استفاده از ذرات لاستیک تایر ضایعاتی و الیاف پلی پوپیلن در مخازن بتنی آب به منظور ناتراوا کردن آن ها

علی صدرممتازی ، رومینا ذرشین زنوش

1- دانشیار و عضو هیئت علمی گروه عمران دانشگاه گیلان
2- دانشجوی دکترای عمران- سازه دانشگاه گیلان

چكيده

در سیستم های آب رسانی شهری مخازن برای مقاصدی چون ذخیره سازی آب، متعادل سازی جریان یکنواخت و نایکنواخت نیز تأمین و متعادل سازی فشار، طراحی و احداث می شوند. نظر به اینکه بخش قابل توجهی از پروژه های آب رسانی شهری را احداث مخازن تشکیل می دهد، هزینه ناشی از احداث این مخازن و همچنین هدر رفتن آب در داخل این مخازن نکته ای است که همواره باید مورد توجه قرار گیرد. یکی از راه حل هایی که که برای حل مشکل هدر رفتن آب از داخل این مخازن و کاهش هزینه ساخت مخازن آب پیشنهاد می شود استفاده از ذرات لاستیک تایر به عنوان یک ماده افزودنی به کامپوزیت های سیمانی و بتنی است که در ساخت این مخازن به کار برده می شود. رشد روز افزون وسایل نقلیه در جوامع بشری و در نتیجه افزایش لاستیک تایر فرسوده ناشی از آن ها مشکلات زیست محیطی وسیعی را به وجود آورده است.

سوالات تحقيق:
در این تحقیق سعی شده است با استفاده از ذرات تایر فرسوده در اندازه کوچکتر از 1 میلیمتر و الیاف پلی پروپیلن به طول 6 میلیمتردر کامپوزیت های سیمانی نوع جدیدی از مخازن بتنی معرفی گردد و برتری تولید جدید ذکر گردد

روش تحقیق:
در این مقاله ، 5 نسبت حجمی ذرات لاستیک تایر ضایعاتی از 10% تا 50% جانشین ریز دانه در ماتریس کامپوزیت سیمانی در نمونه های مکعبی به ابعاد 50 ×50×50 میلیمتر آزمایش شده است .همچنین الیاف پلی پروپیلن در نسبت های 1/0 و 3/0 و 5/0 درصد ماتریس سیمانی به کامپوزیت اضافه شده است.

نتیجه گیری:
استفاده از لاستیک تایر فرسوده در کامپوزیت های سیمانی و به طور تکمیلی در بتن موجب ایجاد محصولی با قابلیت جذب آب، انعطاف پذیری و جذب انرژی زیاد می شود نتایج حاکی از آن است که با افزایش ذرات لاستیک ،جذب آب نمونه ها به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد و می توان مخازنی با قابلیت ناتراوایی ساخت.

كلمات كليدي: مخازن بتنی ناتراوا ، کامپوزیت سیمانی حاوی ذرات لاستیک ، مخازن بتنی سبک ، کاربرد الیاف پلی پروپیلن در کامپوزیت های سیمانی

1. مقدمه

در هر واحد صنعتی بر حسب میزان مصرف آب و برای تامین مصرف پیک مقدار ذخیره آب اهمییت دارد . احتمال تراوش آب از مخزن و نظایر آن فاکتوری در تعیین میزان ذخیره آب است. مقدار ذخیره آب تعیین کننده نوع مخزن ذخیره می باشد . و نیز مقایسه اقتصادی خود فاکتوری در انتخاب نوع مخزن می باشد. در نتیجه ناتراوا کردن مخازن کمک شایانی به تعیین درست نوع مخزن می نماید. انواع مخزن آب عبارتند از : 1- برج آب ، 2- مخازن زیر زمینی که برج آب برای هر ظرفیت مناسب می باشد در حالی که اگر ظرفیت بیشتر از مقدار لازم باشد دیگراقتصادی نیست و باید از مخازن زمینی استفاده کرد.(شکل 1) .

                          

شکل 1 - مخازن زمینی آب

ناتراوا کردن مخازن آب شهری به کمک بتن حاوی ذرات لاستیک تایر ضایعاتی( شکل 2) علاوه بر اینکه کمک به انتخاب درست مخازن می کند همچنین می توان آن را به عنوان يکی از راه حلهایی که برای حل مشکل آلودگی محیط زیست ناشی از لاستیک تایر ضایعاتی پيشنهاد کرد. سیاست های توسعه پایدار در جهان امروزی اقتضا می کند تا راهکارهایی جهت کاهش آلاینده های زیست محیطی مورد توجه قرار گیرد.از جمله آلاینده های مهمی که در چرخه بازیافت طبیعت تجزیه نمی شود لاستیک های مستعمل خودروها می باشند که با توجه به گسترش روزافزون صنعت خودرو سازی لازم است تا راهکار های مناسبی برای کاربرد آنها اندیشیده شود. 

 

شکل 2 - تجمع لاستیک تایرضایعاتی

 

همچنین فیبر های زائد فرش نیز در سال های اخیر بسیار در کامپوزیت های سیمانی مورد استفاده قرارگرفته است. فیبر های طبیعی و مصنوعی به عنوان تقویت کننده ثانویه بعد از فولاد جهت کنترل افت پلاستیک بتن به آن اضافه می گردد. پلی پروپیلنیکی از انواع فیبر های بکار رفته در ساخت و تولید فرش می باشد. کاربرد پلی پروپیلن و تاثیر آن بر کامپوزیت های سیمانی بستگی کامل به نوع و طول و درصد حجمی به کار رفته درماتریس طرح اختلاط و طبیعت مواد مصرفی دارد.

2. مصالح

ذرات لاستیک استفاده شده در این تحقیق از لاستیک تایر ضایعاتی خورد شده اتومبیل در اندازه کوچکتر از 1 میلیمترو وزن مخصوص ذرات لاستیک استفاده شده در حدود kg/m3 506 می باشد. (شکل 3 ) ذرات لاستیک تایر ضایعاتی را نشان می دهد. همچنین الیاف پلی پروپیلن به ابعا د 6 mm و وزن مخصوص 9/0: 1/0٪ و3/0٪ و5/0٪ حجمی کامپوزیت استفاده شده است. (شکل 4 )

 

شکل3: ذرات لاستیک کوچکتر از 1 میلیمتر

 

شکل4: الیاف پلی پروپیلن

سیمان استفاده شده در این تحقیق سیمان تیپ 1 (425 مازندران) می باشد. ابتدا ذرات لاستیک و سیمان به صورت خشک با هم مخلوط می شوند. ذرات لاستیک جایگزین 10% تا 50% حجم سیمان در ماتریس سیمانی می باشند.برای بدست آوردن کارایی ثابت و مناسب برای همه کامپوزیت ها میزان آب اضافه شده به ماتریس سیمانی با توجه به فرمول (1) می باشد. که در این فرمول Wوزن آب و C وزن سیمان و R وزن ذرات لاستیک ضایعاتی می باشد.
(1)

نمونه ها در اندازه (50×50×50) میلیمتر و (50×50×200) میلیمتر تحت شرایط 28 روز در دمای 20 درجه سانتیگراد و رطوبت 100% برای انجام آزمایشات در نظر گرفته شد. میانگین نتیجه 3 نمونه برای هر آزمایش ملاک قرار گرفته شده است.

3. نتایج آزمایش ها و بحث در مورد آن ها
3. 1. آزمایش جذب آب

در شکل 5 جذب آب در نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی درصد های مختلف ذرات لاستیک تایر ضایعاتی و الیاف پلی پروپیلن نشان داده شده است. جذب آب در نمونه های کامپوزیتی فاقد سیمان 5% می باشد که با افزایش ذرات لاستیک تایر ضایعاتی این مقدار به 1/0% کاهش می یابد. با افزودن الیاف پلی پروپیلن جذب آب در کامپوزیت های سیمانی کاهش می یابد . کاهش جذب آب در نمونه های کامپوزیتی در واقع نقطه مثبتی در بدست آوردن بتن ناتراوا برای مخازن آب می باشد.

 

شکل 5 - نمودار جذب آب نمونه های کامپوزیت سیمانی

3. 2. آزمایش وزن مخصوص

با افزایش مقدار لاستیک از 0٪ تا 50٪ حجمی سیمان، وزن مخصوص نمونه های کامپوزیت سیمانی کاهش می یابد . علت کاهش وزن مخصوص نمونه ها اختلاف چگالی kg/m33150 سیمان و kg/m3506 ذرات لاستیک می باشد. از سوی دیگر افزایش ذرات لاستیک ، مقدار هوای محبوس در بتن را زیاد می کند که سبب کاهش وزن مخصوص می شود. این امر می تواند به دلیل غیرقطبی بودن ذرات لاستیک و توانایی به دام انداختن حباب های هوا در سطح زیرشان باشد. همچنین لاستیک اضافه شده می تواند با دفع آب هوا را جذب کند. بنابراین هوای محبوس شده در نمونه های کامپوزیت سیمانی زیاد شده و وزن نمونه ها کاهش می یابد.همچنین می توان با اضافه کردن فیبر پلی پروپیلن باز هم وزن مخصوص به مقدار جزئی تر کاهش داد و نمونه های کامپوزیتی سبک تری به دست آورد. لازم به ذکر است که درصد جذب آب الیاف پلی پروپیلن نیزصفرمی باشد. (شکل6)

 

شکل 6 - وزن مخصوص خشک نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی ذرات لاستیک و الیاف پلی پروپیلن

3. 3. آزمایش مقاومت خمشی

نتایج آزمایش مقاومت خمشی در (شکل 7) آمده است. نمونه های تیری به ابعاد mm3 50 ×50 ×200 مورد آزمایش خمشی قرار گرفته است. آزمایش به صورت اتومکانیک توسط کامپیوتر صورت گرفته است.
شکل 8 بارگذاری خمشی را بر روی نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی ذرات لاستیک نشان می دهد. با توجه به شکل 7 منحنی مقاومت خمشی ،ابتدا کاهشی در نمونه های حاوی ٪10 ذرات لاستیک تایر ضایعاتی مشاهده می شود. سپس یک مقدار حداکثری را در نمونه های حاوی ٪20 لاستیک تایر ضایعاتی رامی توان دید. کاهش مقاومت خمشی را می توان با توجه به کاهش مقدار سیمان در نمونه های کامپوزیت سیمانی و همچنین کاهش چسبندگی ما بین ذرات لاستیک و سیمان در ماتریس سیمانی بیان نمود. بر اساس اصل کلی حاکم بر خمش، در هنگام اعمال بارهای خمشی به نمونه ها ،در یک طرف تار خنثی تنش کششی و در طرف دیگر تنش فشاری ایجاد می کنند. تا با ایجاد کوپل نیروهای کششی و فشاری، ممان خمشی وارده را خنثی نمایند.

 

شکل 7- مقاومت خمشی نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی ذرات لاستیک و الیاف پلی پروپیلن

شکل 8- شکست خمشی نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی ذرات لاستیک

 

3. 4. انرژی شکست خمشی
انرژی شکست خمشی از مساحت زیر منحنی بار- تغییرمکان ،که در شکل (9) نشان داده شده است بدست می آید. هر چه ذرات لاستیک در ماتریس سیمان افزایش پیدا می کند ،سطح زیر نمودار بار- تغییر مکان افزایش می یابد و به دنبال آن سختی خمشی نیز افزایش می یابد، در نتیجه نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی ذرات لاستیک تایر ضایعاتی قدرت جذب انرزی بیشتری خواهند داشت و در مقابل بارهای خمشی، مقاومت بیشتری از خود نشان خواهند داد در نتیجه زمان شکست خمشی نیز افزایش می یابد.

شکل 9- انرژی خمشی نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی ذرات لاستیک

3. 5. آزمایش التراسونیک

مدت زمان عبور امواج صوتی با کمک دستگاه التراسونیک در جهت طولی نمونه های کامپوزیتی حاوی ذرات تایر ضایعاتی اندازه گیری شده است.امواج التراسونیک از بین حفره های هوا عبور می کنند و در طول ماتریس سیمانی گسترش می یابند.پیوستگی ذرات لاستیک در ماتریس سیمانی ،توانایی کامپوزیت سیمانی را در کاهش شدت صوت و لرزش های دمپینگ مشخص می کند.(شکل 10) در نتیجه می توان نتیجه گیری کرد که مخازن بتنی ساخته شده با این محصول جدید توانایی بیشتری در مقابل امواج زلزله از خود نشان می دهد.

 

شکل 10- سرعت امواج التراسونک عبوری از نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی ذرات لاستیک و الیاف پلی پروپیلن

 

3. 6. مدول الاستیسیته دینامیکی

در تئوری فرض می شود که کامپوزیت های سیمانی و بتن مسلح ایزوتروپیک همسان و الاستیک بوده و از قانون هوک پیروی می کند . ولی در حالت واقعی هیچ یک از این فرضیات به درستی صدق نمی کند . کامپوزیت سیمانی و بتن تحت بارگذاری تغییر شکل می دهند که به مقدار بارگذاری٬ سرعت بارگذاری و فاصله زمانی بارگذاری بستگی دارد . به عبارت دیگر کامپوزیت سیمانی و بتن ها رفتار تنش کرنش پیچیده ای دارند .
مدول الاستیسیته بدست آمده در شرایط استاتیک به علت خزش نمی تواند به خوبی بیان گر E واقعی باشد . بنابراین از مدول الاستیسیته دینامیکی استفاده می کنیم که معمولا بیشتر از از حالت استاتیکی است.

شکل11- مدول الاستیسیته دینامیکی نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی ذرات لاستیک و الیاف پلی پروپیلن

3. 7. مقاومت فشاری

همانطور که در شکل 4-8 نشان داده شده, با افزایش ذرات درصد ذرات لاستیک مقاومت فشاری نمونه ها از از MPa5/54 برای کامپوزیت سیمانی کنترل به MPa 8/21 برای کامپوزیت سیمانی حاوی 50٪ لاستیک کاهش می یابد. این کاهش در حدود 60٪ می باشد.
این کاهش در مقاومت فشاری ریشه در خصوصیات فیزیکی ذرات لاستیک دارد. کاهش مقاومت می تواند به دلیل عملکرد لاستیک ها به عنوان مواد نرم که سبب ایجاد تمرکز تنش می شوند ، باشد. تمرکز تنش می تواند سبب جداشدن لاستیک از ماتریس سیمانی شود و همچنین دوده ترک ها را در بتن سبب می شود.
راه حل پیشنهادی به منظور افزایش پیوند ذرات تایر لاستیک و سیمان در کامپوزیت: استفاده از الیاف پلی پروپیلن است که موجب افزایش مقاومت فشاری نمونه های کامپوزیت سیمانی حاوی لاستیک تایر ضایعاتی می شود. البته طول الیاف بتن و درصد جایگزینی آن در کامپوزیت نیز در میزان مقاومت تاثیر گذار است. به طوری که استفاده از 1/0٪ درصد پلی پروپیلن موجب افزایش نسبی در مقاومت فشاری شده و با افزایش میزان پلی پروپیلن تا 3/0 ٪ حجمی مقاومت فشاری باز هم به مقدار خیلی جزئی افزایش می یابد در حالی که اگر از نسبت حجمی 5/0 ٪ الیاف پلی پروپیلن استفاده شود، مقاومت فشاری کاهش ناچیزی می یابد.البته کاهش مقاومت های ناشی از افزودن الیاف به ماتریس را می توان به مشکلات فیزیکی احتمالی که در پخش صحیح الیاف در نمونه کامپوزیت و تولید نمونه ای همگن رخ می دهد، ارتباط داد. در این حالت الیاف با چسبیدن به یکدیگر و گلوله شدن سبب ایجاد نقاط ضعیف در بافت ماتریس سیمانی شده و در نتیجه زمینه کاهش مقاومت فشاری را فراهم می آورد.(شکل 12)

 

شکل 12- نمودار مقاومت فشاری 28 روزه کامپوزیت های حاوی الیاف پلی پروپیلن

 

3. 8. SEM

در شکل (13) آزمایش SEM بر روی نمونه حاوی ذرات لاستیک تایر ضایعاتی پس از شکست فشاری نشان داده شده است .همانطور که در شکل مشاهده می شود شکست در اطراف ذرات لاستیک روی داده است چون تمرکز تنش در این ناحیه رخ داده است.

 

شکل13- نمایش چسبندگی ذرات لاستیک تایر ضایعاتی به کامپوزیت سیمانی

در شکل (14) الیاف پلی پروپیلن مشاهده می شود که همانند پلی در ناحیه شکسته شده قرار گرفته اند و مانع جداشدگی کامل نمونه کامپوزیت سیمانی شده است.

 

شکل14- نمایش الیاف پلی پروپیلن در نقطه شکست

 

4. نتیجه گیری

1- مخازن بتنی آب ساخته شده از بتن حاوی ذرات لاستیک تایر ضایعاتی و الیاف پلی پروپیلن بسیار ناتراوا هستند و علاوه بر این که مانع هدر رفتن آب از مخازن می شوند موجب صرفه جویی در مصالح و کمک به محیط زیست می شوند.
2- مخازن بتنی آب ساخته شده از بتن حاوی ذرات لاستیک تایر ضایعاتی و الیاف پلی پروپیلن با توجه به آزمایش عبور امواج التراسونیک مقاومت بیشتری در مقابل امواج التراسونیک از خود نشان می دهند.
3- مقاومت خمشی مخازن بتنی آب ساخته شده از بتن حاوی ذرات لاستیک تایر ضایعاتی و الیاف پلی پروپیلن در درصد جایگزینی 20% لاستیک بیشتر از درصد های دیگر است و مخزن از انعطاف پذیری بیشتری برخوردار است .
4- با توجه به انعطاف پذیری و شکست نرم مخازن بتنی آب ساخته شده از بتن حاوی ذرات لاستیک تایر ضایعاتی و الیاف پلی پروپیلن این مخازن در مدت زمان بیشتری بعد از اولین ترک تخریب می شوند. لذا فرصت انتقال و ترمیم فراهم می شود .

5. مراجع

[1] HUYNH, H., RAGHAVAN, D," Durability of Simulated Shredded Rubber Tire in Highly Alkaline Environments", Advn Cem Bas Mat, (1997), pp.138-143.

[2] HERNÁNDEZ-OLIVARES, F., BARLUENGA, G., BOLLATI, M. and WITOSZEK, B. Static and dynamic behavior of recycled tire rubber-filled concrete. Cement and Concrete Research, 32, 2002, pp.1587–1596.

[3] TOUTANJI, H. A. "The Use of Rubber Tire Particles in Concrete to Replace Mineral Aggregates. Cement and Concrete Composites". 18, 1996, pp.135-139

[4] BAUER, R. J. F., TOKUDOME, S. and GADRET, A. D. Estudo de Concreto com Pneu Moído. Proceedings of 43º Congresso Brasileiro do Concreto, 2001

[5] Rafat Siddique a, Jamal Khatib b, Inderpreet Kaur," Use of recycled plastic in concrete: A review". Waste Management 28 (2008) 1835–1852

[6] D. Garcı´a a, J. Lo´pez a, R. Balart a, R.A. Ruseckaite b, P.M. Stefan "Composites based on sintering rice husk–waste tire rubber mixtures". Materials and Design 28 (2007) 2234–2238

[7] Malek Batayneh, Iqbal Marie, Ibrahim Asi ."Use of selected waste materials in concrete mixes" Waste Management 27 (2007) 1870–1876

[8] M.C. Bignozzi, F. Sandrolini." Tyre rubber waste recycling in self-compacting concrete". Cement and Concrete Research 36 (2006) 735–739

[9] Malek K. Batayneh a, Iqbal Marie b, Ibrahim Asi "Promoting the use of crumb rubber concrete in developing countries" Waste Management 28 (2008) 2171–2176

[10] M.Tur ki, E.Bretagne,M.J.Rouis,M.Quenudec ," Microstructure , physical and mechanical properties of mortar – rubber aggregate mixtures.

[11] J L Akasaki A C Marques "MORTAR ADDED BY TYRE RUBBER RESIDUES:
CHARACTERIZATION IN FRESH AND HARDENES STATE" Universidade Estadual Paulista (Unesp) Brasil.

[12] A. Benazzouk, O. Douzane " Physico-mechanical properties and water absorption of cement composite containing shredded rubber wastes",Cement & Concrete Composites 29 (2007) 732–740.

[13] N. Segre, I. Joekes. " Use of tire rubber particles as addition to cement paste", Cement and Concrete Research 30 (2000) 1421±1425

[14] Eldin, N. N. and Senouci, A.B. (1993)."Rubber-Tire Practices as Concrete Aggregate", J Mater Civil Engng. 5(4):478–96.

[15] Ali R. Khaloo, M. Dehestani, P. Rahmatabadi "Mechanical properties of concrete containing a high volume of tire–rubber particles", Waste Management 28 (2008) 2472-2482.

[16] Eshmaiel Ganjian a, Morteza Khorami b, Ali Akbar Maghsoudi, " Scrap-tyre-rubber replacement for aggregate and filler in concrete" Construction and Building Materials 23 (2009) 1828–1836.

[17] Khatib, Z. K. and Bayomy, F. M. (1999), "Rubberized Portland Cement Concrete", ASCE Journal of Material in Civil Engineering. 11(3): 206-213.

[18] American Society for Testing Materials Sub-Committee C09.61, (2005), ASTM C 39/C39-09: Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens. American Society for Testing Materials (ASTM), USA.

[19] American Society for Testing Materials Sub-Committee C09.61, (2005), ASTM C 78/C78-09: Standard Test Method for flexural Strength of Concrete Specimens. American Society for Testing Materials (ASTM), USA.

[20] Hernandez-Oliveres, F. and Barluenga, G., “Fire performance of recycled rubber-filled high-strength concrete” Cement and Concrete Research, Vol 34, No. 1-3, (2003) pp 109-117.

[21] Guoqiang Lia, Gregory Garricka, John Eggersb, Christopher Abadieb cement," Waste tire fiber modified concrete", and Composites: 305–312Part B 35 (2004).

[22] Wang,Y., H.C. Concrete reinforcement with recycled fibers. (2000) Journal of Materials in civil engineering.

[23] Auchey, Flynn l. Dutta, Piyush K. use of recycled high density polyethylene fibers as secondary reinforcement in concrete subjected co severe environment, Proceeding of the international offshore and polar engineering conference-(1996)

[24] Wu, H-C,Lim, Li,V.C. application of recycled tire cord in concrete for shrinking crack control , Journal of materials science letters, volume 15, issue 20, 15 October (1996), pages 1828-1831.

[25] Balagurn PN,Shah SP .Fiber reinforced cement composites. New York: McGraw-Hill, inc, (1992):367p.

[26] S.Kumar,M.B.Polk,and Y.Wang fundamental studies on the utilization of carpet waste. Presented at the SMAR (secondary materials & recycled textiles, an international association) (1994) mid-year conference July, (1994) , Atlanta, GA.

[27] Y.Wang, S.Kumar, and M.B. Polk, Fundamental studies on the utilization or carpet waste, presented at the fiber society spring technical conference, May (1994), Annapolis, MD.

ABSTRACT
Urban water systems for purposes such as storage tanks, water flow and uniform balancing and none balancing supply, are designed and constructed. Considering that a significant proportion of the urban water supply projects, construction of reservoirs to form, due to construction costs and waste water tanks inside the tanks is a point that should always be considered. One of the solutions that solve the problem of waste water into the reservoir and reduce the cost of water tanks is recommended to use rubber tire particles as the additive to cement and concrete composite construction of reservoirs in which to work be taken. Increasing growth in human society’s vehicles and result in increased tire wear rubber caused the environmental problems it has created wide.

RESEARCH INQUERIES
The study has tried to use the worn tire particles smaller than 1 mm in size and 6 mm length of polypropylene fibers, new type of composite cement concrete tanks will introduce new product and excellence are listed.

RESEARCH METHOD
In this paper, the fifth volume ratio of waste tire rubber particles from 10% to 50% fine-grain matrix composites replace cement in cubic samples with dimensions 50 × 50 × 50 mm was tested. Polypropylene fibers in the ratios o.1, 0.3 and 0.5 percent of the cement matrix composites have been added.

CONCLUSION
The results suggest that use of rubber tire rubber in composite cement and concrete are product water absorbency, flexibility and high energy production, and water server is made with this production are water absorption too.

Key Words
Concrete storage tanks, water absorption cement composite, lightweight storage tanks, polypropylene in cement composite