بخشی از مقاله
چکیده
لتریت خاکی با هوازدگی بالا، سرشار از اکسید ثانویه آهن - Fe2O3 - ، آلومینیم - Al2O3 - و یا هر دو و تقریباً فاقد پایه اولیه سیلیکات می باشد که ممکن است شامل مقدار زیادی کوارتز و کائولینیت باشد. ذخایر لتریت در جهان و کشور ما فراوان بوده از جمله در شمال نیجریه و غرب مالزی و همچنین در قسمت های شمال غرب و مناطق مرکزی ایران به وفور یافت می شود.
خواص فیزیکی و شیمیایی لتریت، در کنار دسترسی آسان و ارزان بودن آن باعث شده تا در سال های اخیر تلاش های زیادی جهت استفاده متفاوت از آن در صنعت ساخت و ساز صورت پذیرد. در این میان می توان به کاربردهای آن در روسازی جاده ها و ساخت آجر معمولی اشاره نمود ولی تا کنون تحقیقاتی مبنی بر استفاده از آن به عنوان جایگزین بخشی از سیمان مصرفی در بتن صورت نگرفته است.
در این مقاله بناست تا لتریت به عنوان جایگزین بخشی از سیمان در بتن با نسبت آب به سیمان 0/45 مورد استفاده قرار گرفته و خصوصیات مقاومتی نمونه ساخته شده، مورد ارزیابی واقع گردد. نتایج حاصل بیانگر افزایش مقاومت بتن با 5 درصد لتریت به عنوان جایگزین سیمان نسبت به نمونه شاهد - بدون لتریت - می باشد. شناخت این ماده به عنوان جایگزین بخشی از سیمان مصرفی می تواند گامی موثر در جهت کاهش آلودگی های زیست محیطی، کاهش هزینه های اجرایی و افزایش کیفیت بتن در صنعت ساخت و ساز باشد.
مقدمه
استفاده از بتن به دلایل متعدد ازجمله مقاومت بالا، خاصیت شکل پذیری، سهولت دسترسی و ارزانی آن، در صنعت ساخت و ساز افزایش چشمگیری پیدا کرده است .
از آنجائیکه با افزایش مصرف بتن مصرف سیمان نیز افزایش می یابد و با توجه به اینکه صنعت سیمان یکی از صنایع پرمصرف انرژی بوده و باعث آلودگی محیط زیست می شود، لزوم استفاده از موادی که جایگزین مناسبی برای سیمان باشند را، موجه می سازد
همچنین با استفاده از مواد مضاف و پایین آوردن مقدار کلینکر در سیمان ، می توان به هدف تولید سیمان اقتصادی تر و سازگاری بیشتر با محیط زیست، دست یافت
لتریت
خاک لتریت اساساً محصول هوازدگی مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری میباشد. ترکیب شیمیایی و خصوصیات مورفولوژیکی - ظاهری - خاک لتریت، به درجه هوازدگی سنگ مادر آن بستگی دارد .[6] لتریت از شسته شدن سنگ های مادر رسوبی، دگرگونی و آذرین که شامل آهن و آلومینیوم هستند، تشکیل می شود. شسته شدن، فرآیند حل اسید در شبکه معدنی و هیدرولیز و سپس رسوب اکسیدهای نامحلول و سولفات آهن، آلومینیوم و سیلیس در دمای بالای آب و هوای گرمسیری است.
لتریزاسیون یک فرآیند طولانی هوازدگی شیمیایی است که منجر به تولید انواع گسترده ای در ضخامت، شیمی وکانی شناسی این خاک می گردد .
این خاک غنی از آهن و آلومینیوم می باشد. تمامی انواع آن به علت دارا بودن اکسیدهای آهن قرمز رنگ هستند. خاک لتریت بسیار ارزان می باشد و از این جهت جایگزینی آن به عنوان مصالح ساخت حائز اهمیت است. استخراج لتریت ساده است ولی نیاز به برداشتن لایه های سخت رویی برای رسیدن به لایه های نرم زیرین دارد
تاریخچه استفاده از لتریت یکی از عمده ترین کاربردهای لتریت در ساخت آجر معمولی
می باشد. دلیل اصلی این امر، آنست که لتریت مرطوب پس از قرارگیری در معرض هوا به تدریج خشک شده و نمک های آهن بزرگتر در ساختار آن قفل می شود و درنتیجه در برابر شرایط جوی مقاوم می گردند. نتایج حاصل از بررسی رفتار آجر لتریتی در دمای پایین در برابر فشار تک محوری بیانگر وجود رفتار پلاستیک-الاستیک-پلاستیک در آنها می باشد. کرنش در نقطه تسلیم بین 2 تا 5 درصد است که این مقادیر بالاتر از مقدار کرنش الاستیک بسیاری از سرامیک ها یعنی 0/5 درصد است. این تغییرشکل وقتی آجرها در کنار ملات قرار می گیرند، اصلاح می شود
از دیگر موارد استفاده لتریت می توان به روسازی جاده ها اشاره نمود. در سال 1984 میلادی، ایالات متحده با استفاده از این خاک در مالاوی، 40000 دلار صرفه جویی کرد
در زمینه عملکرد خاک لتریت در روسازی جاده در جنوب شرقی جزیره کوئین و استرالیا تحقیقی صورت گرفته است. این خاک علی رغم اینکه ازنظر توزیع ذرات ریز و خاصیت ارتجاعی و گاهی CBR با نیازهای یک جاده تطابق ندارد اما در خیلی از کشورها به طور موفق استفاده شد. مقاومت برشی بالای لتریت و انقباض حجمی کم آن و از همه مهمتر اقتصادی بودن طرح، استفاده از آن را در ساخت جاده توجیه می کند
نتایج نشان می دهد مشکل لتریت که به عنوان خاک - A-7-6خاک های رس دار متوسط تا بد به عنوان سنگ بستر - طبقه بندی شده است را می توان با افزودن 3 درصد آهک و مشکل خاصیت ارتجاعی آن را برای استفاده در بزرگراه ها با افزودن سیمان پرتلند اصلاح کرد. همچنین ضوابط شکل پذیری با افزودن 2 درصد آهک اصلاح می شود
همچنین از لتریت به عنوان جایگزین شن و ماسه رودخانه ای در ساخت بتن استفاده شده است. یکی از مزایای بارز خاک لتریتی این است که بیش از شن و ماسه رودخانه ای وجود دارد و نگرانی درمورد هزینه های حمل و نقل آن بسیار کم می باشد.
بنابراین اگر خاک لتریتی بتواند به طور موثری با مقاومت نسبتاً بالاتری جایگزین استفاده از شن و ماسه رودخانه ای در بتن شود، هزینه ساختمان ها بطور قابل ملاحظه ای کاهش خواهد یافت. هر چند در تکنولوژی ساختمان های مدرن استفاده از شن و ماسه لتریتی به عنوان جایگزین شن و ماسه رودخانه ای در ساخت بتن بطور گسترده انجام نمی شود که دلیل آن ممکن است تا حدی به عدم اطلاع از کاربرد مصالح و تحقیقات ناکافی بر رفتار بتن لتریتی در برابر مقاومت فشاری بر میگردد.
این امر موجب شده تا تحقیقی در این زمینه در نیجریه صورت پذیرد و از آنجاییکه تفاوت زیادی در مقاومت بدست آمده بین بتن لتریتی و بتن معمولی با شن و ماسه رودخانه ای وجود نداشت درنتیجه لتریت می تواند به عنوان جایگزینی برای شن و ماسه رودخانه ای در ساخت بتن مورد استفاده قرار گیرد
مطالعات آزمایشگاهی مصالح مصرفی
سیمان به کار رفته در ساخت نمونه ها از نوع سیمان پرتلند تیپ دو تولید کارخانه سیمان خاش می باشد
سنگدانه های مورد استفاده در طرح اختلاط، ماسه و شن طبیعی شسته شده می باشد که از معادن شهرستان چابهار تهیه شده است. آب مورد استفاده برای ساخت بتن، آب شرب شهرستان چابهار است که برای ساخت بتن کیفیت و شرایط مطلوب آیین نامه را دارد. فوق روان کننده بکار رفته پلاستیسیت SPC10 ، محصول شرکت همگرایان کپکو، یک فوق روان کننده قوی بر پایه کربوکسیلات می باشد که دارای رنگ قهوه ای روشن بوده و غیر از خاصیت روان کنندگی، خاصیت تاثیرگذار دیگری ندارد و در زمره روان کننده های خنثی محسوب می شود.
میزان استفاده از این فوق روان کننده تا حدی است که بتوان به اسلامپ موردنظر رسید.
لتریت مصرفی در این آزمایش از معدنی در اطراف شهرستان کاشان تهیه شده است. مشخصات شیمیایی لتریت مصرفی - حاصل از آزمایش - XRF در جدول شماره 1 نشان داده شده است. همچنین نتایج آزمایش پراش اشعه ایکس - XRD - برای لتریت مصرفی در شکل 1 نمایش داده شده و پیک کانی های مختلف در آن مشخص شده است.
جدول :1 ترکیبات شیمیایی آنالیز خاک لتریت
شکل :1 پراش اشعه ایکس خاک لتریت استفاده شده در بتن سازی
طرح اختلاط و تهیه نمونه های بتنی
طرح اختلاط بتن فرآیند تعیین نسبت اجزای بتن است، به نحوی که بتن تولید شده تا حد امکان مقرون به صرفه باشد و الزامات موردنیاز را تامین کند. این الزامات معمولاً مقاومت فشاری، کارایی و دوام می باشد .>13] روش های تعیین طرح اختلاط مصالح، جهت ساخت بتن به سه روش نسبت آب به سیمان، روش وزنی و روش حجم مطلق می باشد
روش نسبت آب به سیمان، مبتنی بر سعی و خطا بوده که درصورت عدم دسترسی به اطلاعات کافی در مورد کیفیت و کمیت مصالح بکار می رود . از می اندو روش نسبتاً دقیق وزنی و حجم مطلق، روش حجم مطلق، دقت زیادتری داشته، زیرا نیازی به تخمین هیچ پارامتری در حین محاسبات نبوده، بلکه با استفاده از مقادیر دانسیته مصالح، وزن مصالح مصرفی در واحد حجم بتن تعیین می گردد، درحالیکه در روش وزنی لازم است، مقدار وزن مخصوص بتن حدس زده شده و در محاسبات وارد می شود. در این مقاله از روش وزنی برای تعیین طرح اختلاط مصالح بتن استفاده شده است.
فرضیات زیر با توجه به آیین نامه 1-91،ACI 211 در محاسبه طرح اختلاط بتن درنظر گرفته شده است
- 1 میزان اسلامپ بطور متوسط حدود 90 میلیمتر انتخاب گردید.
- 2 حداکثر اندازه سنگدانه ها به 20 میلیمتر محدود شده است.
- 3 نسبت آب به مواد سیمانی برابر 0/45 انتخاب شده است.
- 4 نسبت درشت دانه - شن - به ریز دانه - ماسه - برابر 30 به 70 درنظر گرفته شده است
- 5 عیار سیمان در بتن 400 کیلوگرم در مترمکعب فرض گردیده است.
نکته مهم در طرح اختلاط این است که در کلیه طرح ها نسبت - W/C - ثابت و برابر 0/45 درنظر گرفته شده است و در مواردی که بناست از لتریت استفاده شود، نسبت مجموع سیمان و لتریت - مواد سیمانی - به آب برابر 0/45 و ثابت خواهد بود یعنی به اندازه وزنی لتریت از میزان سیمان موجود در طرح اختلاط کسر می گردد.
براین اساس لیست طرح اختلاط های موردنظر در جدول شماره 2 آورده شده است.
جدول :2 طرح اختلاط نمونه ها
پس از مشخص شدن مقدار مصالح مختلف در طرح اختلاط بتن با استفاده از یک فرآیند مشخص، مصالح مختلف را با یکدیگر ترکیب نموده و سپس مخلوط حاصل را در بازه های 3 دقیقه ای داخل بتونیرکاملاً ترکیب میکنیم. در مرحله بعد آزمایش اسلامپ طبق استاندارد ASTM C143 بر روی بتن انجام می گیرد .
درصورت مناسب بودن اسلامپ، بتن حاصل را در قالب های مکعبی و استوانه ای استانداردکه از قبل، کاملاً تمیز و روغن کاری شده ریخته می شود. ریختن بتن در سه لایه هم ارتفاع انجام می گیرد که هر لایه با 25 ضربه و چند ضربه چکش پلاستیکی به بدنه قالب متراکم می شود. در هر طرح اختلاط برای هر سن 7 - روزه، 14 روزه و 28 روزه - تعداد 3 نمونه درنظر گرفته شده است. قالب نمونه های ساخته شده پس از طی 24 ساعت باز می گردد و نمونه ها به منظور عمل آوری تا سن موردنظر درون حوضچه های آب شیرین قرار داده میشوند.
آزمایش های انجام شده آزمایش مقاومت فشاری
در این تحقیق، جهت تعیین مقاومت فشاری نمونه ها از آزمایش مقاومت فشاری به روش ASTM C39 استفاده شده است. در این آزمایش، از نمونه های مکعبی 15×15×15 سانتیمتری استفاده شده است. نمونه های مکعبی موردنظر از جهتی که سطح نمونه در تماس با قالب مکعبی می باشد، بین دو صفحه دستگاه بارگذاری قرار داده می شوند. سپس نیروی قائمی با سرعت ثابت توسط دستگاه به نمونه مکعبی اعمال می شود تا مکعب در اثر نیروی فشاری وارده، دچار شکست شود. مقدار تنش فشاری از روی صفحه دیجیتال خوانده و یادداشت می گردد. تعداد نمونه های مکعبی ساخته شده جهت آزمایش مقاومت فشاری، درسنین 7، 14 و 28 روز ، 3 عدد برای هر سن می باشد.
آزمایش مقاومت کششی به روش دو نیم شدن نمونه های استوانه ای در آزمایش مقاومت کششی از 3 نمونه استوانه ای شکل به قطر 10 سانتیمتر و ارتفاع 20 سانتیمتر که به مدت 28 روز در آب شیرین عمل آوری شده است، استفاده گردید. در این آزمایش با اعمال یک نیروی قطری فشاری روی نمونه استوانه ای بتن که به صورت افقی بین دو صفحه دستگاه آزمایش قرار گرفته، مقاومت کششی دو نیم شدن بتن تعیین می گردد. این آزمایش براساس استاندارد ASTM C496 صورت گرفته است
مقاومت کششی دو نیم شدن نمونه های بتنی از رابطه زیر محاسبه می گردد:
که در فرمول فوق:
: T مقاومت کششی دو نیم شدن نمونه
: P بیشترین بار اعمال شده به نمونه : L طول نمونه استوانه ای
: d قطر نمونه استوانه ای
تحلیل و بررسی نتایج آزمایش ها نتایج آزمایش مقاومت فشاری نمونه
پس از شکست نمونه های بتنی ساخته شده با دستگاه جک بتن شکن دیجیتالی در زمان های مشخص، نتایج آزمایشات مقاومت فشاری برای نمونه های ساخته شده تعیین و در شکل های بعدی ارائه شده است.
شکل شماره 2 نتایج را برای طرح های E، F، G و H در سن 7 روز نشان می دهد. با جایگذاری 5 درصد لتریت در بتن مقاومت فشاری نسبت به نمونه شاهد تا حدود %5 در هفت روزه اول، افزایش یافته است ولی اضافه کردن این پوزولان تا10درصد باعث کاهش 13 درصدی مقاومت نمونه نسبت به نمونه شاهد شده است. همچنین با اضافه کردن 20 درصد لتریت، افت مقاومتی در حدود %16 مشاهده می شود.
شکل :2 مقاومت فشاری - بر حسب - MPa نمونه های بتنی در 7 روز
