواند كه از هدر رفتن يك حجم بزرگي از اين منابع خدادادي كمك كند. همچنين استفاده از بتنهاي RAC به تخريب نشدن محيط زيست نيز كمك بزرگي خواهد كرد.

استفاده از بتن هاي بازيافتي با تخريب بتن هاي فرسوده در دهه هاي گذشته منافعي را براي انسانها به دنبال داشته است. به عنوان مثال در سال ۱۹۸۰ بخش حمل و نقل مينسوتا (Minnesota) توانست ۱۹ مايل از يك مسير مسطح را با بتن بازيافتي بپوشاند و تقريباً ۶۰۰ هزار دلار صرفه جويي اقتصادي داشته باشد.

اهميت تحقيق:
بازيافت بتن سيماني (Portland Cement Concrete) و تهيه يك بتن مناسب از مصالح بازيافتي به يك مطالعه كامل و جامع در رابطه با مشخصات فيزيكي مصالح و عملكرد دوام (durability concrete) نياز دارد.
هرچند اطلاعات زيادي در رابطه با عملكرد دوام بتن سيماني (PCC) در دست است اما با اين حال اين اطلاعات نمي تواند به خوبي عملكرد دوام بتن را براي ما آشكار كند، زيرا محدوديتها و تناقضات در نتايج آزمايشات انجام شده وجود دارد. بنابراين واضح است كه گستره استفاده از بتن با دانه هاي بازيافتي (RAC) نيازمند تحقيقات وسيع به منظور انتقال دادن شفاف شرايط ساختاري موادي كه ممكن است بر دوام و مقاومت بتني در برابر يخبندان تأثير كند.

اهداف:
بر طبق كميته ACI شماره ۲۰۱ (ACI Committee 201)، دوام بتن سيماني (PCC) اينگونه تعريف مي شود كه توانايي مقاومت كردن در برابر عوامل جوي (Weathering faction)، مواد شيميايي، ساييدگي يا ديگر مسايلي كه باعث تخريب مي شود. يك بتن بازيافتي (RAC) مقاوم مانند بتن طبيعي (NAC) بايد بتواند شكل خود را حفظ كند، كيفيت خودش را از دست ندهد و كارآيي خود را از لحاظ سرويس دهي در سرتاسر عمر طراحي سازه حفظ كند.

بيوك (BUCK) متوجه شد كه اختلاف بين مقاومت در برابر ذوب شدن و يخ زدن بتن اصلي (بتني كه بتن RAC از آن مشتق مي شود.) و بتن RAC كه از بتن خرد شده در آزمايشگاه تهيه شده است زياد نيست.
مالهرون و اُماهوني (Malheron and Omahony) گزارش كردند كه بتن ساخته شده از دانه هاي كه بتن ساخته شده از دانه هاي بازيافتي در آزمايشگاه از نظر مقاومت در برابر ذوب شدن و يخ زدن مشابه يا بهتر از بتن ساخته شده با دانه هاي معمولي (Conventional aggregates) با همان طرح اختلاط هستند.

برخلاف مالهرون و اُماهوني دو دانشمند ديگر به نامهاي نيشيباياشي و يامورا (Nishibayashi & Yamura) گزارش كردند كه مقاومت در برابر ذوب شدن و يخ زدن بتن RAC بطور قابل توجهي نسبت به بتن نرمال پايين است و حتي به وسيله استفاده از مواد هوازا در آن (Case III) نيز افزايش نمي يابد.
همانطور كه ملاحظه مي كنيم سه نظريه داده شده با هم اختلاف دارند. بنابراين نياز به تحقيق و مطالعه زياد در باره فاكتورهاي اوليه داريم با بتوانيم عملكرد بتن RAC را در مقابل ذوب شدن و يخ زدن و ديگر عوامل را بفهميم.

برنامه تجربي:
مصالح (Materials):
از سيمان پرتلند تيپ I برطبق ASTMC 150 براي طرح اختلاط بتنهاي RAC و NAC استفاده مي شود. در هر دو بتن از سنگدانه هاي خوب استفاده مي شود و سنگدانه هايي كه در بتن NAC مورد استفاده قرار مي گيرد بايد از نوع خشن و زبر باشد مطابق ASTMC33 (كميته C33 يكي از كميته هاي مؤسسه ASTM است كه روي خصوصيات مصالح شن و ماسه تحقيق مي كند. جداول ۱ و ۲ از استاندارد فوق الذكر اقتباس شده است و محدوده مجاز شن و ماسه مصرفي را مشخص مي كند.)

 

خاكستر بادي (Fly ash):
خاكستر بادي كه مورد استفاده قرار مي گيرد بر طبق ASTM 618 بايد از نوع F باشد.
خاكستر بادي در هر دو بتن RAC و NAC مورد استفاده قرار مي گيرد و در طرح اختلاف بايد مصرف گردد.

آب:
آب مورد نياز براي اختلاط بر طبق ASTMC494 مورد نياز است براي انواع A و F.

تركيبات شيميايي:
تركيبات شيميايي شامل سوفونات نفتالين فرمالدئين شده است. (Sulfonated naphthalene Formal) دانه هاي بازيافتي به وسيله خرد كردن نمونه هاي قديمي استوانه اي كه در آزمايشات قبلي در آزمايشگاه مورد استفاده قرار گرفته است تهيه شده است. ابعاد خرد شده (۱۲in×۶) ۳۰۵mm×۱۵۲ مي‌باشد.

روش خرد كردن به اين ترتيب است كه ابتدا هركدام از نمونه هاي بتني استوانه‌اي را به دو قسمت تبديل مي كنند سپس در داخل دستگاه خردكننده مي‌اندازند. دستگاه آرواره هايي كه اين آرواره ها به ميزان ۱in باز و بسته مي‌شوند. با باز شدن و بسته شدن آرواره هاي دستگاه نمونه ها خرد مي‌شوند. سپس به وسيله يك سرند كه به صورت اتوماتيك حركت مي كند (Sieve Shaker) دانه هاي خرد شده به چهار اندازه مختلف تقسيم مي شوند و براي تهيه بتن RAC آماده مي شود بر طبق ASTMC33.

لازم به تذكر است كه دانه هاي بازيافتي و دانه هاي طبيعي در تهيه بتن RAC و NAC به صورت خشك مورد استفاده قرار مي گيرند.
اختلاط بتن:
همه طرحهاي اختلاطي كه در اين تحقيق مورد استفاده قرار مي گيرند قابل استفاده كردن در روش حجم مطلق است. جدول شمارة ۱ سهم اختلاط هر يك از عناصر در طرح را براي هر دو بتن NAC و RAC مشخص كرده است. همانطور كه در جدول مشاهده مي شود نسبت آب به سيمان حالت II در مقايسه با حالت I و III كمتر است. ولي مقدار خاكستر بادي (Fly ash) در حالت II بيشترين مقدار است .

حالت III نيز با اضافه كردن %۵ مواد هوازا به طرح اختلاط با حالتهاي I و II كاملاً متفاوت شده است.

(جدول ۱- مشخصات موادي كه در اختلاط دو بتن NAC و RAC استفاده شده)

توضيح در بارة طرح اختلاط بتن بر طبق ACI211:
طرح مخلوط بتني به اين مفهوم است كه به چه نسبتي اجزاء بتن (سيمان – آب – شن و ماسه) را مخلوط كنيم تا بتن ساخته شده به خواص مشخصي دست يابد. معمولاً در طرح مخلوط بتن سه مسئله مطرح است:
۱- رسيدن به مقاومت مورد نظر.

۲- تأمين دوام كافي.
۳- رسيدن به اسلامپ مورد نظر.
موارد يكم و دوم به بتن سخت شده و مورد سوم به بتن تازه مربوط مي شود.
در مورد دوم بايد توجه كرد كه دوام كافي براي هر بتني به شرايط محيطي كه آن بتن در معرض آن قرار خواهد گرفت، بستگي دارد.
عامل مخرب براي بتني كه در محيط سولفاتي قرار گرفته با بتني كه در ساحل دريا و در تماس با آب دريا قرار گرفته، متفاوت خواهد بود و عامل مخرب براي بتني كه در معرض يخ زدن و آب (ذوب) شدن متوالي قرار گرفته، با دو مورد قبلي (كه مورد بحث ما نيز است) تفاوت خواهد داشت.
بنابراين در يك طرح مخلوط مناسب، تأثير هر يك از عوامل مخرب محيطي در جاي مناسب درنظر گرفته شده و تدابير مناسب جهت تأمين دوام كافي، اتخاذ خواهد گرديد.

قابل ذكر است كه اكثر روشهاي طراحي مخلوط بتن بر اساس خواص مصالحي كه در هر منطقه يا هر كشور موجود بود تنظيم شده و طبعاً كاربرد آنها در يك منطقه ديگر چندان دقيق نخواهد بود.
آيين نامه آمريكا يا ACI از اين مزيت برخوردار است كه در مراحل پاياني طرح، با ساخت يك نمونه آزمايشگاهي و انجام چند آزمايش ساده روي اين نمونه، نتايج مراحل قبلي را اصلاح كرده و به اين ترتيب تأثير خواص ويژه مصالح هر منطقه را به نحو مناسب، در نتايج طراحي دخالت مي دهد.
آزمايش ذوب شدن و يخ زدن:

مقاومت بتن در برابر ذوب شدن و يخ زدن به وسيله نمونه منشوري مطابق ASTMC666، روش A، تعيين مي شود.
سيكلهاي ذوب شدن و يخ زدن به اين ترتيب است كه ابتدا درجه نمونه بتني منشوري از به كاهش و سپس از به ( به ) افزايش مي يابد.
بعد از ۱۴ روز كه از عمل آوردن (Curing) نمونه ها در محيط مرطوب استاندارد گذشت (همانطور كه در روش آزمايش مشخص شده) سه نمونه از هر اختلاط وزن و براي فركانس عرضي اصلي (Frequency Fundamental Transvers) آزمايش مي شود برطبق ASTM215.

نمونه ها مورد آزمايش قرار مي گيرند براي فركانس هاي بسامد افزار (پرطنين) و هر ۳۶ بار كه سيكل ذوب شدن و يخ زدن صورت گرفت وزن مي شوند اين كار ادامه دارد تا وقتي كه سيكلهاي ذوب شدن و يخ زدن به ۳۰۰ مرتبه برسد يا مربع مقدار فركانس عرضي اصلي كمتر از %۶۰ مقدار فركانس عرضي آغازين برسد.
مراقبت از بتن:
چون در بالا از نگهداري (Curing) 14 روزه بتن صحبت شد در اينجا چند سطري در بارة عمل آوردن بتن (نگهداري) توضيح مي دهيم.
به عمل آوردن بتن يا مراقبت از بتن مراقبتي است كه سازنده بتن بايد در طول ۷ الي ۱۰ روز اول از بتن به عمل آورد. (كه در اين آزمايش ۱۴ روز مراقبت لازم است.)
در مراقبت از بتن بايد به دو مسئله مورد توجه باشد:

الف) رطوبت كافي و مناسب.
ب) دماي خوب و كافي.
كنترل دما در هواي معمولي چندان ضروري نيست، ولي در هواي بسيار گرم و يا در هواي سردتر از ۴ درجه سانتي گراد بايد تدابير ويژه اي اتخاذ شود.
روشهاي مراقبت شامل موارد زير است:
الف) روشهايي كه حضور آب در كنار بتن تأمين مي شود كه به قرار زير است:
۱- ايجاد بركه آب
۲- ايجاد مه (آب پاشي)
۳- استفاده از پوششهاي خيس نظير گوني
۴- استفاده از كاغذهاي نفوذناپذير
۵- استفاده از پوششهاي نايلوني

۶- استفاده از مواد محافظ
۷- قالبهاي در جا نگهداشته شده
ب) روشهايي كه با ايجاد حرارت زياد همراه با رطوبت كافي، گيرش بتن را تسريع مي كند:
۱- استفاده از جريان بخار آب.
۲- استفاده از بخار آب همراه با فشار.
نتايج:
مشخصات مصالح دانه اي بازيافتي:
دانه بندي دانه هاي بازيافتي:
دانه بندي دانه هاي بازيافتي كه در محدودة مجاز از لحاظ ابعاد قرار دارند براي دانه بندي خاصي كه توسط ASTMC33 مشخص مي شود در شكل زير نشان داده شده است.
شكل ۱- نمودار محدودة مجاز دانه هاي درشت در بتن بازيافتي برطبق ASTM
براي مشخص كردن بهترين تركيب دانه بندي به اين ترتيب عمل مي كنيم كه از ميان نقاط موجود در شكل ۱ يك نقطه را انتخاب كرده كه بهترين شرايط دانه بندي را داشته و با شرايط ASTM نيز مطابق باشد. اين كار چندان مشكلي نيست.

شكل و بافت:
دانه هاي بازيافتي داراي لبه هاي معين و زاويه دار در شكل هستند بطوري كه نتيجه اين مطلب يك نسبت سطح به حجم بالايي مي شود.
به دليل وجود چسب ملات قديمي در سطح دانه هاي بازيافتي بافت سطح اين دانه ها ناصاف و داراي خلل و فرج است. آزمايش فيزيكي براي سنجيدن زاويه داري دانه هاي بازيافتي صورت نگرفته است. ولي به صورت چشمي و ديداري رده بندي مي شود كه دانه هاي بازيافتي در سطح داراي ۱۰۰% شكستگي هستند.
جذب (Absorption):

جذب آب دانه هاي طبيعي و بازيافتي به وسيله ASTMC128 معين مي شود و در جدول ۲ نيز نشان داده شده است.
جدول ۲- مشخصات دانه هاي طبيعي و بازيافتي.
جدول ۳- اسلامپ و مقدار مواد هوازي اضافه شده.
همانطور كه در جدول ۲ مشاهده مي شود درصد آب جذبي توسط دانه هاي بازيافتي ۴/۷۰ درصد و توسط دانه هاي طبيعي ۰٫۳% است يعني %۴/۴ بين آب جذبي دانه هاي بازيافتي و طبيعي اختلاف است

 

.
دليل اين اختلاف زياد براي درصد جذب آب را مي توان به چسب ملات كهنه كه برروي دانه هاي بازيافتي قرار دارد نسبت داد. يعني وجود اين ملات كهنه برروي اين دانه ها باعث ايجاد جذب بالاي آب دانه هاي بازيافتي گرديده است.
وزن مخصوص:
همانطور كه مي دانيم وزن مخصوص مصالح دانه اي به صورت نسبت وزن به حجم و يا وزن واحد حجم تعريف مي شود. همچنين وزن شن و ماسه نيز بر اساس حالت اشباع با سطح خشك (SSD) تعيين مي شود. به عبارت ديگر فرض بر اين است كه دانه ها نه آبي از مخلوط جذب مي كنند و نه آبي به مخلوط اضافه نمايند. اگر رطوبت شن و ماسه در حالت SSD نباشد، بايد تصحيحات لازم براي وزن شن و ماسه و آب مصرفي صورت گيرد.

در اين آزمايش نيز مصالح در حالت اشباع با سطح خشك هستند. و تعيين وزن مخصوص با فرض SSD بودن مصالح صورت گرفته است (Saturated Surface dry). همانطور كه در جدول ۲ مشاهده مي شود وزن مخصوص دانه هاي بازيافتي ۲/۴ و دانه هاي طبيعي ۲/۶۷ است. كمتر بودن وزن مخصوص دانه هاي بازيافتي را مي توان به نسبت كم چگالي ملات قديمي كه به دانه هاي بازيافتي چسبيده است نسبت داد.

مشخصات بتن RAC تازه:
بتن تازه بتني است كه تازه ساخته شده و داراي خاصيت رواني يا پلاستيسيته است.
كارآيي (Workability):
كارآيي عبارت است از درجه سهولت ريختن و كاركردن با بتن. هرچه ريختن بتن تازه سخت تر باشد كارآيي آن كمتر يا پايين تر است. آزمايش اسلامپ براي تعيين ميزان كارآيي بتن به كار مي رود. بديهي است كه هرچه اسلامپ كمتري انتخاب شود، خواص مطلوب بتن در بتن سخت شده بهتر خواهد شد.

همانطور كه در جدول شماره ۳ مشاهده مي شود كارآيي تمام مخلوطها در جدول مشخص شده است. اين كارآيي توسط آزمايش اسلامپ مشخص شده است. مطابق با ASTMC143.
مخلوطي كه حاوي دانه هاي بازيافتي است در مقايسه با مخلوطي كه حاوي دانه هاي طبيعي است داراي زبري و سختي بيشتري است. براي رسيدن به يك مقدار مساوي اسلامپ در هر دو مخلوط مقدار آب بيشتري را جهت احتياط بايد به مخلوط بتن RAC اضافه كرد (اين آب بايد از نوع F برطبق ASTMC494 بايد باشد.) تا مخلوط بتن RAC كارايي بيشتري مشابه NAC پيدا كند.

به طور كلي كم بودن كارآيي بتن RAC نسبت به بتن NAC را مي توان به جذب بالاي آب توسط ملات قديمي كه به دانه هاي بازيافتي چسبيده است نسبت داد. به همين دليل در ۵ تا ۱۰ دقيقه اول كمبود كارايي، بيشتر به چشم مي خورد.
حجم هوا:
همانطور كه در جدول شماره ۳ مشاهده مي كنيد حجم هواي محبوس شده بتن RAC مقداري بيشتر از بتن NAC است. اين هواي بيشتر را مي توان به دليل وجود فضاي خالي بيشتر در داخل دانه هاي بازيافتي نسبت داد. باز هم يادآوري مي شود كه مخلوطهاي نوع I و II فاقد مواد هوازا در طرح اختلاطشان هستند ولي در مخلوطهاي نوع III همانطور كه اشاره شد به ميزان %۵ مواد هوازا به مخلوط به صورت عمدي اضافه شده است.

مشخصات مكانيكي:
شكل ۲ مقاومت فشاري ۲۸ روزه بتنهاي RAC و NAC را براي هر سه مخلوط مختلف نشان مي دهد. همانطور كه در شكل مشاهده مي شود كاهش نسبت آب به سيمان از ۰٫۴۷ به ۰٫۲۹ باعث افزايش مقاومت فشاري حالت II نسبت به حالت I گرديده است.

(شكل ۲- مقاومت فشاري ۲۸ روزه بتنهاي RAC و NAC براي سه حالت I، II و III)
همانطور كه در شكل ۲- مشاهده مي شود نسبت افزايش مقاومت فشاري از حالت I به II براي بتنهاي RAC و NAC يكي نيست به طوري كه مقاومت فشاري بتن NAC به ميزان ۳۴% افزايش پيدا مي كند،