مقایسه ویژگی های فیزیکی و مکانیکی آجرهای رسی آهکی و آجرهای رسی عاری از آهک

[* v e n o o s * مهمان]

منبع : کارخانه آجر نماچين

 

در این تحقیق برای پخت آجر از رس آهکی ( رسی که محتوی مقدار معنی¬داری کلسایت و دولومیت است) و رس بدون آهک (رسی که عاری از کربنات¬ها می¬باشد) استفاده شد. نسبت رس به اب برای اين آجرها 1 به 4/0 بود. و اندازه¬ی ابعاد آجر¬های پخته شده 5/24×5/11×4 سانتی¬متر بودند نمونه¬های آجر در حرارت¬های 700، 800، 900، 1000 و 1100 درجه پخته شدند. آجرهای رسی آهکی و آجرهای رسی بدون آهک از نظر ویژگی¬هایی مانند مقاومت فشاری، تخلخل، توزیع اندازه منافذ و رفتار آب (ضریب اشباع و شاخص خشک شدن)، پایداری در برابر آزمون یخ¬زدگی و مقاومت در برابر آزمون کریستاله شدن نمک مورد بررسی قرار گرفتند.

 

مقاومت فشاری

نمونه¬های آهکی تا حرارت 1000 درجه مقاومت فشاری بیشتری نسبت به نمونه¬های بدون آهک نشان دادند. در حرارت 1000 درجه روند معکوس شده و نمونه¬های بدون آهک بیشترین مقاومت را نشان می¬دهند (شکل 1). سیر تکاملی مقاومت فشاری در آجر وابسته به بافت و تغییرات ساختمان میکروسکوپی در آجر شامل افزایش در فرآیند شیشه¬ای شدن و کاهش در میزان تخلخلمی¬باشد که هر دو منجر به افزایش مقاومت مکانیکی آجر می¬شوند. در نمونه¬های رس آهکی، فرایندشیشه¬ای شدن در حرارت 800 درجه شروع شده و یک افزایش در مقاومت فشاری مشاهده شده است.مقاومت فشاری در نمونه¬های رس اهکی پخته شده در حرارت¬های 800 تا 900 درجه سانتی¬گراد افزایش معنی¬دار بیشتری نسبت به مقاومت فشاری رس آهکی پخته شده در حرارت 800 درجه نشان می¬دهند.

 

تنها در حرارت 1100 درجه یک افزایش اساسی در مقاومت فشاری در نمونه¬های آهکی اتفاق می¬افتد که همزمان با کاهش تخلخل می¬باشد(شکل 1). یافته¬های فوق را محققان دیگر نیز اثبات کرده¬اند این محققان نشان دادند که آجر در دماهای پایین¬تر ( 840 تا 960) تشکیل می¬شود ولی کاملاً ضروری است که آجر تا رسیدن به دماهای بالاتر از 1080 در کوره باقی بماند.

 

شکل1- سیر مقاومت فشاری در نمونه های رس آهکی و رس بدون آهکviznarنمونه¬های آهکی و Gaudixنمونه¬های بدون آهک هستند.

[* v e n o o s * مهمان]

در نمونه های رس بدون اهک پخته شده در حرارت های بالاتر از 900 درجه سانتی گراد افزایش زیادی در مقاومت فشاری مشاهده می شود. 900 درجه، حرارتی است که شیشه ای شدن در این نمونه ها (نمونه های بدون آهک) برای اولین بار توسط میکروسکوپ الکترونی نشان داده شد. بالاترین مقادیر مقاومت فشاری در نمونه های بدون آهک در حرارت 1000 درجه یا بالاتر است.( شکل1) تصاویر مربوط به میکروسکوپ الکترونی نیز در این دماها افزایش شیشه ای شدن را برای این نمونه ها نشان می دهد (شکل2). در استاندارد آمریکا(ASTM) مربوط به ویژگیهای آجر، مقاومت آجر در برابر هوادیدگی شدید 211 کیلوگرم بر سانتی متر مربع، مقاومت آجر در برابر هوادیدگی متوسط 176 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و مقاومت آجر در برابر هوادیدگی ناچیز 106 کیلوگرم بر سانتی متر مربع می باشد.

 

طبق استاندارد فوق و چنانچه در شکل 1 دیده می شود تنها نمونه های بدون آهک پخته شده در 1100 درجه سانتی¬گراد به طور کامل در برابر هوادیدگی شدید، پایدارند. نمونه¬های بدون آهک پخته شده در دمای 1000 و نمونه های آهکی پخته شده در دمای 1100 در برابر هوادیدگی متوسط، پایداری دارند. حداقل مقاومت فشاری آجرهای ساختمانی در کشور اسپانیا 100 کیلوگرم بر سانتی متر مربع است و شکل 1 نشان می دهد درصورتیکه رس بدون آهک استفاده شود ، تنها آجر پخته شده در دمای 1000 درجه و بالاتر مقاومت فشاری کافی (مطابق با استاندارد اسپانیا) را داراست و این در حالی است که آجر آهکی پخته شده در دمای 800 درجه و بالاتر از 800 درجه تقریباً دارای مقاومت کافی میباشند (مطابق با استاندارد اسپانیا). این نتایج نشان می دهد طبقه بندی آجر به استاندارد مورد استفاده وابسته است. بعلاوه اندازه گیری مقاومت فشاری لزوماً اطلاعات لازم راجع به پایداری آجر را در اختیار نمی گذاردو کاربرد تست های هوادیدگی (آزمون یخ زدگی و کریستاله شدن نمک) به منظور تعیین آجر مناسب برایاهداف حفاظتی لازم است.

شکل 2- تصاویر SEMاز رسهای آهکی و رس های بدون آهک پخته شده در حرارت های مختلف.a رس آهکی و b رس بدون آهک پخته شده در حرارت 800 درجه،c رس آهکی وd رس بدون آهک پخته شده در حرارت 900 درجه، eرس آهکی وfرس بدون آهک پخته شده در حرارت 1000

.

 

[* v e n o o s * مهمان]

تخلخل و توزیع اندازه منافذ

 

حضور کربنات¬ها در نمونه¬های آهکی به طور وضوح بر سیر تکاملی تخلخل در حین پخت اثر می-گذارد در دمای حدود 800 درجه کلسایت (CaCO3)به آهک(CaO) تبدیل می¬شود. این واکنش با یک افزایش در تخلخل همراه است. در حضور آب اکسید کلسیم (CaO) به پورتلندایت(Ca(OH)2)تبدیل می¬شود. و بعداً سرانجام در حضورCO2 اتمسفر به CaCO3 تبدیل می¬شود.این واکنش¬ها سبب یک افزایش در حجم و سبب تشکیل ترک¬ها می¬شود، پدیده-ای که اغلب در نوشتجات به نام پف کردن آهک توضیح داده می¬شود و منجر به افزایش تخلخل میشود. همچنین تبدیل دولومیتCaMg(CO3)2به مواد دیگر باعث افزایش تخلخل می¬شود.مواد حاصل از تجزیه دولومیت شامل (CaO) و (MgO) که در حضور آب به پورتلندایت(Ca(OH)2) و بروسایت(Mg(OH)2) و سپس در حضور دی اکسید کربن ممکن است به هیدرومگنسایت (Mg5(CO3)4(OH)2•4H2O) تبدیل می¬شوند.

 

پدیدهای که در بالا توضیح داده شد در رس¬های آهکی پخته شده در حرارت بین 800 تا 1000 درجه سانتی¬گراد مشاهده می¬شود.این آجرها تخلخل بیشتری را نسبت به سایر نمونه¬های رس¬های آهکی نشان می¬دهند(جدول 1).در نمونه¬های پخته شده در حرارت 700 درجه سانتی-گراد حرارت برای تشکیل اکسید کلسیم کافی نیست.در رس¬های آهکی پخته شده در حرارت 1100 افزایش شیشه¬ای شدن از توسعه نیروی بکاربرده توسط پورتلندایت(Ca(OH)2)جلوگیری میکند و دیگراینکه در حرارت بالا تشکیل غشایی در اطراف دانه¬های اکسید کلسیم باعث کاهش بخار آب و کاهش تشکیل پورتلندایت(Ca(OH)2)میشود (در نتیجه در رس¬های آهکی پخته شده در حرارت700 و 1100 تخلخل کمتر و پدیده پف¬کردگی آهک کمتر دیده می¬شود). محققان دیگر نشان دادند شیشه ای شدن که به وسیله جریانی از کربنات کلسیم تسهیل می¬شود، به تنهایی از پف آهک در رس¬های آهکی جلوگیری نمی¬کند.

به منظور محدود کردن پف کردن آهک ، نمونه¬ها بالافاصله بعد از پخت برای مدت 2 ساعت با آب سرد پوشانده می¬شوند تا کاملاً اشباع شوند. مقدار زیاد آب باعث آبشویی اکسید کلسیم وبه رسوب کمتر پورتلندایت(Ca(OH)2کم می کند. هرچند این روش نمی¬تواند به طور کامل از پدیدار شدن ترکها جلوگیری کند.در رسهای بدون آهک با افزایش حرارت تخلخل کاهش می¬یابد و کاهش معنی¬دار در میزان تخلخل در حرارت 1000 درجه اتفاق می¬افتد (جدول1).

 

[* v e n o o s * مهمان]

جدول 1: جدول درصد تخلخل (p)، ضریب اشباع(s) و شاخص خشک شدن (DI).

viznarنمونه های آهکی و Gaudixنمونه¬های بدون آهک هستند.

 

مقایسه رس¬های پخته شده در حرارت 1000 و 1100 درجه سانتی¬گراد نشان داد که تخلخل در نمونه¬های آهکی 10 درصد بیشتر از نمونه¬های بدون آهک است (جدول1). نتایج به دست آمده با نتایج حاصل از تحقیقات محققان دیگر نیز همخوانی دارد. نتایج حاصل از تحقیقات دیگر نشان داده است یک کاهش کوچک در میزان تخلخل رس¬های اهکی در حرارت¬های بالاتر از 1080 درجه اتفاق می افتدو در نمونه¬های بدون آهک کاهش معنی دار در میزان تخلخل در در حرارت-های قبل از 1020 درجه اتفاق افتاده است.

 

در هر دو گروه(رس¬های آهکی و رس¬های بدون آهک) توزیع اندازه منافذ با افزایش حرات با یک روند مشابه به سمت افزایش منافذ بزرگتر (بزرگتر از 2 میکرن) می¬رود ( جدول2). معمولاً در حرارت¬های بالا منافذ ریز بین ذرات رس به سبب ذوب و بهم آمیختگی ذرات ناپدید می¬شوند و منافذ بزرگ به سبب رهایی گازها در اثر هدررفت گروه¬های هیدروکسید موجود در فیلوسیلیکاتهاتشکیل می¬شوند. هرچند افزایش درصد منافذ بزرگتر (بزرگتر از 2 میکرون)در رس-های آهکی تدریجی است، اما یک افزایش معنی¬دار در درصد منافذ بزرگتر از 2 میکروندر حرارت 1000 درجه در این نمونه¬ها مشاهده می¬شود درحالی که نمونه¬های آهکی افزایش درصد منافذ بزرگتررا تنها در حرارت 1100 درجه سانتی¬گراد نشان می¬دهند( جدول2).

 

منافذ با قطر کوچکتر از 2/0 میکرون در رس¬های بدون آهک هرگز به 10 درصد نمی¬رسددر حالیکه منافذ کوچکتر از 2/0 میکرون در رسهای آهکی در حرارت های مابین 800 تا 1000 درجه بین 35 تا 39 درصد می¬باشد. درصد بالای منافذ ریز (منافذ کوچکتر از 2/0 میکرون) در تبدیل کلسایت به اکسید کلسیم شرکت می¬کند و منجر به یک افزایش معنی¬دار در میزان تخلخل می¬شوند. در رسهای آهکی پخته شده در حرارت 1100 درجه منافذ کوچکتر از 2/0 میکرون به علت شیشه¬ای شدن زیاد قابل تشخیص نیستند (جدول 2).

 

جدول 2- جدول درصد توریع اندازه منافذ به میکرون

 

 

2<: :>:منافذ با قطر کوچکتر از 2/0 میکرون.

viznar نمونه های آهکی و Gadix نمونه های بدون آهک هستند.

[* v e n o o s * مهمان]

رفتار آب

رس¬های آهکی پخته شده در حرارت¬های 800 تا 1000 درجه سانتی¬گراد یک ضریب اشباع بالاتری را نسبت به رس¬های آهکی پخته شده در حرارت 700 و 1100 درجه نشان می¬دهند زیرا ضریب اشباع رابطه مستقیم با تخلخل دارد. (هرچه تخلخل بیشتر ضریب اشباع بیشتر است). این نمونه¬ها (رس¬های آهکی پخته شده در حرارت¬های 800 تا 1000 درجه سانتی¬گراد) بیشترین میزان شاخص خشک شدن را نیز نشان می¬دهند(جدول 1). رفتار خشک شدن نیز به وسیله بررسی توزیع اندازه منافذ توضیح داده می¬شود. خشک شدن سریع در نمونه¬هایی که دارای درصد زیادی منافذ با قطر بزرگتر از 2 میکرون هستند اتفاق می¬افتد (جدول1و2).

در نمونه¬های آهکی پخته شده در حرارت 1100تنها 100 ساعت برای خشک شدن نیاز است زیرا این نمونه¬ها دارای 70 درصد منافذ با قطر بزرگتر از 2 میکرون هستند و منافذی با قطر کوچکتر از 2/0 میکرون در این نمونه¬ها قابل شناسایی نیست (جدول2). سایرنمونه¬های آهکی که در حرارت¬های کمتر از 1100 درجه پخته می¬شوند، دارای درصد بسیار کمی منافذ با قطر بزرگتر از 2 میکرون هستند و به 480 تا 540 ساعت برای خشک شدن نیازمند هستند و ازبین این نمونه¬ها (نمونه¬های آهکی که در حرارت¬های کمتر از 1100 درجه پخته می¬شوند) تنها نمونه¬های پخته شده در 700 درجه سانتی¬گراد تاحدودی سریع¬تر خشک می¬شوند(240 ساعت) واین ممکن است به این دلیل باشد که در رس¬های آهکی پخته شده در 700 درجه منافذی با قطر کوچکتر از 2/0 میکرون تقریباً 10 درصد کمتر از نمونه¬هایی هستندکه در حرارت 800 تا 1000 درجه پخته می¬شوند.

 

ضریب اشباع در نمونه¬های بدون آهک به تخلخل وابسته است و ضریب اشباع در این نمونه¬ها یک کاهش معنی¬دار را در دمای 1000 و بالاتر نشان می¬دهد. نمونه¬های بدون آهک پخته شده در دماهای 1000 و 1100 درجه به دلیل بیشتر بودن منافذ با قطر بزرگتر از 2 میکرون، نسبت به سایر نمونه¬های بدون آهک سریعتر خشک می¬شوند (شاخص خشک شدن کمتر است)..

 

 

پایداری در برابر سیکل یخ زدگی

تفاوت معنی¬داری در درصد افت وزنی نمونه¬های آهکی و نمونه¬های بدون آهک پس از تست یخ-زدگی مشاهده شد (جدول3). هرچند درهر دو گروه نمونه¬های پخته شده در حرارت پایین پایداری کمتری داشتند. افت وزنی اندازه¬گیری شده در نمونه¬های آهکی در پایان تست یخ¬زدگی هماهنگ با آسیب مشاهده شده نبود. در تمام نمونه¬های آهکی پخته شده در حرارت 1000 یا حرارت کمتر، شکستگی¬های زیادی مشاهده شد ولی نمونه¬های آهکی پخته شده در حرارت 700 درجه درصد افت وزنی معنی¬داری را نشان دادند (جدول 3).درنمونه¬های آهکی پخته شده در حرارت 1100 درجه به علت توزیع اندازه منافذ مطلوب (درصد بالای منافذ با قطر بزرگتر از 2 میکرون) افت وزنی یا آسیب معنی¬داری مشاهده نشد(جدول 3).

 

جدول 3- درصد افت وزنی نمونه¬ها پس از آزمون¬های هوادیدگی (آزمون یح¬زدگی و کریستاله شدن نمک)

 

.viznarنمونه¬های آهکی و Gadixنمونه¬های بدون آهک. :Salt crystallisation testآزمون کریستاله شدن نمک، Freeze–thaw test:آزمون یخ¬زدگی.

 

نمونه¬های بدون آهک پخته شده در حرارت 700 و 800 به طور ویژه مستعد آسیب آهک هستند. و به محض اينکه در معرض یخ¬زدگی قرار گیرند شکستگی در آنها پدیدار می¬شود. در آزمایش یخ¬زدگی نمونه¬های بدون آهکی که در حرارت 900 درجه پخته شدند افت درصد وزنی معنی¬داری مشاهده نشد اما در این آجرها آسیب¬های اولیه در اثر این آزمایش قابل شناسایی بود. نمونه¬های پخته شده در 1000 و 1100 درجه در اثر آزمایش یخ¬زدگی آسیبی ندیدند.

 

رفتار آجر همبستگی خوبی را با تخلخل اندازه¬گیری شده نشان داد بطوریکه تخلخل کمتر و مقدار معنی¬داری از منافذ بزرگتر به پایداری آجر کمک می¬کنند. مقاومت فشاری و درجه شیشه-ای شدن بالاتر در نمونه¬های پخته شده در حرارت 1000 درجه و بالاتر باعث پایداری بهتر نمونه¬ها در برابر نیروی تولید شده به وسیله یخ¬زدگی آب است. این نتایج با نتایج حاصل از تحقیقات دیگر محققان نیز مطابقت دارد. آنان نیز نشان دادند آجرهایی که تخلخل زیاد دارند پایداری کمتری را در برابر سیکل یخ¬زدگی دارند مگر اینکه دارای مقدار معنی¬داری از منافذ با قطر بزرگتر از 3 میکرون باشند.

 

پایداری در برابر سیکل کریستاله شدن نمک

تفاوت¬های مربوط به پایداری در برابر کریستالیزاسیون نمک بین نمونه¬های آهکی و نمونه¬های بدون آهک قابل شناسایی هستند. در مدت این آزمون همه نمونه¬ها در ابتدا یک افزایش در وزن را به سبب تجمع نمک نشان دادند. که این افزایش در اغلب نمونه¬ها بیشتر از 4 درصد نبود. هرچند نمونه¬های آهکی پخته شده بین 800 تا 1000 درجه افزایش معنی¬دار بیشتری را نشان دادند (تا 10 درصد). همه نمونه¬ها بعد از تکمیل تست به منظور حذف نمک¬های تجمع یافته اضافی ( نمک¬هایی که امکان حذف آنها با آب وجود دارد) به طور کامل با آب شست¬شو داده شدند. در آزمونکریستاله شدن نمکنمونه¬های آهکی پخته شده بین 800 تا 1000 درجه کاهش وزنی معنی¬داری نشان ندادند، اما این نمونه¬ها آسیب¬ها و شکستگی¬های شدیدی را نشان دادند که این نشان می¬دهد اندازه¬گیری درصد افت وزنی به تنهایی توانایی نشان دادن مقدار آسیب وارده را ندارد. در نمونه آهکی پخته شده در 700 درجه و نمونه پخته شده در 1100 درجه کاهش وزنی با آسیب¬ها مشاهده شده همبستگی خوبی را نشان می¬دهد به طوریکهدر نمونه آهکی پخته شده در 700 درجه یک افت وزنی 5% وهمچنین آسیب و شکستگی در آجر مشاهده شدو در نمونه¬های پخته شده در 1100 درجه کاهش وزنی و آسیب یا شکستگی معنی¬داری مشاهده نشد.

پایداری نمونه¬های رس بدون آهک در برابر آسیب کریستالیزاسیون نمک با افزایش درجه حرارت افزایش می¬یابد. در این نمونه¬ها افت وزنی و آسیب مشاهده شده در آجر، رابطه مثبتی را با هم نشان دادند.نمونه¬های رس بدون اهک پخته شده در 700 و 800 درجه آسیب معنی¬دار در سطح و کاهش وزنی را به سبب ساییدگی و گردشدگی لبه¬ها نشان دادند. نمونه¬هایی که در 900 درجه پخته شدند نیز هم آسیب و شکستگی و هم افت وزنی را نشان دادند. نمونه های رس بدون آهک پخته شده در 1000 و 1100 درجه هیچ آسیب و یا افت وزنی معنی¬داری را نشان ندادند. بالا رفتن درجه شیشه¬ای شدن (نمونه¬های آهکی پخته شده در 1100 و نمونه¬های بدون آهک پخته شده در 1000 و 1100 درجه) پایداری در برابر تست هوادیدگی ( ازمون یخ¬زدگی و کریستاله شدن نمک) را افزایش می¬دهد.

 

محققان همچنین نشان دادند علاوه بر افزایش درجه حرارت و افزایش میزان شیشه¬ای شدن، حضور منافذ نسبتاً بزرگتر در بافت آجر به پایداری در برابر کریستالیزاسیون نمک کمک می¬کند زیرا فشار کریستالیزاسیون در منافذ بزرگتر نسبت به منافذ کوچکتر کمتر و در نتیجه آسیب وارده کمتر خواهد بود.

 

بحث و نتیجه¬گیری:

کربناتها اثر مثبتی را بر تکامل بافت اجر پخته شده در حرارت پایین دارند و باعت افزایش میزان شیشه¬ای شدن و افزایش مقاومت آجر می¬شوند.هرچند نمونه¬های بدون آهک پخته شده در حرارت 1000 درجه و بالاتر از نظر کیفیت فنی و پایداری در اولویت قرار دارند به طوریکه این نمونه¬ها دارای تخلخل کمتر، ضریب اشباع کمتر ، خشک شدن سریع¬تر و افزایش درجه شیشه¬ای شدن و افزایش مقاومت فشاری نسبت به نمونه¬های آهکی نظیر خود می¬باشند. برای رس¬های بدون آهک حرارت 1000 درجه برای تولید آجر کافی است در حالی¬که برای رس¬های آهکی حرارت 1100 درجه برای پایداری در برابر هوادیدگی(آزمون یخ¬زدگی و آزمون کریستاله شدن نمک)لازم است.

 

افزایش پایداری در برابر هوادیدگی در آجر با کاهش تخلخل و توزیع اندازه منافذ مطلوب رابطه دارد. آجرهایی با تخلخل بالا (حدود 40 درصد) و درصد بالایی از منافذ با قطر کوچکتر از 2 میکرون بیشتر آسیب¬پذیر هستند. الگوی اسیب متفاوت مشاهده شده در آجر بستگی به نوع رس و حرارت پخت دارد. آزمون یخ¬زدگی معمولاً منجر به شکستگی می¬شود در حالیکه آزمون کریستاله شدن نمک منجر به سایش و گرد شدگی لبه¬ها می¬شود.

 

پایداری آجر رابطه نزدیکی با درجه شیشه¬ای شدن دارد. هرچند درجه شیشه¬ای شدن به تنهایی برای پیشگویی رفتار آجر در برابر هوادیدگی کفایت نمی¬کند و تخلخل و بویژه توزیع اندازه منافذ باید به خوبی بررسی شود.از آنجایی که تعیین درجه شیشه¬ای شدن در آجر دشوار است، به نظر می¬رسد مطالعه تخلخل، توزیع اندازه منافذ و رفتار آب (ضریب اشباع و شاخص خشک شدن) مناسب¬تر باشد. این پارامترها به آسانی و با دقت تعیین می¬شوند و به ما اجازه می¬دهند پایداری آجر را تخمین بزنیم. نتایج نشان می¬دهد. ویژگی¬های فیزیکی و مکانیکی آجر به وسیله ترکیب اولیه رس و حرارت پخت کنترل می¬شوند. وقتی که رس¬های اهکی برای تولید استفاده می¬شوند به منظور اجتناب از پف¬کردگی آهک باید دانه¬بندی ذرات و محتوی کربنات¬ها کنترل شود.

 

محققان نشان دادند دگرگونی (شکستگی) در آجر به سبب تشکیل هیدروکسید کلسیم تنها هنگامی واقع می¬شود که مقدار کلسایت زیاد و اندازه ذرات بزرگتر از 5/0 میلی¬متر باشد. آنان همچنین بیان کردند. آجر می¬تواند از رس بدون آهک که پودر کلسایت با دانه¬های بسیار ریز (حدود 5 تا 10 درصد) به آن اضافه شده است، ساخته شود. غرقاب کردن آجر در آب سرد بالافاصله بعد از پخت به طور ویژه¬ای می¬تواند پف کردگی آهک را کاهش دهد.

 

 

منبع: ترجمه

Elert. K, Cultrone. and Rodriguez. C. 2003. Durability of bricks used in the conservation of historic buildings influence of composition and microstructure. Journal of Cultural Heritage (4).pp: 91-99.