اثرات کوتاه مدت و بلند مدت استفاده از گرد و غبار سنگ آهک و کربنات کلسیم در مواد پایه

سیاست دولت انگلستان صنعت را به شدت ترغیب می کند تا مواد زائد بازیافتی را افزایش داده و آنها را در میان سایر مصالح ساختمانی رایج جای دهد. ایجاد بازار برای زباله های مشترک باعث کاهش حجم و ایجاد مزیت اقتصادی نسبت به دفع و همچنین کاهش تأثیرات زیست محیطی و اجتماعی مرتبط می شود. گرد و غبار سنگ آهک و کربنات کلسیم که در طی فرآیند سنگ شکن سنگ آهک و کربنات کلسیم تولید می شود، یک زباله معمول است و مشکلات زیادی ایجاد می کند. استفاده از گرد و غبار سنگ آهک در مسیرهای جاده و زیر پایه یکی از پیشنهادات برای انتقال آن به دسته محصولات جانبی است. اگرچه تحقیقات قبلی برخی از معایب را در استفاده از گرد و غبار سنگ آهک در پایه( اساس) جاده به نتیجه رسانده اند، اما یک فرضیه بالقوه وجود دارد که به دلیل مقدار زیادی CaO آزاد در ساختار شیمیایی گرد و غبار سنگ آهک احتمال افزایش سختی در طول زمان را نشان می دهد. این تحقیق با هدف بررسی امکان استفاده از گرد و غبار سنگ آهک اضافی در مواد نوع ۱ متمرکز شد و اثر آن را از نظر مدول انعطاف پذیری، یکی از عوامل بسیار مهم و تأثیرگذار در طراحی سازه های روسازی انعطاف پذیر، بررسی کرد. نتایج اندازه گیری رفتار انعطاف پذیر کوتاه مدت و بلند مدت نمونه ها بیانگر تأثیر مثبت افزودن مقدار قابل توجهی اثرات کوتاه مدت و بلند مدت استفاده از گرد و غبار سنگ آهک و کربنات کلسیم در مواد پایه ( اساس) جاده ۱ است.

سیاست دولت انگلیس به شدت تولیدکنندگان زباله، مدیران پسماند، مشتریان ساختمانی و صنعت محصولات ساختمانی را تشویق می کند تا مواد زائد بازیافتی را افزایش دهند و آنها را در میان سایر مصالح ساختمانی معمول جای دهند. ایجاد بازار برای زباله های مشترک باعث کاهش حجم و ایجاد مزیت اقتصادی نسبت به دفع و همچنین کاهش تأثیرات زیست محیطی و اجتماعی مرتبط می شود. سنگدانه ریز نوعی زباله است که در طی فرآیند استخراج سنگ و فرآیند سنگ به سنگدانه به عنوان پاسخ مستقیم انواع مختلف سنگ به روشهای خاص خردایش تولید می شود. از آنجا که امروزه سنگدانه یکی از مولفه های اساسی ساخت و ساز است، در سطح جهان تولید می شود و بنابراین، مشکلات بعدی این فرآیند در سطح جهانی مورد توجه قرار می گیرد. بنابراین، استراتژی های مختلفی برای ایجاد جریان هایی برای استفاده از سنگدانه های ریز با توجه به فرصت های بازار محلی و تحت کنترل مقررات و قوانین تدوین شده است.

هزینه های ذخیره گرد و غبار و مشکلات توزیع گرد و غبار از نظر بهداشتی مهمترین نگرانی در این زمینه است. تولیدکنندگان اصلی ادعا می کنند که هزینه های روزافزون و فضای لازم برای ذخیره سازی مواد زائد هدر می رود. به خصوص آنهایی که در مناطق دور افتاده هستند و در یافتن بازارهای محلی مشکل دارند، مواد ریز تولیدی بیش از ظرفیت ذخیره سازی خود دارند. بعضی از مناطق به دلیل تولید زیاد و معادن سنگین و همچنین رقابت معادن محلی، بیش از حد باطله تولید می کنند. با این حال، ممکن است مکان های دیگری وجود داشته باشد که به دلیل کمبود مواد خوب برای یک بازار خاص، باید تولید خوب خود را با استفاده از سنگ شکن های ضربه ای بهینه کنند. این مشکل زمانی پیچیده می شود که منابع محلی دیگری وجود داشته باشد که مواد جایگزین را با هزینه رایگان (Aggregate Levy) ارائه دهند. پروژه MIST (منینگ، ۲۰۰۴) نشان می دهد که مجموع این عوامل به دلیل عدم احداث جاده های جدید در سالهای اخیر، تأثیر زیادی در بازار خوب داشته است. مشتریان در تلاشند تا به مواد ارزان قیمت جایگزین که مشمول مالیات نیستند دسترسی پیدا کنند.

اثرات کوتاه مدت و بلند مدت استفاده از گرد و غبار سنگ آهک و کربنات کلسیم در مواد پایه

دفع گرد و غبار سنگ آهک و سنگ دانه بندی کربنات کلسیم باعث توزیع گرد و غبار، مشکلات زیست محیطی و آلودگی ها می شود. در فصل تابستان و بهار هوا را به طوفان آلوده می کند و به همین دلیل خطراتی جدی برای سلامتی از جمله آسم و بیماری های ریوی ایجاد می کند.

محل های فعلی ساخت و ساز برای باطله ها عمدتاً شامل مخلوط های غیرمحدود (اساس و زیر اساس، درپوش و پر کردن) و کاربردهای محدود مانند آسفالت، قیر و سایر مواد سطح به علاوه بتن است. ساخت سنگ مصنوعی، سنگدانه سبک، آجر و بلوک و کاشی و سنگ مصنوعی از دیگر مصارف ساختمانی باطله ها است. کاربردهای کشاورزی، باغبانی و اوقات فراغت (باغبانی، ساخت مدل و مصنوعات صنایع دستی) به عنوان مصارف غیر ساختمانی باطله های کربنات کلسیم دسته بندی می شوند.

مانینگ (۲۰۰۴) در گزارش پروژه MIST ادعا می کند: “موارد معمول استفاده از باطله ها بیشتر در صنعت ساخت و ساز است و تقاضا به شدت به جاده سازی و سایر فعالیت های ساختمانی بستگی دارد.” به دلایل زیادی از جمله پایداری، کیفیت بالای مواد اولیه در مقایسه با ثانویه، و فرصت های کاهش استخراج شن و ماسه، صنعت می خواهد باطله ها را مصرف کند، اما برخی از موانع مانند مالیات کلی باطله ها، هزینه های حمل و نقل، و ناآگاهی مشتری و تعصب اجازه نداده است که باطله ها بازار واقعی خود را پیدا کنند.

اصطلاحات مربوط به سنگدانه های ریز، گرد و غبار، جریمه ها و مواد پرکننده نقشی اساسی در صنعت و تحقیقات دارد به طوری که استانداردهای اروپایی واژه نامه خود را برای روشن کردن تفاوت این اصطلاحات در نظر گرفته اند. از آنجا که این تحقیق بر گرد و غبار معدن به عنوان یک مشکل در صنعت متمرکز شده است، لازم است تعریف گرد و غبار معدن را به روشنی بیان کنید. “گرد و غبار معدن” به عنوان سنگ ریز اندازه کمتر از ۴ میلی متر کالیبره می شود. طبق استانداردهای اروپایی، سنگ دانه ریز، بجز استفاده در آسفالت، به عنوان ماده ای که از غربال ۴ میلی متر عبور می کند تعریف می شود . این برای تشخیص گرد و غبار معدن از اصطلاح “باطله های معدن” است که به کسری که از ۰٫۰۶۳ میلی متر عبور می کند اشاره دارد و از ماده پر کننده است که از ماده ۰٫۰۶۳ میلی متر عبور می کند و ممکن است برای تأثیر بر خصوصیات مخلوط اضافه شود. بنابراین، گرد و غبار معادن از سنگ ریز، جریمه های معدن و پر کننده تشکیل شده است.

از نظر سنگ شناسی، گرد و غبار معدن می تواند انواع مختلفی از مواد معدنی از جمله ماسه سنگ، سنگ آهک، سنگ های آذرین و شن و ماسه را به عنوان انواع اصلی در خود جای دهد. بعضی از انواع از طریق فرآیند سنگی، گرد و غبار کمتری ایجاد می کنند. تولید سالانه سنگدانه ها در بریتانیا برای حدود ۲۳۸ میلیون تن در نظر گرفته شده توسط سازمان زمین شناسی انگلیس (۲۰۰۷) می تواند گرد و غبار معادن بیش از ۴۱ میلیون تن ایجاد کند. از آنجا که سنگ آهک و کربنات کلسیم (از جمله دولومیت و گچ) تقریباً نیمی از کل مصرف را در انگلستان با حدود ۲۰-۲۵٪ تولید تشکیل می دهد، این تحقیق بر گرد و غبار معدن سنگ آهک متمرکز شده است اگرچه معادن ماسه سنگ و گریستون تا ۳۵٪ باطله تولید می کند در حالی که فقط ۵ درصد کل را باطله می کند. بنابراین، تولید گرد و غبار معدن سنگ آهک در انگلیس حدود ۲۲ میلیون تن در سال تخمین زده می شود. علاوه بر انگلیس و به عنوان نمونه، تولید سالانه ۱۸ میلیون تن گرد و غبار سنگ آهک در یونان و ۳۰ میلیون تن در ترکیه گزارش شده است.

به عنوان مهمترین کاربرد غیرمجاز باطله ها، درج جریمه های مازاد معادن در مخلوط های جاده ای و زیر اساس نوع ۱ نه تنها خروجی باطله ها را فراهم می کند، بلکه باعث جمع شدن دانه های درشت از اساس و زیر اساس می شود و سنگ اضافی را برای استفاده در سایر موارد فراهم می کند. محصولات با این کار، عمر عملیاتی و کارایی عملیاتی واحد را افزایش می دهد. علاوه بر این، با ترکیب مواد مازاد در یک محصول کالا، گرد و غبار اضافی ارزش نوع ۱ و زیر پایه نوع ۱ را به خود اختصاص می دهد. هدف اصلی این پروژه ارائه پیشنهادی است که توسط آن می توان از تأثیرات زیست محیطی ساخت روسازی کاسته شود. در استفاده از گرد و غبار معادن مازاد و متعاقب آن، افزایش کارایی عملیاتی و عمر معادن به شرطی که عمر روسازی طولانی و کارآمد باشد، این امر محقق خواهد شد.

تحقیقات مقدماتی انجام شده در دانشگاه لیورپول توسط جان مورس همراه با پروژه DTI نشان داد که فرصت هایی برای استفاده از گرد و غبار معدن سنگهای متشکل از کربنات کلسیم مثل سنگ آهک به مواد پایه(اساس) و زیر پایه(زیر اساس) وجود دارد، اگرچه افت در خواص مقاومت مشاهده شد. همانطور که در BEAN 2008 ارائه شد مقدار مختلفی از گرد و غبار به مواد نوع ۱ اضافه شد. نتایج آزمایش فقدان زیادی در واکنش مواد به کاربرد بار نشان داد. در نتیجه، پس از انجام برخی آزمایشات بیشتر، تیم تحقیق به این نتیجه رسیدند که این ضرر احتمالاً قابل کنترل است. این واقعیت با افزودن برخی از چسب های هیدرولیکی با سرعت پایین بیشتر مشخص شد. با کمال تعجب، نتایج بهتر از نتایج ماده ۱ بود،  که این نشان می دهد که امکان استفاده از گرد و غبار اضافی بدون کاهش خواص مقاومت ماده وجود دارد.

تحقیقات انجام شده در زمینه مکانیک خاک، پالس های منفی برای استفاده از مواد ریز در سیستم های خاکی را به دست می دهد. علاوه بر این، بدیهی است که، به دلیل سطح عظیم مواد ریزدانه های بیشتر به مقدار آب بیشتری برای تراکم مناسب نیاز دارد. بنابراین، لازم بود که تأثیر بیشتر مواد ریز در سیستم های کل مطالعه شود. علاوه بر این، بررسی خصوصیات شیمیایی گرد و غبار سنگ آهک و کربنات کلسیم مقدار زیادی آهک آزاد به شکل CaO در ساختار گرد و غبار سنگ آهک را ایجاد می کند. بنابراین، گرد و غبار سنگ آهک هر چند با سرعت کم باید دارای توانایی اتصال باشد. هدف دیگر این تحقیق نشان دادن میزان سهم یک قطعه خاص از اساس جاده حاوی سنگ دانه های سنگ آهک و کربنات کلسیم و گرد و غبار در طول عمر مفید آن بود.

سابقه استفاده از گرد و غبار

درگزارشی که توسط مجلات معتبر در سال ۲۰۰۴ منتشر شده است شامل استفاده از باطله های سنگ معدن در برنامه های مختلف است. با استفاده از گرد و غبار سنگ آهک و کربنات کلسیم در مواد پایه جاده غیرقابل استفاده، این پروژه را با استفاده از باطله های سنگ معدن به جای سنگدانه درشت در ساخت پایه جاده ذکر کرده است. و نوع باطله های سنگ معدن استفاده شده در مخلوط ها را مشخص نکرده است. در این سند پروژه ای منتشر شده است که در سال ۱۹۹۶ منتشر شده و حاکی از تقویت پر شدن سنگ آهک توسط یک ماده خوب دیگر است که استفاده دیگری از گرد و غبار سنگ آهک را در زمینه مخلوط های مقید ارائه می دهد، نتیجه گیری کرده است که وجود میکای ریز باعث کاهش خصوصیات مکانیکی سنگدانه های بسته نشده گنایس نروژی می شود که منجر به تغییر شکل اضافی دائمی می گردد. اثرات ذرات و خصوصیات مخلوط را بر عملکرد برخی از مواد دانه ای و رفتار گرانول غیرمستقیم مربوط به زبری سطح ذرات، اصطکاک سطح، زاویه ای بودن و زبری مورد بررسی قرار داد، که نشان دهنده افزایش سختی با زبری سطح است. و اصطکاک بدون بیان درجه بندی. با استناد به چندین تحقیق از سال ۱۹۷۰ محققان بر این باورند که تحقیقات در مورد تأثیر مواد ریز بر سختی دانه های بسته نشده کاملاً واضح بررسی نشده است. به طور کلی، هنگام افزایش محتوای ریز، کاهش مدول انعطاف پذیر و افزایش تغییر شکل دائمی گزارش شده است. اگرچه بسیاری از نتیجه گیری ها منجر به تأثیر منفی (هر دو تأثیر جزئی و چشمگیر) مواد ریز بر خواص مکانیکی سنگدانه های نامحدود می شود، اما چند مورد افزایش گزارش شده است. بعضی محققان سختی اولیه را افزایش داده و سپس هنگامی که مواد ریز به سنگ خرد شده اضافه شده است، افت قابل توجهی داشته است. نتایج یک تحقیق مشابه نشان داد که افزودن گرد و غبار سنگ کربنات کلسیم تا ۱۰٪ از نظر جرم ظرفیت تحمل دوره پایه( اساس) را از نظر CBR (نسبت تحمل کالیفرنیا) بهبود می بخشد در حالی که ۵٪ ماده ریز به عنوان حداکثر دامنه خاک رس تعیین شده است. مطالعه گسترده ای در مورد خصوصیات پایه جاده با سنگ آهک خرد شده انجام شده و اثر رطوبت و ریز دانه ها را بر عملکرد ساختاری پایه جاده سنگ آهک خرد شده بررسی کرده اند. آنها به کاهش سختی الاستیک با افزایش رطوبت برای مواد با درجه عیار بالا و همچنین کاهش سختی با افزایش مقدار ریزی اشاره کرده اند.

مطالعات و کاربردهای دیگری نیز در مورد گرد و غبار سنگ آهک برای صنعت ساخت و ساز وجود دارد. محققان برخی از خصوصیات فیزیکی و مکانیکی مواد آجری را با سطوح مختلف ضایعات پودر سنگ آهک که با ضایعات خاک اره چوب مخلوط هستند، بررسی کرده اند. خصوصیات مکانیکی بدست آمده مانند مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، وزن واحد و … می تواند استانداردهای بین المللی مربوطه را برآورده سازد. استفاده از این مواد به عنوان کامپوزیت سیمان در ساخت آجرهای بتنی منجر به ایجاد آجرهای سبک شده است که می توانند معیارهای استاندارد را برآورده کنند. گرد و غبار سنگ آهک را برای تولید سنگ مصنوعی متشکل از غبار سنگ آهک در سطح آزمایشی استفاده کرده اند. نتایج نشان می دهد باطله های معدن سنگ آهک و کربنات کلسیم با هم مخلوط می شوند و می توان از سیمان برای ساخت سنگهای بتونی با خواص مکانیکی قابل قبول استفاده کرد. محققان قصد داشتند ضایعات معادن سنگ آهک را به منبع ارزشمندی تبدیل کنند و قابلیت استفاده از گرد و غبار سنگ آهک را در خمیر و بتن خود متراکم بررسی کرده اند.