طراحی و ساخت صفحات تصفیه آب آشامیدنی با استفاده از بتن پلیمری

چكيده

در این تحقیق به یکی از جنبه‌های کاربردی بتن پلیمری جهت ساخت صفحات تصفیه آب آشامیدنی و به عنوان جایگزینی برای بتن‌های اليافي موجود اشاره شده است. بتن پلیمری طراحی شده در این تحقیق، ترکیبی از شن و ماسه‌های سیلیسی، رزین اپوکسی و الیاف شیشه خرد شده می‌باشد. لذا در ابتدا درصد ترکیب بهینه اجزای تشکیل دهنده یک بتن پلیمری با استفاده از روش تاگوچی به گونه‌ای که هر سه استحکام فشاری، خمشی و برشی آن بیشترین مقدار را داشته باشند، به دست آمده است. سپس نمونه‌های آزمایشگاهی برای فشار، خمش و برش ساخته شده و تحت آزمایش قرار گرفتند. نتایج تجربی همخوانی خوبی را با نتایج پیش‌بینی شده توسط روش تاگوچی نشان می‌دادند. پس از به دست آوردن خواص بهینه بتن طراحی شده، صفحه تصفیه آب آشامیدنی از جنس این بتن با توجه به شرایط بارگذاری خاص آن، در نرم‌افزار المان محدود ANSYS مدل‌سازی شده است. نتایج المان محدود نشان می‌دهد که بتن پلیمری جایگزین مناسبی برای بتن‌های الیافی مورد استفاده در صنعت آب و فاضلاب می‌باشد. تعداد سي و دو صفحه تصفیه آب آشامیدنی از جنس این بتن ساخته شده و پس از انجام آزمايشات مختلف در دو استخر تصفيه آب نصب گرديده و با موفقيت مورد بهره‌برداري قرار گرفتند.

سوالات تحقيق:

در اين تحقيق، درصد ترکیب بهینه اجزای تشکیل دهندة بتن پلیمری برای دستیابی به بیشترین استحکام فشاری، خمشی و برشی بین بتن و فلز بررسی شده است. از این بتن در ساخت صفحات تصفیه آب آشامیدنی استفاده شده است.

روش تحقیق:

در این مقاله ابتدا با استفاده از روش طراحی آزمایشات (روش تاگوچی)، تعداد آزمایشات لازم برای تشخیص درصد ترکیب بهینه سه جزء بتن پلیمری یعنی شن و ماسه سیلیسی، رزین و الیاف خرد شده کاهش یافته است و سپس نمونه‌های فشاری، خمشی و برشی با درصد ترکیبات ارائه شده توسط روش تاگوچی ساخته شده و آزمایش شدند. نتایج پیش‌بینی شده با نتایج آزمایش از همخوانی خوبی برخوردار بودند.

1. مقدمه

بتن پلیمری ترکیبی از شن و ماسه سیلیسی، رزین اپوکسی یا پلی‌استر و الیاف شیشه خرد شده می‌باشد. این بتن به دلیل کارایی بالا در دهه 50 میلادی مطرح گردید و بیشتر به عنوان روسازی پل‌ها به کار گرفته شد. تحقیقات انجام شده در سال‌های اخیر حاکی از آن است که بتن پلیمری هنوز از جنبه‌های مختلف مورد توجه محققان می‌باشد. یکی از کاربردهای اصلی بتن پلیمری در روسازی پل‌هاست. زیرا استحكام فشاري، خمشی و برشي در رزين‌ها عامل بسيار مهمي در ميزان تحمل بارهاي مرده و ديناميكي بر روي پل‌ها مي‌باشد ]1[. موريوشي ]2[ بر روي خواص دمايي بتن پليمري با رزين متيل متااكريلات فعاليت نمود. عبدالفتاح و همکارش ]3[ استحکام خمشي بتن پليمري را با استفاده از مقادير مختلف درصد رزين و همچنين انواع رزين‌ها بررسي نمودند. بارنز و ميز ]4[ و همچنين ري و همکارانش ]5[ بر روي خواص برشي بين بتن پليمري و فولاد و بتن معمولي تحقيق کردند. ريز و فريرا ]6 و 7[ خواص شکست و خمشی بتن پلیمری تقویت شده با الياف کربن و شيشه خرد شده بررسی نمودند. نتايج اين تحقيق نشان مي‌دهد که افزودن الياف خرد شده تا 2 درصد وزنی باعث افزايش 13 درصدي مقاومت در برابر شکست در بتن مي‌شود. ریرس ]8[ بر روی خواص مکانیکی بتن پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه و کربن خرد شده با طول mm6 و 1 تا 2 درصد وزنی تحقیقاتی را نیز انجام داد. او نتیجه گرفت که با افزودن الیاف خرد شده، استحکام فشاری افزایش می‌یابد. همچنین ریرس ]9[ به بررسی خواص خمشی و شکست بتن پلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی پرداخت. او افزایش خواص مکانیکی بتن پلیمری با استفاده از الیافی که در طبیعت به وفور یافت می‌شوند، را مقرون به صرفه توجیه کرد. در تحقیقات فوق‌الذکر فقط یک خاصیت مکانیکی مثلاً استحکام فشاری یا خمشی بتن پلیمری بررسی شده است. در این تحقیق ابتدا با در نظر گرفتن پارامترهای موثر در استحکام‌های فشاری، خمشی و برشی بتن پلیمری و فولاد، درصد بهینه اجزای تشکیل دهندة بتن به گونه‌ای که هر سه خاصیت فوق حداکثر گردد به دست آمده و سپس به عنوان یک کاربرد صنعتی جهت ساخت صفحات تصفیه آب آشامیدنی استفاده گردیده است.

1. تعریف مسئله

همان‌گونه که در تحقيقات گذشته نشان داده شده است درصد رزين، درصد الياف و اندازه دانه‌ها در ميزان استحکام‌های خمشی، برشی و فشاری بتن پلیمری نقش بسزایی دارند. در تحقيقات گذشته تاثير هر یک از پارامترها بر روي استحکام‌های خمشی و فشاری به طور جداگانه بررسي شده است و مقادير بهينه آنها به دست آمده است. در اين تحقيق ابتدا به بررسي سه خاصیت مهم مكانيكي بتن پليمري و همچنين به دست آوردن مقدار بهینه هر خاصیت به تنهایی با توجه به تغيير درصد مواد تشكيل دهنده یعنی درصد رزین، درصد الیاف خرد شده، اندازه دانه‌ها پرداخته می‌شود. سپس با توجه به نتايج بهینه به دست آمده برای هر خاصیت مکانیکی، با استفاده از روش تاگوچي درصد بهینه هر یک از متغيرهای فوق براي دستيابي به بالاترين ميزان استحكام‌های خمشی، فشاری و برشی بتن پلیمری به طور همزمان پرداخته می‌شود. سپس بتن پلیمری بهینه شده از لحاظ خواص مکانیکی، برای ساخت صفحات تصفیه آب آشامیدنی در تصفیه خانه‌ها استفاده گردیده است.

1. مواد استفاده شده در بتن پلیمری

بتن پلیمری ساخته شده در این تحقیق متشکل از رزین اپوکسی ML506، شن و ماسه سیلیسی و الیاف شیشه خرد شده[3] می‌باشد. خواص رزین اپوکسی و درصد ترکیبات شن و ماسه سیلیسی به ترتیب در جدول 1 و 2 آورده شده است.

طراحی آزمایشات

آزمایش فشار

از بین آزمایشات گوناگونی که می‌توان بر روی بتن پلیمری انجام داد، سه آزمایش فشار، خمش و برش بین بتن و فلز در این تحقیق انتخاب شده است. از آنجا که در بتن‌های معمولی و همچنین آسفالت مقاومت فشاری، از پارامترهای مهم به شمار می‌رود، لذا باید آزمايش فشاري برای تعیین استحکام فشاری انجام شود. از طرفی با توجه به اینکه بارهای ارتعاشی معمولاً به صورت بارهای خمشی به سازه وارد می‌شوند و مقدار بارهای ديناميكي روي پل‌ها (به خصوص پل‌هاي فلزي) مقدار قابل توجهي است، باید آزمايش خمش برای بررسی ميزان مقاومت روسازي در مقابل ارتعاش پل‌ها انجام مي‌شود. درمواردی که روسازی انعطاف لازم را نداشته باشد، بارهای دینامیکی باعث تخريب آن مي‌شوند. به منظور بررسی ميزان چسبندگي بين فولاد و روسازي بتن، آزمايش برشي بين فولاد و بتن انجام شده است. با عبور وسايل نقليه از روي پل به علت اصطكاك بين سطح روسازي و لاستيك نيروي برشي زيادي به سطح بين فولاد و بتن وارد مي‌شود. در صورتي كه چسبندگي بين فولاد و بتن كافي نباشد برش بین دو ماده مي‌تواند منجر به کنده شدن روسازي شود. آزمایش فشاری بر اساس استاندارد ASTM C39-49 ]10[، آزمایش خمش سه نقطه‌ای بر اساس استاندارد ASTM C293-54T ]11[ انجام شده است. از آنجا که استاندارد مشخصی برای آزمایش برش بین بتن پلیمری و فلز وجود ندارد از طرحی ابتکاری برای این آزمایش استفاده گردیده است. بتن پلیمری داخل حلقه‌ای فولادی که سطح داخلی آن کاملاً تمیز شده و به پرایمر آغشته گشته است قالب‌گیری شده به گونه‌ای که 10 میلیمتر از سطح پایین خالی است. از این‌رو با فشار بر سطح بالایی بتن، برش بین بتن و فلز اتفاق می‌افتد. شکل 1 ابعاد نمونه‌های فشار، خمش و برش را نشان می‌دهد.

شکل 1 ابعاد نمونه‌های ساخته شده از بتن پلیمری

پس از تعیین درصد اجزاء تشکیل دهنده که در بخش بعد به آن پرداخته می‌شود، این مواد با یکدیگر مخلوط شده و درون قالب‌ ریخته می‌شوند. پس از کامل شدن فرایند پخت اولیه به مدت 7 روز، فرایند پخت تکمیلی به مدت 2 ساعت در دمای 80 درجه سانتگراد انجام شد تا پلیمریزاسیون رزین تکمیل گردد.

1. کاهش تعداد آزمایشات به روش تاگوچی[4]

روش تاگوچی يکي از روش‌هاي پرکاربرد در طراحي آزمايشات است ]12[. این روش باعث کاهش قابل ملاحظه در تعداد آزمايش‌هاي مورد نياز براي تعيين اثرات کلي متغییرها مي‌گردد. در اين روش با مشخص نمودن پارامترهاي مؤثر بر سيستم و سطوح تغييرات آنها بهترين شرايط هر پارامتر براي رسيدن به بيشترين کارايي سيستم تعيين مي‌شود و شرايط بهينه از بين شرايط کاري موجود انتخاب مي‌گردد. مزيت اين مرحله در اين است که به جاي از بين بردن متغییرهای غير قابل کنترل که کاري هزينه‌بر است شرايط عملياتي را طوري انتخاب مي‌کنيم که متغییرهای غير قابل کنترل کمترين تاثير را در آن داشته باشند. براي بررسي تاثير هر يک از پارامترها بر روي استحکام فشاري، خمشي و برشي بتن پلیمری هر متغير را در چند سطح تقسيم‌بندي مي‌کنيم. ابتدا سه سطح دانه‌بندی برای مصالح درشت و ریزدانه تعریف گردیده است. اين سطوح که از اندازه دانه حدود mm 1 تا mm 6 را پوشش مي‌دهند در سه سطح mm 2-1، mm 4-2 و mm 6-4 مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از آنجا که با استفاده از اين دانه‌بندي فضاي خالي بين دانه‌ها زیاد است، درصدي از دانه‌بندي به پرکننده که ریزتر از سطوح فوق است اختصاص داده شده است. از آنجا که ميزان پرکننده و تعيين ميزان تاثير آن در اين تحقيق مورد بررسي نبوده است در هر سه سطح از ميزان ثابتي از پرکننده استفاده شده است.در مجموع 40% از پرکننده‌هاي سيليسي ریز و 60% از مصالح درشت با سه سطح دانه‌بندی فوق استفاده شده است. رزین به عنوان یکی از پارامترهای موثر در خواص بتن پلیمری در سه سطح 10، 15 و 20 درصد وزنی در نظر گرفته شدند. در تحقيقات گذشته ميزان رزين مورد استفاده از 5/7 تا 20 درصد وزني گزارش شده است. اما آزمايش‌هاي انجام شده در این تحقیق نشان می‌دهند که در مقادير کمتر از 10% مصالح به ميزان مناسب با رزين مخلوط نمي‌شوند و در مقادير بالاتر از 20 درصد نيز ميزان رزين بيش از حد لازم براي مخلوط نمودن با مصالح مي‌باشد. رزين اپوکسي به علت ماهيت ترموست بودن خود از ميران استحکام مطلوبي برخوردار نيست. با افزودن ميزان کمي از الياف شيشه مي‌توان خواص استحکامی مطلوبي براي بتن ايجاد نمود. اين کار در تحقيقات گذشته نيز مورد توجه بوده است و از مقادير حدود 7/0 تا 6 درصد وزنی استفاده شده است. لذا برای مشاهده ميزان تاثير الياف همچنين مشاهده تاثير وجود و عدم وجود الياف سطوح تغيير متغيرها صفر، 2 و 4 درصد وزني لحاظ گردیده است. جدول 3 به طور خلاصه سطوح تغییر متغییرها را در بتن پلیمری نشان می‌ دهد.

با توجه به جدول 3، به دلیل اینکه سه متغير با سه سطح تغییرات داریم، بهترین شکل پيشنهادي در روش تاگوچي آرايه متعامد 9L است كه در جدول 4 نشان داده شده است. آرايه 9L بيان مي‌دارد كه با انجام دادن 9 گروه آزمایش و قرار دادن هر كدام از سطوح متغیرها مطابق جدول 4 در هر گروه، می‌توان به خواص بهینه با کمترین تعداد آزمایش رسید. اعداد 1 تا 3 در جدول 4 نشان‌دهنده سطح تغییر متغیرها و TG[5] مخفف گروه‌های آزمایش می‌باشند. بنابراین برای ساخت بتن پلیمری پس از ترکیب مواد تشکیل‌دهنده بتن پلیمری، قالب‌گیری برای ساخت نمونه‌های فشاری، خمشی و فشاری انجام گرفت. تعداد 18 نمونه برای قطعات فشاری به شکل استوانه با قطر   75 میلی متر و ارتفاع 15  میلی متر آزمایش شدند. تعداد 9 نمونه مکعبی به ابعاد  آزمایش خمش سه نقطه شدند. آزمایش برش بین فلز و بتن روی 27 نمونه نیز انجام شد.

1. نتایج

1.6 نتايج آزمايش‌هاي فشاري

مقادیر استحکام فشاری و چگالی میانگین نمونه‌های فشاری در جدول 5 نشان داده شده است. با توجه به نتايج به دست آمده در جدول 5 درمی‌یابیم که اين نوع بتن در رديف بتن‌هاي استحکام بالا به شمار می‌آید. مقدار استحکام فشاري معمول براي بتن‌هاي تجاري حدود MPa 35-30 مي‌باشد. مطابق آیین‌نامه انجمن بتن آمريکا، بتنی استحکام بالا به شمار می‌آید که داراي استحکام فشاري بيشتر از MPa41 باشد. همچنین چگالی اين نوع بتن بسيار پايين‌تر از بتن معمولي مي‌باشد. نمونة TG9 که بيشترين استحکام فشاري را داراست، حدود 23 درصد از بتن معمولي سبک‌تر مي‌باشد (با فرض چگالی بتن معمولي حدود  کیلوگرم بر متر مکعب 2400 ).

جدول 6 تاثیر متغییرهای مختلف بر استحکام فشاری را مطابق روش تاگوچي نشان مي‌دهد. همچنین روند تغییر استحکام فشاری با سطوح تغییر گوناگون متغیرها در شکل 2 نشان داده شده است.

با بررسي نتايج جدول 6 و شکل 2 درمي‌يابيم افزايش اندازه دانه‌ها در ابتدا باعث کاهش استحکام فشاري مي‌شود. ولي بعد از گذر از اندازه سطح دوم مقدار استحکام بسيار بالا مي‌رود. همچنين افزايش درصد رزين باعث افزايش استحکام در نمونه‌ها مي‌شود. با افزايش درصد الياف نيز استحکام فشاري کاهش مي‌یابد. دليل اين موضوع اين است که در اين حالت الياف نقش نقاط مستعد براي آغاز ميکروترک‌ها را بازي مي‌کنند و باعث شروع ترک در نمونه مي‌شوند. با توجه به شکل 9، نمونة بهينه نيز داراي بزرگترين اندازه دانه‌بندی (mm 6-4)، بيشترين درصد رزين و کمترين درصد الياف است.

5-2- نتایج آزمایش‌های خمش

شکل 3 تجهیزات انجام آزمایش خمش و نمودار بار-جابه‌جایی یکی از نمونه‌های خمشی را نشان می‌دهد. مطابق شکل 3 بتن پلیمری دارای رفتار تقریباً خطي است و شکست آن به صورت ترد و ناگهانی است. همچنین در جدول 7 استحکام و سفتی خمشی برای هر گروه آزمایش گزارش شده است.

از بررسي نتايج جدول 7 درمي‌یابیم که اين نوع بتن داراي استحکام بالاتری از بتن معمولي دارد. ميزان استحکام خمشي در بتن معمولي بين 10 تا 20 درصد استحکام فشاري بتن مي‌باشد. لذا مقدار استحکام خمشي در بتن معمولاً حدود MPa 5/6 است ]13[. با توجه به اين مقدار از استحکام مي‌توان تاثير افزايش الياف بر ميزان مقاومت خمشي را نشان داد. شيب تغييرات نيرو بر حسب جابجايي نيز نشان‌دهنده ميزان انعطاف‌پذيري نمونه‌ها مي‌باشد. گروه‌های آزمایش 1، 4 و 7 که هر سه داراي کمترين مقدار رزين مي‌باشند، داراي انعطاف‌پذيري بيشتري هستند. شکل 4 شکست نمونه خمش را نشان مي‌دهد. شکل 5 نيز نتايج به دست آمده از روش تاگوچي براي نمونه‌هاي خمشی را نشان مي‌دهد.

شکل 5 تاثیر کلی هریک از متغيرها بر روي استحکام خمشی طبق روش تاگوچی

همانطور که از شکل 5 ملاحظه مي‌شود افزايش اندازه دانه‌ها و درصد رزين باعث افزايش استحکام خمشي در نمونه‌ها مي‌شود. ليکن افزايش ميزان الياف در ابتدا باعث افزايش استحکام خمشي و در آخر باعث کاهش آن مي‌شود. اين امر نشان مي‌دهد که تنها مقادير کم الياف باعث افزايش در استحکام خمشي در نمونه‌ها خواهد شد. همچنین تغييرات درصد رزين بيشترين تاثير را بر روي استحکام خمشي دارد. پس از آن اندازه دانه‌ها و در آخر نيز درصد الياف نقش تعيين‌کننده‌اي دارند. اين موضوع بيان مي‌دارد که براي تغيير در ميزان استحکام خمشي بهتر است درصد رزين را تغيير دهيم. زيرا با تغيير کمي در درصد رزين مقدار استحکام تغيير زيادي مي‌کند. همچنين تغيير در اندازه دانه‌ها و همچنين درصد الياف تاثير بسيار کمي بر استحکام دارند. .نمونة بهينه داراي بزرگترين اندازه دانه‌ها (mm 6-4)، بيشترين درصد رزين (20 درصد) و 2 درصد الياف خرد شده است. اين موضوع در مراجع ]13 و 14[ نيز بررسي شده و ميزان الياف خرد شده 2 درصد وزنی به دست آمده است.

5-3 نتايج آزمايش برشي

آزمايش برش بر روي 27 نمونه (3 نمونه برای هر گروه آزمايش) انجام شده است. شکل 6 نتايج بارگذاري را براي يکي از نمونه‌های برشی نشان مي‌دهد. لازم به ذکر است که نيروي فشاری اعمال شده به بتن پلیمری باعث ايجاد برش در مرز بين فلز و بتن مي‌شود. در اکثر نمونه‌ها بعد از اعمال بارگذاري بتن از پرايمر جدا شده است و پرايمر همچنان به فلز چسبيده است. اين موضوع بيان مي‌کند که ميزان چسبندگي پرايمر به فلز بسيار بيشتر از پرايمر به بتن است و جدايش از مرز پرايمر و بتن اتفاق مي‌افتد.در جدول 7 مقادير بيشينه نيروي اعمالي و تنش برشي گزارش شده است.

همانطور که از شکل 7 مشاهده مي‌شود افزايش اندازه دانه‌ها در ابتدا باعث افزايش استحکام برشي در نمونه مي‌شود.اما بين سطح دوم و سوم تغيير زيادي نمي‌کند. همچنين افزايش درصد رزين باعث افزايش استحکام در نمونه مي‌شود. افزايش درصد الياف خرد شده نيز در ابتدا باعث کاهش استحکام برشي مي‌شود ولي بين سطوح دوم و سوم تغيير چنداني نمي‌کند. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که تغييرات درصد رزين بيشترين تاثير را بر روي استحکام برشي دارد. پس از آن اندازه دانه‌ها و در آخر نيز درصد الياف نقش تعيين کننده‌اي دارند. اين موضوع بيان مي‌دارد که براي تغيير در ميزان استحکام برشي بهتر است درصد رزين را تغيير دهيم. زيرا با تغيير کمي درصد رزين مقدار استحکام تغيير زيادي مي‌کند. نمونه بهينه داراي اندازه دانه هاي متوسط (mm 4-2)، بيشترين درصد رزين (20 درصد) و کمترين درصد الياف (صفر درصد) است.

به این ترتیب با توجه به نتايج به‌دست آمده از آزمايش‌ها و روش تاگوچي، مي‌توان ترکیب بهينه را براي به دست آوردن بهترين نتايج از لحاظ استحکام فشاري، خمشي و برشي مشخص نمود.

پس از طراحی بهینه درصد ترکیب مواد تشکیل دهنده بتن پلیمری، از این ماده برای ساخت صفحات آب آشامیدنی استفاده گردید. با توجه به هندسه خاص این صفحات، که یک صفحه مستطیلی به ابعاد  دارای 240 عدد سوراخ به قطر mm 16 می‌باشد، ابتدا این صفحه در نرم افزار المان محدود ANSYS مدل‌سازی گردید و شرایط مرزی واقعی صفحات به آن اعمال شد. شکل 8-الف مدل المان محدود و شرایط مرزی را نشان می‌دهد. سپس بار گستردة معادل، به ازای 1 متر شن و 5/1 متر آب که در شرایط واقعی به صفحات وارد می‌شود، به مدل اعمال گردید. با داشتن استحکام‌های فشاری و خمشی صفحه که در بخش قبل به دست آمد آنالیز تخریب انجام شد. شکل 8-ب توزیع تنش خمشی در صفحه تصفیه آب را نشان می‌دهد. پس طراحی صفحات تصفیه آب، تعداد 32 عدد در تصفیه‌خانه جلالیه تهران نصب گردید که هم اکنون در حال استفاده می‌باشد. شکل 9 صفحات تصفیه آب آشامیدنی نصب شده در حوضچه های تصفیه خانه جلالیه تهران را نشان می‌دهد.

1. نتيجه‌گيري

در اين تحقيق تاثير سه عامل که بيشترين اثرگذاري را بر خواص مکانيکي بتن پليمري یعنی استحکام فشاری، خمشی و برش بین بتن و فولاد دارند مورد مطالعه قرار گرفت. با استفاده از روش طراحي آزمايشات، روش تاگوچي، تعداد آزمايش‌هاي لازم براي بررسي تاثير اين عوامل کاهش يافته و ترکیب بهينه براي هر آزمايش مشخص گرديد. همچنين درصد ترکیبات برای آميزه‌اي که هر سه آزمايش فشار، خمش و برش را بهينه کند به دست آمد و مقادير استحکام نمونه بهينه توسط روش تاگوچي پيش‌بيني شد.آزمايش‌هاي فشار و خمش طبق استاندارد ASTM انجام شده و از آنجا که روش استانداردي براي آزمايش برش بین بتن و فولاد وجود نداشت، یک طرح ابتکاری برای انجام این آزمایش نیز ارائه گردید. در نهایت، به عنوان یک کاربرد صنعتی، از بتن پلیمری بهینه شده برای ساخت صفحات تصفیه آب آشامیدنی استفاده گردید و تعداد 32 عدد از این صفحات در حوضچه‌های تصفیه آب در تصفیه‌خانه آب جلالیه تهران نصب گردیدند.

برگفته شده از سایت تخصصی بتن پلاست