تخلخل بتن با استفاده از PET

تخلخل بتنهای بازیافتی با استفاده از افزودنی پلی اتیلن ترفتالات (PET)

در حال حاضر مصالح ساختمانی پایدار در حوزۀ ساخت و ساز مراحل توسعۀ فناوری را سپری می کنند. هدف از این مطالعه کمک به درک رفتار خواص اساسی بتن های آماده شده با سنگدانه های درشت بازیافت شده است که از پلی اتیلن ترفتالات (PET) باتوجه به پایه های افزودنی در ماتریس آنها (تولید شده از سنتز و گلیکولیز بطری های PET بازیافتی) با هدف کاهش تخلخل زیاد آنها استفاده می کند. در اینجا از تکنیک های اندازه گیری جذب گاز، تخلخل آب، اسپکتروسکوپی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) و پراش اشعه ایکس (XRD) به منظور ارزیابی تأثیر افزودنی بر خواص فیزیکی، مکانیکی و ریزساختاری این بتن ها استفاده شد. کاهش تخلخل تا بیش از 30.60 درصد با افزودن 1، 3، 4، 5، 7 و 9 درصد از افزودنی حاصل می شود که حالت جدیدی را در مدل رفتاری افزودنی در ماتریس بتن تعریف می کند. علاوه براین، شبکه متخلخل این بتن ها و ارتباط آنها با سایر خواص فیزیکی و مکانیکی نیز در اینجا ارائه شده است.

در سطح فعلی، توجه توسعه فناوری بتن به بهینه سازی خواص، اجزاء و خواص مکانیکی آنها بویژه در دوام آنها معطوف است. به موازات این توسعه، مفهوم پایدار جدیدی برای بتن ارائه شده است که با نام بتن بازیافتی (RC) شناخته می شود که از مخلوط سنگدانه های سنگ طبیعی و سنگدانه های درشت بازیافت شده از ضایعات تخریب (بویژه بتن قدیمی) (RAcoarse) آلگوتین شده با خمیر سیمان تولید می شود. این توسعه بعنوان تلاشی برای رفع نیاز فعلی به استفاده از نخاله های ساختمانی به وجود آمد و RC نیز در کشورهای مختلف بعنوان روشی برای حفظ منابع طبیعی، افزایش طول عمر مفید مصالح بهداشتی و در نتیجه اجتناب از بهره برداری از منابع طبیعی تجدید ناپذیر محسوب می شود. استانداردهای متعددی برای استفاده از RAcoarse در RC وجود دارد؛ محتویات آنها از 20 درصد تا 50 درصد تا حد بالایی برای کاربرد آنها مشخص شده است. رفتار RC در حالت جدید بیانگر کاهش بازدهی است که آن هم باعث نیاز بیشتر به آب در مخلوط و اشباع قبلی آنها می شود. این عملکرد مربوط به ترکیب Racoarse است که به نوبه خود به ظرفیت جذب بالای آن (بین 5-15 درصد) و چگالی کم (بین 2090-2392 کیلوگرم/ متر مکعب) پاسخ می دهد. رفتار مکانیکی آن نیز نشان دهندۀ کاهش مقاومت فشاری آنها (بین 5.7- 40 درصد) است که مستقیمآ با افزایش تخلخل آنها و ایجاد پیوندهای ضعیف در ماتریس سیمان در ارتباط است. علاوه براین، رفتار مشابهی برای مدول الاستیسیته (کاهش بین 4.17-45 درصد ) گزارش شده است که علت آن را میتوان وجود RAcoarse بعنوان ضعیف ترین سنگدانه ها دانست. باتوجه به دوام RC، تخلخل بالای آن (بین 3.9-22.6 درصد) به معنای نفوذ پذیری بیشتر آن است و امکان دسترسی را برای عوامل تهاجمی فراهم می کند؛ بنابراین، ارزیابی آن (تخلخل) امکان درک دوام آن را میسر می سازد. از آنجا که انتخابی برای بهبود خواص و کمک به پایداری محیط زیست محسوب می شود، تحقیقات در مورد استفاده از پلی اتیلن ترفتالات (PET) بعنوان مؤلفه ایی از RC در حال انجام است. این ماده با تبدیل آن به رزین پلی استر غیر اشباع می تواند بعنوان یک افزودنی برای بهبود عملکرد RC استفاده شود. این روند اغلب در بطری های پلاستیکی صدق می کند که استفاده گسترده ای دارند و در نتیجه، زباله های زیادی نیز تولید می کنند. نتایج قبلی با توجه به جنبه های فنی مورد استفادۀ آن نشان دادند که این ماده ممکن است تنها در یک روز به 80 درصد از قدرت نهایی خود برسد (که برای بتن ها بسیار جالب است)؛ با این حال، ممکن است در صورت قرار گرفتن در دمای بالا (قابل مقایسه با بتن معمولی) از مقاومت کمتری برخوردار باشد. برای کاهش ضایعات احتمالی از این روند میتوان برنامه های جدید و پایدارتری من جمله کاربرد انواع جدید پلیمرها در نساجی و یا کاربرد احتمالی آن بعنوان فشرده ساز بتن (افزودنی های جدید) را توسعه داد.

بطور کلی، استفاده از پلیمرها بعنوان جایگزینی برای سنگدانه های شکسته در بتن در دهه 1960 آغاز شد؛ آزمایشات با جایگزینی جزئی سنگدانه با پلیمرهای خرد شده انجام شد که در نتیجه، بتن های سبک تر و شکل پذیر تری با مقاومت بیشتر در برابر نفوذ یون های کلرید حاصل شد. همچنین خواصی همچون قابلیت کارکرد، مقاومت فشاری و مقاومت در برابر جذب از خواصی هستند که با استفاده از پلیمر تضعیف می شوند. این نکته را میتوان با جنبه های مقاومت PET و همچنین ظرفیت آن برای پیوند با سایر ترکیبات درون ماتریس بتن توجیه کرد. حداکثر درصد مجاز برای جایگزینی سنگدانه های نازک با گرانول های PET 25 درصد بود که بیشتر از آن باید در مقاومت فشاری و ماژول الاستیسیته (به ترتیب 5.82 و 10.31 درصد) انتظار داشت. از سوی دیگر، استفاده از الیاف PET در بتن یا بعنوان تقویت کننده برای بهبود رفتار بیرونی و کششی یا بعنوان بهبود غیرمستقیم در کاهش روند خوردگی قبلآ در مطالعات متعددی بیان شده است. بویژه در مورد استحکام بیرونی مشخص شد پلیمرهای بزرگتر این خواص را از 50 میلی متر به میزان قابل توجهی بهبود می بخشند و در صورت کوچکتر بودن، این عملکرد برعکس می شود؛ علت آن را میتوان چسبندگی یا اثرات اتصال (کاهش ضایعات) ترکیباتی دانست که ماتریس را به سمت الیاف PET سوق می دهند، زمانی که سیستم تحت تأثیر این اثر مکانیکی قرار می گیرد. در ملات های حاوی فیبر نیز مشخص شد که ترکیب آنها نه تنها رفتار مقاومت فشاری را تغییر نمی دهد، بلکه نشان می دهد که محتویات تا 1.5 درصد فیبر میتوانند بهترین بازدهی را ارائه دهند. علاوه براین، استفاده از پلی پروپیلن/ پلی اتیلن پلیمری هیبرید (محتویات کمتر از 2.9 درصد) مقاومت فشاری را تا 38 درصد افزایش می دهد؛ این بهبود به میزان سفتی و اندازۀ الیاف مورد استفاده بستگی دارد که در ماتریس اثرات تقویت کننده ای به همراه دارند. امروزه، تکامل کاربرد پلیمرها در بتن شامل ایجاد یک بتن اصلاح شده با پلیمر (PMC) می شود که آن نیز شامل بتن معمولی مخلوط با رزین پلیمری می شود و PET هم پلیمر بکار رفته در این روند است.

این ماده که به رزین پلی استر غیر اشباع تبدیل شده است، می تواند بعنوان یک افزودنی برای بهبود عملکرد RC مورد استفاده قرار گیرد؛ در حالی که هزینه های تولید بتن پلیمری را کاهش داده و در مصرف انرژی نیز صرفه جویی می کند. در مطالعات قبلی بیان شد که افزایش مقاومت مکانیکی (بین 15-20 درصد) ممکن است در PMC حاصل شود که منشأ این پیشرفت ها در پیوند قوی خود رزین با ماتریس سیمان نهفته است. PMC در کاربردهای سازه ای، سنگفرش ها، لوله های فاضلاب، تعمیرات، پوشش سطح بتن و غیره استفاده می شود و همچنین دوام کافی را در تمام کاربردها باتوجه به اثرات زیست محیطی، آسیب های شیمیایی، سایش یا هر فرایند دیگر فراهم می کند. از طرف دیگر، دوام بتن به روند نفوذ آب مرتبط است که عامل مهاجم را منتقل می کند و به نوبۀ خود به تخلخل بتن بستگی دارد؛ این را میتوان تابعی از ساختارهای حفره ای و میزان اتصال آنها دانست. از آنجا که تأثیرات مثبت جایگزینی نسبی یا کلی سنگدانه های طبیعی درشت RAcoarse در تولید RC بر محیط زیست اثبات شده است، میتوان گفت این امر باعث افزایش تخلخل در RC تولید شده می شود که از پایداری ضعیفی برخوردار است. با این حال، هدف از این تحقیق بررسی یک افزودنی یا رزین حاصل از بطری های ضایعاتی PET به منظور بهبود خواص تخلخل RC (تخلخل بالا)، افزایش تراکم خمیر آنها و در نتیجه معکوس کردن این اثر است. .

بررسی خواص فیزیکی، مکانیکی و ریزساختاری RPC ها امکان بررسی رفتار آنها را فراهم کرده است که نشان دهندۀ بهبودهایی در صورت استفاده از 1-9 درصد افزودنی RR در ماتریس آنها است. از بین خواص مختلف مورد مطالعه، تخلخل ماتریس حاصله یکی از مطلوب ترین بهبودهای ریزساختاری حاصل شده است و تا 16.55 درصد کمتر از نمونه های کنترل کاهش می یابد، در حالی که جذب آب آن کمتر از 22 درصد است. در مدول الاستیسیته دینامیک، میتوان 16.50 درصد پیشرفت داشت. باتوجه به مدل سازندۀ رفتار RPC در مطالعات قبلی، کاهش تخلخل RPC به تشکیل یک ماتریس سیمانی آغشته به یک شبکه پلیمری نسبت داده می شود که در بین اتصالات ذرات RR تشکیل شده است. این اتصالات با جهت گیری ترجیحی به سنگدانه پیوند می خورند، بنابراین منجر به انسداد فیزیکی تخلخل پیوستۀ مورد استفاده برای هدایت مایعات می شوند. تأیید شده است که RC بعنوان متخلخل میتواند این مشکل را کاهش دهد، در صورتی که با استفاده از افزودنی RR طراحی شود؛ در نتیجه اجازه می دهد تا استفاده از RAcoarse با NAcoarse معادل شده و به پیشرفت های زیست محیطی نیز دست یابد. تغییر در روند رفتار مطلوب RPC زمانی ایجاد شده است که محتوای RR بین 7-9 درصد باشد که منجر به معکوس شدن بهبودهای حاصل از دوز قبلی می شود با این وجود، برای محتوای 9 درصد مطالعه شده در اینجا، خواص این متغیرها در مقایسه با نمونه کنترل (اگرچه کمتر از مواردی که برای محتوای پایین تر RR ثبت شده است) بهبود می یابد. این رفتار به دلیل تجمع ذرات از اوردوز ناشی شده است که بطور کامل به هم متصل نیستند و مانع اتصال های منافذ می شوند که در نتیجه، جدا شده و در عین حال هیدرات های سیمان و ذرات سنگدانه ها (از دست دادن ظرفیت واکنشی برای هیدراسیون توسط XRD) را پوشش می دهد. این مرحله جدید "مرحلۀ 4RR" بعنوان جایگزین جدیدی برای رفتار اوردوز در استفاده از RR نامیده شد. تخلخل کل به آب و تخلخل توسط جذب N2 تکنیک هایی هستند که بطور مؤثری همبستگی بین نتایج حاصله و سایر خواص توصیف کنندۀ رفتار مخلوط های RPC مورد مطالعه را بیان می کنند. این مطالعه همچنین ازطریق همبستگی خطی صعودی بهترین نتایج را ارائه می دهد. در نهایت، میتوان گفت که پارامتر شعاع متوسط (بدست آمده از جذب N2) توضیحات دقیق و ارتباط بین شبکه متخلخل RPC مطالعه شده در اینجا را ارائه می دهد؛ علاوه براین، خواص Ed، حجم منافذ (به آب) و رفتار آنها را نیز نشان می دهد.