در موضوع: مکانیک سنگ
بررسی ویژگیهای ژئوتکنیکی و اقتصادی آهک وایکنمبریت سازند قم به منظور جایگزینی با منایع شن و ماسه رودخانه‌ای
خلاصه مطالب:
شن و ماسه یا به عبارت دیگر مصالح سنگ دانه‌ای پرمصرف‌ترین و در عین حال ارزانترین مصالح ساختمانی هستند. امروزه آبرفت‌های رودخانه‌ای اصلی‌ترین منابع تأمین شن و ماسه هستند، اما کمبود منابع رودخانه‌ای مناسب و خطرات زیست محیطی که استخراج این گونه منابع به همراه دارد، نظرها را به سوی تولید مصالح سنگدانهای از سنگ کوهی معطوف داشته است. در‌این مقاله نتیجه تحقیقات صورت گرفته برای بررسی ویژگیهای ژئوتکنیکی آهک و‌ایگنمبریت سازند قم به منظور جایگزینی آنها با منابع شن و ماسه رودخانه‌ای آورده شده است.
پیش گفتار:
تشکیل منابع سنگ دانه‌ای به تاریخچه زمین شناسی هر منطقه بستگی دارد. به طور کلی منابع مختلف مصالح سنگ دانه‌ای را می‌توان شامل آبرفت‌های رودخانه‌ای، رسوبات واریزه‌ای، رسوبات بادی، رسوبات یخچالی، رسوبات ساحلی، رسوبات فلات قاره، رسوبات به هم پیوسته، باطله‌های معدنی و منابع سنگ کوهی دانست.
در‌ایران با توجه به شرایط زمین شناسی، سهولت بهره‌برداری، هزینه‌های اندک، عدم وجود نظارت جدی بر رعایت استانداردهای مصرف و حساسیت بسیار پایین نسبت به مسائل زیست محیطی، عموماً از آبرفت‌های رودخانه‌ای به عنوان مصالح سنگدانهای استفاده می‌شود. این درحالی است که این گونه منابع عموماً در مسیر رودخانه و مسیل‌ها قرار داشته و برداشت از آنها مشکلات زیست محیطی را در بلند مدت به همراه خواهد داشت. در ضمن به لحاظ فنی، مصالح سنگ کوهی نسبت به مصالح طبیعی مزایای خاصی دارند. به عنوان مثال، مصالح سنگ کوهی گوشه دارند و لذا کاربری بهتری در تهیه آسفالت و روسازی راه دارند. این مصالح درصد شکستگی بالایی دارند، درگیری دانه‌ها با هم بیشتر بوده و در نتیجه زاویه اصطکاک داخلی و مقاومت برشی آنها افزایش می‌یابد. این سنگ دانه‌ها از نظر جنس یکنواخت و همگن هستند و لذا در شرایط مختلف فیزیکی، شیمیایی و بارگذاری، واکنش یکنواخت‌تری نشان می‌دهند. همچنین ناخالصی‌های رس و لای، گچ و نمک، مواد آلی، زباله‌های انسانی و دیگر مواد زیان آور نیز در آنها حداقل است. تنها ایراد احتمالی این مواد، گرانی محصول برای بازار مصرف است.
در‌این طرح به منظور یافتن راهکار عملی برای رواج استفاده از سنگ دانه‌های کوهی، ویژگیهای ژئوتکنیکی آهک و‌ایگنمبریت سازند قم مورد مطالعه قرار گرفته است. از مزایای این واحدها گسترش وسیع آنها در مجاورت مناطق پر مصرفی همچون تهران و قم، کیفیت ژئوتکنیکی مناسب آنها برای مصرف و فقدان تقریباً تمام معایبی است که برای مصالح رودخانه‌ای ذکر شد. البته از معایب بارز اینگونه مصالح نیز هزینه بالای استخراج و دانه بندی آنها است.
متن اصلی:
زمین شناسی آهک وایکنمبریت سازند قم
بخش آهکی مورد مطالعه شامل سنگ آهک ستبر لایه خاکستری روشن تا کرم همراه با مارن به سن الیگومیوسن است که انحلال، حفرات کارستی کوچکی در آن ایجاد کرده است. این بخش در حقیقت از تجمع کانیهای مرجانی و بریوزوا تشکیل گردیده و دارای مقادیر زیادی فسیل‌های دوکفه‌ای اوستراوپک و خارداران کیپاستر است. ضخامت آهک از 180 تا 320 متر گزارش شده است. آهک مرجانی پایان چرخه سوم سازند قم است که در مناطق وسیعی از سازند قم واقع در زون ایران مرکزی و در حوالی مناطق پرتراکم جمعیتی همچون تیران، قم، کاشان و... رخنمون دارد.
ایگنمبریت مطالعه شده از نوع توف‌ایگنمبریتی با سه ترکیب داسیتی آندزیتی و سدیک – کلسیت به سن ائوسن است. این سنگ زمینه‌ای کاملاً شیشه‌ای دارد که تجمع اکسیدهای آهن نیز در آن مشاهده می‌شود. از کانیهای ثانویه این سنگ می‌توان به کربنات و کانیهای رسی اشاره کرد.این مجموعه و بالاخص ایگنمبریت با ترکیب آندزیتی رخنمون وسیعی در سازند قم و زون ایران مرکزی دارند که در نتیجه استخراج آنها را تسهیل می‌بخشد.
نمونه بردا ری
جهت مطالعه ویژگیهای ژئوتکنیکی آهک و‌ایگنمبریت سازند قم، اقدام به برداشت 4 نمونه آهکی و 3 نمونه ایگنمبریتی شده است. در شکل 1 جانمایی محل‌های نمونه‌برداری آورده شده است. همانگونه که در شکل 1 ملاحظه می‌شود، در انتخاب مناطق جهت نمونه‌برداری، مجاورت با شهرستان قم و نزدیکی راه‌های دسترسی لحاظ گشته است. همچنین وسعت رخنمونهای سنگی از نظر میزان ذخیره مکشوفه برای انجام عملیات معدنکاری احتمالی آینده مد نظر بوده‌اند. برای نمونه‌برداری اقدام به حفر چاهک‌هایی به عمق حداکثر 5/1 متر شده است تا نمونه حاصل حداقل هوازدگی را تحمل کرده باشد. در شکل 2 به عنوان تصویری از رخنمون وسیع آهک بخش سازند قم درحوالی روستای خورآباد جاده قم- کاشان که مورد نمونه‌برداری قرار گرفته آورده شده است.
شکل 1_جابجایی مناطق نمونه برداری شده
شکل 2_رخنمون آهک بخش f سازند قم در حوالی روستای خورآباد جاده قم_کاشان
ارزیابی‌های ژلوتکنیکی
از آنجا که مصرف عمده مصالح سنگ دانه‌ای در ساختمان سازی و پروژه‌های عمرانی است، لذا مصالح موردنظر باید واجد ویژگیهای زیر باشند:
الف- دانه‌ها باید مقاوم، سخت و بدون ترک‌خوردگی و هوازدگی و عاری از پوشش سطحی مضر باشند.
ب- دانه‌ها باید در مقابل سایش یا ضربه مقاوم باشند.
ج- مصالح باید عاری از مواد مضر بوده و حتی الامکان از نظر شیمیایی غیر فعال باشند.
برای بررسی موارد فوق مطالعات زیر بر روی نمونه‌ها صورت گرفت:
الف- آزمایش وزن مخصوص: وزن مخصوص پایین اغلب نمایانگر مصالح متخلخل، ضعیف و جاذب رطوبت است.
ب- آزمایش جذب آب: مصالح دارای جذب آب بالا، به طور مداوم در فصول مختلف سال تر و خشک شده و انبساط و انقباض پی در پی آنها در اثر این فرآیند باعث متلاشی شدن آنها می‌شود.
ج- آزمایش تخلخل: با کاهش تخلخل، جذب آب سنگ کاهش یافته و در نتیجه کیفیت آن بالا می‌رود.
د- آزمایش مقاومت فشاری خشک و اشباع: مقاومت فشاری نشان دهنده ظرفیت باربری مصالح است که با افزایش مقاومت فشاری ظرفیت باربری مصالح نیز افزایش می‌یابد. همچنین اختلاف کم بین مقاومت فشاری خشک و اشباع نشان دهنده این است که آب تأثیر چندانی بر پارامترهای مقاومتی سنگ ندارد.
هـ- آزمایش تعیین درصد افت وزنی در مقابل سایش: درصد افت وزنی در مقابل سایش از مهمترین ویژگی‌هایی است که در استفاده از مصالح سنگ دانه‌ای در راهسازی، تولید بالاست و تولید آسفالت مطرح می‌گردد.
و- آزمایش تعیین درصد افت وزنی در مقابل سرما و گرما: پایداری مقاومت سنگ دانه‌ها در مقابل سیکل‌های متوالی انجماد و ذوب، از پارامترهای مهمی‌است که بالاخص در مناطق کویری که اختلاف حرارت شب و روز زیاد است، اهمیت پیدا می‌کند.
ز- آزمایش تعیین درصد افت وزنی در مقابل سولفاتهای سدیم و منیزیم: واکنش‌های شیمیایی باعث پوکی و خرد شدن سنگ می‌گردند. لذا افت وزنی کم در واکنش با سولفاتها نشان دهنده مقاومت آنها در برابر عوامل شیمیایی است.
ح- آزمایش دوام آبدیدگی: وجود آب می‌تواند پارامترهای مقاومتی سنگ را تغییر دهد. بنابراین طی این آزمایش تاثیرپذیری مصالح در آب مورد بررسی قرار می‌گیرد.
لازم به ذکر است که برای تمامی پارامترهای مذکور حد مجازی توسط آئین‌نامه‌های خاص تعیین شده است. در مطالعات صورت گرفته این مقادیر، بسته به کاربرد مصالح، با مقادیر به دست آمده از آزمایشها مقایسه شده و بدین ترتیب کیفیت سنگ ارزیایی شده است.
تعبیر و تفسیر نتایج آزمایشها
ارزیایی‌های انجام شده بر روی ویژگیهای ژئوتکنیکی آهک و‌ایگنمبریت سازند قم به شرح زیر است:
الف- افزایش وزن مخصوص معمولاً افزایش کیفیت سنگ را به همراه دارد. اما نمی‌توان از آن به عنوان شاخصی برای رد یا قبول کیفیت سنگها استفاده کرد. در آزمایشهای انجام شده وزن مخصوص خشک نمونه‌های ایگنمبریتی بین 46/2 تا 67/2 و نمونه‌های آهکی بین 50/2 تا 68/2گرم بر سانتی‌مترمکعب بسته به محل نمونه‌برداری تغییر می‌کند. وزن‌مخصوص اشباع نمونه‌های ایگنمبریتی بین 51/2 تا69/2 و نمونه‌های آهکی بین 50/2 تا 68/2گرم بر سانتی‌مترمکعب تغییر می‌کند. شن مصرفی نباید وزن مخصوص نسبی کمتر از 35/2 داشته باشد. لذا وزن مخصوص نسبتاً بالای این مصالح نشان‌دهنده استحکام بالای ذرات و تخلخل نسبتاً پایین آنها است. اما سنگینی بعضی نمونه‌ها برای مصارف بالاست راه آهن و تولید آسفالت مورد تایید نیست.
ب- درصد جذب آب نمونه‌ها پایین است و بنابراین کاربری آنها متفاوت خواهد بود.
ج- درصد تخلخل نمونه‌های‌ایگنمبریتی بین 7/1 تا 8/4 و نمونه‌های آهکی بین 1 تا 40/7 متغیر بوده است. البته بدیهی است نمونه‌ای که تخلخل بالایی دارد، جذب آب بالایی نیز خواهد داشت که درنتیجه انجام آزمایشهای مقاومت فشاری خشک و اشباع بر روی آن بسیار ضعیف خواهد بود. زیرا در صورتی که اختلاف مقاومت فشاری خشک و اشباع آن بالا باشد، درصد جذب آب بالا ویژگیهای ژئوتکنیکی سنگ را ضعیف خواهد ساخت.
د- نتایج آزمایشهای مقاومت فشاری خشک و اشباع نشان داد که مقاومت فشاری خشک نمونه‌های ایگنمبریتی بین 1712 تا 1860 و نمونه‌های آهکی بین 539 تا 585 کیلوگرم بر سانتی‌مترمربع و مقاومت فشاری اشباع نمونه‌های ایگنمبریتی بین 1638 تا 1843 و نمونه‌های آهکی بین428 تا 563 تغییر می‌کند. اختلاف کوچک مقاومت فشاری خشک و اشباع نمونه‌های ایگنمبریتی اثبات می‌کند که آب تاثیر چندانی بر پارمترهای مقاومتی‌این سنگها ندارد. اما درصد اختلاف نسبتاً بیشتر مقاومت فشاری خشک و اشباع نمونه‌های آهکی نشان می‌دهد که آب تأثیر اندکی بر پارامترهای مقاومتی این سنگها خواهد گذاشت. از طرفی نیز پارامترهای مقاومتی سنگهای ایگنمبرتی بالاست که در واقع نشان‌دهنده ظرفیت باربری مناسب آنها است. سنگهای آهکی مقاومت فشاری بسیار کوچکتری دارند، اما با وجود‌این طبق استاندارهای ایران برای کاربرد مصالح سنگدانهای مشکل نخواهند داشت. ولی با توجه به همین پارامتر، مصرف اصلی آهکها ساخت بتن پیش‌بینی می‌گردد و استفاده از آنها به عنوان بالاست و زیرسازی راه در اولویتهای آخر قرار می‌گیرد.
آزمایش تعیین درصد افت وزنی در مقابل سایش به شیوه لوس‌آنجلس انجام شد. نتایج آزمایشها نشان داد که افت وزنی نمونه‌های ایگنمبریتی در اثر 500 دور چرخش دستگاه بین 16 تا 18 درصد و افت وزنی نمونه‌های آهکی در شرایط مشابه 30 تا 32 درصد بوده است. بنابراین باتوجه‌به استاندارهای موجود استفاده از ایگنمبریت‌ها درتمامی‌موارد مصرف زیرسازی راه، اساس راه، آسفالت، بتن و بتن مسلح تأیید می‌شود. اما استفاده از نمونه‌های آهک درساخت رویه بتن مسلح که حداکثر درصد افت 30 درصد است با تردید مواجه می‌شود. استفاده ازنمونه‌های آهکی در دیگر موارد مورد تأیید است.
و- آزمایش سرما وگرما بر روی کلیه نمونه‌ها صورت گرفت. نتایج نشان دادکه درصد افت وزنی نمونه‌های ایگنمبریتی طی 16 سیکل یخ زدن و ذوب شدن بین 11/0 تا8/0درصد و نمونه‌های آهک بین1/0 تا 2/0 درصد است. با توجه به افت بسیار پائین وزن نمونه‌ها در این آزمایش مشخص می‌شود که نمونه‌ها هیچ مشکلی در رابطه با تغییرات درجه حرارت ندارند.
ز- آزمایش درصد افت وزنی در مقابل سولفات سدیم و منیزیم نیز بر روی کلیه نمونه‌ها صورت گرفت که نتایج برای نمونه‌های مختلف ایگنمبریتی و آهکی بین 06/0 تا 31/0 درصد متفاوت بود. با توجه به‌اینکه حداکثر مجاز افت وزنی مصالح سنگدانهای در مقابل سولفاتهای مختلف و برای مصارف مختلف بین 8 تا 18 درصد تغییر می‌کند، لذا هیچ یک از نمونه‌ها از نظر واکنش‌دهی در برابر عوامل شیمیایی مشکل ندارند و استفاده از آنها برای ساخت بتن، بتن مسلح، ملات، آسفالت و غیره تایید می‌گردد.
ح- شاخص دوام آبدیدگی سنگها طی آزمایشهای انجام شده بین 95 تا 99 برای نمونه‌های ایگنمبریتی 80 تا 99 برای نمونه‌های آهکی به دست آمد. این موضوع مجدداً اثبات می‌کند که آب تاثیری بر پارامتر های مقاومتی ایگنمبریت سازند قم ندارد، اما آهک سازند قم تا حد کمی‌از این منظر تاثیرپذیر است. لذا استفاده از ایگنمبریت در زیرسازی راه و بالاست نسبت به آهک اولویت دارد.
در جدول 1 و 2 ترتیب و به طور خلاصه نتایج آزمایشهای آهک و‌ایگنمبریت و مقایسه آنها با آئین نامه‌های موجود آورده شده است.
هزینه‌های استخراج و دانه بندی
هزینه‌های استخراج و دانه بندی مصالح سنگ کوهی شامل چالزنی، آتشکاری، بارگیری، باربری، دپو، سنگ شکنی و دانه بندی است که برای مصالح ایگنمبریتی حدود 22000 ریال بر متر مکعب (حدود 8300 ریال بر تن) و برای مصالح آهکی حدود 15000 ریال برمتر مکعب (حدود 6000 ریال برتن) خواهد بود. در جدول 3 خلاصه نتایج محاسبه هزینه استخراج و دانه بندی مصالح آورده شده است. البته با توجه به هزینه‌های بالای استخراج و دانه بندی‌این مصالح نسبت به مصالح شن و ماسه رودخانه‌ای به نظر می‌رسد که به لحاظ اقتصادی جذابیتی برای صنعت نداشته باشد.
نتیجه گیری:
مطالعات نشان می‌دهند که ایگنمبریت و آهک سازند قم در نزدیکی مناطق مصرف رخنمون وسیعی دارند و از نظر میزان ذخیره برای برنامه‌ریزی بلند مدت استخراجی قابل اعتمادند و استخراج از این منابع نیز مشکل زیست محیطی به دنبال نخواهد داشت. اما مشکل عمده معرفی این واحدهای سنگی به عنوان منابع مصالح سنگ دانه‌ای هزینه بالای استخراج و دانه بندی آنهاست که بالاخص در مورد‌ایگنمبریت که از سختی بالاتری نسبت به آهک برخوردار است، بیشتر جلوه می‌کند.
ارزیایی‌های ژئوتکنیکی اثبات می‌کند که نمونه‌های ایگنمبریتی از کیفیت بهتری نسبت به نمونه‌های آهکی برخوردارند و هیچ‌گونه مشکلی در کاربری‌های مختلف تهیه بالاست راه آهن، زیرسازی راه، آسفالت، بتن مسلح و رویه بتن مسلح نخواهند داشت. بالاخص با توجه به پارامترهای مقاومتی بالای ایگنمبریت و تأثیر بسیار اندک آب بر پارامترهای مقاومتی و شاخص دوام آبدیدگی حدود 98 درصد آن، استفاده از ایگنمبریت در زیرسازی راه و بالاست راه آهن قویاً توصیه می‌گردد. لازم به ذکر است که در اینگونه موارد استفاده از شن و ماسه آبرفتی اولویت چندانی ندارد.
در نمونه‌های آهکی آب بر پارمترهای مقاومتی سنگ تأثیر بیشتری می‌گذارد که طی آزمایشهای مختلف این موضوع به اثبات رسید. همچنین درصد افت وزنی نمونه‌های آهکی در مقابل سایش به شیوه لوس آنجلس حدود 31 درصد بود که مجموع عوامل فوق‌الذکر استفاده از آهک را برای مصارف ساخت رویه بتن مسلح، بالاست و زیرسازی راه با تردید مواجه می‌سازد. بنابراین با توجه به هزینه‌های بالای استخراج و دانه بندی آهک نسبت به مصالح رودخانه‌ای و کیفیت ژئوتکنیکی به مراتب پائین آن نسبت به مصالح ایگنمبریتی و مصارف پیش بینی شده محدودتری برای آن، استخراج از‌این واحدها به عنوان مصالح سنگدانهای توصیه نمی‌گردد.
8- تقدیر و تشکر
بدون شک انجام مطالعات مذکور بدون مساعدت مسئولین و کارشناسان محترم سازمان صنایع و معادن استان قم و شرکت مهندسین مشاور زمین کاوگستر ممکن نبود. لذا بدینوسیله از تمامی‌عزیزان تشکر می‌گردد.