هاشم جهانگیر1،منصور باقری2*،سید محمد جواد دالوری3
1- دانشجوی دکتری مهندسی سازه، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
2- استادیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی بیرجند، بیرجند، ایران
3- دانشجو ی کارشناسی مهندسی عمران،دانشکده مهندسی عمران،دانشگاه صنعتی بیرجند، بیرجند، ایران
چکیده
بتن یکی از رایج ترین مصالح پرکاربرد در صنعت ساختمان است که به علت وجود سیمان در خود به عنوان بخش اصلی،
مصالحی زیان بار برای محیط زیست محسوب میشود. فرآیند تولید سیمان بسیار انرژی بر و آسیب رسان است به طوری که مقدارهای فراوانی از گازهای گلخانه ای را وارد محیط می کند. پژوهش گران تالش می کنند با یافتن روش هایی، نسل نوینی از بتن های دوست دار محیط زیست را معرفی کنند.
در این مقاله، از خاکستر به وجود آمده از میوه ی مخروطی شکل درخت کاج به عنوان جایگزین و کاهش دهنده ی میزان مصرف سیمان در طرح اختالط بتن بهره جویی شده است. از آنجا که خاکستر مورد استفاده در این پژوهش عالوه بر کاهش مصرف سیمان، باعث جلوگیری از انباشته شدن مخروط کاج در طبیعت و در نتیجه ایجاد آلودگی زیست محیطی می گردد، آثار مخرب زیست محیطی تولید بتن را نیز کاهش می دهد. برای این منظور، میوه ی درخت کاج جمع آوری و سوزانده شد و خاکستر باقی مانده مورد استفاده قرار گرفت. میزان 20 درصد وزنی خاکستر کاج در نمونه های مکعبی و استوانه ای استاندارد، جایگزین سیمان مصرفی شد و اثر آن بر مقدار مقاومت فشاری نمونه ها ارزیابی شد. ارزیابی ها نشان دادند استفاده از این میزان از خاکستر کاج، باعث افزایش مقاومت فشاری بتن می شود و از این رو، می تواند گامی مهم در راستای بهره جویی بهینه از مواد و مصالحی باشد که در نگاه نخست بی فایده به نظر می رسند.
Estimation of concrete compressive strength by substitution of pinyon pine ash
for cement
Hashem Jahangir1, Mansour Bagheri2*, Seyed Mohammad Javad Delavari3
1
Ph.D. Student of structural engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2
Assistant Professor of civil engineering, Birjand University of Technology, Birjand, Iran
3- Bachelor Student of civil engineering, Birjand University of Technology, Birjand, Iran
ARTICLE INFOABSTRACT
Received: 12/04/2018
Revised: 11/06/2018
Accepted: 07/08/2018
Nowadays, one of the most popular ways to get a more sustainable
cement industry is using additions as cement replacement. However,
there are many civil engineering applications in which the use of
sustainable cements is not extended yet, such as special foundations,
and particularly micro piles, even though the standards do not
restrict the cement type to use. These elements are frequently exposed
to the sulphates present in soils. The purpose of this research is to
study the effects of using pinyon pine ash as a substitution for
ordinary Portland cement and reduce its content in the concrete mix
design. For this reason, 20 % of pinyon pine ash with respect to
cement weight was used and the compressive strength of concrete is
obtained from testing cubic and standard cylinder specimens.
Considering the results obtained, using pinyon pine ash increase the
compressive strength of concrete. On the other hand, more axial
micro cracks were occurred in pinyon included specimens and their
colour were darker comparing to representative specimens without
pinyon pine ash. This study shows that using pinyon pine ash could
be an effective and Eco-friendly alternative for ordinary Portland
cement in industry and construction and could reduce the dangerous
effects of using cement in concrete.
Keywords:
Pinyon Pine ash
Cement
Compressive Strength
Cubic Specimens
Cylinder Specimens
All rights reserved to Iranian Society of Structural Engineering.
doi: 10.22065/jsce. 2018.126900.1517
*Corresponding author: Mansour Bagheri.
Email address: mnsrbagheri@birjandut.ac.ir
1-پیشگفتار
از دوران گذشته تا کنون، مصالح ساختمانی گوناگونی توسط انسان مورد استفاده قرار گرفته است. در این میانمیتوان چوب، سنگ، فوالد و بتن را به عنوان پر مصرفترین مصالح ساختمانی نام برد. بتن که در واقعیت یک نوع سنگ ساخته شده توسط بشر میباشد، از جمله مصالح ساختمانی است که به دلیل دارا بودن خواص مناسب استفاده از آن در حال افزایش است]1و2[. سیمان بهعنوان بخش اصلی بتن،مصالحیاستراتژیک شناخته میشود و به طور چشمگیری در حال تولید است. سیمان با توجه بهویژگیهای خود مصالحی زیانبار برای محیط زیست محسوب میشود. فرآیند تولید این مصالح بسیار انرژیبر و آسیبرسان است بهطوریکه مقدارهای فراوانی از گازهای دی اکسید کربن2CO، نیتروژنNOو اکسید سولفور2SOرا تولیدمیکند]3[. طبقآمار انجمن سیمان پرتلند، هر سال8/3میلیارد متر مکعب سیمان تولید میشود و در اثر آن حدود35/1هزار میلیونتن گاز دی اکسید کربن وارد محیط میگردد]4[. وجوداین مقدار گاز دی اکسید کربن در محیط، باعث افزایش دما، تولید گازهای گلخانهای و در نهایت تغییر اقلیم آب و هوایی خواهد شد. از آنجا که بتن یکی از رایجترین مصالح پرکاربرد در صنعت ساختمان است، پژوهشگرانتالش میکنند با یافتن روشهایی، استفاده از موادو مصالح معدنی بهکار رفته در بتن را کاهش دهند. هزینههای فراوان استفاده از مواد معدنی و همینطور مالحظات زیست محیطی نسبت به دفع ضایعات منابع طبیعی، پژوهشگران را وادار کرده است تا بهینهترین روشها را برای صنعت مصالح ساختمانی و بتنی بیابند ]5-10[. برای پیشبرد این هدف، در سالهای اخیر نسل نوینی از بتنهای دوستدار محیط زیست معرفی شدهاند و کارایی آنها مورد ارزیابی قرار گرفته است. ساخت بتن با استفاده از مواد دورریز و بازیافتی دارای ویژگیهای پوزوالنی]11[، دود و بخار سیلیس1]12[، نانو سیلیس2]13[، سربارههای کوره3حاصل از انفجار آتشفشانها]14[و گونههای مختلف خاکستر شامل خاکستر بادی با میزان کلسیم اندک4 ]15[، خاکستر بادی با میزان کلسیم فراوان5]16[، خاکستر کورهای حاصل از زغال سنگ6]17[، خاکستر پوستهی برنج7]18[و دیگر خاکسترها]19[از جمله راهکارهای پیشنهادی برای کاهش میزان مصرف سیمان در سازههای بتنی است.
امروزه استفاده از خاکسترهای بادی با میزان کلسیم اندک مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است]20[. با استفاده از این خاکسترها میتوان میزان مصرف سیمان در بتن، بدون ایجادهیچ گونه تغییری در ویژگیهای مکانیکی و مقاومت فشاری و کششی در آن، را کاهش داد]21[.مخروط درخت کاج، به عنوان یک ماده مضر برای محیط زیست، میتواند خاکستری با میزان کلسیم اندک تولید کند و با دارا بودن ویژگی پوزوالنی، باعثافزایش سرعت هیدراتاسیون سیمان میشود. از طرف دیگر، با توجه به آب و هوای گرم و خشک موجود در بیشتر نقاط ایران، کشور ما منبع فراوانی از میوهی درخت کاج را در بر دارد. در اطراف بسیاری از شهرها و در داخل آنها، بهمنظور سبز نگه داشتن محیطهای شهری و جلوگیری ازایجاد گرد و غبار در منطقههای مسکونی و تجاری، تعداد فراوانی از درختهای کاج کاشته شدهاند.
با توجه به زیانبار بودن میوهی درخت کاج برای محیط زیست و دارا بودن ویژگیهای مناسب آن از یک طرف و همچنین وجود تعداد فراوانی از درختهای کاج در منطقههای مختلف ایران از طرف دیگر، در این مقاله، میزان اثرگذاری خاکستر این میوه بهعنوان جایگزینی برای سیمان در بتن مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای دستیابی به این هدف،20درصد وزنی از خاکستر کاج جایگزین سیمان میشود و اثر آن بر مقاومت فشاری نمونهها مورد ارزیابی قرار میگیرد.در این فرآیند،ابتدا میوهیخشکشدهیدرخت کاجسوزانده میشود و سپس خاکسترآن جمع آوری خواهدشدودر هنگام اختالط،اندازهی ذرات خاکسترآن به میکرونمیرسد.نمونههای آزمایشگاهی،مکعبی و استوانهای در نظر گرفته شدهاند که بر اساس آییننامهیآباو مبحث نهم مقررات ملی ساختمان تحت آزمون فشاریقرار میگیرند.
2-مشخصات مصالح مورد استفاده
در این بخش، به معرفی ویژگیهای هر یک از مصالح استفادهشده در طرح اختالط نمونههای مکعبی و استوانهایاستاندارد پرداخته میشود.
2-1-سیمان
سیمان مادهای چسبنده استکه قابلیت چسباندن ذرات به یکدیگر و تشکیل دادن جسمی یکپارچه را دارا میباشد. سیمان10الی 12درصد حجم بتن را شامل میشود . سیمان از ترکیب مصالح آهکی، سیلیس، رس و اکسید های معدنی در دمای1400تا1500درجه سانتیگراد ساخته میشود. بر اساس ضوابط و معیارهای فنیشبکه های آبیاری و زهکشی، نوع سیمان مورد استفاده برای تهیه بتن بجز در مواردی که در دفترچه مشخصات فنی به نحو دیگری تصریح شده باشد، باید از نوع سیمان پرتلند2یا5باشد]24-22[. سیمان مورد استفاده در این مقاله سیمان تیپ2شرق میباشد که ویژگیهای آندرجدول1آمدهاست.
2-2-مصالح سنگی
مصالح درشت دانه به دو دستهی شن و ماسه تقسیمبندی میشوند. مصالح سنگی حدود66تا75درصد حجم بتن را تشکیل میدهند]25[. مصالح سنگی مورد نیاز در این مقاله از شرکت بنیاد بتن خراسان تهیه شدند. نمایی از اینمصالح درشکل1آمدهاست که در بخشسوم نشان داده خواهند شد.
2-3-آب
ناخالصیهای موجود در آب ممکن است در زمان گیرش سیمان و مقاومت بتن اثر گذاشته و اختالالتی بوجود آورد. در اکثر استانداردها آب مناسب برای بتن، آبی است که برای آشامیدن مناسب باشد. طبق استاندارد به عنوان یک قاعده کلی هر آبی کهPHآن بین 6الی8بوده و طعم شوری نداشته باشد میتواند برای بتن استفاده شود. اصوال آبی که برای بتن مناسب است، برای عمل آوری آن نیز مطلوب خواهد بود. به طور کلی توصیه میشود، آبی که برای عمل آوردن بتن مصرف میشود، از مواردی که ممکن است روی بتن سخت شده اثر بگذارد، عاری باشد]26[.
2-4-خاکستر مخروط کاج
دراین مقاله، به منظور دستیابی به خاکستر میوهی مخروطیشکل کاج، ابتدا مقداری از آنها جمعآوری شده است. سپس،با رعایت نکات ایمنی، این میوهها که خشک هم بودند، در کورهای بسته و در محیطی با دمای حدود350درجه سانتیگراد سوزانده شدهاند و خاکستر تولیده شده ازاحتراق مورد استفاده قرار گرفته است. پس از سرد شدن خاکسترهای گردآوریشده، آنها آسیاب میشوند تا ناخالصیهای احتمالی در آنها گرفته شود و آمادهی اضافهشده به مخلوط بتنباشند.جدول2، ویژگیهایشیمیایی خاکستر کاج را گزارش کرده است.
3-طرح اختالط
با فراهم کردن مصالح مورد نیاز شامل، سیمان، آب، مصالح سنگی و خاکستر مخروط کاج و با توجه به میزان مصرف هر کدام از آنها در واحد حجم بتنمطابق باجدول3، برنامهیمورد نیاز برای بتنریزی انجامشد. تعداد نمونههای در نظرگرفتهشده در این مقاله، دو عدد نمونهی مکعبی و دو عدد نمونهای استوانهای استاندارد است]4[.
پس از محاسبهی مقدارمصرفی هر کدام از مصالح مورد نیاز برای بتنریزی، مقدار سیمان، آب و مصالح سنگی وزن شده و بهطور جداگانه تفکیک میشوند. برای آمادهسازی خاکستر مخروط کاج، پیش از وزن کردن، آنها آسیاب میشوند تا ناخالصیهای احتمالی بهوجود آمده در آنها گرفته شود و مخلوطی همگناز بتن نتیجه شود.شکل1مرحلههاییاز آمادهسازی مصالح مورد نیاز در مخلوط بتن را نشان داده است.
4-آزمونهای مقاومت فشاری
در این مقاله، دو نمونه مکعبیcm15×cm15×cm15و دو نمونه استوانهایcm30×cm15برای هر یک از حالتهای طرح اختالط بتن بدون خاکستر مخروط کاج و همراه با خاکستر مخروط کاج ساخته شد. این نمونهها به مدت28روز در حوضچهی آب نگهداری شدند.
شکل2وشکل3به ترتیبنمونهها پس از بتنریزی و چگونگی قرارگیری آنهادر حوضچهی آب را نشان میدهند.
پس از گذشت28رو از عملآورینمونهها،برایتعیینمقاومتفشاری،آنهازیرجک قرارداده شدند. درآزمایشمقاومتفشاری، مکعبها را بهنحویدر دستگاهفشاریقرار گرفتند که دو سطحمقابلیکه در موقع بتنریزی،مجاور قالب بودند، در تماس با رکابفوقانی
وتحتانیدستگاه قراربگیرند. به عبارتدیگروضعیتمکعب، در هنگامآزمایشعمود بروضعیتآن در موقع بتنریزیدر قالب در نظر
گرفته شد.شکل4وشکل5به ترتیب قرارگیری نمونههای مکعبی در دو حالت بدون خاکستر (نمونههای شاهد) و همراه با خاکستر کاج و شکل6وشکل7به ترتیب قرارگیری نمونههای استوانهای شاهد و همراه با خاکستر کاج در زیر جک آزمون مقاومت فشاری را نشان میدهند.
بر اساس مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، نمونهی استاندارد، نمونهای استوانهای به ابعادmm300×mm150میباشد. در صورت استفاده از نمونههای مکعبی، بایدمقاومت آنها به مقاومت نظیر نمونهی استاندارد استوانهای تبدیل شود. برای این تبدیل، از ضریبهای1r (ضریب تبدیل مقاومت نمونهی استوانهای استاندارد به مقاومت نمونهی استوانهای غیر استاندارد)،2r(ضریب تبدیل مقاومت نمونهی مکعبی به ابعادmm200به مقاومت نظیر نمونهی مکعبی با ابعادی غیر ازmm200) و3r(ضریب تبدیل مقاومت نمونهی استوانهای استاندارد به مقاومت نظیر نمونهی مکعبی به ابعادmm200) مطابقجدول4،جدول5وجدول6بهرهجویی میشود.
نتیجههای آزمونهای فشاری و مقاومت فشاری معادل استوانهای استاندارد در دو حالت بدون خاکستر کاج (نمونههای شاهد) و همراه با خاکستر کاج برای نمونههای مکعبی و استوانهایبهترتیب درجدول7وجدول8بر حسب واحدهای2 kg/cmوMPaگزارش شدهاند.
همانطور که درجدول7مشاهده میشود، از آنجا که نمونههای مکعبی دارای اندازهیmm150×mm150بودهاند، ضریب2r مطابقجدول5برابر با00/1و مقدار ضریب3rبه کمک درونیابی مقدارهایگزارششده درجدول6محاسبهشدهاند. با توجه به اینکه نمونههای استوانهای دارایاندازهیmm300×mm150بودهاند، مقدار ضریب1rدرجدول8، مطابق باجدول4، برابر00/1در نظر گرفته شده است. مقاومت فشاری معادل استوانهای استاندارد به همراه میانگین آنها در نمونههای شاهد درجدول9وشکل8و در نمونههای دارای خاکستر کاج درجدول10وشکل9گزارش شدهاند.
بهمنظور مقایسهی دقیقتر، مقاومت فشاری معادل استوانهای استاندارد در نمونههای شاهد و نمونههای دارای خاکستر مخروط کاج درشکل10نشانداده شده است.
همانطورکه درشکل10مشاهدهمیشود، میانگین مقاومت فشاری معادل استوانهای استاندارد برای نمونههای شاهد برابر
2 kg/cm75/261(MPa67/25) و در نمونههای دارای خاکستر کاج برابر2 kg/cm25/279(MPa38/27) میباشد. از اینرو، با جایگزینی20% وزنی خاکستر مخروط کاج به عنوان جایگزین سیمان در نمونههای بتنی، مقاومت فشاری معادل68/6% افزایش پیدا کرده است. در ادامه، چگونگی شکست نمونههای مکعبی در دو حالت بدون خاکستر کاج (نمونههای شاهد) و دارای خاکستر مخروطکاج بهترتیب درشکل11و شکل12نشان داده شده است.
شکست نمونههای استوانهای در دو حالت بدون خاکستر کاج (نمونهدارای خاکستر های شاهد) ومخروط کاج بهترتیب در
شکل13وشکل14نشان داده شده است.
مقایسه ی شکل11وشکل12و همچنینشکل13وشکل14نشان میدهد نمونههای دارایخاکستر مخروط کاج ترکهای
محوری بیشتری دارند و رنگ آنها در مقایسه با نمونههای بدون خاکستر کاج تیرهتر است. از طرف دیگر، نتیجه ها بیانگر زودگیر بودن این گونه از بتن در هنگام اختالط بودند.
5-نتیجهگیری
در این مقاله تالش شد تا با بهکارگیری خاکستر میوهی مخروطیشکل درخت کاج، میزانی از سیمان مصرفی در طرح اختالط بتن کاهش پیدا کند. از آنجا که خاکستر مورد استفاده در این پژوهش عالوه بر کاهش مصرف سیمان، باعث عدم جلوگیری از انباشته شدن مخروط کاج در طبیعت و در نتیجه ایجاد آلودگی زیست محیطی میگردد، آثار مخرب زیست محیطی تولید بتن را نیز کاهش میدهد. در این مقاله مشاهده شد که نمونههای حاوی20درصد خاکستر کاج دارای میانگین مقاومت فشاری28روزهایبرابر با2 kg/cm25/279 (MPa38/27) هستند که در مقایسه با نمونههای بدون خاکستر کاج (نمونههای شاهد) که دارای میانگین مقاومت فشاری2 kg/cm75/261 (MPa67/25) بودند، معادل با68/6% افزایش پیدا کرده است.بررسی شکست نمونهها نشان میدهد که ترکهای محوری ایجادشده در نمونههای دارای خاکسترمخروط کاج نسبت به نمونههای شاهد بیشتر است. همچنین، نتیجهها نشان دادند که استفاده از خاکستر کاج، رنگ بتن را تغییر میدهد و باعث گیرایی سریعتر خمیر سیمان میشود. از این رو میتوان از این مصالح به عنوان جایگزینی مناسب برای سیمان مصرفی در بتناستفاده کردو از تخریب محیط زیست و ایجاد گازهای گلخانهای در اثر تولید سیمان جلوگیری کرد.
مراجع
[1] Mathur VK. (2006) Composite materials from local resources. Constr Build Mater; 20: 470–477.
[2] Salem ZTA, Khedawi TS, Baker MB, et al. Effect of Waste Glass on Properties of Asphalt Concrete Mixtures. Jordan J
Civ Eng; 11.
[3] Cartuxo F, de Brito J, Evangelista L, et al. (2016) Increased durability of concrete made with fine recycled concrete
aggregates using superplasticizers. Materials (Basel); 9: 98.
[4] Andreu G, Miren E. (2014) Experimental analysis of properties of high performance recycled aggregate concrete. Constr
Build Mater; 52: 227–235.
[5] Bjork F. (1999) Concrete Technology and Sustainable Development. In: CANMET/ACI International Symposium on
Concrete Technology for Sustainable Development.
[6] Aitcin P-C. (2000) Cements of yesterday and today: concrete of tomorrow. Cem Concr Res; 30: 1349–1359.
[7] Berndt ML. (2009) Properties of sustainable concrete containing fly ash, slag and recycled concrete aggregate. Constr
Build Mater; 23: 2606–2613.
[8] Jayapalan AR, Lee BY, Kurtis KE. (2013) Can nanotechnology be green? Comparing efficacy of nano and microparticles
in cementitious materials. Cem Concr Compos; 36: 16–24.
[9] D’Alessandro A, Fabiani C, Pisello AL, et al. (2016) Innovative concretes for low-carbon constructions: a review. Int J
Low-Carbon Technol; 12: 289–309.
[10] Liew KM, Sojobi AO, Zhang LW. (2017) Green concrete: Prospects and challenges. Constr Build Mater; 156: 1063–
1095.
[11] Lothenbach B, Scrivener K, Hooton RD. (2011) Supplementary cementitious materials. Cem Concr Res; 41: 1244–1256.
[12] Wu M, Li C, Yao W. (2017) Gel/space ratio evolution in ternary composite system consisting of Portland Cement, silica
fume, and fly ash. Materials (Basel); 10: 59.
[13] Zhang P, Wan J, Wang K, et al. (2017) Influence of nano-SiO2 on properties of fresh and hardened high performance
concrete: A state-of-the-art review. Constr Build Mater; 148: 648–658.
[14] Ortega JM, Esteban MD, Rodriguez RR, et al. (2017) Long-Term Behaviour of fly ash and slag cement grouts for
micropiles exposed to a sulphate aggressive medium. Materials (Basel); 10: 598.
[15] Velázquez S, Monzó JM, Borrachero M V, et al. (2014) Assessment of pozzolanic activity using methods based on the
measurement of electrical conductivity of suspensions of Portland Cement and pozzolan. Materials (Basel); 7: 7533–7547.
[16] Marks Michałand Glinicki M, Gibas K. (2015) Prediction of the Chloride Resistance of Concrete Modified with High
Calcium Fly Ash Using Machine Learning. Materials (Basel); 8: 8714–8727.
[17] Kalaw ME, Culaba A, Hinode H, et al. (2016) Optimizing and characterizing geopolymers from ternary blend of
Philippine coal fly ash, coal bottom ash and rice hull ash. Materials (Basel); 9: 580.
صاحب امتیازانجمن مهندسی سازه ایران
19 نشریهعلمی–پژوهشیمهندسی سازه و ساخت، دوره5، شمارهویژه2، سال1397،صفحه5تا19
[18] Xu W, Lo TY, Wang W, et al. (2016) Pozzolanic reactivity of silica fume and ground rice husk ash as reactive silica in
a cementitious system: A comparative study. Materials (Basel); 9: 146.
[19] Aprianti E. (2017) A huge number of artificial waste material can be supplementary cementitious material (SCM) for
concrete production–a review part II. J Clean Prod; 142: 4178–4194.
[20] Hemalatha T, Ramaswamy A. (2017) A review on fly ash characteristics–Towards promoting high volume utilization in
developing sustainable concrete. J Clean Prod; 147: 546–559.
[21] Norhasri MSM, Hamidah MS, Fadzil AM. (2017) Applications of using nano material in concrete: A review. Constr
Build Mater; 133: 91–97.
[22] Khatib JM, Negim EM, Sohl HS, et al. (2012) Glass powder utilisation in concrete production. Eur J Appl Sci; 4: 173–
176.
[23] Pereira P, Evangelista L, De Brito J. (2012) The effect of superplasticisers on the workability and compressive strength
of concrete made with fine recycled concrete aggregates. Constr Build Mater; 28: 722–729.
[24] Saikia N, de Brito J. (2014) Mechanical properties and abrasion behaviour of concrete containing shredded PET bottle
waste as a partial substitution of natural aggregate. Constr Build Mater; 52: 236–244.
[25] Ismail S, Ramli M. (2013) Engineering properties of treated recycled concrete aggregate (RCA) for structural
applications. Constr Build Mater; 44: 464–476.
[26] Topcu IB, Canbaz M. (2004) Properties of concrete containing waste glass. Cem Concr Res; 34: 267–274.