بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از مصالح محلی در ساخت روسازی بسیار متداول شده است. یکی از این مصالح مورد استفاده سرباره کوره آهن گدازی است که بعنوان محصولات جانبی تولید فولاد می باشد و استفاده از آن در روسازی بتنی مقرون به صرفه است. دوام در روسازی بتنی به عمر مفید آن قبل از آسیبدیدگی تحت شرایط مفروض گفته می شود. ترک خوردگی بتن در معرض دماهای بسیار سرد نظیر یخ زدگی و پدیده ذوب و یخ از جمله موارد قابل توجه در کاهش دوام بتن میباشند. از راهکارهای افزایش دوام بتن دربرابر چرخه ذوب و یخ، استفاده از مواد مکمل است که یکی از آنها سرباره کوره آهن گدازی بصورت جایگزین سنگدانه میباشد.
.1 مقدمه
طراحی روسازی راه با عمر مفید و طولانی تر همواره یکی از جالبترین موضوع های تحقیقاتی بوده است ومطالعات فراوانی در این خصوص صورت گرفته است. دوام عبارت است از، توانایی بتن به پایداری در مقابله با شرایط محیطی که با آنها مواجه می شود. بسته به کاربرد و محیطی که بتن در آن مورد استفاده قرار میگیرد، برخی معتقدند که دوام بتن، معیاری مهمتر از معیار مقاومت است. بر همین اساس شناخت عوامل مخرب بتن، بررسی مکانیزم خرابی و یافتن راه حل های مقابله با این خرابی ها حائز اهمیت می باشد. یکی از مهمترین عوامل محیطی که خسارات جبران ناپذیری را به روسازی های بتنی وارد می آورد، سیکل های ذوب و یخ می باشند.
دوام روسازی بتنی شامل مقاومت در برابر ترک خوردگی داخلی و خارجی ناشی از آب انداختگی، مقاومت در برابر تنشهای حرارتی و خستگی، مقاومت در برابر تخریب ناشی از چرخه های ذوب و یخ، مقاومت در برابر حمله ی مواد شیمیایی زیان آور مانند اسیدها، نمک های یخ زدا و سولفاتها و مقاومت در برابر اثرات واکنش قلیایی سنگدانه ها و کربناتاسیون می باشند. با توجه به اهمیت دوام در روسازی ها، تحقیقات گسترده ای در خصوص هرکدام انجام گرفته که در این مقاله به بررسی فرایند یخبندان، و راهکارهای افزایش دوام روسازی های بتنی تحت سیکل های ذوب و یخ پرداخته شده است 1]و.[2
چندین متغیر در طراحی مخلوط بتن وجود دارد که بر مقاومت بتن در برابر فروپاشی آن در شرایط انجماد و ذوب تاثیرگذار است. این عوامل عبارتند از: نسبت آب به سیمان، خصوصیات سنگدانه، افزودنی ها، فاکتور فضای خالی هوا و دوره عمل آوری[4] عوامل خارجی هم در کنار خصوصیات بتن نقشی را در نرخ فروپاشی ایفا می نمایند. نرخ ذوب و یخ، مدت دوره انجماد و دمای انجماد همگی تاثیری خارجی بر دوام دارند. ]6[
از جمله راهکارهای افزایش دوام بتن در برابر سیکل های ذوب و یخ میتوان به موارد زیر اشاره کرد: کاهش اشباع شدگی: برای جلوگیری از به وقوع پیوستن ترک موازی لبه در مناطقی که تحت چرخه های ذوب یخ قرار می گیرند، یکی ازفاکتورهایی که منجر به خرابی ترک موازی لبه می شود باید به حداقل رسیده یا حذف شود. یا سنگدانه های درشت خوب مورد استفاده قرارگیرد و یا اگر آنها در دسترس نمی باشند، نباید اجازه داد که بتن از رطوبت اشباع شود. زهکشی خوب و موثر روسازی نیز با جلوگیری از اینکه بتن از آب اشباع شود به کاهش ترک موازی لبه کمک خواهد کرد. [5]
ترکیب شن و ماسه: سنگدانه های درشت و بادوام اغلب در مناطق حساس به مشکلات ذوب - یخ در دسترس نیستند. بنابراین برای افزایش دوام سنگدانه ها راه حل های بسیاری مورد آزمایش قرار گرفته است. با کاهش اندازه سنگدانه های درشت، صدمه ناشی از ذوب -انجماد تا اندازه ای به تعویق می افتد. یک مطالعه انجام شده توسط سیندر و جانس در 1999 نشان داد که با ترکیب سنگدانه های درشت با سنگدانه های ضعیف، می توان دوام روسازی را افزایش داد. ترکیب پنجاه درصد از سنگدانه های ضعیف و پنجاه درصد با کیفیت خوب بالاترین درصد از شن و ماسه ضعیف بوده که باعث بهبود و دوام در نمونه ها شده است. [5]
تعمیر سطح: روشهای زیادی وجود دارد که در آن سعی شده سنگدانه های ضعیف تحت آزمایش انجماد، بهتر عمل کرده و بتوان از آنها در ساخت بتن استفاده کرد. ترمیم سطح سنگدانه ها با موادی متشکل از silanes و siloxanes برای روسازی بزرگراهها بکار برده شده که از اشباع شدن بتن جلوگیری مینماید. به نظر می رسد با کمک این ترمیم های آب گریز، منافذ بتن خطی شده، آب را از منافذ بیرون می راند.
این روش مقدار آبی که باعث اشباع بتن شده است را کاهش می دهد، اما مانع ورود بخار آب به بتن نمی شود. بنابراین با توجه به اینکه اجازه عبور بخار آب را می دهد، بتن بطور طبیعی خشک میشود. از جمله نتایج مثبت این روش می توان ملاحظه کرد بتن دارای مواد ترمیمی بسیار دیرتر از بتن عادی به حالت اشباع بحرانی می رسد . [6] لازم به ذکر است که روسازی های بتنی در سطح جاده ها هنوز می توانند از زیر به طرف بالا اشباع شوند .[6]
مواد سیمانی مکمل: مواد سیمانی مکمل - Supplementary Cementing Materials - یک جایگزین محیط زیست دوست برای قسمتی از سیمان مورد استفاده در بتن است. خاکستر بادی، سرباره ها و فوم سیلیکا مثال هایی از انواع SCM هستند که بطور معمول مورد استفاده قرار می گیرند و از محصولات جانبی صنایع می باشند 7] و[8 استفاده از SCM در بتن علاوه بر کاهش قیمت و اثار مثبت محیط زیستی، مزایای متعدد دیگری از جمله افزایش کارایی، دوام و مقاومت بلند مدت را به همراه دارد. در این تحقیق از روش جایگزینی مصالح درشت دانه با سرباره ها برای بهبود دوام بتن استفاده شده است.
.2 بتن سرباره ای
سرباره محصول جانبی تولید آهن یا فولاد است که در فرایند جداسازی ناخالصی ها از سنگ آهن یا آهن ضایعاتی تولید میشود. سرباره دارای مقاومت سایشی زیاد و وزن مخصوص بالاست و بدلیل داشتن سطح ناهموار دانه ها قابلیت چسبندگی زیاد به سیمان دارد. همچنین بدلیل مقاومت فشاری بالاتر دانه ها، معمولا بتن تهیه شده از سرباره مقاومت بیشتری دارد هرچند این امر کاملا بستگی به مشخصات دانه ها، نحوه تولید آهن و فرایند سرد شدن و جداسازی سرباره دارد. سرباره دارای تخلخل بیشتری نسبت به دانه های سنگ طبیعی است با این حال قابلیت جذب آب این مواد کم تر است و این امر باعث افزایش مقاومت و دوام بتن ساخته شده با دانه های سرباره ای میشود.
از کاربردهای دانه های سرباره ای میتوان به استفاده از آن در آسفالت داغ بدلیل مقاومت اصطکاکی بالا و شکل مکعبی این مصالح، تهیه روکش آسفالتی با سطح زبرتر، آسفالت رنگی، تولید سیمان، اجرای زیراساس جاده ها بدلیل مقاومت بالا و اجرای زهکش بدلیل تخلخل زیاد را نام برد . [9] آریباس و همکاران در سال 2014 دوام این بتن ها با سرباره سنگدانه ای و مقاومت آنها را در هر دو حالت خرابی های فیزیکی - یخ زدن و آب شدن, دمای بالا و رطوبت نسبی - و شیمیایی - حمله سولفاتی، عکس العمل های قلیایی و محیط های دریایی - مورد آزمایش قرار دادند.
در حالت کلی رفتار بتن های دارای سنگدانه های سرباره ای، مشابه و حتی بهتر از بتن با سنگدانه های طبیعی است، به جز در شرایطی که در معرض محیط های دریایی و یا آب دریا باشد که در این موارد نفوذ بیشتر کلراید را به همراه دارد. این تحقیق همچنین اثبات کننده همزیستی بتن های مسلح فولادی و سنگدانه های سرباره ای می باشد . [9] محققان جایگزینی %75 ,%50 ,%25 و %100 مقادیر سرباره و علاوه بر آن استفاده از افزودنی های هوازا را آزمایش کرده است. این بتن ها نمایانگر ویژگی های مکانیکی مشابهی با بتن با سنگدانه های طبیعی و رفتار قابل قبول در مقابل حمله های محیطی هستند. در بتن سرباره ای، دوام در برابر سولفات ها اندکی کمتر بوده و خلل و فرج سنگدانه های سرباره ای بر روی مقاومت آن در برابر چرخه های ذوب و یخ موثر است و باعث افزایش دوام در برابر چرخه های ذوب و یخ است . [9]
از طرف دیگر دوام در برابر چرخه های ذوب و یخ بهتر از بقیه قطعات تولید شده با سنگدانه های بازیافتی است. علاوه بر آن سرباره بیشتر از 50 درصد دوام بتن را در شرایط یخ زدن کاهش نمی دهد همچنین با جایگزینی 100 درصد درشت دانه و %50 ریزدانه نیز مقاومت خوبی در برابر چرخه های ذوب و یخ نشان می دهد . [9] از لحاظ افزایش مقاومت یا افت درونی تحت چرخه ذوب و یخ نمونه های بتن سرباره ای نسبت به بتن های آهکی دارای رفتار بهتری می باشند. بتن های آهکی مقاومت خود را از دست می دهند ولی مقاومت بتن سرباره ای به انداره کمی افزایش می یابد. این پیشرفت نشان دهنده این واقعیت است که از دست رفتن چسبندگی بین سنگدانه ها و ماتریس وجود ندارد و خرابی مشاهده شده، در بتن اطراف سنگدانه ها می باشد . [9]
.3 مواد و مصالح مصرفی
در بتن سرباره ای نیز از سرباره کوره قوس الکتریکی کارخانه فولاد مبارکه استفاده شده که شرکت ریوا تحقیق سپاهان با انجام عملیات جداسازی محصولی تحت نام RT S201 تولید نموده که به عنوان شن سرباره ای نخودی - 5-12 mm - در این تحقیق بکار رفته که ترکیبات آن در جدول 1 آمده است.
