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 شمارة 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 بارة 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-    رسیدن به مقاومت مورد نظر.

2-    تأمین دوام کافی.

3-    رسیدن به اسلامپ مورد نظر.

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 بارة 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:

1-    ایجاد برکه آب

2-    ایجاد مه (آب پاشی)

3-    استفاده از پوششهای خیس نظیر گونی

4-    استفاده از کاغذهای نفوذناپذیر

5-    استفاده از پوششهای نایلونی

6-    استفاده از مواد محافظ

7-    قالبهای در جا نگهداشته شده

ب) روشهایی که با ایجاد حرارت زیاد همراه با رطوبت کافی، گیرش بتن را تسریع می کند:

1-    استفاده از جریان بخار آب.

2-    استفاده از بخار آب همراه با فشار.

نتایج:

مشخصات مصالح دانه ای بازیافتی:

دانه بندی دانه های بازیافتی:

دانه بندی دانه های بازیافتی که در محدودة مجاز از لحاظ ابعاد قرار دارند برای دانه بندی خاصی که توسط ASTMC33 مشخص می شود در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 1- نمودار محدودة مجاز دانه های درشت در بتن بازیافتی برطبق ASTM

برای مشخص کردن بهترین ترکیب دانه بندی به این ترتیب عمل می کنیم که از میان نقاط موجود در شکل 1 یک نقطه را انتخاب کرده که بهترین شرایط     دانه بندی را داشته و با شرایط ASTM نیز مطابق باشد. این کار چندان مشکلی نیست.

شکل و بافت:

دانه های بازیافتی دارای لبه های معین و زاویه دار در شکل هستند بطوری که نتیجه این مطلب یک نسبت سطح به حجم بالایی می شود.

به دلیل وجود چسب ملات قدیمی در سطح دانه های بازیافتی بافت سطح این دانه ها ناصاف و دارای خلل و فرج است. آزمایش فیزیکی برای سنجیدن زاویه داری دانه های بازیافتی صورت نگرفته است. ولی به صورت چشمی و دیداری رده بندی می شود که دانه های بازیافتی در سطح دارای 100% شکستگی هستند.

جذب (Absorption):

جذب آب دانه های طبیعی و بازیافتی به وسیله ASTMC128 معین می شود و در جدول 2 نیز نشان داده شده است.

جدول 2- مشخصات دانه های طبیعی و بازیافتی.

جدول 3- اسلامپ و مقدار مواد هوازی اضافه شده.

همانطور که در جدول 2 مشاهده می شود درصد آب جذبی توسط دانه های بازیافتی 4/70 درصد و توسط دانه های طبیعی 0.3% است یعنی %4/4 بین آب جذبی دانه های بازیافتی و طبیعی اختلاف است.

دلیل این اختلاف زیاد برای درصد جذب آب را می توان به چسب ملات کهنه که برروی دانه های بازیافتی قرار دارد نسبت داد. یعنی وجود این ملات کهنه برروی این دانه ها باعث ایجاد جذب بالای آب دانه های بازیافتی گردیده است.

وزن مخصوص:

همانطور که می دانیم وزن مخصوص مصالح دانه ای به صورت نسبت وزن به حجم  و یا وزن واحد حجم تعریف می شود. همچنین وزن شن و ماسه نیز بر اساس حالت اشباع با سطح خشک (SSD) تعیین می شود. به عبارت دیگر فرض بر این است که دانه ها نه آبی از مخلوط جذب می کنند و نه آبی به مخلوط اضافه نمایند. اگر رطوبت شن و ماسه در حالت SSD نباشد، باید تصحیحات لازم برای وزن شن و ماسه و آب مصرفی صورت گیرد.

در این آزمایش نیز مصالح در حالت اشباع با سطح خشک هستند. و تعیین وزن مخصوص با فرض SSD بودن مصالح صورت گرفته است (Saturated Surface dry). همانطور که در جدول 2 مشاهده می شود وزن مخصوص دانه های بازیافتی 2/4 و دانه های طبیعی 2/67 است. کمتر بودن وزن مخصوص دانه های بازیافتی را می توان به نسبت کم چگالی ملات قدیمی که به دانه های بازیافتی چسبیده است نسبت داد.

مشخصات بتن RAC تازه:

بتن تازه بتنی است که تازه ساخته شده و دارای خاصیت روانی یا پلاستیسیته است.

کارآیی (Workability):

کارآیی عبارت است از درجه سهولت ریختن و کارکردن با بتن. هرچه ریختن بتن تازه سخت تر باشد کارآیی آن کمتر یا پایین تر است. آزمایش اسلامپ برای تعیین میزان کارآیی بتن به کار می رود. بدیهی است که هرچه اسلامپ کمتری انتخاب شود، خواص مطلوب بتن در بتن سخت شده بهتر خواهد شد.

همانطور که در جدول شماره 3 مشاهده می شود کارآیی تمام مخلوطها در جدول مشخص شده است. این کارآیی توسط آزمایش اسلامپ مشخص شده است. مطابق با ASTMC143.

مخلوطی که حاوی دانه های بازیافتی است در مقایسه با مخلوطی که حاوی دانه های طبیعی است دارای زبری و سختی بیشتری است. برای رسیدن به یک مقدار مساوی اسلامپ در هر دو مخلوط مقدار آب بیشتری را جهت احتیاط باید به مخلوط بتن RAC اضافه کرد (این آب باید از نوع F برطبق ASTMC494 باید باشد.) تا مخلوط بتن RAC کارایی بیشتری مشابه NAC پیدا کند.

به طور کلی کم بودن کارآیی بتن RAC نسبت به بتن NAC را می توان به جذب بالای آب توسط ملات قدیمی که به دانه های بازیافتی چسبیده است نسبت داد. به همین دلیل در 5 تا 10 دقیقه اول کمبود کارایی، بیشتر به چشم می خورد.

حجم هوا:

همانطور که در جدول شماره 3 مشاهده می کنید حجم هوای محبوس شده بتن RAC مقداری بیشتر از بتن NAC است. این هوای بیشتر را می توان به دلیل وجود فضای خالی بیشتر در داخل دانه های بازیافتی نسبت داد. باز هم یادآوری می شود که مخلوطهای نوع I و II فاقد مواد هوازا در طرح اختلاطشان هستند ولی در مخلوطهای نوع III همانطور که اشاره شد به میزان %5 مواد هوازا به مخلوط به صورت عمدی اضافه شده است.

مشخصات مکانیکی:

شکل 2 مقاومت فشاری 28 روزه بتنهای RAC و NAC را برای هر سه مخلوط مختلف نشان می دهد. همانطور که در شکل مشاهده می شود کاهش نسبت آب به سیمان  از 0.47 به 0.29 باعث افزایش مقاومت فشاری حالت II نسبت به حالت I گردیده است.

(شکل 2- مقاومت فشاری 28 روزه بتنهای RAC و NAC برای سه حالت I، II و III)

همانطور که در شکل 2- مشاهده می شود نسبت افزایش مقاومت فشاری از حالت I به II برای بتنهای RAC و NAC یکی نیست به طوری که مقاومت فشاری بتن NAC به میزان 34% افزایش پیدا می کند، یعنی از مقدار 38/1 به 51/2 مگاپاسکال (5523-7416Psi) افزایش پیدا می کند ولی مقاومت فشاری بتن RAC به میزان %14 افزایش دارد. یعنی از مقدار 38/1 به 44/2 مگاپاسکال (5635-6575Psi) افزایش می یابد.

دلیل افزایش کمتر مقاومت فشاری از حالت I به II در بتن RAC را می توان به مقاومت فشاری بتن اصلی (بتنی که دانه های بتن RAC از آن مشتق شده است.) نسبت داد.

به طوری که مقاومت فشاری بتن اصلی 35 مگاپاسکال (5000Psi) است در صورتی که مقاومت فشاری مورد نیاز طراحی برای بتنهای RAC و 48MpaNAC (7000Psi) است.

نتیجه ای که وجود دارد این است که گسیختگی بتن RAC ممکن است به دلیل استفاده از دانه های بازیافتی باشد یعنی گسیختگی از دانه های بازیافتی آغاز می گردد درحالی که دلیل اصلی گسیختگی بتن NAC ممکن است چسب سیمان بتن باشد یعنی گسیختگی از چسب سیمان بتن آغاز می گردد. دلیل اصلی مطالب فوق بر پایه مشاهدات دیداری است.

بتن RAC گسیخته می شود وقتی که ترکها عبور می کنند از میان دانه های بازیافتی و آنها را در طول با ملات شکاف می دهند. از طرف دیگر بتن طبیعی (NAC) گسیخته می شود وقتی که ترکهای ایجاد شده از میان چسب ملاط عبور کنند و دانه های بتن (NAC) را در بر بگیرند که این امر سبب گسیخته شدن چسبندگی بین دانه ها گشته و نمونه گسیخته می شود. بنابراین، دانه های بازیافتی که از بتن اصلی (Original Concrete) مشتق می شوند ممکن است که از سنگ آهک خرد شده ضعیف تر عمل کنند. نتیجه اینکه یک تأثیر معکوس برروی عملکرد دوام بتن RAC در مقایسه با بتن NAC به وجود می آید. مشخصات دیگر مانند مدول الاستیسیته و مدول گسیختگی در شکلهای 3 و 4 نمایش داده شده اند که همان روال قبلی را طی کرده اند.

همانطور که قبلاً ذکر شد تفاوت حالت I و حالت II در حدود %5 مواد هوازا در طرح اختلاط با حالت III است. همانطور که در شکل 2 ملاحظه می شود حالت III نسبت به حالت I بترتیب برای بتن های NAC ، RAC، 25 و 23 درصد کاهش مقاومت داریم یعنی به ازای هر یک درصد مواد هوازا در طرح اختلاط 4 تا %5 کاهش مقامت برای بتن ایجاد می شود.

(شکل 3- مدول الاستیسیته 28 روزه بتن های RAC و NAC برای سه حالت.)

مقاومت در برابر ذوب شدن و یخ زدن (Resistance to freezing and thawing)

مدول دینامیکی نسبی:

مدول دینامیکی الاستیک برای تخمین زدن مقاومت بتن در مقابل یخبندان به کار می رود. دلیل استفاده از مدول دینامیکی الاستیک به خاطر تخریب نکردن  نمونه های ماست. یعنی بدون اینکه باعث تخریب نمونه های بتنی شود مقاومت نمونه ها را برای ما تعیین می کند.

گوناگونی در مقدار مدول دینامیکی در تمام مدتی که سیکلهای ذوب شدن و یخ زدن اعمال می شود یک شرایط خوبی را از گوناگونی در مقاومت نمونه های بتنی تهیه می کند. گوناگونی مقاومت در هر تکرار سیکل درجه مقاومت بتن در برابر ذوب شدن و یخ زدن را منعکس می کند.

(شکل 4- مدول گسیختگی 28 روزه بتنهای RAC و NAC)

مدول دینامیکی نسبی الاستیکی (RDM) تعریف می شود مطابق ASTMC215 و از روابط زیر محاسبه می شود:

(1)                                                                 

را این رابطه:

RDM= مدول دینامیکی نسبی الاستیکی بعد از گذشت C سیکل ذوب شدن و یخ زدن به درصد.

C= تعداد تکرارها در طول آزمایش.

= فرکانس عرضی اصلی بعد از گذشت C سیکل ذوب شدن و یخ زدن.

= فرکانس عرضی اصلی در زمانی که هیچ سیکل ذوب شدن و یخ زدن نداشته باشیم (Hertz)

در جدول 4 مقدار RDM برای سه حالت بیان شده وجود دارد. برای حالت 1 که در شکلهای 5 و 6 نشان داده شده است، همانطور که مشاهده می کنیم برای بتن طبیعی پس از گذشت 36 سیکل مقدار RDM به %33 مقدار اولیه خود می رسد. درحالی که برای بتن بازیافتی پس از 72 سیکل مقدار RDM به %45 مقدار اولیه خود می رسد. (مقدار اولیه صفر است.)

وجود یک مقدار مهمی از آب منجمد در داخل لوله های موئین که در چسب سیمان وجود دارد یک فشار داخلی را در بتن به وجود می آورد. این فشار به دلیل منبسط شدن آب در اثر انجماد است. وجود این فشار باعث ایجاد خسارت به نمونه بتنی می شود و می تواند موجب کوتاهی زمان بقا و پایداری برای هر دو نوع بتن RAC و NAC گردد.

(جدول 4- مقدار RDM به درصد برای سه حالت بتنهای RAC و NAC)

(شکل 5- نمودار RDM برای سه حالت متفاوت بین RAC)

(شکل 6- نمودار RDM برای سه حالت متفاوت بین NAC)

برای حالت II که در شکلهای 5 و 6 نشان داده شده اند بتن NAC حتی پس از گذشت 300 سیکل ذوب شدن و یخ زدن سالم است و هیچگونه افت در میزان RDM ندارند. در حالی که بتن RAC پس از گذشت 100 بار تکرار ذوب شدن و یخ زدن دچار کاهش در میزان RDM می شود. در حقیقت بتن RAC دچار گسیختگی می شود وقتی 252 بار ذوب شدن و یخ زدن تکرار شود، زیرا RDM به میزان 60% مقدار اولیه کاهش می یابد.

دلیل بهتر شدن مقاومت بتن در برابر ذوب شدن و یخ زدن در مورد II نسبت به مورد (حالت) I در این است که نسبت آب به سیمان در این حالت (حالت II) کاهش یافته و همین امر باعث کاهش میزان لوله های موئین و فضاهای خالی در بتن NAC گردیده است. کاهش میزان لوله های موئین در بتن NAC باعث کاهش میزان آب منجمد در بتن می گردد که این مسئله نیز باعث می شود که تنش های فشاری در بتن که به دلیل یخ زدن آب ایجاد می شود کاهش یابد.

در بارة بتن RAC همانطور که در شکل مشاهده می شود کاهش نسبت آب به سیمان (Water Cement Ratio) از 0.47 به 0.29 ظاهراً یک مقاومت کامل در برابر یخ زدن عرضه نمی کند، هرچند که عملکرد دوام بتن افزایش می یابد.

دلیل اینکه بتن با دانه های بازیافتی (RAC) در حالت II نمی تواند یک مقاومت کامل در برابر سیکلهای ذوب شدن و یخ زدن داشته باشد (مانند بتن NAC)، می توان به وجود مقادیر قابل توجهی از آب منجمد که در لوله های موئینی که در چسب سیمان قرار دارد نسبت داد. این لوله های موئین در بتن RAC حالت II کاملاً اصلاح نشده است یا به اندازه ای افزایش نیافته که باعث بالا رفتن مقاومت بتن RAC در برابر ذوب شدن و یخ زدن بشود.

دلیل دیگری که می توان بیان کرد این است که همانطور که بیان شد بتن RAC به دلیل داشتن خلل و فرج در داخل دانه های بازیافتی آب بیشتری جذب می کند بنابراین واضح است که جذب آب بیشتر توسط این بتن  و یخ زدن آب می تواند فشار داخلی بیشتری را در داخل بتن RAC ایجاد کند.

وجود فشار داخلی در داخل بتن بازیافتی (RAC) می تواند موجب عوارضی برای بتن گردد، ازجمله این عوارض این است که فشار داخلی باعث می شود که مقاومت کششی (Tensile Strength) دانه های بازیافتی به حد نهایی خود برسد و بتن گسیخته شود. دیگر عاملی که ممکن است اتفاق بیفتد این است که فشار داخلی بتن باعث شود مقداری از آب بتن که در ترکیب شرکت دارد و دور چسب سیمان را احاطه کرده است از بتن خارج گشته و باعث خسارت زدن به بتن می شود و یا یک ترکیبی از همه اینها (همه این مکانیزمها) ممکن است ایجاد شود که باعث زوال سریع بتن RAC گردد.

برای حالت III همانطور که در شکلهای 5 و 6 مشاهده می شود هر دو نوع بتن مورد بررسی (بتن طبیعی و بتن بازیافتی)‌ در برابر بیش از 300 سیکل ذوب شدن و یخ زدن پایدار هستند و مقاومت می کنند. این افزایش مقاومت در برابر ذوب شدن یخ زدن را فقط می توان به حبابهای هوای درون بتن نسبت داد. در واقع حبابهای هوا ضمن آنکه نفوذ آب در بتن را محدود می کند، اگر چنانچه آب به مقدار کمی نفوذ کرد و یخ زد، این حفره های کوچک هوا افزایش حجم ناشی از یخ زدن را جبران کرده و مانع خرابی بتن می شوند.

تغییرات وزن:

تغییرات وزن نمونه بتنی در تمام طول سیکلهای ذوب شدن و یخ زدن یکی دیگر از حالتهایی است که باعث فساد و زوال نمونه بتنی می گردد.

تغییر وزن باعث به وجود آمدن این طرز تفکر می شود که یک مقداری از رطوبت جذب می شود به دلیل ترکهایی که در نمونه بتنی در اثر انبساط چسب سیمان به وجود می آید.

تغییر وزن در اثر سیکلهای ذوب شدن و یخ زدن از رابطه زیر بدست می آید:

در این رابطه:

= تغییر وزن نمونه پس از C بار تکرار عملیات ذوب شدن و یخ زدن.

= وزن نمونه در ابتدای آزمایش، g

= وزن نمونه پس از C بار تکرار عملیات ذوب شدن و یخ زدن، g.

به عنوان مثال اگر 10= و 1/10= کیلوگرم باشد تغییر وزن به صورت زیر بدست می آید:

در واقع برای این مثال %1 نمونه تغییر وزن داشته است.

جدول 5 تغییرات وزن نمونه های بتنی را برای حالتهای I، II و III نمایش می دهد.

(جدول 5- درصد تغییرات وزن برای نمونه های بتنی NAC و RAC)

(شکل 7- درصد تغییرات وزن بتن RAC)

(شکل 8- درصد تغییرات وزن بتن NAC)

همانطور که در شکلهای 7 و 8 ملاحظه می شود برای حالت I (base mixture) هرچه که تعداد سیکلهای آزمایش ما بالا رود تغییرات وزن بتن NAC و RAC نیز افزایش می یابد. این افزایش برای بتن NAC (افزایش تغییرات وزن) با سرعت بیشتری نسبت به بتن RAC صورت می گیرد (مطابق شکل)، این مطلب دلالت بر این نکته دارد که بتن NAC آب بیشتری جذب می کند. روند افزایش تغییرات وزن باعث فساد بتن RAC و یا NAC می شود و همانطور که دیدیم روند کاهش RDM در طول سیکلهای اعمالی باعث فساد بتن می شود، حال اگر به شکلهای 5 و 6 نگاه کنیم می‌بینیم که روند فساد بتن با کاهش RDM در بتن NAC با سرعت بیشتری صورت می‌گیرد همین مطلب برای تغییرات وزن نیز مشاهده شد یعنی افزایش تغییرات وزن بتن NAC با سرعت بیشتری نسبت به بتن RAC صورت می گرفت، و در نتیجه بتن NAC در حالت I زودتر از بتن RAC دچار فساد و زوال می شود. برای حالت II که در شکل 8 مشاهده می شود بتن طبیعی (NAC) در سرتاسر دوره آزمایشی در حدود 0.2% تغییر وزن دارد. همینطور سرعت افزایش نسبت وزن در این حالت بسیار با کندی صورت می‌پذیرد و این نشان می دهد که قابلیت نفوذپذیری و جذب آب توسط بتن کاهش پیدا کرده است، دلیل این کاهش یافتن این است که نسبت  (آب به سیمان) کاهش پیدا کرده است و همین قابلیت جذب آب توسط دنه‌های طبیعی نیز کاهش پیدا کرده است و همچنین قابلیت جذب آب توسط دانه های طبیعی نیز کاهش پیدا کرده است.

جذب آب در حالت II (Case II) برای بتن طبیعی تأثیر منفی بر مقاومت در برابر ذوب شدن و یخ زدن ندارد و شاید به فرایند هیدراسیون چسب سیمان نیز کمک کند. زیرا تغییر وزن تا حدود 100 سیکل ذوب شدن و یخ زدن پایدار باقی می ماند.

از طرف دیگر برای بتن بازیافتی همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است افزایش وزن به صورت سریع در طول دوره آزمایش انجام می گیرد، و این مطلب از جذب بالای آب توسط اجزای بتن خبر می دهد. افزایش وزن به طور متداوم برای بتن بازیافتی (RAC) کاهش میزان RDM را به دنبال خواهد داشت. در حقیقت یک ارتباط معکوس بین تغییرات وزن با RDM وجود دارد یعنی با افزایش وزن. RDM کاهش پیدا می کند. برای حالت III (Case III)، همان طور که مشاهده می شود (شکلهای 7 و 8) افزایش وزن یک روند بسیار آرام را دارد و این روند برای هر دو بتن (RAC وNAC) صادق و این مقاومت بالای این بتنها را در برابر جذب رطوبت نشان می دهد.

فاکتور دوام – (Durability Factor):

فاکتور دوام از رابطه زیر بدست می آید:

در این رابطه:

DF: فاکتور دوام نمونه های مورد آزمایش.

P: مدول دینامیکی نسبی الاستیسیتی پس از N سیکل به درصد.

N: تعداد سیکلهایی که P به یک مقدار مینیمم مشخص برای متوقف کردن آزمایش برسد، یا تعداد سیکلهای مشخصی که در معرض خاتمه پیدا کردن است؛ هرچند اندک باشد.

M: تعداد سیکلهای مشخصی که در معرض خاتمه پیدا کردن است.

عملکرد دوام برای هر دو بتن (بازیافتی و طبیعی) در جدول 6 و تصویر 9 نشان داده شده است. برای حالت I (base mixture) واضح است که عملکرد دوام برای هر دو نوع بتن بسیار پایین است. نتیجه اینکه دوام هر دو بتن برای حالت I ضعیف است. بالا بودن DF (فاکتور دوام) بتن بازیافتی ممکن است که به کمتر بودن آب در لوله های موئین موجود در چسب سیمان نسبت داده شود. پس نتیجه گرفته می شود که به طور طبیعی دانه های بازیافتی قابلیت جذب بالایی دارند، که باعث فشار هیدرولیکی کم در RAC می شود. با این همه می توان نتیجه گرفت که آزمایش نمونه تحت شرایط نسبت  بالا و استفاده نکردن از مواد هوازا باعث می شود که بتن در برابر یخبندان دوان نداشته باشد و مقاومت نمی کند و باید تدابیر دیگری برای بالا بردن مقاومت انجام داد.

برای حالت II برای بتن NAC مقدار DF، %100 است، پس در برابر یخبندان کاملاً مقاوم است، درحالی که مقدار عملکرد دوام بتن RAC در حدود %24 است و این مقدار نشان دهنده دوام پایین بتن RAC برای حالت II است. می توان نتیجه گرفت که کم کردن نسبت آب به سیمان عامل مهمی است برای بالا بردن عملکرد دوام بتن NAC به طوری این بتن می تواند به طور کامل در برابر سیکلهای ذوب شدن و یخ زدن مقاومت کند.

در حالی که در بتن RAC کم کردن نسبت  برای بالا بردن دوام بتن بصورت مطلوب کافی نیست، البته مقدار مقدار دوام را بالا می برد ولی نه بطور کامل و مطلوب. دلیل این امر را می توان اینگونه بیان کرد که در بتن NAC و RAC تمام موارد در طرح اختلاط مشابه هستند به جز نوع دانه ها و و زبری آنها، دانه های بازیافتی باعث تأثیر معکوس و منفی در روند بالا رفتن دوام بتن RAC می گردد.

شکل 9- فاکتور دوام برای بتن RAC و NAC

جدول 6- فاکتور دوام برای سه حالت I، II و III در بتن RAC و NAC

برای حالت III (Case III)، هر دو بتن دارای رفتار بسیار عالی هستند (DF=100) بنابراین این مطلب روشن است که هوادار کردن بتن با مواد هوازا تأثیری که برروی دوام بتن بازیافتی دارد همان تأثیر را نیز برای بتن طبیعی دارا می باشد، و بتن بازیافتی (RAC) بدون مواد هوازا دارای عملکرد دوام پایینی می باشد و بدون مواد هوازا بتن بازیافتی مسلماً بدون ارزش است.

بخش آخر – نتیجه گیری کلی:

نتایج گرفته شده از مطالعه مطالب بالا به این شرح است:

1-    نتایج تهیه دانه بندی خوب برای دانه های بازیافتی در آزمایشگاه که مطابق ASTM تصریح و مشخص شده را بصورت عملی انجام می دهد. استفاده از شرایط دانه بندی حاضر همچنین یک شرایط دوام پذیر است.

2-    به علت وجود ملات کهنه و قدیمی که به دانه های بازیافتی چسبیده است، مقدار آب جذبی دانه ها بالاتر از دانه های سنگ آهک خرد شده زبر مناسب در حالی که وزن مخصوص آنها کمتر از سنگ آهک خرد شده مناسب است.

3-    نسبت جذب آب بالای دانه های بازیافتی در بتن RAC باعث کاهش مقاومت در برابر ذوب شدن و یخ زدن می شود. دلیل این مطلب اشباع شدن دانه ها در طول آزمایش است. این نتیجه برای تمام آزمایشاتی که روی بتن RAC صورت گرفته صادق است به جز زمانی که مواد هوازا را در طرح اختلاط اضافه می کنیم.

4-    کاهش نسبت آب به سیمان  به یک مقدار معین برای بالا بردن مقاومت بتن NAC در برابر ذوب شدن و یخ زدن سودمند خواهد بود. کاهش نسبت آب به سیمان به 0.29 مقاومت در برابر ذوب شدن و یخ زدن بتن NAC را بشدت بالا می برد.

استفاده از همان نسبت  برای بتن بازیافتی هرچند مفید است ولی یک مقاومت قابل قبول را برای ما ایجاد نمی کند.

5-    استفاده از مواد هوازا برای تولید هوای عمدی در بتن تأثیر بسیار بیشتر نسبت آب به سیمان دارد. (البته برای بتن RAC). نتیجه این آزمایش این می شود که استفاده از مواد هوازا در بتن بازیافتی باعث بالا بردن دوام این بتن به حد قابل قبول و عالی می شود.

بخش دوم

(مقاومت بتن با دانه های بازیافتی ساخته شده از تخریب بتن سازه های قدیمی به عنوان دانه بندی)

آزمایشات صورت گرفته به منظور تعیین مقاومت فشاری، مقاومت کششی شکافنده (Splitting tensile) و مقاومت خمشی بتن با دانه بندی درشت بازیافتی صورت گرفته است. همچنین بتن های بازیافتی را با بتنهای طبیعی حاصل از خرد کردن سنگهای بزرگ به عنوان شن و ماسه مقایسه می کند.

این کارهای آزمایشی به مقایسه مشخصات دانه بندی نیز می پردازد. دانه بندی ریز برای بتن بازیافتی و بتن معمولی دانه بندی است که از %100 ماسه طبیعی تشکیل شده باشد.

برای بتن بازیافتی از دو منبع برای تأمین سنگدانه استفاده می شود که یکی بتن خرد شده پیاده روها از پروژه U.S23 است و دیگر از پروژه 1-75 در میشیگان است. همچنین برای بتن طبیعی از یک منبع استفاده شده است، (سنگ آهک خرد شده). دو اندازه حداکثر (Maximum Size) از دانه بندی، دو سطح از نسبت آب به سیمان، دو سطح زمان اختلاط خشک (dry mixing time) از دانه بندی درشت برای اجرا کردن آزمایش اصلی انتخاب می شود البته برای یک فاکتور طراحی کامل.

نتیجه آزمایش این است که مقاومت بتن با دانه بندی بازیافتی تحت تأثیر فاکتورهای مختلفی قرار دارد که از آن جمله به مقاومت بتن اصلی (Original Concreate)، نسبت دانه بندی درشت به دانه های ریز در بتن اصلی (بتن اصلی بتنی است که دانه های بتن بازیافتی از آن مشتق شده است، البته دانه های درشت)، نسبت بالاترین اندازه دانه بندی در بتن اصلی به نسبت بالاترین اندازه دانه بندی در بتن بازیافتی اشاره کرد. این فاکتورها همچنین تحت تأثیر نتیجه نسبت آب به سیمان، بالاتر بودن اندازه دانه بندی و اختلاط خشک برروی مقاومت مشخصه های بتن با دانه بندی بازیافتی است.

این آزمایشات همچنین نشان می دهد رابطه عادی بین مقاومت کششی شکافنده، مقاومت خمشی و مقاومت فشاری ممکن است اصلاحاتی را برای بتن با دانه بندی بازیافتی داشته باشد.

کاهش منابع مصالح دانه درشت با کیفیت همراه با ملاحظات اقتصادی، زیست محیطی و انرژی، بازسازی و چرخه دوبارة سازه ها و سنگفرشهای بتنی تخریب شده را به عنوان مصالح دانه درشت در ساختارهای بتنی جدید تشویق می کند.