عنوان ارائه: آشنایی با مشخصات بتن با پت
1
1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………….. (3) 2-تعریف…………………………………………………………………………………………………………………………… (4) 3- بتن سبز………………………………………………………………………………………………………………………. (5)
3-3- راهکارهای تولید بتن سبز……………………………………………………………………………………… (6) 4- پلیمر…………………………………………………………………………………………………………………………. (12)
4-4- انواع پلیمر…………………………………………………………………………………………………………….. (16)
5- پلیمر در بتن…………………………………………………………………………………………………………….. (17)
1-5- پت………………………………………………………………………………………………………………………… (18)
2-5- مزایا………………………………………………………………………………………………………………………. (19)
3-5- کاربردها ………………………………………………………………………………………………………………. (20)
6- نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………… (35)
7- منابع ………………………………………………………………………………………………………………………… (39)
فهرست
2
1. مقدمه
در عصری که با بحران انرژی و آلودگیهای زیست محیطی روبرو هستیم توسعه پایدار یکی از اهداف و ارکان اصلی رسیدن به جهانی بدون آلودگیهای زیست محیطی و بدون تخریب منابع طبیعی است. رعایت و حفظ اصول توسعه پایدار برای تمامی انسانها ضروری است و این قائده برای مهندسین نیز مستثنی نمی باشد. در صنعت ساختوساز، بتن یکی از پرکاربردترین مصالح است و ماده اصلی تشکیلدهنده آن یعنی سیمان برای تولید، مقادیر بسیار زیادی از دیاکسیدکربن را در اتمسفر زمین رها میکند. همچنین برای تهیه سنگدانههای مصرفی در بتن مقادیر زیادی از منابع طبیعی دستخوش تخریب شدهاند. پس بدیهی است که ما نمیتوانیم ساخت و سازی پایدار بدون اعمال تغییراتی در تکنولوژی بتن و تبدیل آن به بتن سبز داشته باشیم.
3
2. تعریف
منظور از بتن سبز بتنی با رنگ سبز نیست بلکه مفهوم سبز: تفکر در طراحی و مخلوط بتن با استفاده از مواد خام سازگار با محیط زیست است. بتن سبز در حقیقت نوعی از بتن است که از مواد بازیافتی و در نتیجه با رویکرد حفظ طبیعت و مصرف انرژی کمتر تولید می شود.
هر زیرساخت طراحی و ساخت در رویکرد توسعه پایدار استفاده از منابع طبیعی را به حداقل می رساند که در این راه بتن سبز نقش مهمی را ایفا می کند. فواید زیست محیطی بتن سبز باعث محبوبیت آن در ساخت و ساز جهان گشته و در این شرایط بحران منابع طبیعی یک معجزه برای آیندگان به شمار می آید.
بتن سبز در حقیقت نوعی از بتن است که از مواد بازیافتی و در نتیجه با رویکرد حفظ طبیعت و مصرف انرژی کمتر تولید می شود.
شکل1: ساختمان TCI پایدارترین ساختمان تجاری جهان(دبی)
4
3. بتن سبز
1-3- بتن سبز راهی برای ساخت و ساز پایدار
بتن معمولی با مزایای شناخته شده فراوان، محبوبیت زیادی در صنعت ساخت و ساز دارد اما این کاربردهای فراوان با تاثیرات زیست محیطی فراوان توام است. تا کنون نزدیک به 5 میلیارد مترمکعب بتن در جهان تولید شده است و این حجم از تولید بتن نیازمند استفاده از حجم زیادی از منابع طبیعی برای تولید سنگدانه ها و سیمان مصرفی در بتن بوده است.
2-3- تاثیرات زیست محیطی بتن معمولی
تولید بتن نیازمند استفاده از حجم زیادی از منابع طبیعی برای تولید سنگدانه ها و سیمان مصرفی در بتن است.
سیمان یکی از اجزای اصلی تشکیل دهنده بتن است و تولید هر تن سیمان به میزان یک تنCo2 در اتمسفر آزاد می کند. Co2 به عنوان گاز گلخانه ای شناخته شده و باعث گرم شدن زمین می شود.
میزان آب مورد نیاز برای ساخت بتن بسیار زیاد است تا جایی که هر ساله بیش از یک تریلیون گالن آب شیرین در سطح جهان البته بدون در نظر گرفتن آب برای شستشوی سنگدانه ها و آب مورد نیاز برای عمل آوری بتن در ساخت بتن مصرف می شود.
تخریب و دفع سازه های بتنی منجر به شکل گیری حجم زیادی از مواد زائد جامد می شود.
5
تمام موارد عنوان شده نشان می دهد که صنعت بتن به یک صنعت مخرب زیست محیطی تبدیل شده است، اما می توان آن را به یک مصالح سازگار با محیط زیست تبدیل نمود.
3-3- راهکارهای تولید بتن سبز
1-3-3- جایگزینی بخشی از سیمان
کاهش در استفاده از سیمان پرتلند می تواند با جایگزینی بخشی از سیمان توسط مواد مختلف مانند خاکستر بادی، گرانول سرباره کوره بلند، خاکستر چوب و پودر سنگ آهک انجام گیرد. استفاده از این مواد منجر به بهبود خواص بتن نیز می شود. زیرا حرارت هیدراتاسیون بتن را پایین آورده و خطر ترک خوردگی انقباضی را کاهش می دهد و نیز مقاومت بتن را در برابر حمله سولفاتی و واکنش با سنگدانه های قلیلیی افزایش می دهد.
1-1-3-3- خاکستر بادی
از لحاظ تئوری امکان جایگزین کردن 100% سیمان پرتلند با خاکستر بادی وجود دارد. خاکستر بادی می تواند خواصی از بتن مانند قدرت آن را بهبود بخشد. در ضمن این محصول به راحتی در دسترس است چون به عنوان یک محصول زائد جانبی از احتراق ذغال سنگ بدست می آید.
6
8
2-1-3-3- میکروسیلیس
میکروسیلیس نوعی پودر ریزدانه شیشه ای است که از چگالش گاز اکسیدسیلیکون بدست می آید (تقریبا 100 برابر کوچکتر از ذرات سیمان پرتلند معمولی). از میکروسیلیس ها معمولا به مقادیر 7 تا 12 درصد جرمی سیمان می توان استفاده کرد. تولید این محصول برای ساختارهای در معرض مواد شیمیایی مهاجم مورد توجه است. اما کاربرد اصلی آن برای افزایش مقاومت بتن بوسیله کاهش نفوذپذیری آن است زیرا به واسطه ذرات ریزش فضاهای خالی را در مخلوط سیمان پر می کند و در نتیجه بتنی با مقاومت فشاری و دوام بالا تولید می کند.
3-1-3-3- خاکستر پوسته برنج
پوسته برنج، پوسته های به دست آمده در خلال عملیات جداسازی برنج از شلتوک برنج می باشد. از آنجا که این پوسته ها حجیم هستند، مشکلات دفع بسیار زیادی به همراه می آورند. هر تن شلتوک برنج حدود ۲۰۰ کیلوگرم پوسته تولید می کند که پس از احتراق تقریباً ۴۰ کیلوگرم خاکستر حاصل می شود.
خاکستر پوسته برنج هنگامی که همراه با خاکستر بادی و سرباره کوره گرانول مخلوط شود به عنوان یک ماده افزودنی جایگزین سیمان پرتلند، ماده ای بسیار مناسب برای تولید بتن با رویکرد کاهش دی اکسید کربن خواهد بود.
7
2-3-3- استفاده از مصالح بازیافتی
از راهکارهای دیگر رسیدن به ساخت و ساز پایدار با استفاده از بتن سبز استفاده از مصالح بازیافتی می باشد از جمله: بتن تخریب شده، شیشه زائد، خاکستر چوب، سرباره ها، مواد پلاستیکی و . . . .
1-2-3-3- بتن تخریب شده
بتن تخریب شده یک جانشین مناسب برای سنگدانه ها در بتن جدید است. از طرفی بیشترین حجم بتن را سنگدانه های آن تشکیل می دهند و این استفاده مجدد از بتن تخریب شده باعث کاهش بخش بزرگی از دفع زباله ساختمانی و برگشت آن به چرخه ساخت و ساز و در نتیجه حفظ منابع طبیعی خواهد بود.
2-2-3-3- شیشه زائد
شیشه زائد نمونه ای دیگر از محصولات مناسب برای استفاده به عنوان سنگدانه در بتن است. شیشه یک ماده منحصر به فرد است که تا چند مرتبه بدون تغییر در خواص شیمیایی آن می تواند بازیافت شود. استفاده از شیشه در بتن سبب واکنش شیمیایی میشود که بین ذرات شیشه ای غنی از سیلیس و قلیا در منافذ بتن رخ می دهد که به آن واکنش قلیایی سیلیسی گویند. این واکنش می تواند برای بتن بسیار مضر باشد مگر آن که اقدامات احتیاطی مناسب برای به حداقل رساندن اثرات آن صورت گیرد، که این اقدامات می تواند اضافه کردن یک ماده پوزولانی مناسب خاکستر بادی یا دوده سیلیس در مخلوط بتن به نسبت مناسب باشد.
8
سرباره ها از محصولات فرآیندهای متالوژیکی هستند و معروف ترین آن ها سرباره کوره فولاد است. استفاده های آن بسیار گسترده بوده و حتی تکه کلوخه های این سرباره ها که چگالی حدودی آنها 1280 کیلوگرم بر متر مکعب است برای استفاده به عنوان درشت دانه در بتن بسیار مناسب هستند.
3-2-3-3- ماسه ریخته گری
ماسه ریخته گری یا ماسه ریخته گری فلزات، ماسه ای غنی از سیلیکا با خصوصیات فیزیکی بسیار بالاست. این محصول که یک محصول جانبی در ریخته گری فلزات است بدلیل خواص منحصر بفرد خود به عنوان یک ماده قالب ریزی در صنعت ریخته گری استفاده می شود. در عملیات ریخته گری مدرن این ماسه مورد بازیافت قرار می گیرد. آمار نشان می دهد با اینکه سالانه در حدود 100میلیون تن از این ماده در صنعت استفاده می شود اما از این میزان بین 4 تا 7 میلیون تن در سال دور ریخته می شود درحالیکه آماده استفاده و بهره برداری برای صنایع دیگر است. این محصول از لحاظ کیفیت بارها آزمایش می شود و مشخص شده که استفاده از آن در بتن باعث افزایش مقاومت فشاری می شود.
4-2-3-3- سرباره ها
9
5-2-3-3- خاکستر چوب
خاکستر چوب همان پودر باقی مانده از احتراق چوب است، مانند خاکستر به جا مانده از سوختن چوب در شومینه و یا نیروگاه صنعتی. این محصول به عنوان منبعی غنی از پتاس در کشاورزی پرکاربرد است اما اکنون می توان آن را در بتن سبز نیز استفاده کرد. طی آزمایشات صورت گرفته مشخص شد که این محصول به عنوان یک ترکیب معدنی پوزولانی و فعال کننده مواد سیمانی قابلیت های زیادی در ساخت بتن دارد. آنها با جایگزین کردن این محصول تا میزان 35% سیمان توانستند بتنی با مقاومت فشاری 35 مگاپاسکال تهیه کنند که برای بسیاری از کارهای ساختمانی مناسب است.
6-2-3-3- ظروف پلیمری: پت
پت در اغلب کشورها برای تولید الیاف پلی استر، رزین های پلی استر مهندسی، ظروف آب میوه، آب معدنی و … به کار میرود که به ناچار این مواد مصرفی به جریان زباله های شهری باز می گردند. با روش های متفاوتی می توان از این مواد رهایی یافت: دفن کردن، خاکسترسازی و بازیافت. در خاکسترسازی می توان از ارزش حرارتی مواد بهره برد ولی اکسید شدن آنها موجب تولید گازهایی می شود که برای سلامتی انسان خطرناک است. مشکل دیگر این زباله ها کندی فساد آنهاست. بنابراین به نظر میرسد که به دلیل فواید اقتصادی و زیست محیطی، بازیافت بهترین راه حل برای رهایی از زباله هایی همچون پت و غیره می باشد.
10
شکل3: خاکستر چوب
شکل2: بتن تخریب شده
شکل5: خرده و الیاف شیشه
شکل4: ماسه ریخته گری
11
4. پلیمر
پلیمر در واقع نام محصول خام پلاستیک است. مواد پلیمری تنوع زیادی دارند و با توجه به محصول نهایی برای تولید پلاستیک انتخاب می شوند. پلاستیک نامی است که به پلیمرهای ساخته شده توسط انسان اختصاص داده شده است. از لحاظ شیمیایی، این مواد از یک واحد به نام مونومر تشکیل شده اند که با میلیون ها مولکول دیگر مانند خود برای تشکیل زنجیره های طولانی پیوند خورده اند. طول این زنجیره ها، تعداد شاخه های آن ها و اینکه چقدر محکم به هم وصل شده اند، ویژگی های فیزیکی پلاستیک نهایی را تعیین می کنند.
1-4- مزایای پلیمر
علت کاربرد زیاد پلیمر در صنعت به صورت زیر خلاصه می شود:
1- فرآیند ساخت آن آسان است.
2- بسیار ارزان هستند.
3- مقاومت خوردگی و ضربه خوبی دارند.
4- بسیار انعطاف پذیر و شکل پذیر هستند.
شکل6: پلیمر
12
2-4- محدودیتهای پلیمر
مولکول های پلیمر با اندازه های مختلف در کنار یکدیگر قرار گرفته اند و پیوند بین زنجیره های مجاور در آنها از نوع پیوند بسیار ضعیف واندروالس و قطبی است و لذا محدودیت های کاربردی زیر را دارند:
1- نقطه ذوب مشخصی ندارند.
2- در دمای محیط جامد هستند.
3- در برابر اکسیژن و اشعه ماورا بنفش و باکتری ها مقاومت ندارند.
4- در دماهای پایین تر از محیط ترد هستند.
5- ساختار بی شکل، بلوری و یا مخلوطی از این دو دارند.
3-4- مواد پلیمری و کاربرد های آن
حمل و نقل: حمل و نقل ریلی، عمومی، هوایی و نظامی.
ساختمان: در بتن، کاربرد در کاهش مصرف انرژی ساختمان، پوشش دهنده ساختمان و پوشش دهنده ضد حریق.
عمران: آسفالت پلیمری، قیر پلیمری، مهندسی سازه و بتن پلیمری.
پتروشیمی: تجهیزات صنایع پتروشیمی، رنگرزی و پوشش دهی.
غذایی: بطری های آبمیوه، ظروف یکبار مصرف و بسته بندی.
13
خودروسازی: در طول بحران نفت در دهه 70، خودروسازان دریافتند که پلاستیک با کاهش وزن، خودروها را در مصرف انرژی کارآمدتر می کند ساخت صندلی، شیشه ها، تایر، سپر، کفپوش و انواع درزگیرها.
برق و الکترونیک: لوله های کامپوزیتی عبور کابل، تیرهای کامپوزیتی و پلیمرهای رسانای جریان الکتریسیته.
پزشکی: نانوپلیمرها در مهندسی بافت، نانوپلیمرها در رهایش کنترل شده دارو، بازسازی بافت، پوشش دهی زخم و مهندسی پزشکی.
نظامی: اسلحه های شخصی، جنگ افزارهای بزرگ، موشک و هواپیما.
عمده ترین مواد پلیمری تولیدی در صنعت پتروشیمی شامل پلی اتیلن (PE)1، پلی اتیلن ترفتالات (PET)2، پلی پروپیلن (EPP or PP)3، پلی وینیل کلراید (PVC)4، پلی استایرن (PS)5، اکریلونیتریل(PAN)6 و بوتادین استایرن(ABS)7 هستند. هر یک از مواد نامبرده، خواص ویژه ای داشته و در یکی از صنایع لاستیک یا پلاستیک کاربرد دارند.
2- Poly Ethylene Terephthalate
1- Polyethylene
3- Polypropylene
4- Polyvinyl chloride
5- PolyStyrene
6- Polyacrylonitrile
7- Acrylonitrile butadiene styrene
14
شکل8: پلی اتیلن
شکل7: پلی اتیلن ترفتالات
شکل10: پلی پروپیلن
شکل9: پلی وینیل کلراید
شکل11: پلی استایرن
15
4-4- انواع پلیمر
به طور کلی پلیمرها از نظر کاربرد به سه دسته ترموپلاستیک، ترموست و الاستومر تقسیم می شوند. در این میان، موادی مانند پشم شیشه وجو دارد که در واقع پلیمر سیلیسی است.
1-4-4- ترموست ها (گرماسختها)
ترموست ها پلیمرهایی هستند که در اثر حرارت ذوب نمی شوند بلکه سخت می شوند و یا می سوزند؛ بنابراین نمی توان آن ها را بازیافت کرد. به دلیل مسایل زیست محیطی تولید آن ها در مقایسه با پلاستیک ها رو به کاهش است. نمونه ای از ترموست ها، ملامین است که در تولید ظروف ملامین به کار می رود. از ترموست ها می توان بسیاری از رنگ ها، رزین ها و چسب ها را نام برد.
2-4-4- الاستومتر
به دسته خاصی از پلیمرها اطلاق می شود که هنگام اعمال نیرو، از خود مقدار فوق العاده زیادی تغییر شکل الاستیک نشان می دهند. بسیاری از آنها می توانند تا چندین برابر طول اصلی خود کشیده شوند. با از بین رفتن نیروی کششی، تغییر شکل کاملاً بازیابی می شود و مواد به سرعت به شکل اولیه خود بازمی گردند. به علاوه، این چرخه می تواند چندین بار با نتایج یکسان تکرار شود، درست مانند کشش یک کش لاستیکی. در ساخت محصولات زیادی مانند لاستیک اتومبیل، پوشش آب بند، برف پاک کن، شلنگ ها بکار می روند.
16
3-4-4- ترموپلاستیک ها (گرمانرمها)
دسته بزرگی از مواد پلیمری ترموپلاستیک ها هستند که به صورت ساده تر به آن ها پلاستیک یا مواد پلاستیک می گویند که در صورت حرارت دیدن ذوب می شوند و بر اثر سرد شدن مجدد جامد می شوند. این ویژگی باعث می شود که مواد پلاستیک مانند فلزات قابلیت بازیافت داشته باشند و بنابراین در صورت بازیافت نسبت به دیگر پلیمرها کمتر وارد محیط زیست شوند. پت (پلی اتیلن ترفتالات) مصرفی در بتن از این گروه میباشد.
5- پلیمر در بتن
مواد مورد نیاز برای تولید بتن در چنین مقادیر عظیمی، از پوسته زمین می آیند، بنابراین منابع آن هر ساله کاهش می یابد و باعث ایجاد فشارهای اکولوژیکی می شود. از سوی دیگر فعالیت های انسان بر روی زمین باعث تولید پلاستیک می شود. بنابراین ما نیاز به جستجوی مصالح ساختمانی جدید و همچنین روشی برای دفع زباله های پلاستیکی داریم. برای یافتن راه حلی برای مشکلات فوق می توان از یکی از آن ها برای حل دیگری استفاده کرد.
17
1-5- پت
پت یا همان پلی اتیلن ترفتالات (PET) یک پلی استر ترموپلاستیک خطی است که کاربرد تجاری گسترده ای در الیاف مصنوعی و هم چنین تبدیل شدن به فیلم و مواد قالبگیری دارد. در سال 1941، برای اولین بار به عنوان الیاف مصنوعی استفاده شد. بعدها، در اواسط دهه 1960، از پت برای بسته بندی فیلم ها و سپس در اوایل دهه 1970، با بدست آمدن تکنیک دمیدن سه محوری این ماده وارد صنعت بطری سازی گردید.
شکل12: پلی اتیلن ترفتالات
18
2-5- مزایای پت
استحکام، دوام، سختی و سفتی بالا.
تحمل فشار بالا.
مقاومت در برابر شکستگی و مقاومت به خزش خوب.
مقاومت در برابر کشش و پاره شدن.
پلی اتیلن ترفتالات قابل بازیافت (ذوب) است..
عایق الکتریکی فوق العاده.
انعطاف پذیری بالا.
سبک وزن بودن.
ارزان بودن و کارآمد.
چقرمگی خوب حتی در دماهای پایین.
از مهم ترین خصوصیات آن مقاومت در برابر ضربه است.
بعضی از این خصوصیات سبب استفاده و به گارگیری پت در صنعت سیمان و بتن شده است.
شکل13: پت خرد شده
19
3-5-کاربردها
1- خرده بطری (دانه های سبک وزن) به صورت: درشت دانه و ریزدانه (جایگزین ماسه)
2- الیاف
1-3-5- شکلهای استفاده پت در بتن
1-1-3-5- خرده بطری
بتن های پلیمری با جابه جایی پلیمر با ملات سیمان در مقادیر خاص تولید می شود. هزینه تولید بتن پلیمری به دلیل قیمت بالای رزین های دست نخورده، خیلی زیاد است. استفاده از بطری های زباله پت در تولید رزین پلی استر، قیمت محصول رزین را در مقایسه با حالتی که رزین معمولی مرسوم تولید می شود، کاهش می دهد.
یکی از راه های استفاده از خرده بطری های زباله PET به طور مستقیم به عنوان سنگ دانه در بتن و یا ملات تولیدی است. بدین ترتیب استفاده از زباله هایPET به عنوان سنگ دانه در بتن فوایدی همچون کاهش در استفاده از منابع طبیعی، مصرف زباله ها، جلوگیری از آلودگی زیست محیطی و صرفه جویی در انرژی را فراهم می کند.
20
1-1-1-3-5- طرح اختلاط
طرح های مختلفی برای اختلاط وجود دارد. برای مخلوط نمودن مصالح ابتدا شن و نیمی از ماسه را مخلوط نمودیم، در ادامه ذرات PET را در میکسر میریزیم تا با مصالح موجود میکس شود، سپس ۲۰% از آب موجود را برای به اشباع رساندن سنگ دانه ها اضافه و در ادامه باقی ماسه را اضافه می کنیم. سپس سیمان را در میکسر می ریزیم و در انتها پس از مخلوط کردن مصالح، باقی مانده آب به مصالح اضافه گردید. لازم به ذکر است با افزایش میزان ذراتPET زمان میکس مصالح را باید کمی افزایش داد تا این ذرات به طور یکنواخت با دیگر مصالح مخلوط گردند.
جدول1: نسبتهای اختلاط
21
2-1-1-3-5- آزمایش مقاومت فشاری
به طور کلی با افزایش میزان جانشین سازی ماسه با ذرات PET در ابتدا مقاومت فشاری افزایش و در ادامه کاهش می یابد. برای مثال جایگزینی ۵ درصد حجم ماسه با ذرات PET در موجب افزایش ۱۱/۹۷ درصدی در مقاومت شده و جایگزین کردن ۱۵ درصدی، ۸/۴۵ درصد مقاومت را کاهش داده است. این کاهش در مقاومت، به علت مقاومت کمتر ذرات پلاستیک نسبت به سنگدانه های طبیعی بوده است. همچنین برای یک میزان ثابت سنگدانه پت، مقاومت فشاری با کاهش نسبت آب به سیمان، افزایش می یابد.
3-1-1-3-5- آزمایش مقاومت کششی (دو نیمه شدن)
مطابق نتایج، روند کلی تغییرات مقاومت کششی با افزایش مقدار ذرات PET به صورت کاهشی است. به عنوان مثال با جایگزین نمودن ۱۵% حجم ماسه با PET در سن ۲۸ روز برای نسبت های آب به سیمان ۰/۴۲ و ۵۴/0 به ترتیب ۱۵/۰۹ و ۱۸/۰۶ درصد کاهش در مقاومت کششی رخ می دهد. بنابراین با افزایش نسبت آب به سیمان، کاهش در مقاومت کششی دو نیم شدن بیشتر مشهود است.
بهطور کلی، مقاومت کششی دو نیم شدن، با افزایش درصد سنگدانه پلاستیک کاهش می یابد. همانند مقاومت فشاری، کاهش در مقاومت به این دلیل است که مقاومت ذرات پلاستیک کمتر از سنگدانه های طبیعی می باشد.
22
4-1-1-3-5- وزن مخصوص
5-1-1-3-5- آزمایش مقاومت خمشی
مقاومت خمشی یک کامپوزیت جدید به طور منظم با افزایش سنگدانه های بازیافتی پت، در ابتدا افزایش و در ادامه کاهش مییابد. برای مثال جایگزینی ۵ درصد حجم ماسه با ذرات PET موجب افزایش 8/02 درصدی مقاومت شد ولی با جایگزینی 15درصدی، مقاومت 6/26 درصد کاهش یافت.
شکل15: نحوه شکستن بتن حاوی پت تحت خمش
شکل14: نحوه شکستن بتن حاوی پت تحت کشش
استفاده از پلاستیک بازیافتی در سنین مختلف عملآوری، کاهش در وزن مخصوص خشک را با افزایش نسبت پلاستیک بازیافتی، به همراه دارد. این امر به علت وزن مخصوص کمتر پلاستیک به میزان %7/۶۹ نسبت به ماسه است.
23
5-1-1-3-5- کارایی
مقدار اسلامپ بتن حاوی پت، به نسبت آب به سیمان و میزان جایگزینی بستگی دارد. با افزایش در نسبت آب به سیمان و نسبت جابه جایی، اسلامپ افزایش مییابد. به طور مثال، برای %۲۰ جایگزینی، اسلامپ به میزان %۲۵ کاهش یافته است (مقدار اسلامپ حدود 58 میلیمتر). با افزایش جایگزینی در حدود 50%، اسلامپ کمی بیشتر نسبت به بتن معمولی می باشد.
چنین استنباط میشود که سنگدانه های پلاستیک نه هیچ آبی از مخلوط بتن جذب می کند و نه اضافه می کند. این کاهش یا افزایش در مقدار اسلامپ، به علت شکل ذرات پلاستیک است. ذرات پلاستیک دارای لبه های تیزی نسبت به سنگدانه های طبیعی می باشند.
6-1-1-3-5- مقاومت ضربه
باتوجه به آزمایشات انجام شده، مقاومت ضربه نمونه های بتنی با جایگزینی ذرات پت در ابتدا افزایش یافته و در ادامه، با افزایش درصد جایگزینی پت، کاهش می یابد. به این صورت که جایگزینی ۵ درصد حجم ماسه با ذرات پت در نسبت آب به سیمان ۰/۵۴ موجب افزایش ۲۶/۹ درصدی در مقاومت شده است. همچنین جایگزین کردن ۱۵درصد حجم ماسه توسط ذرات پت در بتن کاهش ۱۹/۲درصدی در مقاومت ضربه را در پی داشته است که این میزان کاهش مقدار قابل توجهی در مقاومت ضربه محسوب نمی شود.
24
2-1-3-5- الیاف پت
با توجه به مقاومت کششی قابل توجه پلی اتیلن ترفتالات یکی از موارد پر استفاده آن در صنعت بتن می تواند استفاده به عنوان الیاف باشد. علاوه بر صرفه اقتصادی بالا و منافع زیست محیطی استفاده از پت به عنوان الیاف در بتن، افزایش شکل پذیری المان های بتنی و تاخیر در گسترش ترک ها، از منافع استفاده از پت به عنوان الیاف میباشد.
شکل16: نمونه مکعبی ساخته شده با الیاف پت پس از شکست
1-2-1-3-5- آزمایش مقاومت فشاری
با افزودن 0/5% الیاف، از نوع پت، مقاومت فشاری کاهش پیدا نکرده است. ولی با افزایش درصد الیاف مقاومت فشاری نسبت به طرح شاهده کاهش چند مگاپاسکال نشان داده است. در مورد مدول الاستیسیته نیز همین امر صادق است و به نظر می رسد افزایش درصد الیاف خصوصیات مکانیکی بتن را به صورت منفی تحت تاثیر قرار می دهد.
25
2-2-1-3-5- آزمایش مقاومت کششی
افزودن پت به میزان 0/25% باعث افزایش مقاومت شدهاست. به طور میانگین، نمونههای حاوی 0/25% پت، حدود 15% مقاومت کششی بیشتری را نسبت به نمونههای بدون پت نشان دادهاند. این تغییر رفتار نسبت به مقاومت فشاری می تواند مربوط به تفاوت بین مکانیزم شکست در مقاومت فشاری و کششی باشد. همچنین نقش تراشههای پت در ایجاد پل بین ترک ایجاد شده و افزایش مقاومت را نباید نادیده گرفت. افزایش درصد پت به 0/5% باعث کاهش مقاومت کششی شدهاست. اگرچه این تراشههای باعث ایجاد پل در ترکها شده ولی افزایش بیش از حد آنها نیز موجب افزایش تخلخل ماتریس و در نتیجه آن گسیختگی در بارهای پایین میشود.
3-2-1-3-5- آزمایش مقاومت خمشی
افزودن پلی اتیلن ترفتالات به مقدار 0/25% افزایش مقاومت را در پی داشته است. هرچند افزایش مقاومت خمشی ناچیز بوده است ولی همین افزایش نشان از تاثیر تراشه ها در کنترل گسترش ترک های ایجاد شده در اثر افزایش بار است. افزایش درصد پت (0/5 و 0/75%) کاهش مقاومت را در پی داشته است، ولی در مقایسه با مقاومت فشاری و کشش غیر مستقیم کاهش کمتری را شاهد هستیم.
26
4-2-1-3-5- مقاومت ضربه
الیاف پت، مقاومت ضربه ای بتن را تا حدی افزایش می دهد. این امر خصوصا برای الیاف با طول 12/7 میلیمتر صحت دارد. این الیاف مقاومت ضربه ای بتن را برای میزانی از الیاف که بر روی کارایی بتن تاثیر نگذارد (کمتر از ۵/0)، افزایش می دهد، در حالی که در میزان حجمی بیشتر، مقاومت ضربه ای ممکن است رو به کاهش برود.
در اکثر نمونه های مسلح، کاهش در مقاومت سایشی بتن مشاهده میشود. این تاثیر می تواند در نتیجه این امر باشد که الیاف موجود در نزدیکی سطح می تواند تحت اثر سایش، غیر چسبنده شود و این اتفاق، کاهش جرم را موجب می شود.
5-2-1-3-5- مقاومت سایشی
27
2-3-5- روسازی (آسفالت-بتن غلتکی)
ترک خستگی یکی از انواع خرابی هاست که به طور مستقیم عمر روسازی آسفالتی را تحت تاثیر قرار می دهد. به طور معمول اعمال بار قائم ترافیکی به لایه آسفالتی سبب ایجاد تنش های فشاری افقی در نیمه بالایی لایه و تنش کششی افقى در نیمه پایینی لایه می شود. کرنش هایی که در اثر این تنش ها به وجود می آیند (به ویژه کرنش کششی در پایین لایه)، در نهایت در اثر تکرار بار سبب شکست خستگی در آن لایه می شوند. ترک ها در پایین لایه توسعه یافته و در اثر تکرار بار به صورت عمودی انتشار می یابند.
استفاده از مواد افزودنی مثل انواع مختلفی از پلیمرها و الیاف ها یک راه حل برای افزایش طول عمر خدمت دهی روسازی جاده هاست.
نمی توان از PET به عنوان اصلاح کننده قیر با توجه به دمای ذوب بالای آن استفاده نمود. زیرا سبب ایجاد اختلال در فرایند اختلاط می گردد. از آنجایی که نمی توان از PET به عنوان اصلاح کننده قیر استفاده کرد، در نتیجه استفاده از روش تر عملی نمی باشد.
1-2-3-5- آسفالت
28
نتایج نشان می دهد که عمر خستگی با افزودن PET افزایش یافته و با افزایش درصدهای بالاتر PET مقاومت مخلوط ها در برابر خستگی افزایش یافته است.
با افزایش درصدهای پت کرنش های تجمعی، کاهش یافته است.
افزودن PET پارامتر شیار شدگی مخلوط را در آزمایش خزش دینامیک بهبود بخشید. ولی در آزمایش خزش استاتیک نتایج خوبی را نشان نداد.
با افزودن PET، افزایش نقطه نرمی، شکل پذیری، نقطه اشتعال و سوختن و نیز کاهش نفوذپذیری قیر رخ داده و همچنین باعث افزایش مقاومت مارشال مخلوط شده است. با مخلوط کردن ۱۰درصدی وزنی پلاستیک بازیافتی (نسبت به وزن قیر) بهترین نتیجه مارشال صورت گرفته است. همچنین، می تواند باعث کاهش ۱۵-۱۰ درصد مصرف قیر شود.
افزودن ضایعات بطری های پلاستیکی به مخلوط آسفالتی باعث بهبود خصوصیات تغییر شکل و مقاومت در برابر شیار شدگی می شود. به طوری که ۱% PET (نسبت به وزن سنگ دانه ها) بالاترین مقاومت در برابر تغییر شکل را داراست.
بررسی ها نشان داده که PETباعث کاهش ریزش قیر در مخلوط های آسفالتی پت می شود. افزودن پت باعث ویسکوزی تر شدن قیر شده و منجر به ثبات و نگه داشتن قیر روی سنگ دانه ها می شود. در نتیجه، از ریزش قیر جلوگیری می کند.
1-1-2-3-5- نتایج کلی استفاده پت در آسفالت
29
2-2-3-5- بتن غلتکی
جدول2: طرح اختلاط
1-2-2-3-5- طرح اختلاط
برای مخلوط کردن مصالح ابتدا سنگدانه ها و PET را در میکسر ریخته و بعد سیمان و در انتها آب که با دوده سیلیس محلول شده است را به مخلوط اضافه میکنیم. لازم بذکر است که با افزایش درصد ذرات PET زمان اختلاط را بیشتر نموده تا این ذرات کاملا در بتن به طور یکنواخت مخلوط شوند. با توجه به تحقیقات گذشته و آیین نامه های مربوطه، درصد افزودن ذرات پت را به عنوان جایگزین ماسه تلقی نموده و بین ۱ تا ۵ درصد از ماسه مصرفی را با آن جایگزین میکنیم.
30
2-2-2-3-5- مقاومت فشاری
نتایج نشان می دهند که حضور ذرات PET بازیافتی کاهش اندکی در مقاومت فشاری را خواهند داشت. این کاهش مقاومت فشاری شاید به این دلیل باشد که استفاده از ذرات پت در روسازی بتنی سبب کاهش تراکم پذیری بتن می گردند که این امر ممکن است باعث ایجاد نقاط ضعف در بافت بتن به دلیل ایجاد تخلخل موضعی ناشی از نفوذ حباب هوا در اطراف ذرات پلاستیکی شوند و در نتیجه کاهش مقاومت فشاری را فراهم می آورد.
از طرفی دیگر از آنجا که ذرات پت خاصیت آبگریزی دارند جذب آب این ذرات کمتر از ۰/۱ درصد است. لذا مانع از عبور آب از روی این ذرات و نفوذ به ساختار بتن جهت انجام فرایند هیدراتاسیون می شوند. ولی بعد از شکست نمونه ها در آزمایشگاه مشاهده گردید در همه نمونه های روسازی بتنی حاوی ذرات PET در حین بارگذاری فشاری از شکست ترد (ناگهانی) به شکست نرم و تدریجی تغییر ماهیت پیدا کرده است. که این امر بیانگر افزایش خاصیت ارتجاعی روسازی بتنی خواهد شد که در نتیجه افزایش آسایش رانندگی بر روی آن را به همراه خواهد داشت.
3-2-2-3-5- خاصیت ارتجاعی
31
4-2-2-3-5- مقاومت خمشی
استفاده از الیاف PET باعث می شود نمونه ها به صورت ترد شکافته نشوند و بعد از افزایش بار، گسیختگی با دو نیم شدن کامل نمونه ها همراه نباشند. نحوه افزایش مقاومت خمشی در اثر استفاده از الیاف را می توان بدین صورت توضیح داد که استفاده از الیاف به معنی اتصال بسیار وسیع و فاصله کم الیاف می باشد، لذا پس از اعمال بار و بروز ترک های بسیار ریز در بافت بتن (ترک های میکروسکوپیک)، الیاف قادر خواهند بود از گسترش ترک ها به ترک های ماکروسکوپیک جلوگیری کرده و با انتقال تنش بین لبه های ترک از میزان تنش موجود در نوک ترک ها بکاهد و از این طریق، از افزایش عرض ترک ها و تبدیل شدن ترک های میکروسکوپیک به ماکروسکوپیک جلوگیری کنند.
5-2-2-3-5- مقاومت کششی
نتایج نشان می دهند که حضور ذرات PET باعث افزایش مقاومت کششی می شود و هر چه میزان این ذرات افزایش می یابد بدلیل خاصیت کشسانی این ذرات پلاستیکی میزان مقاومت کششی افزایش می یابد. به عنوان مثال درصد افزایش مقاومت کششی طرح روسازی بتنی حاوی ذرات پت به میزان ۱/۵ درصد نسبت به طرح بدون ذرات، حدود %۳۰ می باشد.
32
3-3-5- بتن خودتراکم
1-3-3-5- مقاوت فشاری
با افزایش درصد PET مقاومت فشاری کاهش می یابد. کاهش مقاومت فشاری بتن خود تراکم حاوی پت را می توان با دلایل زیر توجیه نمود:
مدول الاستیسیته PET از خمیر سیمان سخت شده احاطه کننده آن کمتر است. این امر باعث می شود هنگامی که مقدار بیشتری از سنگدانه ها حذف و پت به جای آن وارد ماتریس بتن شود، تمرکز تنش در نمونه های بتنی زیاد شده و در هنگام اعمال بار به بتن، ترک های زیادی به سرعت پیرامون خرده های پت تشکیل شوند.
فقدان چسبندگی بین خمیر سیمان و خرده های PET در مقایسه با چسبندگی بین خمیر سیمان و سنگدانه ها، باعث شده که این ماتریس به طور پیوسته و منسجم در برابر اعمال بار عمل نکرده و تنش های وارد شده، بطور یکسان در خمیر سیمان توزیع نگردد.
افزایش درصد جایگزینی پت در بتن موجب تغییر در شکل هندسی مصالح تشکیل دهنده بتن شده و حجم خرده های تیز گوشه و پولکی موجود در بتن را افزایش می دهد که این امر نیز می تواند از دلایل کاهش مقاومت با افزایش درصد PET باشد.
33
2-3-3-5- مقاوت کششی
با افزایش میزان PET از مقاومت کششی بتن کاسته می شود.
عدم چسبندگی بین خرده های PET و خمیر سیمان، به طوری که محل اتصال این دو را می توان به عنوان ترک موئی در نظر گرفت که سبب تسریع شکست بتن می گردد.
سطح صاف خرده هایPET و آب آزاد انباشته شده در سطح آن ها باعث چسبندگی کم بین خرده های پت و خمیر سیمان می شود.
برای اینکه پت در افزایش مقاومت نقش مثبتی داشته باشد، باید نیروی چسبندگی بین پت و خمیر سیمان به اندازه کافی بزرگ باشد (نیروی چسبندگی پت و خمیر سیمان بیشتر از نیروی لازم جهت پارگی پت باشد) که در حقیقت اینگونه نیست. مشاهدات آزمایشگاهی مبنی بر سالم ماندن خرده های PET در محل شکست نمونه های گسیخته شده در آزمایش مقاومت کششی نیز این مورد را تایید میکند.
3-3-3-5- مدول الاستیسیته
با افزایش درصد PET مدول الاستیسیته بتن کاهش می یابد. خصوصیات سنگدانه ها، مدول الاستیسیته بتن را تحت تاثیر قرار می دهد. از این رو می توان کاهش در میزان مدول الاستیسیته بتن خود تراکم با افزایش خرده های پت را ناشی از مدول الاستیسیته کمتر این خرده ها نسبت به خمیر سیمان و سنگدانه ها دانست.
34
6. نتیجه نهایی از کلیه تحقیقات
نگاه کلی به نتایج به دست آمده در تحقیقات متفاوت:
با استفاده از افزودن ۲۰، ۳۰، ۴۰ و %۵۰ پت به مخلوط بتن، نتایج زیر حاصل شده است:
1. بتن حاوی PET عملکرد قابل ملاحظه ای نسبت به بتن معمولی در هنگام استفاده از نسبت آب به سیمان مشابه دارد. این امکان را برای کار با نسبت آب به سیمان کم و مقاومت بتن مورد نظر فراهم میکند.
2. کاهش %۴-۱۰ تراکم با بتن حاوی PETدر مقایسه با بتن معمولی به دست آمد. اگرچه نمی توان آن را به عنوان یک بتن سبک وزن طبقه بندی کرد، اما با کاهش وزن خود نسبت به بتن معمولی مزیت قابل توجهی دارد.
3. بتن با مقاومت بالا با افزودن PETقابل دستیابی است، به ویژه برای بتن با نسبت عرض کم و مقدار کمی جایگزینی %۲۰ پت و نسبت آب به سیمان 5/۴۲، مقاومت فشاری بالای ۳۰ مگاپاسکال به دست آمد. از آنجایی که این نوع بتن کارایی بالایی دارد می تواند برای بتن ساختاری با قابلیت اطمینان مناسب مورداستفاده قرار گیرد.
35
4. می توان صرفه جویی عظیمی در مقدار ماسه مصرفی سالانه را شاهد بود اگر تنها %۱۰ از ماسه را با پت جایگزین کنیم. گرچه که مقاومت های مکانیکی با استفاده از پت به دلیل پیوند ضعیف بین این نوع سنگدانه و ماتریس سیمانی پایین تر از طرح های شاهد بود ولی نتایج نشان داد که با استفاده از سنگدانه پت هم سایز با ماسه می توان نزدیک ترین نتایج به طرح های شاهد را به دست آورد.
5. استفاده از الیاف پت می تواند روشی مناسب برای افزایش شکلپذیری، مقاومت حرارتی، فشاری و خمشی باشد.
6. افزودن الیاف پیچشی پت با قطر 0.7 میلی متر و طول 50 میلی متر منجر به 88% افزایش مقاومت فشاری، 34% افزایش شکل پذیری تا ظهور اولین ترک شد. الیاف پت به افزایش شکل پذیری بتن کمک کرده اند، که این نشان از تردشکنی کمتر نمونه های حاوی الیاف است.
در مورد بتن خودتراکم: با افزایش درصدPET مقاومت فشاری، کششی و مدول الاستیسیته کاهش می یابد. در صورتی که جایگزینی ضایعات بطری های PET به صورت خرد شده ۶ تا حداکثر ۱۸ درصد حجمی ماسه باشد، می توان به بتن خود تراکم با مقاومت فشاری در حدود ۳۰ الى MPa ۳۵ دست یافت.
36
در مورد نتایج مربوط به آسفالت:
1. با اضافه شدن ذرات PET در مقادیر کم، فاز پلیمری و فاز قیری پیوستگی مناسبی دارند و باعث افزایش مقاومت و سختی مخلوط می شوند. در مقادیر بیشتر، وجود این ذرات فاز قیری را تحت تاثیر خود قرار می دهند و باعث کمتر شدن فاز قیری می شوند که در نتیجه کاهش مقاومت و سختی مخلوط روی می دهد.
2. با افزایش درصد الیاف روانی نمونه ها افزایش می یابد.
3. با افزایش درصد PETمقاومت کششی و حساسیت رطوبتی نمونه ها کاهش می یابد.
4. با افزایش درصد PETابتدا مدول برجهندگی نمونه ها افزایش یافته و با درصد بیشتر مدول برجهندگی کاهش می یابد.
5. با افزایش درصدPET تغییر شکل دائمی نمونه ها کاهش می یابد. علاوه بر این، روانی نمونه ها با افزایش درصد PET، افزایش می یابد.
37
نتیجه گیری
مخلوط های حاوی ذرات PET در نسبت های مختلف جایگزینی، رفتار متفاوتی را در مقاومت فشاری و خمشی از خود نشان می دهند به طوری که با جانشین سازی ۵ درصدی شاهد افزایش مقاومت فشاری و خمشی بوده و این در حالیست که جانشین سازی ۱۵ درصدی این ذرات، کاهش در مقاومت فشاری و خمشی را به همراه داشته است. به عبارت دیگر ورود ذرات PET نقایصی را در ساختار داخلی بتن در بر دارد، که میتوان این نقایص را با بررسی میزان دقیق درصد جایگزینی یا مقدار بهینه پت کنترل کرد و از طرف دیگر با اضافه کردن مواد دیگری مثل دوده سیلیسی، خاکستر پوسته برنج، میکروسیلیس، الیاف شیشه، الیاف فولادی، خرده لاستیک یا آهک می توان برخی از خواص منفی پت را کاهش داد.
به عنوان یک نتیجه گیری جامع، می توان مدعی این امر بود که بطری های زباله PET می تواند به عنوان سنگ دانه و الیاف برای بتن و آسفالت و حتی بتن سبک مورد استفاده مجدد قرار گیرد و نیز حفاظت از محیط زیست را با بازیافت منابع زباله به همراه داشته باشد.
38
7. منابع
Záleská, M., Pavlíková, M., Pokorný (2018). Structural, mechanical and hygrothermal properties of lightweight concrete based on the application of waste plastics. Construction and Building Materials.
Wiswamitra, K. A., Dewi, S. M., Choiron, M. A., & Wibowo, A. (2021). Heat resistance of lightweight concrete with plastic aggregate from PET (polyethylene terephthalate)-mineral filler. AIMS Materials Science.
Fadhil, S., & Yaseen, M. (2015). The production of economical precast concrete panels reinforced by waste plastic fibers. American Journal of Civil Engineering and Architecture.
Brian P. Grady .(2021), Waste plastics in asphalt concrete: A review.
39
حامدی، حمیدرضا. (1394). ارائه مدل خستگی آزمایشگاهی برای مخلوط آسفالتی اصلاح شده با ضایعات بطری های پلاستیکی (PET) پژوهشنامه حمل و نقل.
زیاری، قاسمی کلیجی و باباگلی (1395). ارزیابی خصوصیات عملکردی مخلوط آسفالتی اصلاح شده با ضایعات بطری های پلاستیکی (PET) مهندسی زیرساخت های حمل و نقل.
شفابخش، کباری قطبی و احمدی (1397). بررسی اثر الیاف بازیافتی از جنس پلی اتیلن ترافتالات بر خواص مکانیکی بتن. مهندسی عمران (فنی و مهندسی مدرس).
طوفانی، اصفهانی، زمانی. (1400). بررسی رفتار مکانیکی بتن ساخته شده با الیاف بازیافتی پت برای کاربردهای سازه ای. تحقیقات بتن.
آخوندی، رامشت، پور رستم، گلصورت پهلویانی (1400). ارائه یک روش جدید برای تولید بتن دوست دار محیط زیست با استفاده از خرده پلاستیک ضایعاتی (PET) و دوده سیلیسی و بررسی مشخصات مکانیکی و دوام آن در روسازی بتنی غلتکی. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر.
شربتدا، نورباران (1398). بهبود خواص مکانیکی و سازه ای بتن ها با جایگزینی بطری های پت بازیافتی به عنوان ریزدانه. مهندسی عمران (دانشکده مهندسی).
نعیم عباس زاده، سید طاها طباطبایی (1394) بررسی آزمایشگاهی تاثیر ذرات پلی اتلین ترفتالات بر مقاومت و جذب آب در بتن.
رنجبر کبوترخانی، و حمیدیان (1397)، بررسی مقاومت بتن ساخته شده با ضایعات پلاستیک بدون استفاده ازآب و سیمان.
40