تعیین خواص ارتجاعی سبک دانه های مصنوعی با استفاده از تئوری مواد مرکب، روش عددی و مطالعات آزمایشگاهی

با توجه به کاربرد سبک دانه های مصنوعی در صنایع مختلف، تعیین خواص این نوع سنگ دانه ها اهمیت ویژه ای دارد. به لحاظ ماهیت فیزیکی و عدم وجود سنگ مادر، تعیین ویژگی های ارتجاعی سبک دانه های مصنوعی دارای پیچیدگی های ویژه ای می باشد. در حال حاضر دانه های رس منبسط شده یا لیکا مهمترین نوع سبک دانه صنعتی کشور است. این سبک دانه با استفاده از رس انبساط پذیر به روش فرآیند تر در داخل کوره گردان تولید می شود. محصول تولیدی غالباً دارای قطر صفر الی 25 میلیمتر است و معمولاً با افزایش قطر تخلخل آنها افزایش و وزن مخصوص آنها کاهش می یابد. همچنین با تغییر در شرایط و فرآیند تولید، می توان دانه با وزن مخصوص مختلف تولید کرد. از آنجایی که استانداردی برای تعیین مستقیم مدول ارتجاعی این سبک دانه ها وجود ندارد، از ترکیب روش آزمایشگاهی، با روش تئوری مواد مرکب (مایکرومکانیک) و عددی برای تعیین این پارامترها استفاده شده است. در این تحقیق با توجه به ماهیت دانه های لیکا، شکل آنها به صورت کروی کامل فرض شده است. در بخش آزمایشگاهی به منظور تعیین اثر اندازه و وزن مخصوص بر خواص فیزیکی و مکانیکی دانه های لیکا، مطالعه جامع بر روی هشت نوع دانه (در دو گروه معمولی و سازه ای با چهار اندازه مختلف) صورت گرفته است. با ترکیب سبک دانه با ملات ماسه سیمان و ساخت نمونه هایی استوانه ای استاندارد از مواد مرکب، مشخصات ارتجاعی ماتریس و ماده مرکب تعیین شده است. همچنین با استفاده گچ و دانه های فوم پلی استایرن و شبیه سازی سنگ متخلخل، به بررسی اثر تخلخل بزرگ مقیاس بر مدول ارتجاعی و مقاومت فشاری تک محوری سنگ پرداخته شده است. در بخش تئوری مواد مرکب با ارائه سه مثال به مقایسه نتایج بدست آمده از مدل های همگن سازی پرداخته شده است و سپس با استفاده از معکوس مدل های همگن سازی مشخصات ارتجاعی اینکلوژن بر اساس ویژگیهای ماتریس و ماده مرکب تعیین شده است. در بخش عددی، با مدلسازی سه بعدی اجزا محدود با چیدمان دانه ها به صورت منظم و یک حالت تصادفی، به مقایسه مشخصات ارتجاعی ماده مرکب، با مدل های همگن سازی پرداخته شده است. نتایج عددی حاکی از تاثیر ناچیز نحوه توزیع اینکلوژن، در حالت منظم و یک حالت تصادفی، بر مشخصات ماده سخت مرکب دارد. در حالت توزیع منظم، مدول ارتجاعی ماده مرکب، دارای نتایج نزدیک به مدل موری-تاناکا و در حالت توزیع تصادفی نتایج بسیار نزدیک به مدل لایلنس می باشد. همچنین برای ماده سخت مرکب نتایج روش عددی بسیار نزدیک به مدل موری-تاناکا می باشد. با مقایسه نتایج تحلیلی با آزمایشگاهی، در نمونه های سنگ متخلخل شبیه سازی شده، مشاهده شد که تطابق مناسبی بین مدل های همگن سازی و نتایج آزمایشگاهی وجود دارد و می توان ارتباط بین مدول ارتجاعی با میزان حفرات بزرگ مقیاس را توسط روابط نمایی بیان کرد. بر مبنای مدل موری-تاناکا، در دامنه اندازه 4 الی 14 میلیمتر، مدول ارتجاعی دانه های لیکا معمولی در محدوده 6/0 الی gpa3/2 و مدول ارتجاعی دانه های لیکا سازه ای در محدوده 7/2 الی gpa3/6 قرار دارد. ارتباط مدول ارتجاعی لیکای ایران با وزن مخصوص دانه ای به صورت خطی و با اندازه دانه به صورت نمایی می باشد. همچنین متوسط ضریب پوآسون بدست آمده دانه های معمولی و سازه ای به ترتیب 35/0 و 28/0 تخمین زده شده است.