بخشی از مطلب
چكيده :
آجر يكي از پرمصرف ترين مصالح بنايي در ايران است . از آنجا كه آجر معمولي وزن زيادي دارد باعث سنگين شدن ساختمان و در نتيجه آسيب پذيري آن در برابر نيروهاي زلزله مي شود . سعي بر اين است كه با كاهش چگالي آجر علاوه بر سبك كردن ، خصوصيات عايق حرارتي آن نيز بهبود يابد . يكي از موادي كه به عنوان افزودني تخلخل زا به مواد اوليه آجر اضافه مي شود فوم پلي استايرن است. 
براي آنكه مقاومت فشاري و جذب آب آجر سبك در حد قابل قبول براي آجرنما باقي بماند ، مقدار افزودني فوم پلي استايرن بايد حدود 1 درصد باشد . با افزودن 5/1 درصد وزني فوم پلي استايرن به خاك آجرپزي ، چگالي بدنه به 98/0 گرم بر سانتيمتر مكعب و مقاومت فشاري به 98 كيلوگرم بر سانتيمتر مربع و جذب آب به 25 درصد وزني رسيد . چنين‌آجري به عنوان آجر معمولي باربر قابل استفاده است. با افزودن 2 درصد وزني فوم پلي استايرن به خاك ، چگالي بدنه به حدود 9/0 گرم بر سانتيمتر مكعب كاهش يافت ، در حالي كه مقاومت فشاري به حدود 69 كيلوگرم بر سانتيمتر مربع رسيد . اين نوع‌آجر را مي توان به عنوان‌آجر معمولي غيرباربر استفاده نمود . هدايت حرارتي آجرهاي سبك ساخته شده به 5/1 درصد وزني فوم پلي استايرن ، 36/0 وات بر متر بر درجه سانتيگراد به دست آمد كه در مقايسه با‌آجرهاي معمولي به ميزان يك سوم كاهش يافته است . 
 
 
تحقيقات انجام شده در ساير كشورها
     هوادار كردن با پلاستيك ها يكي از روش هاي سبك سازي آجر و بلوك هاي سفالي دركشورهاي صنعتي است. روش سبك سازي با فوم پلي استايرن داراي حق امتيازي به نام پروتون است كه درآن از فوم پلي استايرن براي ايجاد تخلخل درشت استفاده مي شود]2[.
     برخي از كارخانه هاي توليد آجر از فوم پلي استايرن پيش ساخته استفاده مي كنند ولي براي انبوه، دارا بودن سيستم توليد فوم، اساسي است.(شكل 1)
    تهيه و نگهداري فوم پلي استايرن مشمول برخي اندازه گيري هاي مطمئن است كه دستورالعمل آن به وسيله مراجع مشاور، كمپاني هاي بيمه و اداره هاي آتش نشاني تهيه شده است. چنين ملاك هايي بايد هنگام طراحي درنظر گرفته شود. ماده خام، چگالي انبوهي تقريباً kg/m3 700 دارد و در بشكه هاي 125 كيلو گرمي يا كارتن مقوايي يك تني عرضه مي شود. استايروپور 500  P يك نام تجارتي نمونه وار است. بشكه ها و كارتن ها را مي توان به ترتيب تقريباً 6 ماه و 4 هفته نگهداري كرد، بدون آنكه از مواد افزودني هواساز چيزي را از دست بدهند]2[.
     پلي استايرن منبسط شده در 100 تا 700 درجه سلسيوس تجزيه حرارتي مي شود، بدون آنكه خاكستري بر جاي گذارد. گازهاي استايرن و بنزن كه در فرآيند آزاد مي شوند.
1-1    مواد خام و افزودني
     در تحقيقي كه هاك و جانگ انجام دادند، مواد خام و افزودني هاي به كار رفته به شرح زير است :
خاك آجرپزي B ، خاكي با مقدار كمي كربنات و مواد رسي شامل قسمتهاي مساوي كاني هاي رس ايليتي و كائولينيتي است. آجر پخته شده با اين خاك داراي رنگ قرمز است.
خاك آجرپزي J ، خاك رس مارني با مقدار زياد كلسيت كه در آن ماده رسي عمدتاً از نوع ايليت است. آجر پخته شده با اين خاك رنگ زرد دارد.
خاك آجرپزي L ، شبيه خاك رس مارني J است با اين تفاوت كه داراي مقدارزيادي مونت موريلونيت در بخش رسي مي باشد. رنگ پخت آن صورتي مايل به زرد است.
فوم پلي استايرن ، با قطر تقريبي 1 تا 2 ميليمتر
لجن كاغذ سازي ، مواد زايدي است كه در فاضلاب توليد كاغذ وجود دارد و به صورت كيك هاي فيلتري كه بخشي از آب آن گرفته شده در دسترس است. ميزان آب ممكن است بين50 تا80 درصد وزني باشد. معمولاً ماده جامد به طور عمده از الياف كاغذ و باقي مانده اي كه اصطلاحاً فيلر گفته مي شود، مانند كائولن، آهك يا چاك تشكيل مي گردد.
خاكستر بادي، مورد استفاده در آزمايش حاوي مقدار كمي كربنات كلسيم و تقريباً 9 درصد وزني كربن سوختني است. مشخصه شايان ذكر ديگر، مقدار نسبتاً زياد (حدود 5 درصد وزني) قليايي هاي K2O و Na2O است  كه به صورت گدازآور عمل مي كنند.
چاك پودر شده ، با هدف به دست آوردن بافت متخلخل ريز بدنه سراميكي استفاده شد كه نرمي بسيار زياد و به همان نسبت سطح واكنش بزرگ دارد.
ماسه كوارتزي، به عنوان ماده باز كننده استفاده شد كه تا حدود 95 درصد آن را دانه هايي با قطرهاي 2/0 تا 6/0 ميليمتر تشكيل مي داد.
     اطلاعات ارائه شده در مورد تركيب اجزاي بدنه رسي برحسب درصدهاي مواد خشك است. بلوك ها و آجرهاي رسي سبك آزمايشگاهي با سوراخ هاي قائم در دو قالب ساخته شدند :
اندازه كوچك : ابعاد 70 × 40 × 80 ميليمتر، حجم سوراخ ها حدود 40 درصد، ضخامت جدار 6 ميليمتر.
اندازه بزرگ : ابعاد 90 ×90 ×180 ميليمتر، حجم سوراخ ها حدود 5/44 درصد، ضخامت جدار 5، 7 و 9 ميليمتر.
     شكل دهي با يك اكسترودر آزمايشگاهي مجهز به خلاء انجام شد. خشك كردن ابتدا به آرامي در دماي اتاق و سپس در محفظه خشك كن در دماي 5- يا +105 درجه سلسيوس انجام گرفت. از كوره هاي الكتريكي براي پخت استفاده شد. برنامه هاي پيش گرمكن براي هر پيمانه خاك رس مربوط تنظيم شد. به منظور ارزيابي رفتار شكل دهي و قابليت اكسترود كردن در اكسترودر مارپيچي با استفاده از يك قالب اكسترودر، آجر سوراخدار با ضخامت جدار كم مورد آزمايش قرار گرفت. 
 
1-2    شكل دهي
     فوم پلي استايرن فقط بايد قبل از اكسترودر به گل افزوده شود، زيرا چنانچه در مراحل آماده سازي قبلي اضافه شود، جدايش نامطلوب يا كاهش اندازه اتفاق خواهد افتاد. اين بدان معني است كه عمل آوري اوليه براي توزيع يكنواخت دانه هاي پلي استايرن در گل در مقايسه با مواد تخلخل زاي نسبتاً جامد كه مي توانند بدون مشكل سرتاسر فرآيند آماده سازي را طي كنند، چندان مناسب نيست. عامل ديگر اين است كه بدنه هاي رسي داراي مواد افزودني پلي استايرن نياز به اكسترود شدن در يك حالت نسبتاً خميري دارند، زيرا در غير اين صورت اثر تخلخل زايي مورد نياز به طور معكوس تحت تاثير تراكم پذيري دانه هاي پلي استايرن قرار مي گيرد. به عبارت ديگر، پايداري خشت به طور طبيعي در يك محدوده بسيار كوچك كاهش مي يابد. 
     در مورد فوم پلي استايرن نظر بر اين است كه حجم زياد ذرات فوم، حالت رواني بدنه رسي را طي شكل دهي در اكسترودر بهبود مي بخشد. اين الياف مشابه لجن كاغذ سازي ساختار خشت را تثبيت نموده و بنابراين پايداري آن را افزايش مي دهند.
 
1-3    خشك كردن
     مواد افزودني فوم پلي استايرن جمع شدگي خشك شدن را تنها به مقدار ناچيزي كاهش مي دهد، چون دانه هاي پلي استايرن بنابر تراكم پذيري زياد، به مقدار كمي مانع از فرآيند جمع شدگي مي شوند.همچنين يراي مقادير مواد افزودني از 5/0 تا 5/1 درصد وزني، در مقدار آب مورد نياز براي اختلاط هيچ تغيير محسوسي به وجود نمي آيد.
     مواد ضايعاتي سوختني كه با 20 درصد وزني مورد آزمايش قرار گرفت، جمع شدگي خشك كردن را بطور متوسط 2/1 درصد كاهش داد. با وجود اين، مقدار آب مورد نياز براي اختلاط به حدود 12 درصد وزني افزايش يافت كه به طور مشابه از نظر انرژي خشك كردن، عيب محسوب مي شود.
     خاكستر بادي كه در مقادير تا 30 درصد وزني مورد آزمايش قرار گرفت، جمع شدگي خشك شدن را به حداكثر 3/1 درصد كاهش و نياز به آب اختلاط را به حدود 8 درصد وزني افزايش داد .
 
1-4    خواص محصول
     قبلاً اشاره شد كه مواد افزودني آزمايش شده عمدتاً به منظور عمل به عنوان مواد تخلخل زا در بدنه سراميكي، به هدف كاهش چگالي بدنه و درنتيجه ضريب هدايت حرارتي استفاده شد. بنابراين بايد چگونگي بهينه سازي بدنه رسي مشخص مي شد تا با كاهش چگالي بدنه، افت مقاومت نسبتاً كمي ايجاد شود. بدين ترتيب، آجرهاي سبك مورد استفاده در بنايي، نه تنها عايق حرارتي بهتري مي شوند بلكه همچنان وظيفه باربري را انجام مي دهند]3[.
     اگر افزودني هاي محتمل براي تخلخل زايي بدنه سراميكي از اين ديدگاه مورد بررسي قرار گيرد، آنگاه مي توان دريافت كه اين مواد به 3 گروه تقسيم مي شود :
گروه اول ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌، شامل مواد سوختني مانند فوم پلي استايرن
گروه دوم، محصولات فرعي صنعتي حاوي مواد سوختني و مواد معدني، براي مثال : لجن كاغذ سازي
گروه سوم ، مواد معدني مانند سنگ آهك يا خاكسترها
     به طور كلي انتظار مي رود كه هنگام استفاده از مواد سوختني، مقدار كاهش در مقاومت به طور اساسي تحت تاثير شكل واندازه ذرات است و بنابراين تعيين و كنترل آن نسبتاً ساده مي باشد. برخلاف آن، شرايط به دست آمده با افزودني هاي معدني يا مواد حاوي اجزاي معدني پيچيده تر است، چون وجود آنها ممكن است به طور قابل ملاحظه اي دوره واكنش سينتر شدن را طي پخت تغيير دهد و نوع متفاوتي از خميره بدنه سراميكي به وجود آيد. از طرف ديگر، اين مواد امكان تاثير مثبت بر مقاومت ساختار بدنه سراميكي را فراهم مي سازد و بنابراين ممكن است به مقاومت بيشتري براي چگالي يكسان بدنه هاي سراميكي دست يافت]3[.
 
1-    ساختار فوم پلي استايرن و روش هاي توليد آن
پلي استايرن يك پليمر آلي است كه از پليمر كردن ملكول استايرن با سازوكارهاي مختلف پليمريزاسيون به دست مي آيد. اين پليمر علاوه بر شكل معمولي با چگالي زياد، با انجام شدن فرآيندهاي نسبتاً ساده روي آن، قابل تبديل به مواد اسفنجي با چگالي هاي بسيار كم است. پلي استايرن اسفنجي كاربردهاي بيشماري در صنايع مختلف، مانند بسته بندي، ظروف يكبار مصرف و مصالح ساختماني پيدا كرده است.
 
2-1 استايرن و روش هاي سنتز آن
     استايرن به نام هاي وينيل بنزن، فنيل اتيلن و سينامن نيز شناخته شده و داراي فرمول شيميايي C6H5CH:CH2 است. استايرن مايعي روغني، معطر و بيرنگ است. نقطه جوش آن 2/145 درجه سانتيگراد و وزن مخصوص آن در 25 درجه سانتيگراد 9045/0 گرم بر سانتيمتر مكعب مي باشد]5[.اين ماده در زمره پر مصرف ترين مواد شيميايي است به نحوي كه در 1996، توليد سالانه جهاني آن 18700 هزار تن بوده است. اين تركيب عمدتاُ از هيدروژن گيري از اتيل بنزن در 650- 550 سلسيوس به دست مي آيد]6 و 10[.
        در واقع استايرن نخستين بار از صمغ برخي درختان جداسازي و پس از آن مشاهده شد كه اين مولكول خودبخود به يك جامد صمغي شكل تبديل مي شود. در آن زمان، يعني سال 1840 كسي توجيه مناسبي براي اين مشاهدات نداشت خصوصاً آن كه تركيب درصدهاي شيميايي آن پس از جامد شدن تغييري نمي كرد. پس از كشف پديده پليمر شدن توسط هرمان اشتاودينگر درحدود يك قرن بعد، اين ماده پلي استايرن ناميده شد]6[.
 
 
2-2 فوم پلي استايرن 
     پلي استايرن انبساطي در واقع قبل از تبديل به شكل نهايي خود، داراي دو شكل است:
الف:ذرات و قطعات پلي استايرن يا تركيبات پلي استايرني حاوي چند درصد از يك عامل منبسط كننده مانند حلال هاي سبك آلي كه به نحوي به آن افزوده شده است (EPS).
ب: دانه هاي پلي استايرن توسط بخار به فوم تبديل مي شوند، درحاليكه در مورد دوم لازم است پليمر اكسترود يا تزريق شود. در اينجا روش هاي تهيه ذرات قابل تبديل به فوم و روش ها و دستگاه هاي تبديل اين ذرات به فوم تشريح شده است.
 
2-3 ساختار فوم پلي استايرن
     ساختار فوم پلي استايرن شامل سه جزء پليمر، عامل انبساط و مواد افزودني به شرح زير است :
پليمر : پلي استايرن علي رغم سادگي ساختمان شيميايي اش داراي شكل هاي متفاوت است وقابل كوپليمر شدن بامنومرهاي ديگر نيزهست. پلي استايرن به كار رفته در دانه هاي منبسط شونده معمولاً داراي وزن مولكولي بين 180 تا 270 هزار مي باشد. پلي استايرن خالص به سه حالت مي تواند باشد :
-    پلي استايرن آمورف يا آتاكتيك :اين نوع پليمرعمدتاً ازروش راديكالي بدست مي آيد و درآن ترتيب قرارگيري فضايي حلقه هاي فنيل روي زنجير نامنظم واتفاقي مي باشد.
-    پلي استايرن ايزوتاكتيك: اين نوع پلي استايرن از روش هاي پليمريزاسيون فضاويژه به دست مي آيد و در آن موقعيت فضايي تمامي حلقه هاي فنيل يكسان است.
-    پلي استايرن سينديوتاكتيك: اين پليمر نيز از روش هاي پليمريزاسيون فضاويژه به دست مي آيد و آرايس و جايگيري حلقه هاي فنيل روي زنجيره پليمر به صورت يك در ميان مي باشد. به دلايل متفاوت اقتصادي و فني، اين پليمردر توليد فوم به كار برده نشده است.
-    پلي استايرن اشعه ديده :  شبكه اي كردن پلي استايرن انبساطي با تشعشع هاي يونيزه كننده، دماي مجاز بهره برداري فوم را به وقدار زيادي افزايش مي دهد. براي مثال، فوم هاي پايدار تا 166 درجه سيلسيوس از اين طريق ساخته شده اند ]6[.
-    آميزه هاي پلي استايرن :  اگر پلي استايرن با درصد كمي از پليمرهاي ديگر مخلوط شود، فوم حاصل مي تواند داراي خواص جالب توجهي باشد. براي مثال، اختلاط 5% پلي اتيلن با 95% پلي استايرن انبساطي و اكسترود كردن مخلوط و فرو نشاندن ذرات اكسترود شده و قالبگيري، توليد فومي مي كند كه مقاومت زيادي در برابر حلال ها و عبور بخار آب دارد. در واقع يك پوشش پلي اتيلني روي فوم تشكيل مي شود.
-    كوپليمرهاي استايرني :  كوپليمرهاي استفاده شده به سه دسته تقسيم مي شوند : معمولي ( شبكه اي نشده )، شبكه اي شده و پس واكنش شده.
دسته اول : جايگزين كردن 20 تا 30% از منومراستايرن با اكريلونيتريل مقاومت خيلي زيادي در برابر بنزين و روغن هاي روان كنند، به فوم به دست آمده مي دهد.
دسته دوم : پلي استايرن اندكي شبكه اي شده توسط 01/0 تا 25/0% دي وينيل بنزن و منبسط شده با دي اكسيد كربن يا گازهاي ديگر، قابليت انبساط فوم را بالا برده و آن را در برابر فروپاشي در دماهاي زياد مقاوم مي سازد.
دسته سوم : دماي سرويس دهي پلي استايرن از طريق هيدروژنه كردن آن، قبل از تشكيل فوم به مقدار زياد افزايش مي يابد. آلكيله كردن پلي استايرن در حضور كاتاليزور مناسب آن را غيرقابل ذوب مي سازد. از اين طريق فوم به دست آمده در دماهاي زياد بسيار پايدار خواهد بود.
2-    جمع بندي تحقيقات انجام شده و ارزيابي اقتصادي
     چنانچه افزودني هاي قابل سوختن به مواد اوليه آجرپزي اضافه شود، حجم فضاهاي خالي را مي توان به طريق كنترل شده اي افزايش داد. با افزايش حجم فضاهاي خالي، وزن آجر كم مي شود.كاهش وزن آجر باعث كم شدن وزن ديوار و سقف مي گردد و درنتيجه از جرم ساختمان كاسته مي شود. با كاهش جرم ساختمان مقاومت آن در برابر زلزله زياد مي گردد. با رشد سريع و فزاينده شهرها كم كردن جرم ساختمانها اهميت بيشتري يافته است. زيرا بايد ساختمانهاي بلندتر بنا شود و لازم است كه از وزن ساختمان ها بويژه در طبقات بالاتر كاسته شود. علاوه بر اين، سبك سازي آجر خواص مشخصي ازجمله كاهش ضريب هدايت حرارتي و در نهايت صرفه جويي در مصرف انرژي پديد مي آورد. مزيت ديگر آجرهاي سبك كاهش وزن جابجايي و بنابراين هزينه هاي كمتر حمل و نقل است.
     يكي از موادي كه مي توان به عنوان افزودني تخلخل زا در آجرپزي مصرف نمود، فوم پلي استايرن است. فوم پلي استايرن را بايد درست در دهانه ورودي دستگاه اكسترودر به گل افزود، زيرا چنانچه در مراحل آماده سازي قبلي اضافه شود، جدايش نامطلوب يا كاهش اندازه دانه هاي فوم اتفاق خواهد افتاد. اين بدان معني است كه عمل آوري اوليه براي توزيع يكنواخت دانه هاي پلي استايرن در گل در مقايسه با مواد تخلخل زاي نسبتاً صلب كه مي توانند بدون مشكل سرتاسر فرآيند آماده سازي را طي كنند كمتر ميسر است. از طرف ديگر، بدنه هاي رسي داراي مواد افزودني پلي استايرن نياز به اكسترود شدن در يك حالت نسبتا خميري دارند، زيرا در غير اين صورت اثر تخلخل زايي مورد نياز به طور معكوس تحت تاثير تراكم پذيري دانه هاي پلي استايرن قرار مي گيرد.
   
4- نتيجه گيري
     يكي از موادي كه مي توان به عنوان افزودني تخلخل زا در آجرپزي مصرف نمود، فوم پلي استايرن است. اين ماده براي تخلخل زايي درشت مورد استفاده قرار مي گيرد. فوم پلي استايرن را بايد درست در دهانه ورودي دستگاه اكسترودر به گل افزود، زيرا چنانچه در مراحل آماده سازي قبلي اضافه شود، جدايش نامطلوب يا كاهش اندازه دانه هاي فوم اتفاق خواهد افتاد. براي توليد انبوه آجر بهتر است از سيستم ايجاد فوم در كارخانه آجر استفاده شود. خاك رس هاي پرمايه داراي ماسه نسبتا كم براي مخلوط كردن با پلي استايرن مناسب ترين خاك است، زيرا پلي استايرن يك ماده غير چسبنده بسيار موثر است. مشخص شده است كه مواد به كار رفته براي ايجاد تخلخل عموماً داراي تاثير مطلوبي در رفتار خشك شدن  بدنه هاي رسي است. فوم پلي استايرن، ساختار خشت را تثبيت نموده و بنابراين پايداري آن را افزايش مي دهد. براي توليد آجر سبك با استفاده ازفوم پلي استايرن ازهمان خشك كن ها وكوره هاي ساخت آجرهاي بنايي استاندارد استفاده ميشود. زمان خشك شدن با افزودن پلي استايرن معمولاً كوتاه مي گردد. فرآيند واقعي پخت تحت تاثير مقدار كم محتويات قابل احتراق قرار نمي گيرد، بنابراين اقدامات كنترلي خاصي نبايد انجام شود.
     با افزودن فوم پلي استايرن، كاهش مقاومت فشاري بايد به حدي باشد كه از حدود مجاز استاندارد كمتر نشود. اگر منظور توليد آجر نماست از نظر مقاومت نمي توان بيش از 5/1 درصد فوم پلي استايرن به خاك رس افزود، زيرا مقاومت از 100 كيلوگرم بر سانتيمتر مربع ( حداقل مجاز مقاومت فشاري براي آجرنما ) كمتر مي شود. افزودن حتي 2 درصد پليمر، مقاومت را در حدي نگاه داشته كه همچنان قابل مصرف به عنوان آجر معمولي مورد استفاده در ديوار باربر است، زيرا حداقل مجاز مقاومت براي آجر معمولي مصرفي در ديوار باربر 60 كيلوگرم بر سانتيمتر مربع است.
     سبك سازي آجر با 5/1 درصد فوم پلي استايرن، ضريب هدايت حرارتي را به يك سوم آجر معمولي رسانده است. بدين ترتيب كه ضريب هدايت حرارتي را به يك سوم آجر معمولي رسانده است. بدين ترتيب كه ضريب هدايت حرارتي آجر سبك با 5/1 درصد فوم پلي استايرن 36/0وات بر متر بركلوين به دست آمد، در حالي كه هدايت حرارتي آجر معمولي حدود 1 وات بر متر بر كلوين مي باشد.  و....