علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهنوزدهم، شماره دو، تابستان 96

استفاده از تحلیل سلسله مراتبی جهت ارزیابی محیط زیستی- فنی کاربرد پسماندهای ساختمانی و صنعتی در لایه­های روسازی راه

محمد دلنواز [1]^*

delnavaz@khu.ac.ir 

حسین حسن­پور انزابی [2]

حسین زنگویی²

چکیده

زمینه و هدف: مدیریت کارآمد پسماند و حفظ محیط زیست از جمله مسایل حایز اهمیت در سایر زمینه­های مهندسی از جمله راه­سازی محسوب می­شود. استفاده فراوان از مصالح طبیعی در ساخت و احیای راه­ها، صدمات جبران­ناپذیری به محیط طبیعی وارد می­آورد. از این­رو در این تحقیق استفاده از نخاله­های حاصل از گودبرداری و سرباره مازاد کارخانه فولاد جهت به­کارگیری در لایه­های روسازی راه مورد بررسی قرار گرفت.

روش بررسی: برای این منظور آزمایش­های حد روانی و خمیری، ارزش ماسه­ای، سایش لس­آنجلس، سلامت سنگ­دانه­ها، تراکم و [3]CBR انجام پذیرفته و با استفاده از تحلیل سلسله مراتبی (AHP)[4] میزان قابل اعتماد بودن این مصالح با درنظرگیری عوامل مختلف تعیین گردید.

یافته­ها: نخاله­های ساختمانی با CBR برابر 2/36 جهت استفاده در لایه زیراساس مناسب می­باشند. از طرفی سرباره­های فولادی ناشی از کوره قوس الکتریکی به دلیل نداشتن خاصیت چسبندگی به تنهایی قابلیت استفاده در لایه روسازی راه را نداشته و جهت برطرف کردن این مشکل به صورت ترکیبی با مصالح چسبنده مورد استفاده قرار می­گیرند.

بحث و نتیجه­گیری: نتایج نشان­دهنده مطلوب­بودن کاربرد نخاله­های ساختمانی و نمونه ترکیبی ساخته­شده با سرباره­های فولادی و نخاله جهت استفاده در راه­سازی با درنظرگیری عوامل مختلف موثر از جمله مسایل ­محیط زیستی می­باشد.

واژه­های کلیدی: مدیریت پسماند، سرباره فولادی، نخاله­های ساختمانی، روسازی راه، توسعه پایدار، تحلیل سلسله مراتبی(AHP).

Application of Analytical Hierarchy process (AHP) for environmentaland technical assessment of using industrial and construction debris in road pavement layers

Mohammad Delnavaz [5]*

delnavaz@khu.ac.ir

Hossein Hasanpour[6]

Hossein Zangooei²

Abstract

Background and Objective: The efficient waste management and the environmental protection are important issues in engineering field especially in road construction. Excessive consumption of natural materials for construction and rehabilitation of roads damages the natural environment severely. Therefore, in this research, the use of excavation debris and the steel slag in the road pavement evaluated.

Methods: for this purpose, the experiments consisted of plastic and liquid limit, sand equivalent (SE), Los Angeles abrasion, soundness of aggregate and CBR test were done and the reliability of the materials was determined by several factors using Analytical Hierarchy Process (AHP).

Findings: The result of CBR test on debris was obtained 36.2 that indicated the quality of this debris for sub-base layer. On the other hand, the steel slag arising from electric arc furnace cannot be used alone in the pavement layer of road because of lack of adhesion properties and therefore the steel slag was mixed with adhesive materials.

Discussion and Conclusion: The results showed proper quality of construction debris and steel slag in road pavement by considering different factors especially environmental issues.

Keywords: Waste management, steel slag, construction debris, road pavement, Sustainable Development, Analytical Hierarchy Process (AHP)

مقدمه

همواره فعالیت­های انسانی باعث بروز آسیب­های جدی و بعضاً جبران­ناپذیر بر محیط زیست می­گردد. از آن جمله می­توان به بروز سیلاب­های مخرب در اثر افزایش برداشت مصالح سنگی از بستر رودخانه­ها جهت استفاده در فعالیت­های عمرانی و ساختمانی اشاره نمود. هم­چنین دفع پسماندهای ساختمانی و عمرانی در کنار و یا بستر رودخانه­ها باعث ورود مواد مضر موجود در این پسماندها به چرخه آب­های سطحی و زیرزمینی شده است. از طرف دیگر بهره­برداری بیش از حد از منابع طبیعی جهت ساخت راه­ها، تولید بتن، آجر و سایر مصالح ساختمانی، کمبود مصالح طبیعی را نیز در پی داشته است.

استفاده از ضایعات صنعتی ایجاد شده طی فرآیندهای صنعتی از جهات گوناگون حایز اهمیت است. کمک به حفظ و نگه­داری منابع طبیعی غیرقابل جایگزین، کاهش آلودگی­های زیست محیطی و بازیابی انرژی­های صرف شده در طی تولید این ضایعات از جمله این موارد است (1). تاریخچه استفاده از سرباره در زمینه­های مختلف به بیش از 2000 سال بر می­گردد. هم­چنین طبق شواهد به­دست آمده در روم باستان از مصالح دانه­ای سرباره برای عملیات راه­سازی استفاده می­شده است (2). انجمن ملی سرباره[7]از ابتدای تاسیس یعنی در سال 1988 فعالیت­های تحقیقی خود را بر روی گسترش استفاده نوآورانه از سرباره متمرکز نموده است. امروزه از سرباره در بیشتر صنایع هم­چون راه­سازی، سیمان، بلوک­های ساختمانی سبک، بتن­های ساختمانی، بتن­های آسفالتی و صنایع شیشه­سازی و تصفیه فلزات سنگین از فاضلاب استفاده می­گردد (2). موتز و گیسلر[8] (2001) نشان دادند که میزان انبساط حجمی سرباره فولاد برای استفاده در بتن آسفالتی و اساس دانه­ای به ترتیب نباید از 2 و 5 درصد بیشتر باشد. مزایای استفاده از سرباره فولادی به عنوان اساس شامل سطح زبر سرباره فولادی به سبب تخلخل زیاد آن و قابلیت زه­کشی آن نسبت به مصالح متعارف می­باشد (3). نتایج تحقیقی در سال 2007 نشان داد که سرباره در صورتی که به خوبی انتخاب شده و آزمایش گردد می­تواند به عنوان مصالح بسیار مرغوبی برای ساختاساس و زیراساس مورد استفاده قرار گیرد (4). آمری و بهنود[9] (2012) به این نتیجه رسیدند که برای بار یکسان، ضخامت طراحی شده لایه اساس و زیراساس باسرباره فولادی کمتر از سنگ­دانه معمولی خواهد شد. آن­ها نشان دادند که ازسرباره­های فولادی به دلیل داشتن وزن مخصوص بالا و سختی زیاد می­توان در راه­سازی استفاده نمود (5). تحقیقات نادری در سال 1388 نشان داد که اضافه کردن سرباره دانه­ای کوره بلند ذوب آهن اصفهان (GGBS) به خاک باعث کاهش تورم و افزایش مقاومت خاک می‌شود. هم­چنین با افزایش درصد رطوبت نمونه­ها، از تورم آن­ها کاسته می­شود )6(. به­هایری[10] (2013) جهت افزایش مقاومت و مشخصات مکانیکی سنگ آهک خردشده در لایه زیراساس از سرباره فولادی ناشی از کوره قوس الکتریکی استفاده نمود. او ثابت کرد که به­کارگیری این سرباره­ها باعث افزایش مشخصات مکانیکی مصالح مورد نظر می‌گردد (7). ناگاتاک و همکاران[11] (2004) ثابت کردند که یکی از روش­های افزایش کیفیت مصالح بازیافتی ترکیب آن­ها با مصالح مرغوب­تر می­باشد (8). بلوری­بزاز و زنجانی (1389) با استفاده از نتایج آزمایش  CBR بر روی مصالح ترکیبی بازیافتی و مصالح مرغوب نشان دادند با افزودن حتی 25% مصالح  مرغوب، می­توان CBR حالت ترکیبی را به مقدار چشم­گیری افزایش داد (9). یکی دیگر از روش­های افزایش کیفیت مصالح بازیافتی، تثیبت این مصالح با مواد افزودنی مانند قیر، سیمان یا آهک است. در بسیاری از مناطق که کمبود مصالح مرغوب وجود داشته و یا تهیه آن هزینه ­بر است، با استفاده از ماشین­آلات ویژه راه­سازی و بهره­گیری از سیمان و قیر امولسیون، ظرفیت باربری لایه تثبیت شده، تا دو برابر افزایش یافته و نیز سرعت عملیات به گونه­ای محسوس هزینه­ها را کاهش می­دهد (10). طی مطالعه­ای ناتات­مادجا و تان[12] (2000) نشان دادند که با توجه به ماهیت آجر و بتن بازیافتی دانه­بندی شده که دانه­ای و فاقد مصالح ریزدانه چسبنده هستند، سیمان یکی از مناسب­ترین مواد افزودنی به نظر می­رسد (11). لایت و همکاران[13] در سال 2011 بر روی رفتار مکانیکی نخاله­های حاصل از ساخت و ساز آزمایشاتی انجام داده و به این نتیجه رسیدند که برای بالا بردن خواص چسبندگی این مصالح، سیمان باعث بهبود عملکرد چسبندگی این مصالح می­شود (12). بنرت و همکاران[14] (2000) با انجام تحقیقات بر روی بتن بازیافتی جهت استفاده این مواد در لایه اساس و زیراساس راه ثابت کردند که ترکیبی از %25 بتن­های بازیافتی و %75 درصد مصالح طبیعی، مشخصات لازم برای استفاده از این ترکیب در لایه اساس دانه­ای را دارا می­باشد (13).

در این تحقیق سعی شده با توجه به مسایل زیست­محیطی دفع نخاله­های حاصل از گودبرداری و سرباره­های کارخانه فولاد در طبیعت و نیز استخراج بیش از حد مصالح طبیعی، با انجام آزمایشات تعیین شده توسط آیین­نامه روسازی بر روی نمونه­های نخاله، سرباره و حالت ترکیبی این دو و مقایسه نتایج حاصل با استانداردهای راه­سازی، امکان استفاده از این مصالح در لایه­های اساس و زیراساس راه مورد بررسی قرار گیرد. سپس با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی ([15]AHP) و با درنظرگیری معیار­های زیست­محیطی، فنی، ارزانی و دسترسی، فواید زیست­محیطی- اقتصادی کاربرد این مصالح در راه­سازی ارزیابی گردد. مقایسه کاربرد نخاله­های ساختمانی و سرباره­های کارخانه فولاد به­صورت مجزا و ترکیبی به عنوان مصالح جدید و کاربردی جهت استفاده در لایه­های روسازی راه و کاربرد تحلیل سلسله مراتبی به عنوان یک  روش­  تصمیم­گیری چندمعیاره از نوآوری­های پژوهشی حاضر می­باشد.

روش­ بررسی

جهت بررسی قابلیت استفاده مجدد از پسماندهای ساختمانی و صنعتی در لایه­های راه ابتدا باید وضعیت فنی این مصالح با توجه به استانداردهای راه­سازی را بررسی نمود. برای این منظور در این تحقیق از نخاله­های حاصل از گودبرداری و تونل‌کنی شمال و مرکز تهران که در منطقه مشخصی از گود آب­علی انباشته می­شوند و نیز سرباره­های فولادی حاصل از کوره قوس الکتریکی ([16]EAF) فولاد مبارکه اصفهان استفاده گردیده است. در صنایع ذوب­آهن، سنگ معدن، سنگ آهک و کک به کوره ذوب­آهن وارد می­شوند. کک سوزانده شده و منواکسید کربن تولید می­کند که موجب تبدیل سنگ­آهن به آهن گداخته می­شود. آهن گداخته با قالب­ریزی تبدیل به محصولات فولادی می­گردد. سرباره محصول فرعی غیرفلزی در این فرآیند است که مواد تشکیل دهنده آن عبارتند از سیلیکا، آلومیناسیلیکا و کلسیم­سیلیکا (14). شکل‌های (1 و 2) نمونه مصالح مورد استفاده در این پژوهش را نشان می­دهد. علاوه بر دو نوع مصالح ذکرشده، یک نمونه به­صورت ترکیبی از نخاله­ و سرباره­های کارخانه فولاد نیز مورد بررسی قرار گرفت. در قسمت درشت­دانه این نمونه از سرباره‌های فولادی که مقاومت بیشتری نسبت به نخاله­ دارند و در قسمت ریزدانه از نخاله­های حاصل از گودبرداری جهت احراز شرایط یکپارچگی و چسبندگی سرباره استفاده گردید.

شکل 1- نمونه نخاله استفاده شده در تحقیق

Figure1. The debris samples used in the research

شکل 2- سرباره­های فولادی استفاده شده

Figure2. The steel slag samples used in the research

ارزیابی فنی مصالح

جهت ارزیابی فنی مصالح مورد بررسی، با توجه به استانداردهای مورد نیاز مصالح مورد استفاده در لایه­های اساس و زیراساس راه، آزمایش­های حد روانی و خمیری، ارزش ماسه­ای، افت وزنی در برابر ضربه و سایش (لس­آنجلس)، تراکم و CBR انجام پذیرفت. تمامی آزمایش­ها به جز آزمایش­های تراکم و CBR بر روی هر سه نوع مصالح تهیه­شده شامل نخاله‌های حاصل از گودبرداری، سرباره­های کارخانه فولاد و مصالح ترکیبی ساخته­شده، صورت گرفته است. آزمایش­های تراکم و CBR تنها بر روی نخاله­های حاصل از گودبرداری و مصالح ترکیبی انجام گردید.

آزمایش ارزش ماسه­ای

آزمایش ارزش ماسه­ای نسبت ماسه به ریز­دانه­ها )سیلت و رس) را در خاک تعیین می­نماید. این پارامتر عاملی مهمی در عملیات خاکی و ساختمانی، زیرسازی راه­ها، سدسازی و نیز ساخت بتن محسوب می­شود. در آسفالت درصد بالای ریزدانه موجب مصرف بیش­تر نیرو و در نتیجه سست­شدن و وارفتن آسفالت زیر بارهای وارده می­گردد. اصول آزمایش ارزش  ماسه­ای به این ترتیب است که مقداری از نمونه مورد­نظر در استوانه مدرجی ریخته و به آن آب و مواد منعقدکننده اضافه می­گردد. ماده منعقدکننده باعث می­گردد که ذرات رس در محلول منعقد شده و معلق بمانند. پس از مدت معینی ارتفاع درشت­دانه­ها که ته­نشین شده­اند و ارتفاع تمام خاک در استوانه مدرج اندازه­گیری می­شود. نسبت این دو ارتفاع ­ارز­ش ماسه­ای نامیده می­شود (15). این آزمایش با توجه به اهمیت نوع دانه­بندی، نفوذ­پذیری، جذب آب، تورم و نشست در راه­سازی، کاربرد فراوانی دارد.

آزمایش افت وزنی در برابر ضربه و سایش

آزمایش لس­آنجلس به طور وسیعی برای تشخیص کیفیت نسبی و قابلیت مصالح سنگی در برابر ضربه و سایش به کار برده می­شود. ماشین لس­آنجلس یک استوانه فولادی دوار است که در آن تعداد مشخصی گلوله فولادی ریخته شده است. تعداد گلوله­ها به دانه­بندی نمونه مورد آزمایش بستگی دارد. هنگامی که استوانه می­چرخد، یک پره‏، نمونه و گلوله­ ها را با خود به بالا می­برد و از آن­جا آن­ها را به طرف مقابل استوانه می­ریزد. به این ترتیب اثر ضربه و لهیدگی ایجاد می­گردد. سپس محتوای استوانه ضمن ساییده­ شدن در داخل آن حرکت کرده تا بار دیگر  به پره برخورد نموده و این چرخه تکرار گردد. بعد از چرخیدن استوانه به تعداد دورهای مشخص محتوای آن خارج شده و مصالح سنگی از الک عبور داده می­شود تا درصدی که به صورت خاکه در آمده است، مشخص گردد (16).

آزمایش تراکم

تراکم عبارتست از کاهش حجم خاک در اثر خارج ساختن هوا با استفاده از اعمال نیرو، در حالت وجود نیرو اصطکاک بین ذره­ها بیشتر شده و وزن واحد آن افزایش می­یابد. تراکم به منظور افزایش مقاومت نیروی برشی و کاهش نفوذپذیری صورت می­پذیرد. نوع خاک، انرژی، رطوبت و دانه­بندی مصالح عوامل موثر در نحوه تراکم آن مصالح می­باشند.

آزمایش  CBR

نتایج آزمایش CBR معیاری برای تعیین ظرفیت باربری مصالح در راه­سازی است. این آزمون در واقع جهت سنجش مقاومت مصالح کوچک تر از 19 میلی­متر در برابر بارهای وارده کاربرد دارد. در این آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا که به CBR موسوم است به عنوان معیاری از مقاومت خاک مورد آزمایش در مقایسه با یک مصالح استاندارد به­دست می­آید. طبق تعریف CBR یک خاک، نسبت نیروی لازم برای فروبردن پیستونی به شکل، عمق و با سرعت مشخص در خاک مورد نظر به نیروی مورد نیاز برای فرو بردن همان پیستون در مصالح استاندارد می­باشد.

آزمایش CBR معمولاً روی نمونه­هایی انجام می­شود که با درصد رطوبت بهینه متراکم شده باشند. تراکم خاک در استــاندارد ASTM به دو روش آزمایش تراکم استـانـدارد (D 698) و آزمـایش تراکم اصـلاح شده (D 1557) انجـام می­شود (17).

ارزیابی زیست­محیطی اقتصادی با استفاده از تحلیل سلسله مراتبی (AHP)

در علم تصمیم‌گیری که در آن انتخاب یک راهکار از بین راهکارهای موجود و یا اولویت‌بندی راهکارها مطرح است،‌ چند سالی است که روش­های تصمیم­گیری با شاخص‌های چندگانه «[17]MADM» جای خود را باز کرده‌اند. از این میان روش تحلیل سلسله مراتبی بیش از سایر روش­ها مورد استفاده قرار گرفته است. فرآیند تحلیل سلسله مراتبی یکی از معروف­ترین فنون تصمیم­گیری چند منظوره است که اولین بار توسط توماس ساعتی[18] در دهه 1970 ابداع گردید (18). فرآیند تحلیل سلسله­مراتبی منعکس­کننده رفتار طبیعی و تفکر انسانی است. این روش، مسایل پیچیده را بر اساس آثار متقابل آن­ها مورد بررسی قرار داده، آن­ها را به شکلی ساده تبدیل کرده و به حل آن می‌پردازد (19).

معیارهای مطرح شده می‌توانند کمی و یا کیفی باشند. اساس این روش تصمیم­گیری بر مقایسات زوجی پایه نهاده شده است. با فراهم­آوردن درخت سلسله­مراتبی تصمیم آغاز می‌شود. درخت سلسله مراتب تصمیم، عوامل مورد مقایسه و گزینه‌های رقیب مورد ارزیابی در تصمیم را نشان داده و یک سری مقایسات زوجی انجام می‌دهد. این مقایسات وزن هر یک از عوامل را در راستای گزینه‌های رقیب مورد ارزیابی در تصمیم نشان می‌دهد. در نهایت منطق فرآیند تحلیل سلسل­ مراتبی به گونه‌ای ماتریس­های حاصل از مقایسات زوجی را با یک­دیگر تلفیق ساخته تا تصمیم بهینه حاصل گردد (20).

 پس از ایجاد ساختار سلسله مراتبی اولویت عناصر در هر سطح تعیین می­شود. مفاهیم مقیاس اندازه­گیری در جدول (1) ارایه شده است. این مقایسه­ها ماتریسی تشکیل می­دهند که درایه­های آن از مقایسه عنصر هر سطر با عناصر ستون­ها به­دست می­آید. به عنوان مثال درایه a₁₂ نشان­دهنده اهمیت عنصر اول نسبت به عنصر دوم است (21). یکی از مزیت­های فرآیند تحلیل سلسله مراتبی امکان بررسی سازگاری در قضاوت­های انجام شده برای تعیین ضریب اهمیت معیارها و زیرمعیارهاست، به عبارت دیگر تعیین این که در تشکیل ماتریس مقایسه دودویی معیارها، چه­قدر سازگاری در قضاوت­ها رعایت شده است. وقتی اهمیت معیارها نسبت به یک­دیگر برآورد می­شود، احتمال ناهماهنگی در قضاوت­ها وجود دارد. پس باید شاخصی را یافت که میزان ناهماهنگی داوری­ها را نمایان سازد (22). مکانیزمی که ساعتی برای بررسی ناسازگاری در قضاوت­ها در نظر گرفته است، محاسبه ضریبی به نام ضریب ناسازگاری (IR[19]) است (23). چنان­چه مقدار این ضریب کوچک تر یا مساوی 1/0 باشد، سازگاری در  قضاوت­ها مورد قبول است، در غیر این­صورت باید در قضاوت­ها تجدید نظر شود (20).

از میان نرم­افزارهای مورد استفاده در فرآیند تحلیل سلسله مراتبی می­توان به نرم افزار Expert choice اشاره نمود. این نرم­افزار با دریافت داده­های کیفی مانند آن­چه در جدول (1) مشاهده می­شود و تجزیه و تحلیل سلسله مراتبی بر روی   آن­ها، بهترین گزینه را مشخص می­نماید. نحوه کار با نرم­افزار به این صورت است که ابتدا هدف از تحلیل را برای نرم­افزار در قسمت مشخص شده تعریف نموده و سپس معیارهای تصمیم­گیری که در تحقیق حاضر مسایل زیست محیطی، میزان دسترسی، ارزان بودن و مسایل فنی می­باشد، مشخص می­گردد. قدم بعدی مقایسه زوجی این معیارهاست. در این نرم­افزار سه نوع مقایسه وجود دارد: 1- اهمیت 2- ارجحیت و به صورت عددی و 3- درست­نمایی. در این­جا از مقایسه ارجحیت و به صورت عددی استفاده شده است. در این روش پنجره­هایی برای مقایسه زوجی معیارهای مختلف با استفاده از جداول تکمیل شده توسط کارشناسان و بهره­برداران، تکمیل گردید. با اتمام ساخت مدل، به نتایج دلخواه به صورت گرافیکی و هم­چنین وزن و ترتیب اهمیت هر یک از معیارها دست خواهیم یافت.

جدول 1- مقیاس Saaty برای اهمیت­های نسبی جداول (23)

Table1. Saaty scale for relative importance of Parameters

یافته­ها

ارزیابی فنی مصالح

دانه­بندی

دانه­بندی مصالح مورد استفاده در لایه­های راه­سازی باید دارای پیوستگی باشد. علت این امر جلوگیری از نفوذ مواد ریزدانه خاک به بستر راه است. برای این منظور در این مطالعه نخاله­های ساختمانی و مصالح ترکیبی به­صورت دستی دانه­بندی گردید. شکل (3) الک­های مورد استفاده جهت دانه­بندی این مصالح را نشان می­دهد.

نخاله­های حاصل از گودبرداری

شکل (4) نمودار دانه­بندی نخاله­های حاصل از گودبرداری، برای لایه اساس و زیراساس را طبق دستور نشریه 234 آیین­نامه روسازی آسفالتی راه­های ایران نشان می­دهد (24). این دانه­بندی به­صورت دستی در آزمایشگاه به­نحوی که نمونه تهیه­شده در محدوده­های 5 اساس و 5 زیراساس قرارگیرد، آماده شده است.

شکل 4-  نمودار دانه­بندی نخاله برای لایه اساس و زیر اساس

Figure4. Grading of debris for base and subbase layers

مصالح ترکیبی

در دانه­بندی حالت ترکیبی، جهت استفاده در لایه اساس و زیر­اساس راه در قسمت درشت­دانه از سرباره­های کارخانه فولاد (قسمت درشت­دانه سرباره که الک نمره 4 تا الک 1 اینچ را شامل می­شود) که مقاومت بیشتری نسبت به نخاله­های حاصل از گودبرداری دارد، استفاده شد. برای قسمت ریزدانه مصالح ترکیبی نیز از مصالح نخاله عبوری از الک نمره 4 جهت احراز شرایط چسبندگی و یکپارچگی نمونه استفاده گردید. شکل (5) نمودار دانه­بندی نمونه در حالت ترکیبی نخاله و سرباره ساخته­شده در این تحقیق جهت استفاده در لایه اساس و زیراساس راه را نشان می­دهد. براساس آیین­نامه روسازی آسفالتی راه­های ایران این نمونه در محدوده 5 اساس و 2 زیراساس قرار ­می­گیرد.

شکل 5- نمودار دانه­بندی نمونه ترکیبی برای لایه اساس و زیر اساس

Figure5. Grading of mixed materials for base and subbase layers

حدود اتربرگ

این آزمایش بر روی بخش مصالح ریزدانه رد شده از الک نمره 40 طبق استاندارد ASTM D 4318 انجام گرفت (25). آزمون انجام شده بر روی نخاله مورد بررسی نشان داد که این مصالح خاصیت خمیری ندارد. دلیل این امر کم بودن میزان رس موجود در بخش ریزدانه این مصالح می­باشد. با توجه به مقادیر حد روانی و نشانه خمیری (مندرج در آیین­نامه روسازی آسفالتی ایران) که به ترتیب نباید از 25 و 6 درصد افزون گردد، این مقادیر در محدوده مجاز قرار دارند.

دوام مصالح

دوام مصالح مورد استفاده در راه­سازی در برابر شرایط محیطی از مهم­ترین پارامترهای ارزیابی مصالح می­باشد. در این تحقیق نیز اثرات جبران ناپذیر شرایط نامساعد جوی چون یخ­بندان و حملات شیمیایی بر ساختار مصالح طبق استانداردASTM C88  ارزیابی گردید. آزمایش دوام بر روی مصالح دانه­ای به­صورت قرارگیری در معرض 5 سیکل متوالی در محلول اشباع سولفات منیزیم به مدت 18 ساعت و سپس خشک­کردن مصالح در گرم­خانه، انجام ­پذیرفت. در انتهای 5 سیکل، افت وزنی به صورت مجزا برای مصالح ریزدانه و درشت­دانه محاسبه گردید. نتایج آزمایش دوام بر روی مصالح ریزدانه و درشت­دانه نخاله به ترتیب 7/3 و 9/6 و برای مصالح ریزدانه و درشت­دانه سرباره به ترتیب 31/0 و 48/0 به­دست آمد. آیین نامه راه­سازی آسفالتی ایران حداقل افت وزنی برای مصالح ریزدانه و درشت­دانه در لایه اساس و زیراساس را 12 تعیین کرده است.

ارزش ماسه­ای

نسبت ماسه به ریزدانه­ها (سیلت و رس) از عوامل موثر در تعیین کیفیت خاک محسوب می­گردد. بالابودن این نسبت در خاک باعث پایین آمدن درصد آب بهینه و رسیدن سریع­تر خاک به حداکثر تراکم در زیرسازی راه­ها می­شود. با توجه به آزمایش­ ارزش ماسه­ای مطابق استاندارد  ASTM D2419مقدار میانگین 5/28 به عنوان ارزش ماسه­ای نخاله حاصل از گودبرداری مورد استفاده در این تحقیق به­دست آمد. پایین بودن این پارامتر به­دلیل شسته­نشدن نمونه قبل از انجام آزمایش می­باشد. مقدار ارزش ماسه­ای پس از مقداری شسته­شدن نمونه روی الک به 91 تغییر یافت. حداقل ارزش ماسه­ای تعیین شده برای لایه اساس و زیراساس طبق آیین نامه راه­سازی آسفالتی ایران به ترتیب 30 و 40 می­باشد. شکل (6) نحوه قرائت عدد خاک و ماسه در آزمایش ارزش ماسه­ای را نشان می­دهد.

شکل 6- نحوه قرائت عدد خاک و ماسه در آزمایش ارزش ماسه­ای

Figure6. The procedure of sand equivalent (SE) test

افتدربرابرضربهوسایش

ارزیابی مقاومت سنگ­دانه­ها در مقابل سایش، ضربه و خردشدگی توسط آزمایش لس آنجلس طبق استاندارد      ASTCM C 525 انجام گردید. برای این منظور مقدار 5/2 کیلوگرم از مصالح به­جای مانده بر روی الک 2/1 و به همین میزان از مصالح به­جای مانده بر روی الک 8/3 توزین و داخل دستگاه لس­آنجلس ریخته شد. دستگاه روی تعداد دور 500 با سرعت 33 دور در ثانیه تنظیم گردید. سپس مصالح از الک نمره 12 عبورداده شده و وزن عبوری مصالح محاسبه گردید. افت وزنی برای نخاله 23 و برای سرباره 17 درصد به­دست آمد. سرباره به دلیل داشتن سنگ­دانه­های مقاوم­تر سایش کمتری نسبت به نخاله­ دارد. آیین نامه روسازی آسفالتی ایران حداکثر میزان سایش استاندارد برای مصالح اساس را 45 و زیر اساس را 50 تعریف کرده که مصالح مورد بررسی این شرایط را احراز می­نمایند.

تراکم

تراکم مصالح که بیان­گر کاهش فضای خالی بین دانه­هاست بهعوامل زیادی نظیر میزان رطوبت، وزن غلتک و میزان عبور آنوابسته است. میزان تراکم عملاً به نوع ترافیکبستگی دارد. به این منظور آزمایش تراکم براساس روش اصلاح شده Dدر شرایط ترافیک سنگین، تعداد 5 لایه و هر لایه 56 ضرب و مطابق استاندارد ASTM D1557 انجام پذیرفت.این آزمایش سه­بار و با 3 درصد رطوبت مختلف بر روی نخاله و مصالح ترکیبی (نخاله و سرباره) انجام شده و میزان رطوبت بهینه و وزن مخصوص بیشینه محاسبه گردید. شکل (7) نمودار تراکم نخاله و نمونه ترکیبی را نمایش می­دهد. پس از برازش خط توسط سه نقطه و به­دست آوردن معادله آن، برای نمونه نخاله رطوبت بهینه 6/5 درصد و وزن مخصوص حداکثر   207/2 و برای نمونه ترکیبی رطوبت بهینه 4/5 و وزن مخصوص حداکثر  513/2 حاصل شد.

شکل 7- نمودار تراکم الف) نخاله، ب) حالت ترکیبی

Figure7. The compaction graph a) Debris, b) mixed materials

آزمایش CBR

در این تحقیق پس از به­دست آوردن رطوبت بهینه برای تراکم صددرصد آزمایشگاهی، آزمایش CBR بر روی مصالح متراکم شده طبق استاندارد ASTM D 4429 انجام پذیرفت. عدد CBR برای نمونه نخاله در این تحقیق برابر 2/36 به­دست آمد. بنابراین این مصالح براساس استاندارد موسسه آسفالت آمریکا در رده «خوب» برای استفاده در لایه­های اساس و زیر اساس می­باشد. هم­چنین نتیجه این آزمایش برای حالت ترکیبی 4/50 حاصل شد که در رده «عالی» برای استفاده در لایه اساس قرار می­گیرد. مصالح طبیعی CBR بالاتری نسبت به مصالح مورد بررسی دارند. بنرت و همکاران در سال 2000 به این نتیجه رسیدند که ترکیبی از 25% بتن بازیافتی و %75 مصالح طبیعی مشخصات لازم برای استفاده در لایه اساس دانه­ای را دارا می­باشد. شکل­های (8 و 9) نمودار حاصل از آزمایش CBR بر روی نمونه نخاله و نمونه ترکیبی و نحوه تعیین عدد CBR را نمایش می­دهند. در این منحنی­ها مقادیر فشار روی محور عمودی و نفوذ روی محور افقی رسم می‌گردد. تنش نفوذی برحسب مگاپاسکال محاسبه شده است. در برخی از حالت­ها به علت ناهمواری رویه­ی آزمونه بخش آغازین منحنی تنش - نفوذ کاو به سوی بالا ایجاد می­گردد. در چنین مواقعی نقطه­ی صفر چنان چه در  شکل­های (8 و 9) نشان داده شده است، اصلاح می­گردد (17).

شکل 8- نمودار حاصل از آزمایش CBR بر روی نمونه نخاله

Figure8. The CBR test on samples of debris

شکل 9- نمودار حاصل از آزمایش CBR بر روی نمونه ترکیبی

Figure9. The CBR test on mixed materials

در این تحقیق ارزیابی فنی کاربرد پسماندهای ساختمانی و صنعتی در راه­سازی براساس آزمایش­های انجام­شده تعیین گردید. جدول (2) مقایسه نتایج این تحقیق بر روی نخاله­های حاصل از گودبرداری شهر تهران و سرباره­های کارخانه فولاد اصفهان را با استانداردهای راه­سازی نشان می­دهد.

جدول 2- مقایسه نتایج این تحقیق با مقادیر استاندارد

Table2. Comparision between the results of this research and standard values

ارزیابی زیست­محیطی- اقتصادی و انتخاب مصالح بهینه با استفاده از تحلیل سلسله مراتبی

در این تحقیق جهت شناسایی میزان قابل اعتمادبودن هر یک از مصالح از تکنیک تحلیل سلسله­مراتبی استفاده شده است. اساس کار این روش بر استفاده از نظر کارشناسان در مسایل کیفی و نتایج آزمایش­ها در مسایل کمی استوار است. در   این­جا با لحاظ نمودن مهم­ترین عوامل از جمله پارامترهای زیست­محیطی، فنی، دسترسی و ارزانی و استفاده از نرم­افزار Expert choice که یک نرم افزار تخصصی در این زمینه است، این تحلیل صورت پذیرفته است. بدین صورت که میزان اهمیت هر یک از عوامل ذکر شده نسبت به یک­دیگر با نظر کارشناسان اخذ و با امتیازدهی مرتبط، اطلاعات ورودی به  نرم­افزار داده شد. پرسش­نامه­های تدوین ­شده توسط پنج نفر از کارشناسان اداره مدیریت پسماند و شرکت ریوا تحقیق که یک شرکت تخصصی در زمینه سرباره است تکمیل گردید. از این نظرات میانگین­گیری شده و به اعدادی نزدیک با ناسازگاری کمتر گرد شدند. شکل (10) میزان اهمیت عوامل مختلف موثر در انتخاب مصالح مناسب در راه­سازی را با نظر کارشناسان مربوطه نشان می­دهد. پس از آن با تعیین امتیاز هر کدام از مصالح مورد استفاده در این تحقیق نسبت به عوامل مختلف زیست­محیطی، مسایل فنی، ارزانی و میزان دسترسی اطلاعات ورودی به نرم­افزارتکمیل می­گردد. امتیاز مسایل فنی با توجه به نتایج آزمایش­ها، مسایل زیست­محیطی با نظر مستقیم کارشناسان و میزان دسترسی و قیمت مصالح براساس نظر کارشناسان با درنظرگیری وضعیت بازار مصالح تعیین می­شوند.

شکل 10- میزان اهمیت عوامل موثر در مصالح بهینه با نظر کارشناسان

Figure10. The importance of factors affecting the optimal materials according to experts

شکل (11) برتری و ضعف مصالح مورد­نظر در معیارهای مختلف را نسبت به هم­دیگر که خلاصه­ای از اطلاعات برگرفته از پرسش­نامه­ها و ورودی به نرم­افزار می­باشد، نشان می­دهد. به عنوان مثال در این نمودار رنگ آبی نشان­دهنده وضعیت مصالح طبیعی می­باشد. همان­گونه که ملاحظه می­شود مصالح طبیعی از نظر ویژگی­های فنی جایگاه بسیار خوب و از نظر دسترسی وضعیت مطلوبی داشته، درحالی­که از نقطه­نظر مسایل زیست­محیطی و میزان قیمت امتیاز پایینی را کسب کرده است. نرم­افزار Expert choice قابلیت بیان اطلاعات با نمایش­های گرافیکی مختلفی را دارا می­باشد. یکی از این نمایش­ها، پنجره مقایسه دودویی مصالح مختلف با یک­دیگر نسبت به یکی از عوامل تاثیرگذار در تصمیم­گیری می­باشد.

شکل 11- برتری و ضعف مصالح مورد­نظر در معیارهای مختلف نسبت به هم­دیگر

Figure11. The advantages and disadvantages of the different materials according to various criteria

در انتها شکل (12) پنجره آنالیز نهایی مصالح را نشان می­دهد. عدد ناسازگاری برابر 04/0 بوده که نمایان­گر منطقی­ بودن داده­های ورودی به نرم­افزار می­باشد. با توجه به این شکل، با درنظرگیری تمامی پارامترهای تاثیرگذار در انتخاب مصالح مناسب در راه­سازی از جمله مسایل زیست­محیطی، مشخصات فنی، ارزانی مصالح و نحوه دسترسی و با اعمال میزان اهمیت هر یک از این پارامترها، مصالح طبیعی با وزن 334/0 و نخاله­های حاصل  از گودبرداری با وزن 330/0 مناسب­ترین مصالح در راه­سازی انتخاب می­گردند. نزدیک بودن وزن خروجی نرم­افزار Expert choice برای نخاله­های حاصل از گودبرداری و نیز مصالح ترکیبی ساخته­شده از نخاله و سرباره فولادی، نشان­دهنده مناسب بودن این مصالح جهت استفاده در راه­سازی با درنظرگیری تمامی عوامل ذکرشده می­باشد.

شکل 12- پنجره آنالیز نهایی مصالح

Figure12. The final analysis graph of materials

بحث و نتیجه­گیری

در این تحقیق سعی گردید استفاده از پسماندهای ساختمانی و صنعتی در لایه­های مختلف راه با توجه به استانداردهای موجود راه­سازی و هم­چنین نظر کارشناسان و مسایل زیست­محیطی امکان­سنجی گردد. برای این منظور ابتدا با انجام آزمایش­های مورد نیاز بر روی سه نمونه ساخته­شده با استفاده از نخاله­های حاصل از گودبرداری شهر تهران، سرباره­های فولادی کوره قوس الکتریکی کارخانه فولاد اصفهان و نیز نمونه ترکیبی ساخته شده از این­دو و با لحاظ کردن دانه‌بندی مناسب، کیفیت این مصالح جهت استفاده در راه­سازی با استانداردهای ASTM مقایسه گردید. نتیجه آزمایش مقاومت در برابر ضربه و سایش برای نخاله­های حاصل از گودبرداری 23 و مقدار CBR برای این مصالح 2/36 به­دست آمد که از این حیث در رده خوب برای لایه­های روسازی راه قرار می­گیرد. هم­چنین ارزش ماسه­ای این مصالح پس از شسته‌شدن برای استفاده در هر دو لایه اساس و زیراساس مناسب ارزیابی گردید. مقدار CBR محاسبه شده برای مصالح ترکیبی ساخته­شده از نخاله و سرباره 4/50 برآورد شد که نشان­دهنده قدرت باربری بالای این مصالح و مناسب بودن آن جهت استفاده در لایه اساس می­باشد.

پس از اتخاذ تصمیم مناسب در حیطه مسایل فنی، استفاده از این پسماندها در راه­سازی با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی با نرم­افزار Expert choice با توجه به تمامی پارامترهای تاثیرگذار در انتخاب مصالح مناسب از جمله مشخصات فنی، مسایل زیست­محیطی، ارزانی مصالح و نحوه دسترسی و با اعمال میزان اهمیت هر یک از این پارامترها، قابلیت کاربرد هر یک از مصالح جهت استفاده در لایه­های مختلف راه تعیین گردید. با توجه به نظر کارشناسان پس از مسایل فنی، قیمت و موضوعات زیست­محیطی از اهمیت بالایی در تصمیم­گیری جهت انتخاب مصالح برتر برخوردار بوده­اند. نتایج این تحلیل نشان داد که نخاله­های حاصل از گودبرداری مناطق مورد نظر دارای شرایط مشابهی با مصالح طبیعی برای استفاده در   راه­سازی می­باشند. استفاده از مصالح ترکیبی نیز به­دلیل ایجاد توانایی استفاده از سرباره­های فولادی در لایه اساس و زیر اساس با توجه به شرایط زیست­محیطی مناسب می­باشد.

علاوه بر مشخصات فنی مطلوب حالت ترکیبی دو مصالح برای استفاده در لایه­های مورد نظر راه­سازی، استفاده و بازیابی این محصولات به عنوان سنگ­دانه در بخش­های مختلف مهندسی عمران، باعث جلوگیری از برداشت سنگ­دانه­های معمولی و تخریب محیط زیست و اثرات احتمالی ناشی از دپوی این مواد در فضاهای آزاد خواهد شد.

تشکر و قدردانی

نویسندگان این مقاله بر خود لازم می­دانند از آقایان مهندس سعادتی و بختیاری (کارشناسان آزمایشگاه ژئوتکنیک و بتن گروه مهندسی عمران دانشگاه خوارزمی) و جناب آقای مهندس اشکوب و آزمایشگاه یکتا آزمون ایرانیان به دلیل قبول انجام برخی از آزمایش­ها در این آزمایشگاه، کمال تشکر را داشته باشند.

منابع

1. واثقی. محبوبه، 1386، خواص و مشخصات سرباره فولاد آلیاژی و کاربردهای سرامیکی آن، پایان نامه کارشناسی ارشد، رشته مهندسی مواد سرامیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران.
2. NSA Steel Slag, 2001. A Premier Construction Aggregate.
3. Motz., H., & Geiseler, J., 2001. Products of steel slags and opportunity to save natural resources”, Waste Management, vol. 21(3), pp. 285-293.
4. Wu, S., Xue, Y., Ye, Q. & Chen, Y., 2007. Utilization of steel slag as aggregates for stone mastic asphalt (SMA) mixtures. Building and Environment, vol. 42, July, pp. 2580-2585.
5. Ameri, M., & Behnood, A., 2012. Laboratory studies to investigate the properties of CIR mixes containing steel slag as a substitute for virgin aggregates. Construction and Building Materials, January, pp. 475–480.
6. نادری. حسین، 1388، تاثیر سرباره دانه­ای کوره بلند ذوب آهن اصفهان بر مقاومت و خصوصیات تورمی خاک رس تثبیت شده با آهک در مجاورت سولفات، پایان نامه کارشناسی ارشد، رشته مهندسی عمران، دانشگاه بوعلی سینا.
7. Behiry, A. E., 2013. Evaluation of steel slag and crushed limestone mixtures as subbase material in flexible pavement. Ain Shams Engineering Journal, vol. 4, March, pp. 43–53.
8. Nagatak, S., Gokce, A., Saeki, T., & Hisada. M. (2004). Assessment of Recycling Process Induced Damage Sensitivity of Recycled Concrete Aggregate. Cement and Concrete Research, 34, June, 965-971.
9. بلوری بزاز. جعفر و زنجانی. محمدمهدی، 1389، بررسی مقاومت مصالح حاصل از بازیافت نخاله­های ساختمانی جهت استفاده در لایه­های روسازی، پژوهش­نامه حمل و نقل، (2)7، صص91-81.
10. مرندی. سید مرتضی و صفاپور. پروین، 1385، تثبیت لایه اساس با استفاده از تکنولوژی نوین سیمان و امولسیون (مطالعه موردی احداث راه اصلی دوغارون - هرات افغانستان)، پژوهش­نامه حمل و نقل، 3(2)، صص 138-123.
11. Nataatmadja, A., & Tan, Y. L., 2000. The performance of recycled crushed concrete aggregates. Proceedings of the 5th. International Symposium on Unbound Aggregates in Road Construction, A. R. Dawson (ed.), Nottingham, U.K.
12. Leite, F. C., Motta, R. S., Vasconcelos, K. L., & Bernucci, L., 2011. Laboratory evaluation of recycled construction and demolition waste for pavements. Construction and Building Materials, vol. 25, June, pp. 2972–2979.
13. Bennert, T., Papp, W.J., Maher, A., & Gucunski, N., 2000. Utilization of construction and demolition debris under traffic-type loading in base and subbase application. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, vol. 1714, January, pp. 33-39.
    1. Seggiani, M., 2003. Recovery of silica gel from blast furnace slag, Resources, Conservation and recycling, vol. 40, No. 1, pp. 71-80.
    2. بازیار. محمد حسن و صالح زاده. حسین، «آزمایشگاه مکانیک خاک»، چاپ هفتم، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران، 1390.
    3. ASTM C535:2003,Test Method for resistance to Degradation for Largesize coarse Aggregate by Abrasion and Impact in the LosAngeles Machine.
    4. ASTM D 4429 Test Method for CBR (California Bearing Ratios) of Soils in Place.
    5. قدسی­پور. سید حسن، «مباحثی در تصمیم گیری چند معیاره»، چاپ سوم، انتشارات دانشگاه امیر کبیر، 1381.
    6. Saaty, T. L., 1980. The analytic hierarchy process: Planning, Priority setting, resource allocation, 1^st Ed., McGraw – Hill, New York.
    7. Lee, A. H. I., Chen, W. C., & Chang, C. J., 2008. A fuzzy AHP and BSC approach for evaluating performance of IT department in the manufacturing industry in Taiwan. Expert Systems with Applications, vol. 34, January, pp. 96-107.
    8. توفیق. فیروز، 1372، ارزشیابی چندمعیاری در طرح­ریزی کالبدی، مجله آبادی، شماره 11، صص 40-43.
    9. زبردست. اسفندیار، 1380، کاربرد فرآیند تحلیل سلسله مراتبی در برنامه­ریزی شهری و منطقه­ای، نشریه هنرهای زیبا، شماره 10، صص 21-13.
    10. Saaty, T. L., 2000. Fundamentals of descision making and priority theory. RWS Publications, England.
    11. آیین­نامه روسازی آسفالتی راه­های ایران، 1381، نشریه 234، انتشارات سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور.

25. Bowles, J. E., 1992. Engineering properties of soil and their measurement. Fourth Edition, New York Mc Graw-Hill.