سبک دانه ها

مقدمه

دانه هاي فوق سبک ( lightweight aggregates ) ، دانه هايي هستند که جايگزين شن و ماسه مي شوند. ويژگي اين دانه ها اين است که وزن حجمي ( چگالي ) آنها نسبت به شن و ماسه بسيار کمتر است . البته اين دانه ها علاوه برکاربرد در صنعت ساختمان سازي و مصالح ساختماني کاربردهايي ديگر نيز دارند.
دراين مقاله سعي داريم که به معرفي اين سبک دانه ها بپردازيم و با مقايسه ي برخي از انواع آنها ، خواننده را با خصوصيات و لزوم استفاده از اين سبک دانه ها آشنا کنيم.
با توجه به اينکه کشور عزيز ما ايران کشوري درحال توسعه است و با گام هايي بزرگ به سمت پيشرفت قدم برمي دارد لذا توجه به زير ساخت هاي پيشرفتگي امري ضروري است. در واقع توجه به امر سبک دانه ها مسأله اي است که مزاياي آن در سال هايي دور مشخص مي گردد. و توجه به آنها موجب کاهش تبعات زباله هاي صنعتي وساختماني مي شود. زيرا مواد اوليه براي توليد سبک دانه ها ،موادي هستند که به صورت عملي درجاهاي ديگرکاربرد ندارند.ازديد ديگر استفاده از سبک دانه ها وتوليد قطعات ومصالح ساختماني سبک تر از جمله بلوک هاي سبک، بتن سبک و...مي تواند باعث کاهش هزينه ي ساخت و صرفه جويي در مصرف انرژي گردد. در واقع سبک دانه ها محصولاتي توليد مي کنند که هم سبک ترند و هم عايق گرمايي مناسب تر و بهتري نيز هستند.

تعريف سبک دانه ها

سبک دانه ها ( lightweight aggregates ) نوعي دانه ي با اندازه ي درشت هستند که براي توليد محصولات سبک ساختماني مانند بلوک بتني، بتن ساختماني و سنگ فرش استفاده مي شوند.
ساختار کليدي سبک دانه ها بدون توجه به جنس آن بدين گونه است که اين دانه ها داراي ساختاري بسيار متخلخل هستند ومعمولا داراي سطحي صاف و بدون حفره مي باشند.نوع تخلخل هاي موجود در اين دانه ها و اندازه ي آنها متفاوت مي باشد. ودرکل ريز ساختار انواع مختلف اين دانه ها متفاوت مي باشد. اين تفاوت ها باعث تفاوت درجذب آب،استحکام و..دانه ها مي شود. که در ادامه ي اين مقاله مقايسه ي اين مباحث آورده شده است.

تاريخچه

تاريخچه سبک دانه ها رانمي توان به صورت دقيق تخمين زد. در واقع از ديدکلي ما دو نوع سبک دانه داريم :
1. سبک دانه هاي طبيعي
2. سبک دانه هاي مصنوعي
سبک دانه هاي طبيعي موادي هستند که به صورت طبيعي داراي تخلخل بالايي هستند و تنها در فرآيند توليد آنها سنگ هاي اين مواد خردايش يافته و به مصرف مي رسند.ولي با توجه به محدود بودن منابع اين نوع سبک دانه ها ، توليد سبک دانه هاي مصنوعي گسترش بسياري يافت و در جاهاي مختلف دنيا نيز با توجه به منابع مواد مواد اوليه،انواع مختلفي ازآنها توليد شده است. براي مثال تاريخچه ي سبک دانه هاي توليد شده از مواد رسي به سال 1914 برمي گردد.درآن سال آقاي هايت مبتکر روش سيماني،کوره ي دوار را براي توليد سبک دانه هاي رسي استفاده کرد.در جنگ جهاني اول5 کشتي با بتن سبک داراي دانه هاي منبسط شده ي رسي ساخته شد.تعداد اين کشتي ها در جنگ جهاني دوم به 20کشتي رسيد درسال 1946تکنولوژي سبک دانه هاي منبسط شده ي رسي به اروپا راه يافت .اين محصول درکشورهاي مختلف با نام هاي تجاري مختلف توليد مي گردد.در زير چنا نام تجاري براي سبک دانه ها و کشورهاي توليد کننده ي آنها آورده شده است:
1- استارلايت ---------» انگلستان
2- لياپور ---------» آلمان
3- آرژکس ---------» فرانسه
4- ورسالايت ---------» ايالات متحده آمريکا
5- ليکا ---------» کشورهاي شمال اسکانديناوي و دانمارک
در هر کشورر با توجه به اينکه تکنولوژي اوليه ي توليد سبک دانه ازکجا آمده است نام تجاري آن نيز فرق مي کند .مثلاً در کشورعزيزمان ايران اين سبک دانه ها بيشتر با نام تجاري ليکا ( Leca ) معروف اند.
به عنوان مثالي ديگر مي توان سبک دانه هاي توليدي در ايالات متحده ي آمريکا را مثال زد.اين سبک دانه ها که به ورسالايت معروف اند در ويرجينيا توليد مي شوند وماده ي اوليه ي آنها خاکستر است.

انواع مختلف سبک دانه ها

سبک دانه ها را بنابر معيارهاي مختلف طبقه بندي مي کنند گاهي ديد ما تجاري است وآنها را بر اساس نام هاي تجاريشان تقسيم بندي کرده وگاهي نگاه ما به مواد اوليه ي مصرفي براي توليد اين سبک دانه هاست در جايي ديگر اين امکان وجود دارد که سبک دانه ها را بر اساس فرآيند توليد نيز طبقه بندي کنند ولي اين طبقه بندي به خاطر متنوع بودن فرآيند ها معمولا بررسي نمي گردد.

تقسيم بندي سبک دانه ها براساس ماده ي اوليه :

بيشتر سبک دانه ها ازموادي همچون رس ( clay ) ، شيل ( shale ) يا اسليت ( slate ) ساخته مي شوند . سرباره ي کوره ي ذوب آهن ( Blast furnaceslag ) ، سنگ خاراي طبيعي ( natural pumice ) ، ورميکولايت ( vermiculite ) يک نوع مينرال از ميکاست که عموماً از منبسط کردن گرانول هاي ميکا در دماي بالا بدست مي آيد. اين ماده ي هيدور سيليکات دانستيه ي پايين وجذب آب فراواني دارد وپرليت ( perlite ) مي توانند به عنوان مواد جايگزين استفاده شوند. براي توليد سبک دانه هاي رسي، مواد اوليه ( مثلا سنگ خارا ) تقريبا به اندازه ي دو برابر حجم اوليه ي مواد خام انبساط مي يابند.
بنابر ماده ي اوليه، نوع سبک دانه مي تواند متفاوت باشد بنابر اين مي توان دريک تقسيم بندي گفت که اين سبک دانه رسي، سرباره اي ، پرليستي و... است.
سبک دانه هاي توليد بدون در نظر گرفتن نوع ماده ي اوليه و فرآيند توليدشان دريک خصوصيت مشترک اند. همه ي آنها از انبساط يافتن مواد اوليه حاصل مي گردند.اين سبک دانه ها خواصي شبيه به دانه هاي طبيعي مثل شن و ماسه دارند.اما دانستيه ي آنها کمتر است و بنابراين بتون ومصالح توليدي با اين سبک دانه ها بسيار سبک هستند.

فرآيند توليد سبک دانه ها

توليد سبک دانه ها از استخراج معدن وانباشتن توده ي مواد اوليه شروع مي شود .مواد اوليه بوسليه ي سنگ شکن خردايش پيدا مي کنند.سنگ شکن ها و آسياب هاي مورد استفاده در اين صنعت عبارتند از :
1- سنگ شکن هاي فکّي ( jae crushers )
2- آسياب هاي چکشي ( hammer mills )
3- آسياب هاي گل مخلوط ( puy mills )
مواد خردايش يافته سپس در بخش الک دانه بند ي مي شوند و موادي که سايز بزرگ دارند به بخش آسياب برگردانده مي شوند. مواد عبور کرده از الک ها (دانه بندي شده) به بخش هاي انبارش ( hoppers ) منتقل مي شوند. مواد انبار شده در هاپربه کوره دوار تغذيه مي شوند. البته با توجه به نحوه ي خردايش معمولا مواد تغذيه شده به کوره داراي 30-40 درصد رطوبت واندکي مواد اضافي جهت ايجاد انبساط در دانه ها هست .درکوره مواد اوليه با زغال سنگ، کک،گاز طبيعي ويا نفت کوره پخت مي شوند.ماکزيمم دماي پخت معمولا 1200 درجه سانتيگراد است .همين طور که ماده درحالت حرارت ديدن است ذوب مي شود و ترکيبات کربن دار آن به حالت گاز درآمده و باعث انبساط آن مي شود. در اين فرآيند ترکيباتي آلي فرار ( voc s ) آزاد مي شوند و از دانه خارج مي شوند و تخلخل آن باقي مي ماند.
دانه هاي منبسط توليدي در اين فرآيند که شبيه به کلينکر هستند (کلينکر:دانه هاي سيمان توليدي به وسيله ي کوره ي دوار است). بوسيله ي بالابر به بخش خنک سازي دانه منتقل شده که دراين بخش خنک سازي دانه ها بوسيله ي هواي خنک انجام مي شود .درنتيجه عمليات بالا دانه هاي کلينکر مانندي بوجود مي آيدکه بسيار متخلخل هستند وسطحي صاف دارند.سبک دانه ها سپس بوسيله ي سيستم الک ها سايز بندي مي شوند . و درصورتي که نياز باشد عمليات خردايش نيز بر روي آنها انجام مي شود .

شکل1 - فرآيند توليد سبک دانه ها را به صورت شماتيک نشان مي دهد.
در اکثر کشورها فرآيند توليد سبک دانه ها با کوره ي دوار انجام مي شود ولي کارخانه هايي معدود وجود دارند که از مواد طبيعي مانند سنگ خارا براي توليد سبک دانه ها بهره مي گيرند.
درادامه ي مقاله سعي داريم با مقايسه ي چند نوع مختلف از سبک دانه ها با خواص آنها آشنا شويم.خواص سبک دانه ها از جمله خواص شيميايي ، فيزيکي ، ميزالوژي و خواص ساختاري ( ريزساختار ) بر روي خواص بتن و مصالح توليدي با اين مواد تأثير دارد. در واقع اين سبک دانه ها رسانش گرمايي و مقاومت صفحات شني را تغيير مي دهند. همان گونه که پيش تر گفتيم ورسالايت ( Versalite TM ) يک سبک دانه است. اين سبک دانه از اسپري دراير کردن خاکستر ( = SDA spray dryerash ) توليد مي شود، که يکي از کارخانجات توليدي اين ماده در کينگ جورج ويرجينيا وجود دارد.رسانايي گرمايي ومقاومت نمونه هاي بتني ساخته شده با اين سبک دانه ها در استاندارد ASTM به شماره 04- C177 (ASTMC177-40 ) آمده است ترکيب مينرالي ،تخلخل يا ميکروساختار وخواص فيزيکي، شيميايي از جمله خواصي هستند که در انتخاب نوع سبک دانه مؤثراند.در واقع اين ويژگي ها بر روي دو فاکتور مهم توليدات سبک دانه اي تأثير مي گذارد. اين دوفاکتور مهم عبارتند از:
1- رسانش گرمايي
2- مقاومت و استحکام خمشي
آزمون هاي شناسايي شيميايي ومينرالي نشان داده است که تمام 4 نوع سبک دانه ي مورد بررسي (اين 4 سبک دانه عبارتند از ورسالايت، سنگ خارا ( Pumice )، شيل منبسط شده ( expanded shale ) و مانده ي زغال سنگ منبسط شده (expanded bottom ash ) از ترکيبات پيچيده ي آلومينو سيليکاتي ساخته شده اند .سبک دانه هاي ورسالايتي داراي فاز شيشه اي آلو مينوسيليکاتي هستند که اين فاز شيشه اي يک جزء عمده بشمار مي آيد .اين حالت در ديگر انواع سبک دانه ها نيز وجود دارد. علاوه بر اين ، سبک دانه هاي ورسالايتي داراي سيليکات کلسيم هيدراته نيز هستند. که سيليکات کلسيم هيدراته جزء پراهميتي براي سبک دانه هاي ورسالايتي بشمار مي آيد. آلومينو سيليکات وکلسيم سيليکات داراي رسانايي گرمايي پايين ومقاومت گرمايي بالا هستند. نتايج بدست آمده بر روي ريز ساختار معين کرده است که ورسالايت داراي تخلخل متوسطي است و در مقايسه با ديگر سبک دانه ها (مانند سنگ خارا، شيل منبسط شده و ته مانده ي منبسط شده ي زغال سنگ) داراي تخلخل هاي ميکروني بيشتري است. خواص فيزيکي اين سبک دانه ها مانند دانسيته ي ظاهري (OD,SSD) وجذب آب و...نيز به پارامترهاي تخلخل بستگي دارد.
همان گونه که گفته شد ما در حال مقايسه ي خواص 4 نوع مختلف از سبک دانه ها هستيم اين سبک دانه ها عبارتند از : سنگ خارا، ورسالايت،ته مانده ي منبسط شده ي زغال سنگ وشيل منبسط شده .
هر4نوع سبک دانه ي معرفي شده در صنعت توليد محصولات بتني مانند بلوک هاي سيماني مصرف مي شوند.

خواص فيزيکي

در زير خواص فيزيکي اساسي 4نوع سبک دانه بيان شده است. اين اطلاعات براساس ASTMC128-07a تدوين گشته است وشامل اطلاعات زير مي باشد.
1- دانسيته ي بالک ( Bulk relative density )
2- دانسيته ي ظاهري( apparent relative density )
3- جذب آب ( water absorption )

اين داده ها در جدول1 آمده است.
علاوه بر پارمترهاي اساسي براي اين سبک دانه ها حالت اشباع سبک دانه ها نيز تعيين مي گردد.براي اين کار سبک دانه تحت فشار آب قرار داده مي شود تا کليه ي منافذ آن پرشده وتخلخل هاي بسته ي آن نيز تعيين گردد.آزمايش حالت اشباع با استفاده از وسايل خاصي انجام مي شود .و در فشار معمولي اين آزمايش قابل انجام نيست. در شکل2 يک دستگاه اندازه گيري آزمون حالت اشباع نشان داده شده است.

داده هاي بدست آمده از اين آزمون در جدول 2 نشان داده شده است.

حالت گرافيکي اين داده ها در شکل 3 آورده شده است.

جدول 2 و شکل 2 به طور بديهي نشان مي دهند که رفتار جذبي سبک دانه ها متفاوت است. اين تفاوت درجذب نشان دهنده ي تفاوت درنوع و حالت تخلخل هاست. از ميان 4 سبک دانه ي مورد آزمايش شيل منبسط شده داراي جذب کمتري در فشار محيطي است. اين سبک دانه جذب آبي درحدود 21.5 درصد حجمي دارد که همين مقدارجذب آب نيز بسيار بيشتر ازجذب آب دانه هاي با وزن نرمال است. (مقدار جذب آب براي دانه ها ي با وزن نرمال کمتر از 5درصد حجمي است).
بيشترين جذب آب در فشار محيطي مربوط به ته مانده ي منبسط شده ي زغال سنگ است .حجم تخلخل در اين سبک دانه درحدود 60.8 درصد حجمي است.(ته مانده ي زغال سنگ (bottom ash) ترکيبي است که در حين سوختن زغال سنگ درکوره هاي زغال سنگ سوز توليد مي شود اين ماده درکف کوره جمع مي گردد. وترکيبي ازمواد سيليس دار با خاکسترو...مي باشد.) اين ماده داراي ساختار متخلخل با سوراخ هاي باز و بزرگ مي باشد. ورسالايت نيز داراي تخلخل نسبتاً بالايي بوده اين درصد تخلخل درحدود 46.0 درصد حجمي است. (درفشار محيط) مقدار اين عدد براي دانه هاي توليدي از سنگ خارا 29.8 درصد حجمي است.

ترکيب مينرالي وشيميايي

ترکيب شيميايي 4نوع سبک دانه مورد مطالعه درجدول 3 آورده شده است .داده هاي اين جدول بر اساس قرارداد نمونه خشک بوجود آمده است.براي شناسايي عناصر عمده و جزئي از دستگاه اسپکترو فتومتر ICP ،براي کربن وگوگرد، دستگاه آناليز LECO وبراي شناسايي کلر از الکترود ويژه ي يون ( Ion specific electrode ) استفاده شده است.
الگوي تفرق براي دانه هاي مختلف با استفاده از دستگاه آناليز تفرق انرژي اشعه ايکس (EDXA) نشان دهنده ي اين مطلب است که از لحاظ شيميايي 4 دانه ي مورد آزمايش داراي گروه پيچيده ي آلومينو سيليکات ها هستند . ورسالايت به خاطر داشتن مقدار زياد کليسم از بقيه اين 4 سبک دانه متمايز است.
مينرالوژي 4دانه ي مورد بررسي بوسيله ي آناليز تفرق اشعه ي ايکس x-raypower diffraction مورد بررسي قرار گرفته که الگوي تفرق آن در اشکال 6 با 7 آورده شده است.

خصوصيات مينرالوژي مهم سبک دانه ها

1- سبک دانه هاي توليدي از سنگ خارا
اين سبک دانه عمدتا به صورت آمورف در طبيعت يافت مي شود .همان گونه که نشان داده شده در الگوي تفرق اين ماده حلقه هاي پهني (حالت آمورف )وجود دارد. فازهاي کريستالي موجود در اين سبک دانه ها عبارتند از آنورتيت (anorthite) ،کلسيت (calcite)،دولوميت(dolomite)

2- ورسالايت
اين سبک دانه شامل فازهاي هيدراته ( کلسيم هيدارت ، هيدرو کالوميت ( hydrocalumite ) واتريجيت ( ettringite ) ) هستند. همچنين اين سبک دانه ها شامل شيشه آلومينو سيليکاتي ،کوارتز ومولايت نيز هست.الگوي تفرق اشعهx اين سبک دانه شامل يک بخش مهم است که نشان دهنده ي کلسيم سيليکات هيدراته است اين پيک با باند پهن آلومينو سيليکات بر روي هم افتاده اند.

3- ته مانده ي منبسط شده زغال سنگ
ته مانده ي منبسط شده ي زغال سنگ يک محصول فرعي از احتراق زغال سنگ است. مقدارآلومينو سيليکات اين ماده زياد است. وفازهايي همچون کوارتز ومولايت نيز به مقدارکم در اين ماده وجود دارد. مولايت فازي کريستالي است که درطي سود کردن شيشه آلومينو سيليکاتي بدست مي آيد. و اين درحالي است که کوارتز عمدتا يک سنگ فرسايشي است.

4- شيل منبسط شده
شيل منبسط شده شامل مينرال هاي کريستالي کوارتز ، موسکويت ( muscovite) وامسيت ( amesite ) است. که مقدار کمي فازهاي شيشه اي آلومينو سيليکاتي نيزدارد . اين مقدار کم فازهاي شيشه اي آلومينو سيليکاتي در طي فرآيند انبساط حرارتي توليد مي شود.

ريز ساختار دانه ها

تصاويز 8تا 11 نشان دهنده ي مورفولوژي ( ريخت شناسي ) و ريز ساختار 4سبک دانه ي مورد بررسي است .اين تصاوير بوسيله ي يک ميکروسکوپ سنگ شناسي گرفته شده است.وتصاوير بارزوليشن بالاتر بوسيله ي يک ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) گرفته شده است (نمونه هاي SEM بوسيله ي پوشش طلا رسانا شده اند.)

تصاويرSEM بدست آمده مسائل مربوط به جذب آب که در بالا به آنها اشاره شد را آشکارتر مي کند و اين ديده شده است که سنگ خارا (شکل 8) داراي تخلخل هاي کانال مانند است که اين کانال ها به هم مرتبط اند.بنابراين آب را به آساني درخود ذخيره مي کنند.در مقايسه بايد گفت که ورسالايت (شکل 9) داراي ريز ساختار ريزتري است که تصاوير وجزئيات آن در بزرگنمايي هاي بيش تري مشخص مي شود.

اين مرفولوژي با رفتار جذب آب مطابقت دارد که تنها مقدار معيني آب در فشار محيطي(وتنها در تخلخل هاي بزرگ) نفوذ مي کنند .اما براي غالب شدن بر نيروي کشش سطحي و پرکردن تخلخل هاي ريزتر نياز به فشار بيشتري است. ته مانده ي منبسط شده ي زغال سنگ (شکل 10)شباهت زيادتري به سنگ خارا دارد. (از اين لحاظ که ريز ساختارش نسبت به ورسالايت درشت تراست)

در دانه هاي ته مانده ي منبسط شده زغال سنگي ،رودخانه ي کانال هاي بزرگتر و ارتباط بيشتري بين آنها وجود دارد . بنابراين دانه اجازه مي دهد که آب به آساني در داخلش نفوذ کند.شيل منبسط شده (شکل 11) از لحاظ ريز ساختاري به ورسالايت شبيه تر است (اگر چه درصد تخلخل اين دو دانه با هم تفاوت دارند).

نتيجه گيري

درمبحث سبک دانه هاي ما با دو مقوله روبروييم يکي آنکه آيا سبک دانه ها مواد مناسبي براي بخش ساختمان سازي هست؟ درجواب اين سوال بايد گفت که با توجه به مباحث انرژي وبحران انرژي درجهان و ايران اين مسأله ضروري به نظر مي رسد که جايگزيني مواد ساخته شده با مواد سبک دانه را تسريع دهيم دراصل يکي از حسن هاي مواد سبک دانه عايق بودن آنهاست که اين مسأله بايد مورد توجه قرار گيرد. ضمناً سبک دانه ها وزن محصولات توليدي ازآنها را کم مي کنند اين مسأله نيز بسيار مهم است زيرا درصنعت ساختمان سازي همواره جايگزيني مصالح سبک تر با مصالح قبل مورد توجه است.
اما از زاويه اي ديگر قيمت محصولات توليدي با سبک دانه هاي رسي نسبت به ساير محصولات مشابه گران تر است. اين مسأله باعث شده است تا مصرف اين سبک دانه ها ازديد کوتاه مدت بصرف نباشد. راه کاري که در اين زمينه به نظر مي رسد ، اصلاح فرآيند توليد سبک دانه ها واستفاده از ضايعات براي توليد سبک دانه هاست. در واقع اصلاح فرآيند توليد سبب کاهش قيمت تمام شده سبک دانه شده ومي توان سبک دانه ها را در بازار رقابتي امروز دنيا موفق تر کند.استفاده از ضايعات به عنوان مواد اوليه نيز مي تواند موجب کاهش هزينه ها گردد ولي اين مسأله به موقعيت جهاني کشور بستگي دارد.
به عنوان مثال امروزه در کشورهاي پيشرفته دنيا که مسائل زيست محيطي به عنوان يک مشکل حاد مطرح مي گردد، از باطله هاي ساختمان هاي تخريب شده براي توليد سبک دانه ها بهره گرفته مي شود.در واقع درکشورهاي پيشرفته توليد سبک دانه داراي دونفع است يکي توليد يک ماده ي اوليه جهت ساخت بلوک ومصالح ساختماني و دومين نفع مصرف مواد باطله ي بخش هاي صنعت وساختمان سازي، با توجه به اين مسأله که کشور ما در مکاني قرار گرفته که مواد اوليه(مخصوصاً خاک رس) بسيار ارزان است لذا توجه به انتخاب نوع ماده ي اوليه جهت توليد سبک دانه امري قابل تأمل مي باشد.
مقوله ي ديگر اين است که :براي توليد سبک دانه ها بايد به چه مسائلي توجه کنيم؟ ازديدگاه اينجانب توجه به انتخاب ماده ي اوليه مسأله اي ضروري است در واقع کشور عزيز ما ايران در راه توسعه ي هرچه بيشتر گام برمي دارد. شاخصه ي اين پيشرفت ها احداث کارخانجات است، که اکثر اين کارخانجات داراي محصولات فرعي هستند. مصرف اين مواد فرعي مي تواند پيشرفت مملکت را دوچندان کند. لذا توجه به مقوله ي ضايعات صنعتي وساختماني و مصرف آنها درجهت توليد سبک دانه ها امري است که بايد به آن پرداخته شود.
منابع :
1-Light weight aggregate/Mineral Product Industry
2-Comprative Study of lightweig aggregats Industry/ Romond.1
* استفاده از مطالب اين مقاله با ذکر منبع راسخون بلا مانع مي باشد.
/خ