بررسي ويژگيهاي بتن سبك ليكا - مهدی کوهدرق

^{نخستین همایش منطقه ای مهندسی عمران} 

^{1st Regional Conference on Civil Engineering}

^{دانشگاه آزاد اسلامی واحد شبستر}

^{Islamic Azad University of Shabestar}

بررسي ويژگيهاي بتن سبك ليكا

 

مهدی کوهدرق[1]

 

 

 چكيده

امروزه بتن سبك جايگاه خود را در سازه‌هاي بتن آرمه پيدا كرده است، يكي از روشهاي توليد بتن سبك استفاده از سنگدانه‌هاي سبك است. بتن سبك ليكا، از انواع بتن سبكي است كه در كشور ما توليد مي‌شود. اين بتن با سبك دانه‌هاي موسوم به ليكا كه دانه‌هاي رس منبسط شده مي‌باشند، شناخته مي‌شود. با توجه به منابع عظيم رس به منظور توليد سبكدانه سازه‌اي در ايران، هنوز بتن سبكدانه سازه‌اي به طور صنعتي در كشور تئليد نمي‌شود. بر مبناي مطالعات انجام گرفته، علت عدم استقبال دست‌اندكاران ساخت و ساز كشور از بتن سبك را مي‌توان، كم بودن مقاومت بتن‌هاي سبكدانه ساخته شده نسبت داد.

در اين مقاله، در مورد بيشينه و ضرورت بتن سبك در سازه‌ها بحث شده و در ادامه ويژگيهاي منحصر بفرد سبكدانه ليكا از جمله جذب آب، كنترل آتش، ويژگيهاي شيميايي و زمين شناختي و وزن مخصوص و چگالي مورد مطالعه قرار مي‌گيرد.

 

واژه‌هاي كليدي: بتن سبک لیکا، مقاومت فشاری، وزن مخصوص

 

1- مقدمه  

واژه ليكا عبارت است از Light Expanded clay Aggregate (LACA) به معني دانه رس سبك منبسط شده گرفته شده است. اين دانه‌ها از انبساط خاك رس در كوره‌هاي گردان با حرارتي حدود 1200 درجه سانتي‌گراد به دست مي‌آيند.

از جمله ويژگي‌هاي قابل توجه كه سبب گسترش كاربردهاي اين سنگدانه‌هاي مصنوعي در صنعت ساختمان، طرح‌هاي عمراني، كشاورزي، محيط زيست، راهسازي و ... شده است، به وزن كم، هدايت حرارتي پايين، افت صوتي مناسب، مقاومت در برابر آتش، دوام و پايداري شيميايي و نظاير آن مي‌توان اشاره كرد.

 

2- ويژگي عمومي سبكدانه ليكا

از آنجايي كه سنگدانه‌ها در بتن تقريباً سه چهارم حجم آن را تشكيل مي‌دهند، كيفيت آنها از اهميت خاصي برخوردار است. بسياري از خواص بتن، قبل يا بعد از سخت شدن، نظير كارايي، مقاومت، مداول الاستيسينه، فت و خزش و دوام متأثر از مشخصه‌هاي مصالح سنگي مي‌باشند[1].

ويژگي اساسي در دانه‌هاي ليكا در اثر بافت متخلخل است. مقادير كمي اين ويژگي‌ها و حق ظاهر دانه‌ها برحسب روش توليد با كوره ذوب نواري يا گردان مي‌تواند متفاوت باشد. دانه‌هاي حاصل از كوره گردان داراي بافت اسفنجي و سياه رنگ مي‌باشد. رنگ پوشش خارجي بستگي زيادي به ماده معدني، روش و كيفيت فرآوري دارد و اغلب نزديك به رنگ هاي اخرايي و قهوه‌اي است. ضخامت اين پوشش 50 تا 199 ميكرون است و جذب آب كمتري نسبت به بافت درون دانه دارد.

فضايي خالي برابر با 73 تا 88 درصد فضاي كل در اثر وجود تخلخل و فضاي خالي بين دانه‌ها است. اين فضاي خالي بين دانه‌ها باعث ايجاد ويژگي‌هاي مهمي چون وزن كم، رسانايي حرارتي پايين، افت صوتي، جلوگيري از نفوذ رطوبت و زهكشي مي‌شود. همچنين بافت اين دانه‌ها و روش تشكيل آنها سبب مقاومت در برابر آتش و دوام و پايداري شيميايي مي‌گردد[2].

 

3- ويژگيهاي زمين شناختي دانه‌هاي ليكا

دانه‌هاي سبك شامل رسهاي منبسط شده، پاميس و رميلوليت متورم و پرليت و فرآورده‌هاي آنها نظير بتن‌هاي سبك داراي خواص كلي مشابهي به صورت زير هستند.

1)     وزن مخصوص كم: كه باعث كاهش وزن مرده سازه مي شود.

2)     گرمابندي و صدابندي: كه ناشي از خلل و فرج موجود در دانه‌ها باشد.

3)     مقاومت در مقابل آتش

4)     خنثي بودن از نظر شيميايي

 

5- كاربرد ليكا در راهسازي

دانه‌هاي ليكا كه وزن فضايي آن در طيف دانه‌بندي از صفر تا 25 ميلي متر بين  300 تا 600 است و همچنين به دليل هدايت حرارتي كم در حد (وات بر متر بر درجه)  09/0 تا 101/0 و خاصيت زهكشي بالا، كاربردهاي مفيدي در امور راهسازي دارد. در خاك‌هاي رسوبي ضعيف و تراكم‌ناپذير، بار خاكريزي يكي از عوامل مهم تحكيم‌پذيري خاك مي‌تواند در همواري، عملكرد و دوام راه بطور جدي مشكل‌آفرين باشد. علاوه بر بار ناشي از خاكريزي، پر كردن ترانشه‌ها و كاهش سفره‌هاي آي زيرزميني نيز مي‌تواند موجب نشست خاك بستر راه گردد. استفاده از ليكا به دليل وزن فضايي كم از يك طرف باعث سبك شدن خاكريز جاده و به دليل حجم فضايي بيشتر از خاك از جانب ديگر موجب كاهش تراكم و نتيجتاً عامل مهمي در كنترل نشست و تحكيم خاكريز به شمار مي‌رود. بار وارده بر زير اساس ناشي از پر كردن ترانشه‌ها و كاهش سطح آب زيرزميني موجب نشست غيريكنواخت مي‌گردد كه با كاربرد ليكا مي توان آن را به مقدار زيادي كاهش داد.

 

6- پايداري خاكريزها

بار وارده به زير اساس باعث گسيختگي لايه‌هاي خاك و خرابي خاك‌ريزي روي خاك‌هاي ضعيف گردد. بار خاكريزي روي بسترراه را مي‌توان با استفاده از ليكا كاهش داد تا پايداري خاك تأمين گردد[3].

 

7- كاهش آسيب يخ‌زدگي

يخ‌زدگي زير اساس در اثر ناهمگوني زير اساس، سنگ‌ها و نقاط بالاي عمق نفوذ يخبندان در سنگ و نيز در اثر جريان آب در زير اساس روي مي‌دهد. درزمان ذوب يخ ها، آب حاصل از ذوب يخ با خاصيت نفوذپذيري باعث كاهش ظرفيت باربري زير اساس و لايه‌هاي جسم راه مي‌گردد.

با عايق‌كاري جسم راه با ليكا، اثرات يخ‌زدگي جاده و آسيب‌هاي ناشي از آن و نيز كاهش ظرفيت باربري در اثر ذوب يخ از بين مي‌رود. عايق ليكا در لايه هاي جسم راه قرار مي‌گيرد و مقاومت آنها را در برابر يخ‌بندان به دليل ظرفيت عايق حرارتي بالاتر نسبت به دانه‌هاي سنگي، افزايش مي‌دهد.

پس نتيجتاً با توجه به ويژگيهاي ليكا و از آن جمله وزن فضايي كم، زهكشي، عايق بودن، موئينگي كم، دوام، مقاومت در برابر تغيير شكل و ظرفيت باربري كافي، كاهش رانش ديوارهاي حايل پل‌ها و شيرواني‌ها همراه با اجراي صحيح مي توان بسياري از مشكلات راه‌سازي را حل و ايمني و دوام آن را تضمين شود[4].

 

8- ويژگي‌هاي ليكا در كنترل آتش

از آنجا كه دانه‌هاي ليكا در دماي نزديك به 1200 درجه سانتي‌گراد توليد كي‌گردند، قادرند شوك حرارتي شوك حرارتي تا 1100 درجه سانتيگراد را بدن اشتعال تحمل نمايند. از سوي ديگر اين دانه‌ها داراي قابليت قابليت هدايت حرارتي پايين و در حدود 10/0 تا 17/0 وات بر متر درجه، نقش مؤثري در جلوگيري از انتقال آتش دارند[4].

با توجه به اين ويژگي‌ها، ساير فرآورده‌هاي ساخته شده از دانه‌هاي ليكا نظير ملات سيماني، بلوك  بتني و بتن دانه سبك نيز قابليت خوبي بر مقابله با آتش و جلوگيري از انتقال آن دارند. مطالعات و پژوهش‌هاي آزمايشگاهي نشان داده‌اند كه زمان مقاومت ديوار ساخته شده از بلوك‌هاي سبك ليكا به جرم ديوار بستگي دارد و به صورت رابطه زير بيان مي‌گردد:

 

كه در آن: m : وزن متر مربع ديوار برحسب كيلوگرم، T: زمان مقاومت در برابر آتش برحسب دقيقه است. که این نمودار در شکل 1 نشان داده شده است.

 

شکل1. نمودار رابطه بین وزن دیوار و زمان مقاومت آن در برابر آتش

 

9- دانه‌بندي

دانه‌هاي ليكا دانه‌بندي نسبتاً گسترده‌اي بين صفر تا 25 ميليمتر را دارا مي‌باشند. اندازه دانه‌ها بستگي مستقيم به نوع ماده معدني، چگونگي فرآوري و در نهايت ثابت هاي كاري كوره نظير درجه حرارت، سرعت گردش، و نظاير آن دارد. همچنين پس از مرحله توليد نيز مي‌توان با خرد كردن و سرند نمودن محصول، دانه‌بندي موردنظر را بدست آورد. برخي حدود متداول براي دانه بندي‌ها مشخص ليكا 0-3-10-20، 0-2-4-10-20 و 0-4-8-12-20 (اندازه برحسب ميليمتر) مي‌باشند[5].

دانه‌بندي سنگدانه‌هاي ليكا مطابق با ASTM C 330 مي‌باشد كه معيار آن براساس حداكثر و حداقل درصد دانه‌هاي گذاشته شده از الكها استاندارد است.

با توجه به تفاوت اساسي وزن دانه‌هاي سبك و سنگدانه‌هاي معمولي، گاهي استفاده از دانه‌بندي حجمي به جاي دانه‌بندي و زني توصيه مي‌شود. در اين روش كافي است مقادير وزني به دست آمده را با توجه به وزن فضايي ميانگين هر اندازه به مقادير حجمي تبديل نمود. نمودار دانه‌بندي و نمودار دانه‌بندي حجمي ليكا را نشان مي‌دهد و درصد حجمي دانه‌هاي ليكا در جدول 1 آمده است. اندازه‌هاي مختلف دانه‌هاي ليكا داراي كاربردهاي ويژه‌اي هستند كه جدول 2 فهرست شده‌اند. و همچنین نومنه ای از دانه بندی لیکا در شکل 2 نشان داده شده است.

 

جدول 1: درصد دانه‌بندي‌هاي ليكا

جدول 2: كاربرد دانه‌هاي ليكا برحسب اندازه

 

  

شکل 2. نمونه ای از دانه بندی های لیکا

 

 

10- ويژگي‌هاي شيميايي

دانه‌هاي ليكا فاقد مواد زيان‌آوري است كه ممكن است در سنگدانه‌هاي طبيعي باشد آزمايشات انجام داده نشان شده است PH اين دانه‌ها در حدود 2/7 است و دانه‌هاي ليكا از نظر شيميايي خنثي هستند. جدول 3 بعد آناليز شيميايي دانه‌هاي ليكا را نشان مي‌دهد.

جدول 3: نتايج آناليز شيميايي دانه‌هاي ليكا

 

جذب آب

زمان و اندازه دانه‌ها دو عامل مهم در جذب آب دانه‌هاي ليكا مي باشند. از آنجا كه ميزان انبساط و در نتيجه تخلخل دانه‌هاي كوچكتر، كمتر است، مقدار جذب آب در اين دانه‌ها كمتر است و روند كندي دارد. از آنجا ميزان رطوبت دانه تأثير مستقيم بر ساير ويژگي‌هاي آن نظير وزن و هدايت حرارتي دارد، بنابراين اندازه‌گيري آن براي تعيين ويژگي‌هاي مؤثر در كاربرد موردنظر بسيار مهم است[6].

جذب آب دانه‌هاي ليكا مطابق ASTMC127 انجام مي‌گيرد. شكل‌هاي 3 و 4 به ترتيب نمودار جذب دانه‌هاي ليكا برحسب اندازه دانه‌ها و زمان را بر جذب آب دانه‌هاي ليكا نشان مي‌دهند. در جدول 4 ميانگين جذب آب براي دانه‌بندي‌هاي ليكا داده شده است.

جدول 4: ميانگين جذب آب دانه‌هاي ليكا

 

 

 

 

شکل3. نمودار جذب آب دانه های لیکا بر حسب قطر دانه ها

 

شکل 4. نمودار درصد جذب آب دانه های لیکا بر حسب زمان

 

10-1- وزن فضايي و چگالي دانه

يكي از مهمترين عوامل شناسايي و طبقه‌بندي دانه‌هاي سبك وزن وزن فضايي آنها است، كه وزن فضايي ليكا نيز بستگي مستقيمي به شرايط توليد و ماده اوليه دارد. به عنوان يك قاعده كلي، وزن فضايي دانه‌هاي ليكا با افزايش اندازه دانه كاهش مي‌يابد. اين قاعده نتيجه منطقي پديده انبساط حجم است.

بين چگالي دانه خشك، دانه اشباع و انبوه به دليل وجود منافذ، اختلاف زيادي وجود دارد. نمودار چگالي دانه خشك ليكا را نشان مي‌دهد. همانطور كه در نمودار مشاهده مي‌گردد، با كاهش قطر دانه‌ها چگالي افزايش مي‌يابد. همين مسأله در نمودار براي وزن فضايي نيز ديده مي‌شود. چگالي دانه‌هاي درشت براساس ASTMC127 و دانه‌هاي ريز براساس ASTMC128 انجام مي‌گيرد. ميانگين مقادير چگالي و وزن فضايي دانه هاي ليكا براي دانه‌بندي‌هاي گوناگون در جدول 5 آمده است. چنانچه دانه ليكا براي مصرف در بتن سبك سازه‌اي به كار رود. بيشينه چگالي دانه‌ها نبايد از مقادير جدول 6 تجاوز نمايد.

 

جدول 5: چگالي وزني و حجمي دانه‌هاي ليكا

جدول 6 : بيشينه چگالي دانه‌ها

 

 

10-2- مقاومت مصالح

مقاومت يكي از مهمترين عوامل در انتخاب مصالح سنگي سبك وزن مي‌باشد. اصولاً مقاومت فشاري بتن هيچ‌گاه بيشتر از مقاومت فشاري سنگدانه‌هاي مصرف نخواهد بود. بدست آوردن مقاومت فشاري سنگدانه‌ها به تنهايي مشكل است و معمولاً اطلاعات لازم را بايستي با انجام آزمايشهاي غيرمستقيم مانند مقاومت فشاري نمونه‌هاي سنگي خرد شده، ضريب خرد شدن انبوه سنگدانه‌ها و عملكرد سنگدانه‌ها در بتن به دست آورد. مقاومت سنگدانه‌ها مي تواند ناشي از ضعيف بودن ذرات تشكيل دهنده آنها، بافت مصالح يا ضعف ماده چسباننده ذرات باشد.

بتن ليكا با وزن فضايي بين  750 تا 1500 داراي مقاومت بسيار عالي است. بطور نمونه بتن ليكايي كه به صورت مكعب 15× 15 × 15 سانتي‌متر با وزن فضايي  1500 (وزن خشك) در مركز تحقيقات ساختمان و مسكن ايران تحت آزمايش مقاومت فشاري قرار گرفت، مقاومت 28 روزه آن به  208 بالغ گرديد. جهت تعيين مقاومت سنگدانه‌ها هيچگونه روش استاندارد شده‌اي وجود ندارد. از آزمايشات متداول براي تعيين مقاومت سنگدانه‌ها مي‌توان آزمايش ارزش خرد شدن براي سنگدانه‌ها معمولي و آزمايش ارزش ده درصد ريزدانه براي مصالح كم قدرت را نام برد. تولید سه نوع بتن مطابق توصیه فرم یا کمیته اروپایی بتن با مشخصات زیر انجام می گیرد:

تیپ S با وزن فضایی 1600 تا 1900 کیلوگرم بر متر مکعب

تیپ I.S با وزن فضایی 1450 تا 1600 کیلوگرم بر متر مکعب

تیپ I با وزن فضایی کمتر از 1450 کیلوگرم بر متر مکعب

 

11- مراجع

 [1]رمضانیان پور، علی اکبر، طرح اختلاط بتن، انتشارات علم وصنعت 1374.

 [2]نویل، تکنولوژی بتن، رمضانیان پور، علی اکبر. شاه نظری، مهدی. انتشارات دانشگاه علم و صنعت1369.

 [3]سهرابی، قادر. زندی، یحیی. تکنولوژی پیشرفته بتن، انتشارات فروزش

 [4]محمدی تهرانی، راهنمای جامع لیکادانه های رسی منبسط شده و فرآورده های آن، تهران، شرکت لیکا

 [5]باقری، علی، " بررسی آزمایشگاهی خواص مهندسی بتن های سبک ساخته شده با سبکدانه طبیعی(پومیس)" مجموعه مقالات اولین کنفرانس بین المللی بتن و توسعه، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن صفحات 625-633، سال 1380.

 [6]تدین، محمد. قدوسی، پدرام. فامیلی، هرمز. " بررسی جذب آب بتن سبکدانه حاوی لیکای ایران" مجموعه مقالات ششمین کنفرانس بین المللی مهندسی عمران- جلد 2، صفحات 375-382،  سال 1382.