مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

ارزیابی ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی چندسازه‌های سیمانی حاوی الیاف کاغذ باطله

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
دانشگاه آزاد اسلامی واحد چالوس
10.22034/ijwp.2025.2075469.1735
چکیده
بیان مساله و اهداف: در سال‌های اخیر، مهندسی ساختمان به‌سوی استفاده از مصالح سبک، مقاوم و سازگار با محیط‌زیست رفته است. چندسازه‌های پایه سیمان به‌عنوان مواد نوین ساختمانی، بسته به نوع مواد اولیه‌ی در دسترس مانند چوب، الیاف سلولزی و کاغذ باطله، در هر منطقه قابلیت توسعه دارند. با توجه به محدودیت منابع چوبی و افزایش تقاضا برای محصولات مرکب، استفاده از الیاف حاصل از بازیافت کاغذهای تحریری باطله به‌عنوان جایگزینی اقتصادی و زیست‌پذیر پیشنهاد می‌شود. از این‌رو در این تحقیق نیز از الیاف کاغذ تحریری باطله استفاده شد. یکی از چالش‌های اساسی در این چند‌سازه‌ها، ناسازگاری الیاف با سیمان پرتلند و ضعف در ایجاد پیوند مؤثر میان اجزاست. نتایج مطالعات پیشین نشان داده‌اند که افزودن کلرید کلسیم موجب بهبود گیرایی سیمان با الیاف شده است. استفاده‌ی هم‌زمان از الیاف سلولزی بازیافتی و افزودنی‌هایی مانند کلرید کلسیم یا نانوسیلیس، دوام و پیوستگی فازی در ساختار سیمانی را تقویت می‌کند و سبب افزایش مقاومت خمشی و کاهش واکشیدگی ضخامت در چندسازه‌های چوب-سیمان می‌شود. در این تحقیق نیز به منظور بهبود گیرایی سیمان با الیاف کاغذ باطله از کلرید کلسیم استفاده شد. تعیین نسبت بهینه‌ی اختلاط الیاف کاغذ تحریری باطله با سیمان همراه با کلرید کلسیم برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی چندسازه‌ تولیدی را می‌توان هدف اصلی پژوهش برشمرد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، الیاف سلولزی حاصل از پسماند کاغذهای تحریری به‌ عنوان تقویت‌کننده و سیمان پرتلند نوع دوم به‌عنوان ماتریس به کار رفت. پودر کلرید کلسیم برای تسریع گیرایی و بهبود پیوستگی الیاف با سیمان در دو سطح ۳ و ۵ درصد استفاده شد. نمونه‌ها با سه نسبت وزنی مختلف الیاف به سیمان (۳۰:۷۰، ۲۵:۷۵ و ۲۰:۸۰) ساخته و پس از آماده‌سازی ۲۸ روزه تحت آزمون‌های فیزیکی و مکانیکی بر اساس استانداردهای EN قرار گرفتند. نتایج به‌منظور ارزیابی تأثیر نسبت اختلاط و میزان کلرید کلسیم بر خواص فیزیکی و مکانیکی چندسازه‌های الیاف کاغذ–سیمان مورد تحلیل قرار گرفت.
نتایج: نتایج نشان داد افزایش درصد سیمان از 70 به 80 درصد موجب کاهش جذب آب و واکشیدگی ضخامت و بهبود دانسیته نمونه‌ها گردید، در حالی‌که اثر 3 و 5 درصد کلرید کلسیم بر خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه‌ها به‌طور مستقل معنی‌دار نبود. بیشترین مقاومت مکانیکی (مدول گسیختگی، مدول الاستیسیته و چسبندگی داخلی) در نسبت 20/80 سیمان به الیاف مشاهده شد. استفاده از کلرید کلسیم در مقادیر محدود باعث تسریع گیرایی و بهبود پیوند الیاف و سیمان شد، اما در درصدهای بالاتر به‌دلیل ایجاد تخلخل و تنش‌های حجمی، کاهش جزئی در خواص فیزیکی مشاهده گردید. در مجموع، تنظیم نسبت بهینه‌ی سیمان به الیاف و مصرف کنترل ‌شده‌ی کلرید کلسیم در بهبود عملکرد چندسازه‌های الیاف کاغذ–سیمان نقش اساسی دارد.
نتیجه‌گیری: نسبت اختلاط الیاف کاغذ تحریری باطله و سیمان نقش تعیینکنندهای در بهبود ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی چندسازههای پایه سیمان دارد. با افزایش درصد سیمان به 80 درصد، دانسیته و استحکام مکانیکی افزایش و در مقابل، جذب آب و واکشیدگی ضخامت کاهش یافت، در حالی که افزایش درصد الیاف به 30 درصد به دلیل ساختار متخلخل الیاف باعث افزایش مسیرهای موئینه برای نفوذ آب، باعث بالا رفتن میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامت نمونهها شد. افزودن ۳ درصد کلرید کلسیم موجب تسریع فرآیند هیدراسیون و بهبود پیوند الیاف با سیمان شد، در حالی که افزایش آن به ۵ درصد به‌دلیل تبلور نمک‌ها و افزایش تخلخل، موجب کاهش نسبی خواص فیزیکی و مکانیکی گردید. اثر متقابل سیمان و کلرید کلسیم تنها بر چسبندگی داخلی معنی‌دار بود. بهترین عملکرد در ترکیب ۲۰ درصد الیاف، ۸۰ درصد سیمان و ۳ درصد کلرید کلسیم مشاهده شد. به‌طور کلی، استفاده از الیاف بازیافتی کاغذ تحریری به‌عنوان جایگزینی پایدار و ‌سازگار با محیط زیست می‌تواند به بهبود عملکرد و کاهش اثرات مخرب مصالح ساختمانی در محیط زیست کمک کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Zhao, X., Li, C. and Wang, Y., 2023. Sustainable use of recycled paper fibers in building composites: Mechanical and environmental performance. Materials, 16(14), 4770-4775.
[2] Zhang, J., Liu, Z. and Xu, H., 2022. Effect of chemical treatments on compatibility of lignocellulosic fibers with Portland cement. Construction and Building Materials, 345, 128446-128460.
[3] Soroushian, P. and Hassan, M., 2020. Accelerators and compatibility enhancement in cement composites reinforced with cellulosic fibers. Cement and Concrete Composites, 113, 103742-103752.
[4] Fernando, S., Gunasekara, C., Shahpasandi, A., Nguyen, K., Sofi, M., Setunge, S., Mendis, P. and Rahman, M. T. 2023. Sustainable Cement Composite Integrating Waste Cellulose Fibre: A Comprehensive Review. Polymers, 15(3), 520.
[5] Yusrizal, Y., Rahmawati, C., Zardi, M., Aprilia, S., Aulia, T. B. and Iqbal, I., 2024. Exploring concepts and application of natural fibers on cement‑based composites. Proceedings of the 2nd International Conference on Environmental, Energy, and Earth Science (ICEEES 2023).
[6] Valizadeh Kiamahalleh, M., Asadi, H., Ahmadi, M., and Hosseini, S. 2024. Mechanical, durability, and microstructure assessment of wastepaper fiber‑reinforced concrete containing metakaolin. Materials, 17(11), 2608.
[7] Enayati, A. A., Hamzeh, Y., Mirshokraie, S. A. and Pourmohammadi, M., 2012. Evaluation of wood- cement blocks made from sawdust. Construction and Building Materials, 27(1), 21–25.
[8] Hoseini, M., Tajvidi, M. and Najafi, S. K., 2011. Use of waste paper fiber in cement–fiber composites. Journal of Wood Science, 57(5), 430–437.
[9] Tabarsa, T., Chui, Y. H. and Ung, Y. T., 2005. Mechanical and physical properties of cement-bonded particleboard from recycled wood. Wood and Fiber Science, 37(3), 453–462.
[10] Li, Q., Hu, Y. and Zhang, R., 2024. Mechanical performance of cement composites reinforced with recycled paper fibers. Structural Concrete, 25(3), 1541–1553.
[11] Torkaman, J., Soroushian, P. and Hassan, M., 2023. Recent advances in fiber-reinforced cementitious composites with waste cellulose fibers. Fibers, 11(6), 74-90.
[12] Martínez-López, M., González, F. and Pérez, A., 2022. Effect of calcium chloride and nano-silica on durability of fiber–cement composites. Journal of Composites for Construction, 26(4), 04022017- 04022027.
[13] Simatupang, M. H. and Roffael, E., 1980. Cement-bonded particleboards: influence of wood species and additives on hydration of cement. Holzforschung, 34(5), 197–202.
[14] Wei, J. and Meyer, C., 2015. Improving degradation resistance of cellulose fiber in cement composites: effect of matrix modification. Cement and Concrete Composites, 59, 142–149.
[15] Ardanuy, M., Claramunt, J. and Toledo Filho, R. D., 2015. Cellulosic fiber reinforced cement-based composites: a review. Construction and Building Materials, 79, 115–128.
[16] Nemli, G., Aydin, I. and Zekovic, E., 2006. Factors affecting the properties of cement-bonded particleboards. Building and Environment, 41(6), 784–790.
[17] Soroka, I., 1979. Portland cement Paste and Concrete. Macmillan Press.
[18] Savastano, H., Warden, P. G. and Coutts, R. S. P., 2009. Microstructure and mechanical properties of waste fiber–cement composites. Cement and Concrete Composites, 31(10), 721–731.
[19] Rezaei Shahmirzadi, M. Gholampour, A., Hosseini, S. A., Ngo, T. D. and Nematzadeh, M., 2024. Wastepaper fiber‐reinforced concrete containing recycled fibres. Structural Concrete, 25(4), 2931-2946.
[20] Amiandamhen, S. O. and Osadolor, S. O., 2020. Recycled waste paper–cement composite panels reinforced with kenaf fibres: Durability and mechanical properties. Journal of Material Cycles and Waste Management, 22, 1492-1500.
[21] Coutts, R. S. P., 1989. Wastepaper fibers in cement products. Cement and Concrete Research, 11(3), 143-147.
[22] Sanaev, V. G. and Karpov, V. I., 2014. Factors affecting the quality of wood-cement composites. Wood Research, 59(5), 67–74.
[23] Tuffrey, J. Siwseng, P., Laksanakit, Ch. and Chusilp, N., 2024. Enhancing the performance of waste paper pulp-cement composites, through the incorporation of natural rubber latex: A sustainable approach for high-performance construction materials. Construction and Building Materials, 430(6), 136345.
[24] Liu, Q. and Wu, Y., 2025. Reinforcement Effect of CaCl2 on Cementation Performance of Solid-Waste-Based Cementitious Materials for Fine Tailings. Molecules, 30(7), 1520.
[25] Hospodarova, V., Stevulová, N., Briancin, J. and Kostelanská, K., 2018. The effect of recycled paper fibers on mechanical properties of composites. Buildings, 8(3), 43.
[26] Stevulová, N., Schwarzová, I., Hospodárová, V. and Junák, J., 2016. Cement composites with recycled cellulose fibers. Chemical Engineering Transactions, 50, 367-372.
[27] Saeed, H., 2023. A review study of the use of calcium chloride in concrete. Journal of Engineering and Sustainable Development, 27(3), 339-349.