سنگدانه‌های درشت حاوی پلی اتیلن LDPE و HDPE

سنگدانه‌های درشت حاوی پلی اتیلن سبک به عنوان جایگزین سنگدانه‌های درشت طبیعی

یکی از مسائلی که در حوزه مهندسی وجود دارد، تقاضای گسترده سنگدانه‌های طبیعی در ساخت و ساز است که در برخی مناطق باعث با کمبود مواجه است. امروزه افزایش تولید و مصرف پلاستیک که تجزیه آن دهه ها طول می کشد، ازجمله مسائل اصلی بشریت است که اکنون با پیشرفت جهان آن را تجربه می کنیم. در این مطالعه از پلاستیک با سختی سنجی شُر بهبود یافته به عنوان جایگزین نسبی سنگدانه‌های درشت طبیعی (NCA) درجهت حل این مشکلات استفاده می شود. درهمین راستا، سنگدانه های درشت پلی اتیلن سبک (LDPE)/پلی اتیلن سنگین (HDPE) با استفاده از بهترین نسبت LDPE و HDPE با ذوب، قالب‌گیری و شکل‌دهی به مکعب های 5، 10 و 15 میلیمتری ساخته شدند. حجم جایگزین شن به ترتیب 2.5، 5.0، 7.5 و 10.0 درصد از مخلوط بتن بود. با آزمایش چگالی بتن، فشار، خمش و استحکام کششی بتن یک سنگدانه 10 میلیمتری با حجم 5 درصدی بهترین عملکرد را دارد. به طور کلی، مقاومت فشاری و مقاومت خمشی (دانه‌های درشت پلاستیک) در نمونه های PCA و نمونه های کنترل به ترتیب 20.23 و 3.78 درصد است. با این حال، مشخص شد که شکاف کششی 2.72 درصد کمتر از نمونه کنترل بود.

امروزه اکثر مصالح ساختمانی مورد استفاده در زمینه مهندسی عمران از منابع طبیعی مانند سنگدانه‌های درشت ساخته می شوند. نیاز به توسعه اقتصادی جهانی به سرعت منابع مادی جهان را تضعیف می کند. به دلیل نیاز روبه رشد صنعت ساخت و ساز، پل‌ها، جاده‌ها وغیره به مصالح ساختمانی استخراج شن و ماسه برای کمک به توسعه جهانی گسترش یافته است. جدا از اهمیت بسیار زیاد صنعت ساخت و ساز برای اقتصاد کشورها، این صنعت با کاهش منابع طبیعی به طور قابل توجهی محیط زیست را تحت تاثیر قرار می دهد. از آنجایی که مخلوط بتن به مقدار زیادی سیمان، ماسه و شن نیاز دارد، روشی که درحال حاضر در ساخت بتن اجرا می‌شود ناپایدار است. کمبود منابع برای ساخت مصالح ساختمانی تولید ناخالص داخلی را به حداقل می‌رساند؛ امروزه بسیاری از کشورها با این مشکل مواجه هستند. یکی از نمونه های این طرح شهر ریوبرانکو در منطقه آمازون برزیل است که باتوجه به وابستگی به فعالیت های لجستیکی پیچیده برای اطمینان از تامین منابع هزینه سنگدانه‌های طبیعی افزایش یافته است زیرا این منابع در این منطقه کمیاب هستند. نبود سنگدانه طبیعی باعث ایجاد نخاله‌های ساختمانی و تخریب در بتن سازه‌ای می‌شود. بنابراین، بازیافت زباله باهدف ساخت مصالح ساختمانی به ویژه در بتن تکنیکی است که به بازدهی مواد می‌پردازد. باتوجه به گرایش جهانی به سمت ساخت و ساز سبز، استفاده از زباله پلاستیکی بازیافتی توجه بیشتری را به خود جلب کرده است.

بسیاری از محققان روش‌های مؤثری برای بازیافت و استفاده مجدد از ضایعات در ساخت بتن را کشف کردند. آیپک و همکارانش معتقدند درصورت استفاده از پلاستیک به عنوان سنگدانه در تولید بتن ممکن است سازگار با محیط زیست باشد. اگرچه ضایعات پلاستیکی محیط زیست را تهدید می کنند اما ممکن است یک میلیارد سال طول بکشد تا این ضایعات به تدریج تجزیه شوند. پلاستیک به طور گسترده در سراسر جهان برای اهداف مختلف ازجمله بسته بندی مواد غذایی، بطری، نی و کیسه خرید تولید و استفاده می شود. بسته بندی یک صنعت جهانی با بیشترین استفاده از پلاستیک است و پس از آن، صنعت ساختمان دومین مصرف کننده پلاستیک است. باگذر زمان، محصولات یکبار مصرف که از پلاستیک ساخته شده اند پس از یک‌بار استفاده دور انداخته می‌شوند. با گسترش تولید و گرایش به‌سمت شهرنشینی، مقدار زیادی پلاستیک دور ریخته شده و حجم زباله‌های جامد افزایش می یابد. اخیرا باتوجه به شیوع ویروس کرونا، استفاده از پلاستیک یکبار مصرف در سراسر جهان افزایش یافت. جدا از پلاستیک های یکبار مصرف، یکی دیگر از تهدیدات محیط زیست میکروپلاستیک‌ها هستند که به خوبی شناخته شده و به محیط‌های زمینی، دریایی و جوّی یک نوع بستر دریایی تعریف شده است آسیب می‌رسانند. درمقایسه با شن و ماسه، میکروپلاستیک ممکن است به راحتی توسط باد جابجا شود و به لایه‌های خاک نفوذ کرده و وارد سفره های زیرزمینی عمیق شود. فاضلاب به عنوان یکی از منابع میکروپلاستیک ممکن است حاوی پلیمرهایی مانند پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن (PE) باشد. برای به حداقل رساندن و بازیافت پلاستیک، توسعه یک جایگزین زیست سازگار یا نوآوری ضرورت دارد.

برخی مطالعات از پلاستیک به عنوان جایگزین نسبی برای سنگدانه های درشت با شکل و اندازه متفاوت در این مطالعه استفاده کرده اند. با این مطالعه متفاوت است. همچنین برخی محققان یک بتن حاوی پلت های پلاستیکی ساختند که استحکام کششی فشاری و شکافی آن پس از 7 و 28 روز پخت کاهش یافت؛ علت این کار پیوند ضعیف بین سیمان و پلت‌های پلاستیکی بیان شده است. پیوند ضعیف بین این مواد به دلیل ناحیه انتقال سطحی ضعیف ناشی از شکل پلت‌ها بود. همچنین مشاهده شد که ویسکوزیته پلاستیکی بتن بیشتر تحت تاثیر صافی سنگدانه و مقاومت فشاری بتن نیز بیشتر تحت تاثیر زاویه‌ای بودن سنگدانه هستند؛ علاوه براین، مقاومت خمشی بتن نیز بیشتر تحت تاثیر زبری سنگدانه است. PCA مورد استفاده در این مطالعه به دلیل داشتن شکل مکعبی با سطح ناهموار پیوند بهتری بین سیمان و خودش ایجاد می کند. در جدول زیر نتایج حاصل از بررسی بتن حاوی PCA ارائه شده است.

جدول 1:

در برخی موارد از پودر پلاستیک استفاده می شود اما به دلیل خطر میکروپلاستیک برای انسان و محیط زیست، این کار توصیه نمی شود. درصورت استفاده از پودر پلاستیک در صنعت ساخت و ساز ممکن است میکروپلاستیک ها ازطریق تماس پوست، استنشاق یا بلع جذب شوند. رودریگرز و همکارانش دریافتند که میکروپلاستیک ممکن است اثرات مضری بر رشد، تولید مثل و همچنین پاسخ‌های ایمونولوژیک و استرسی انسان داشته باشد.

در این مطالعه از دو نوع مختلف پلی اتیلن استفاده کردیم: پلی اتیلن سبک (LDPE) و پلی اتیلن سنگین (HDPE). مطالعات گروه بانک جهانی (WBG) در سال 2021 بیان می کند که از سال 2019 تاکنون به طور متوسط ​​تنها 28 درصد از پلاستیک جمع آوری شده بازیافت شده است. ازمیان سایر پلاستیک ها، LDPE پرکاربردترین ماده پلاستیکی موجود است. باتوجه به مطالعات WBG، در سال 2019 به طور متوسط ​​10 درصد از LDPE به منظور بازیافت جمع آوری شد و مابقی به عنوان زباله در محیط زیست رها شد. از آنجایی که LDPE ضد آب است، اغلب مورد استفاده قرار می گیرد. نوع دیگری از پلی اتیلن که مورد استفاده عموم قرار می گیرد، HDPE است که به طور متوسط ​​20 درصد نرخ بازیافت بالاتری نسبت به LDPE دارد. HDPE معمولا پلاستیک سختی است که اغلب در کاربردهای صنعتی ازجمله بطری، ظروف غذاخوری و مانند آن استفاده می شود.

نتیجه گیری

این مطالعه نشان داد که هر دو نوع پلاستیک (LDPE و HDPE) ممکن است باهدف بهبود سختی سنجی شُر با هم ترکیب شوند. نسبت بهینه LDPE به HDPE، 70 به 30 بود. پیکربندی بهینه نیز یک مکعب 10 میلیمتری با درصد جایگزینی 5 درصد ازنظر میزان NCA موجود در بتن است. این اندازه و درصد جایگزینی PCA با نسبت مخلوط بتن 1:1:2 و نسبت آب به سیمان 0.5 در این مطالعه آزمایش شده است. با استفاده از مکعب 10 میلی‌متری با 5 درصد جایگزینی نسبی NCA به در بتن، مقاومت فشاری و خمشی بتن به ترتیب 20.23 و 3.78 درصد افزایش یافت. علاوه براین، مشاهده شد که بتن 2.97 درصد سبکتر از مخلوط بدون PCA شد. ازسوی دیگر، در این ترکیب کاهش 2.72 درصدی در ظرفیت کششی بتن نیز مشاهده شد.