การใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่ไม่ผ่านการบดในงานคอนกรีต (Utilization of Original Calcium Carbide Residu
บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้ศึกษาการใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่ได้จากโรงงานโดยตรงผสมกับเถ้าถ่านหินและปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 เพื่อเป็นวัสดุประสานในคอนกรีตโดยใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์จากโรงงานโดยตรงที่มีขนาดอนุภาคผ่านตะแกรงเบอร์ 8 และใช้ส่วนผสมแคลเซียมคาร์ไบด์ต่อเถ้าถ่านหินต่อปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ในอัตราส่วน 60:30:10, 60:20:20, 60:10:30, 50:40:10, 50:30:20, 50:20:30, 40:50:10, 40:40:20, 40:30:30 และ 0:0:100 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน ใช้อัตราส่วนน้ำต่อวัสดุประสานเท่ากับ 0.45 และควบคุมค่ายุบตัวของคอนกรีตสดให้อยู่ในช่วง 50 ถึง 100 มิลลิเมตร โดยใช้สารลดน้ำพิเศษหล่อตัวอย่างคอนกรีตทรงกระบอกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มิลลิเมตร สูง 200 มิลลิเมตร เพื่อทดสอบกําลังอัดคอนกรีตหลังบ่มในน้ำเป็นเวลา 7, 14, 28, และ 90 วัน ตลอดจนหาความหนาแน่นของคอนกรีตที่อายุ 28 วัน ผลการศึกษาพบว่าการใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ผสมคอนกรีตในปริมาณที่สูงขึ้น ส่งผลให้กําลังอัดของคอนกรีตที่อายุ 28 วันลดลง โดยคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ร้อยละ 60 โดยน้ำหนักวัสดุประสานมีกําลังอัดต่ำสุด (ในแต่ละปริมาณปูนซีเมนต์) อย่างไรก็ตาม การใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ผสมในคอนกรีตมากขึ้น มีผลให้การพัฒนากําลังอัดของคอนกรีตในช่วง 28 ถึง 90 วันสูงขึ้น และสูงกว่าคอนกรีตของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 การศึกษาครั้งนี้พบว่าคอนกรีตอัตราส่วน 40:30:30 มีกําลังอัดสูงสุดที่อายุ 28 วัน เท่ากับ 224 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร (ร้อยละ 51 ของคอนกรีตควบคุม) และพัฒนากําลังอัดต่อเนื่องเป็น 262 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตรที่อายุ 90 วัน (ร้อยละ 52 ของคอนกรีตควบคุม) นอกจากนั้นพบว่าคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ทุกส่วนผสมมีความหนาแน่นต่ำกว่าคอนกรีตของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1
บทนํา
การศึกษาเกี่ยวกับเทคโนโลยีด้านวัสดุก่อสร้างเพื่อผลิตวัสดุใหม่ที่มีสมบัติทดแทนวัสดุเดิมที่มีการใช้งานอยู่แล้วถือเป็นสิ่งจําเป็นในสภาวะปัจจุบัน เนื่องจากวัสดุเดิมที่ใช้อยู่มีข้อจํากัดทางด้านวัตถุดิบที่ใช้ผลิต ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในระหว่างกระบวนการผลิต ตลอดจนโครงสร้างที่มีลักษณะพิเศษ อาจจําเป็นต้องใช้วัสดุที่มีสมบัติพิเศษมากขึ้น ปัจจุบันคอนกรีตเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมเป็นอันดับหนึ่ง เนื่องจากความเหมาะสมทางด้านราคา การผลิตที่ไม่ยุ่งยาก และสามารถควบคุมสมบัติได้ง่าย อย่างไรก็ตาม การใช้คอนกรีตอาจมีข้อจํากัดที่ตามมาทั้งทางด้านสมบัติพิเศษที่ต้องการมากขึ้น หรือกระบวนการผลิตปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ที่ส่งผลเสียต่อสภาวะแวดล้อม โดยกระบวนการผลิตซีเมนต์ทําให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นจํานวนมากซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ส่งผลให้เกิดภาวะโลกร้อน (global warming) ได้ ดังนั้นเทคโนโลยีทางด้านวัสดุก่อสร้างที่ผ่านมาจึงได้คิดค้นวัสดุทดแทนเพื่อลดการใช้ปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ให้น้อยลง โดยการใช้กากจากโรงงานอุตสาหกรรมมาแทนที่บางส่วนในปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ ซึ่งก็ได้ผลดีทั้งทางด้านการเพิ่มสมบัติบางอย่างให้คอนกรีตดีขึ้นและลดมลภาวะจากการทิ้งกากเหลือใช้ดังกล่าว เถ้าถ่านหิน (fly ash) เป็นวัสดุปอซโซลานที่ได้รับความนิยมในการปรับปรุงสมบัติของคอนกรีตให้ดีขึ้น โดยจากงานวิจัยที่ผ่านมาพบว่าการใช้เถ้าถ่านหินที่มีคุณภาพดีแทนที่ปูนซีเมนต์บางส่วนในปริมาณที่เหมาะสมให้ผลดีทั้งสมบัติเชิงกลและสมบัติด้านความคงทน
อย่างไรก็ตาม การใช้เถ้าถ่านหินในคอนกรีตสามารถลดการใช้ปูนซีเมนต์ลงได้บางส่วนเท่านั้น เนื่องจากเถ้าถ่านหินไม่มีสมบัติเชื่อมประสานได้ด้วยตัวเอง และถ้าใช้ในปริมาณสูงจะมีผลเสียต่อสมบัติเชิงกลในระยะต้น ดังนั้นคอนกรีตที่ผสมเถ้าถ่านหินยังคงต้องอาศัยปฏิกิริยาไฮเดรชั่นระหว่างปูนซีเมนต์กับน้ำเป็นส่วนใหญ่เพื่อให้ได้สารประกอบที่ให้ความแข็งแรงและได้ด่างเพื่อไปทําปฏิกิริยาปอซโซลานต่อเนื่องกับเถ้าถ่านหินต่อไป การศึกษาที่ผ่านมาพบว่ากากแคลเซียมคาร์ไบด์ (calcium carbide residue) เป็นกากจากโรงงานอุตสาหกรรมอีกประเภทหนึ่งที่ประกอบด้วยด่างแคลเซียมไฮดรอกไซด์เป็นหลัก และสามารถทําให้เกิดปฏิกิริยาปอซโซลานกับวัสดุปอซโซลานได้กากแคลเซียมคาร์ไบด์เป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาเคมีในการผลิตก๊าซอเซทิลีนโดยการใช้แคลเซียมคาร์ไบด์ทําปฏิกิริยากับน้ำ
กากแคลเซียมคาร์ไบด์อยู่ในรูปของแคลเซียมไฮดรอกไซด์ (Ca(OH)2) การผลิตก๊าซอเซทิลีน 1 ส่วนจะได้กากแคลเซียมคาร์ไบด์เท่ากับ 1.16 ส่วน ปัจจุบันพบว่าความต้องการใช้ก๊าซอะเซทิลีนของภาคอุตสาหกรรมมีแนวโน้มสูงขึ้นจึงส่งผลให้มีปริมาณกากแคลเซียมคาร์ไบด์เหลือทิ้งเป็นจํานวนมาก โดยแต่ละปีทางโรงงานที่ทําการสํารวจต้องทิ้งกากแคลเซียมคาร์ไบด์สูงถึงปีละประมาณ 12,000 ตัน ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาในการกําจัดทิ้งและส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมบริเวณข้างเคียง งานวิจัยที่ผ่านมาได้ปรับปรุงสมบัติของกากแคลเซียมคาร์ไบด์โดยการบดเพื่อใช้ร่วมกับปูนซีเมนต์และเถ้าถ่านหินในส่วนผสมคอนกรีต ซึ่งพบว่ากากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่มีความละเอียดสูงสามารถใช้แทนปูนซีเมนต์ได้มากขึ้นหรือเกือบแทนที่ปูนซีเมนต์ได้ทั้งหมด ตลอดจนส่งผลให้สมบัติเชิงกลของคอนกรีตดีขึ้น
อย่างไรก็ตาม การบดกากแคลเซียมคาร์ไบด์มีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง ตลอดจนยังไม่มีเครื่องบดในเชิงพาณิชย์เพื่อใช้งาน ดังนั้นในการศึกษาครั้งนี้จึงมุ่งประเด็นที่การพัฒนาส่วนผสมของคอนกรีตโดยใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่ไม่ผ่านการบด โดยพิจารณากําลังอัดที่เหมาะสมเพื่อใช้ในงานที่ไม่ต้องการกําลังอัดสูงมาก แต่สามารถใช้ประโยชน์จากกากแคลเซียมคาร์ไบด์ได้โดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการบดให้ละเอียด ทั้งนี้เพื่อใช้เป็นข้อมูลทางเลือกในการออกแบบส่วนผสมคอนกรีต โดยนําวัสดุเหลือทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรมมาใช้ประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ให้มากขึ้น ตลอดจนมีความคุ้มค่าทางด้านเศรษฐศาสตร์และการใช้การงานได้เชิงวิศวกรรมต่อไป
วัสดุและอุปกรณ์การวิจัย
วัสดุประสาน
การศึกษานี้ใช้ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 กากแคลเซียมคาร์ไบด์ และเถ้าถ่านหินเป็นวัสดุประสานดังนี้
ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1
จากการขยายขนาดอนุภาคของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (scanning electron microscope: SEM) พบว่าปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 มีลักษณะเป็นเหลี่ยมมุม ผิวขรุขระ เป็นก้อนรูปทรงไม่แน่นอน ความถ่วงจําเพาะของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 เท่ากับ 3.15 ซึ่งอยู่ในเกณฑ์ปกติของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ทั่วไปตามมาตรฐาน ASTM C 150 ที่มีค่าอยู่ระหว่าง 3.00 ถึง 3.20 ส่วนองค์ประกอบทางเคมีของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 มีออกไซด์หลัก ได้แก่ แคลเซียมออกไซด์ (calcium oxide: CaO) ซิลิกา (silicon dioxide: SiO2) อลูมินา (aluminum oxide: Al2O3) และเฟอร์ริกออกไซด์ (iron oxide: Fe2O3) รวมกันได้ร้อยละ 96.3
กากแคลเซียมคาร์ไบด์
กากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่มาจากโรงงานโดยตรงมีความชื้นอยู่มาก ลักษณะเหมือนดินเหนียวสีเทาเข้ม สามารถปั้นเป็นก้อนได้ เมื่อนําไปตากแดดให้แห้งได้เป็นสีเทาอ่อน ความละเอียดของกากแคลเซียมคาร์ไบด์สามารถพิจารณาได้จากปริมาณของอนุภาคที่ค้างบนตะแกรงมาตรฐานเบอร์ 325 (ขนาดช่องเปิด 45 ไมครอน) ที่ทดสอบด้วยวิธี wet sieve analysis ตามมาตรฐาน ASTM C 430 ซึ่งพบว่ากากแคลเซียมคาร์ไบด์มีปริมาณอนุภาคค้างบนตะแกรงมาตรฐานเบอร์ 325 ร้อยละ 22 ความละเอียดของกากแคลเซียมคาร์ไบด์แสดงให้เห็นถึงขนาดของอนุภาคที่เล็กลง ทําให้มีพื้นที่ผิวทําปฏิกิริยาปอซโซลานได้ดีขึ้น จากการขยายขนาดอนุภาคของวัสดุด้วยกล้อง SEM พบว่ากากแคลเซียมคาร์ไบด์จากโรงงานโดยตรงมีรูปร่างไม่แน่นอน เป็นเหลี่ยมมุม พื้นผิวขรุขระ ความถ่วงจําเพาะของกากแคลเซียมคาร์ไบด์เท่ากับ 2.32 ซึ่งใกล้เคียงกับความถ่วงจําเพาะของเถ้าถ่านหิน สําหรับสมบัติทางเคมีของกากแคลเซียมคาร์ไบด์ พบว่ามี CaO สูงถึงร้อยละ 52.71 และมี LOI (loss on ignition) สูงถึงร้อยละ 40.1 เนื่องจากอุณหภูมิที่ใช้ในการทดสอบ LOI มีค่าสูงประมาณ 950 องศาเซลเซียส และกากแคลเซียมคาร์ไบด์มีองค์ประกอบ Ca(OH)2 เป็นส่วนใหญ่ทําให้สามารถสลายตัวเป็น CaO และไอน้ำระเหยออกไป
เถ้าถ่านหิน
การศึกษานี้ใช้เถ้าถ่านหินที่ได้โดยตรงจากโรงไฟฟ้าแม่เมาะ ซึ่งมีความถ่วงจําเพาะเท่ากับ 2.23 มีอนุภาคค้างตะแกรงเบอร์ 325 ร้อยละ 32 และอยู่ในเกณฑ์มาตรฐาน ASTM C 618 ที่กําหนดไว้ไม่เกินร้อยละ 34 โดยน้ำหนัก จากการขยายอนุภาคของเถ้าถ่านหิน พบว่าเถ้าถ่านหินมีลักษณะกลมและมีขนาดคละกันซึ่งเป็นลักษณะเด่นของเถ้าถ่านหินจากแม่เมาะที่ทําให้สามารถเกิดปฏิกิริยาปอซโซลานได้ดี ตลอดจนขนาดที่คละกันสามารถอุดช่องว่างในคอนกรีต ทําให้คอนกรีตมีความทึบน้ำมากขึ้นด้วย สําหรับองค์ประกอบทางเคมีของเถ้าถ่านหินแม่เมาะมีผลรวมของสารประกอบหลัก SiO2, Al2O3 และ Fe2O3 เท่ากับร้อยละ 72.51 และมีค่า LOI ร้อยละ 0.07 ซึ่งจัดเป็นเถ้าถ่านหิน Class F ตามมาตรฐาน ASTM C 618
มวลรวม
ในการศึกษาครั้งนี้ใช้ทรายแม่น้ำเป็นมวลรวมละเอียด โดยมีค่ามอดูลัสความละเอียดเท่ากับ 2.72 และความถ่วงจําเพาะเท่ากับ 2.63 ส่วนมวลรวมหยาบใช้หินขนาดใหญ่สุดเท่ากับ 19 มิลลิเมตร และมีความถ่วงจําเพาะเท่ากับ 2.75 ร้อยละการของดูดซึมน้ำของมวลรวมหยาบและมวลรวมละเอียดเท่ากับ 0.55 และ 1.12 ตามลําดับ
การเตรียมตัวอย่าง
เตรียมตัวอย่างทดสอบโดยใช้ส่วนผสมคอนกรีตซึ่งได้ออกแบบส่วนผสมคอนกรีตของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ตามมาตรฐานของ ACI 211.1-91 เป็นส่วนผสมควบคุม และกําหนดใช้อัตราส่วนวัสดุประสานคือ กากแคลเซียมคาร์ไบด์ต่อเถ้าถ่านหินต่อปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 เท่ากับ 60:30:10, 60:20:20, 60:10:30, 50:40:10, 50:30:20, 50:20:30, 40:50:10, 40:40:20 และ 40:30:30 โดยน้ำหนัก ใช้อัตราส่วนน้ำต่อวัสดุประสานคงที่เท่ากับ 0.45 ทําการควบคุมค่ายุบตัวของคอนกรีตสดให้อยู่ในช่วง 50-100 มิลลิเมตร โดยใช้สารลดน้ำพิเศษ (superplasticizer) หล่อตัวอย่างคอนกรีตทรงกระบอกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มิลลิเมตร สูง 200 มิลลิเมตร ถอดแบบหลังจากหล่อตัวอย่างคอนกรีตแล้วประมาณ 24 ชั่วโมง จากนั้นนําตัวอย่างทดสอบไปบ่มในน้ำประปา และทําการทดสอบกําลังอัดของคอนกรีต (แต่ละส่วนผสมเฉลี่ยจากตัวอย่างคอนกรีต 3 ก้อน) ตามมาตรฐาน ASTM C 39 ที่อายุ 7, 14, 28 และ 90 วัน
ผลการวิจัยและวิจารณ์ผล
การพัฒนากําลังอัดของคอนกรีต
พบว่าผลการทดสอบกําลังอัดของคอนกรีต (เฉลี่ยจากตัวอย่างคอนกรีต 3 ก้อน) ที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่อายุบ่มในน้ำ 7, 14, 28 และ 90 วัน เมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างกําลังอัดและอายุการบ่มของคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ร้อยละ 40, 50 และ 60 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน พบว่าคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ทุกส่วนผสมมีกําลังอัดต่ำกว่าคอนกรีตของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ที่ทุกอายุทดสอบ โดยคอนกรีต 40:30:30 มีกําลังอัดสูงสุดในกลุ่มที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ โดยคิดเป็นร้อยละ 38, 43, 51 และ 52 ของกําลังอัดคอนกรีตของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ที่อายุ 7, 14, 28 และ 90 วัน ตามลําดับ คอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่ได้จากการศึกษาครั้งนี้สามารถพัฒนากําลังอัดได้สูงสุดเพียงร้อยละ 52 ของคอนกรีตควบคุมเท่านั้น อาจเป็นผลจากกากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่ใช้มีอนุภาคที่หยาบเพราะไม่ได้ผ่านการปรับปรุงขนาดอนุภาคโดยการบดให้ละเอียดจึงทําให้เกิดปฏิกิริยาปอซโซลานได้ไม่สมบูรณ์ กลไกการให้กําลังของคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ เถ้าถ่านหินและปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เกิดจากปฏิกิริยาสองส่วน ได้แก่ ปฏิกิริยาปอซโซลานที่เกิดจากซิลิกา (SiO2) กับอลูมินา (Al2O3) ที่เป็นองค์ประกอบหลักในเถ้าถ่านหินเข้าทําปฏิกิริยากับแคลเซียมไฮดรอกไซด์ (Ca(OH)2) ที่อยู่ในกากแคลเซียมคาร์ไบด์ได้เป็นแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรตและแคลเซียมอลูมิเนตไฮเดรตที่เป็นสารที่ให้ความแข็งแรงกับคอนกรีต
ส่วนที่สองเป็นปฏิกิริยาไฮเดรชั่นระหว่างปูนซีเมนต์กับน้ำที่ได้ผลิตภัณฑ์เป็นแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรตที่ให้กําลังกับคอนกรีตโดยตรง และเกิดแคลเซียมไฮดรอกไซด์ที่สามารถเข้าทําปฏิกิริยาปอซโซลานกับซิลิกาและอลูมินาในเถ้าถ่านหิน และเกิดเป็นสารประกอบแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรตที่ให้กําลังกับคอนกรีตได้อีกด้วย ดังนั้นกากแคลเซียมคาร์ไบด์น่าจะเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลให้กําลังอัดของคอนกรีตต่ำกว่าคอนกรีตควบคุม (คอนกรีตของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1) เนื่องจากเถ้าถ่านหินที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้เป็นเถ้าถ่านหินชนิดที่มีปริมาณซิลิกาและอลูมินาค่อนข้างสูง ตลอดจนมีอนุภาคที่กลมตัน มีขนาดคละที่ดีที่สามารถทําปฏิกิริยาปอซโซลานได้ดีอยู่แล้ว ตลอดจนมีผลการศึกษายืนยันได้ว่าเถ้าถ่านหินจากโรงไฟฟ้าแม่เมาะสามารถนํามาใช้ผสมคอนกรีตได้โดยตรงโดยไม่จําเป็นต้องบดละเอียด
นอกจากนั้น พบว่าคอนกรีตทุกส่วนผสมมีอัตราการเพิ่มของกําลังอัดสูงในช่วง 28 วันแรก หลังจากนั้นกําลังอัดมีการพัฒนาในอัตราที่ลดลง กําลังอัดที่เพิ่มในช่วงต้นอาจเป็นผลจากปฏิกิริยาไฮเดรชั่นระหว่างปูนซีเมนต์กับน้ำเป็นหลัก ทั้งนี้เนื่องจากปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์มีสารประกอบหลักคือ C3A และ C3S ซึ่งเป็นสารที่ช่วยให้เกิดการก่อตัวช่วงต้นของคอนกรีต ส่งผลให้ระยะเวลาในการก่อตัวของคอนกรีตเร็วขึ้น ส่วนปฏิกิริยาปอซโซลานระหว่างกากแคลเซียมคาร์ไบด์กับเถ้าถ่านหินเกิดขึ้นช้ากว่าปฏิกิริยาไฮเดรชั่น ประกอบกับอนุภาคที่หยาบของกากแคลเซียมคาร์ไบด์ทําให้ปฏิกิริยาเกิดไม่สมบูรณ์ โดยผลการศึกษาพบว่าปริมาณปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ที่มากขึ้นส่งผลให้กําลังอัดคอนกรีตในช่วง 28 วันสูงขึ้น เช่น คอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ร้อยละ 50 ที่ใช้ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 เป็นส่วนผสมร้อยละ 10, 20 และ 30 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน มีกําลังอัดที่อายุ 28 วัน เท่ากับ 152, 173 และ 206 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร ตามลําดับ เมื่อพิจารณากําลังอัดคอนกรีตที่อายุ 90 วัน พบว่าคอนกรีตที่ผสมปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ปริมาณต่างกันให้กําลังอัดที่อายุ 90 วันใกล้เคียงกัน และเป็นแนวโน้มเดียวกันทั้งกลุ่มที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ร้อยละ 40, 50 และ 60 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน นั่นแสดงให้เห็นว่าปริมาณปูนซีเมนต์มีอิทธิพลต่อกําลังอัดคอนกรีตน้อยลงเมื่ออายุคอนกรีตนานขึ้น ซึ่งน่าจะเป็นผลจากกําลังอัดของคอนกรีตที่เกิดขึ้นในช่วงหลังเกิดจากปฏิกิริยาปอซโซลานระหว่างซิลิกาหรืออลูมินาที่มีในเถ้าถ่านหินกับแคลเซียมไฮดรอกไซด์จากกากแคลเซียมคาร์ไบด์หรือจากปฏิกิริยาไฮเดรชั่นที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้
พิจารณาผลของกากแคลเซียมคาร์ไบด์ต่อร้อยละของกําลังอัดของคอนกรีตที่อายุ 90 วัน เทียบกับอายุ 28 วัน พบว่าคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ในปริมาณสูงขึ้นส่งผลให้ร้อยละกําลังอัดที่อายุ 90 วัน เทียบกับ 28 วัน มีแนวโน้มสูงขึ้น แสดงถึงปริมาณกากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่เพิ่มขึ้น ทําให้การพัฒนากําลังอัดของคอนกรีตในช่วง 28 ถึง 90 วันมีแนวโน้มสูงขึ้น ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาปอซโซลานระหว่างเถ้าถ่านหินและกากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่เกิดขึ้นในช่วง 28 ถึง 90 วัน เช่น คอนกรีตที่ผสมปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ร้อยละ 10 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน และมีส่วนผสมของกากแคลเซียมคาร์ไบด์ร้อยละ 40, 50 และ 60 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน มีร้อยละของกําลังอัดคอนกรีตที่อายุ 90 วัน เทียบกับอายุ 28 วัน เท่ากับ 147.5, 150.0 และ 168.4 ตามลําดับ นอกจากนั้นพบว่าที่ปริมาณกากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่เท่ากัน คอนกรีตที่ผสมปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ในปริมาณที่มากขึ้นทําให้ร้อยละกําลังอัดของคอนกรีตที่อายุ 90 วันเมื่อเทียบกับ 28 วัน มีแนวโน้มลดลงอย่างชัดเจน โดยคอนกรีตที่ผสมกากแคลซียมคาร์ไบด์ร้อยละ 40 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน และมีส่วนผสมของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ร้อยละ 10, 20 และ 30 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน มีร้อยละกําลังอัดของคอนกรีตที่อายุ 90 วัน เทียบกับอายุ 28 วันเท่ากับ 147.5, 130.2 และ 117.0 ตามลําดับ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าอิทธิพลของปฏิกิริยาไฮเดรชั่นที่เกิดจากปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์มีผลต่อการพัฒนากําลังอัดของคอนกรีตในช่วง 28 ถึง 90 วัน น้อยกว่าปฏิกิริยาปอซโซลานที่เกิดจากกากแคลเซียมคาร์ไบด์
ผลของกากแคลเซียมคาร์ไบด์ต่อกําลังอัดของคอนกรีต
พิจารณาผลของกากแคลเซียมคาร์ไบด์ต่อกําลังอัดของคอนกรีตที่อายุ 28 และ 90 วัน พบว่าการใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ในปริมาณที่สูงขึ้นส่งผลให้กําลังอัดคอนกรีตมีแนวโน้มต่ําลง โดยมีผลเหมือนกันทั้งสองอายุทดสอบ เช่น คอนกรีตที่ผสมปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ร้อยละ 10 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน และใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ผสมในคอนกรีตร้อยละ 40, 50 และ 60 โดยน้ำหนักวัสดุประสาน มีกําลังอัดที่อายุ 28 วัน เท่ากับ 160, 152, 148 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร ตามลําดับ และเมื่อคอนกรีตมีอายุเพิ่มขึ้นเป็น 90 วัน พบว่าคอนกรีตกลุ่มดังกล่าวมีกําลังอัดใกล้เคียงกันมากขึ้น โดยมีค่าเท่ากับ 236, 222 และ 224 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร ตามลําดับ การใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์มากขึ้นมีผลให้กําลังอัดต่ำลงโดยเฉพาะที่อายุต้นๆ เป็นเพราะปฏิกิริยาปอซโซลานที่เกิดจากกากแคลเซียมคาร์ไบด์และเถ้าถ่านหินเกิดขึ้นน้อยและไม่มีผลทําให้กําลังของคอนกรีตสูงขึ้น รวมทั้งการแทนที่กากแคลเซียมคาร์ไบด์ในสัดส่วนมากขึ้น ทําให้ปริมาณของเถ้าถ่านหินในคอนกรีตลดลง ซึ่งส่งผลให้ปฏิกิริยาปอซโซลานระหว่างเถ้าถ่านหินกับแคลเซียมไฮดรอกไซด์ที่เกิดจากปฏิกิริยาไฮเดรชั่นระหว่างปูนซีเมนต์กับน้ำลดลงด้วย จึงทําให้คอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ในปริมาณสูงขึ้น (เถ้าถ่านหินปริมาณน้อยลง) มีกําลังอัดต่ำลงดังที่กล่าวมาข้างต้น
ผลดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาปอซโซลานที่เกิดจากเถ้าถ่านหินกับสารประกอบแคลเซียมไฮดรอกไซด์จากปฏิกิริยาไฮเดรชั่นมีอิทธิพลต่อการเพิ่มขึ้นของกําลังอัดมากกว่าปฏิกิริยาปอซโซลานระหว่างเถ้าถ่านหินกับกากแคลเซียมคาร์ไบด์ ซึ่งอาจเป็นเพราะกากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้มีอนุภาคที่หยาบจึงทําให้แคลเซียมไฮดรอกไซด์จากกากแคลเซียมคาร์ไบด์มีความไวต่อการเกิดปฏิกิริยาปอซโซลานได้น้อยกว่าแคลเซียมไฮดรอกไซด์ที่ได้จากปฏิกิริยาไฮเดรชั่น ส่วนที่อายุ 90 วัน ที่พบว่ากําลังอัดของคอนกรีตมีแนวโน้มใกล้เคียงกันมากขึ้น อาจเป็นผลจากปฏิกิริยาปอซโซลานระหว่างแคลเซียมไฮดรอกไซด์ที่ได้จากกากแคลเซียมคาร์ไบด์กับซิลิกาจากเถ้าถ่านหินเริ่มมีอิทธิพลต่อการเพิ่มกําลังอัดในระยะยาว ตลอดจนแคลเซียมไฮดรอกไซด์จากปฏิกิริยาไฮเดรชั่นมีปริมาณลดลง จึงส่งผลให้กําลังอัดคอนกรีตที่เพิ่มขึ้นในช่วงหลังน่าจะเกิดจากกากแคลเซียมคาร์ไบด์และเถ้าถ่านหินเป็นหลัก
ถึงแม้ว่าการใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ผสมคอนกรีตในปริมาณที่สูงจะมีผลให้กําลังอัดคอนกรีตลดลง แต่พบว่าการพัฒนากําลังอัดในช่วง 28 ถึง 90 วัน ที่แสดงในร้อยละของกําลังอัดที่อายุ 90 วัน เทียบกับ 28 วัน มีแนวโน้มสูงขึ้นดังที่กล่าวมาข้างต้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ผสมในคอนกรีตส่งผลดีต่อกําลังอัดในระยะยาว โดยเฉพาะในช่วงหลังจาก 90 วันเป็นต้นไป ดังนั้นถ้ามีการใช้งานจริงของคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ ควรให้การรับแรงเชิงกลในช่วงต้นต่ำลงเพื่อไม่ให้เกิดการแตกร้าวในคอนกรีต
ความหนาแน่นของคอนกรีต
พิจารณาความหนาแน่นของคอนกรีตพบว่าคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ทุกส่วนผสมมีความหนาแน่นน้อยกว่าคอนกรีตของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ซึ่งเป็นเพราะกากแคลเซียมคาร์ไบด์มีความถ่วงจําเพาะต่ำกว่าปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 โดยคอนกรีตที่ใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์เป็นส่วนผสมมีความหนาแน่นอยู่ในช่วงร้อยละ 93 ถึง 97 ของคอนกรีตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ที่ไม่ได้ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ ความหนาแน่นคอนกรีตที่ต่ำลงจะเป็นผลดีในการใช้งาน เนื่องจากสามารถลดน้ำหนักของโครงสร้างลงได้
การประยุกต์ใช้คอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์จากโรงงานโดยตรงในงานก่อสร้าง จากผลการศึกษาสมบัติด้านการรับแรงอัดของคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่ได้จากโรงงานโดยตรงและไม่ผ่านการปรับปรุงคุณภาพ พบว่ากากแคลเซียมคาร์ไบด์สามารถนํามาใช้ในงานก่อสร้างได้ แต่ต้องคํานึงถึงลักษณะของงานที่เหมาะสมตามกําลังอัดที่มีผลทดสอบยืนยัน ในการศึกษาครั้งนี้ได้เสนอแนะส่วนผสมที่เหมาะสมตามลักษณะของงานโดยใช้กําลังอัดที่อายุ 28 วัน เป็นเกณฑ์ดังนี้
1. คอนกรีตที่ใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์เป็นส่วนผสมที่มีกําลังอัดที่อายุ 28 วัน น้อยกว่า 100 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร ควรใช้ในงานก่อสร้างอิฐบล๊อกชนิดไม่รับน้ำหนัก (มอก. 77-2517) เพื่อใช้ในงานผนังและงานทั่วไปที่ใช้กําลังอัดคอนกรีตต่ำ
2. คอนกรีตที่ใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์เป็นส่วนผสมที่ให้กําลังอัดที่อายุ 28 วัน ในช่วง 100 ถึง 200 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร ควรใช้ในงานก่อสร้างอิฐบล๊อกชนิดรับน้ําหนัก (มอก. 57-2530) เพื่อใช้ในงานคอนกรีตบล๊อกปูพื้นและงานผนังชนิดรับน้ำหนัก
3. คอนกรีตที่ใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์เป็นส่วนผสมที่ให้กําลังอัดที่อายุ 28 วัน สูงกว่า 200 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร สามารถนําไปใช้ในงานโครงสร้างที่พักอาศัยขนาดเล็กและงานปูพื้นคอนกรีตทั่วไปได้
จากผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าเถ้าถ่านหินผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ที่ได้จากโรงงานโดยตรงผสมเถ้าถ่านหินมีศักยภาพในการนํามาใช้เป็นวัสดุประสานชนิดใหม่ในงานคอนกรีตได้ เนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุทั้งสองทําให้เกิดปฏิกิริยาปอซโซลานที่ให้ความแข็งแรงเชิงกลกับคอนกรีต และสามารถใช้กับงานที่ไม่ต้องการกําลังของคอนกรีตในระยะแรกสูง เป็นการลดปริมาณขยะที่เกิดขึ้นและลดปัญหาสิ่งแวดล้อมจากกากแคลเซียมคาร์ไบด์และเถ้าถ่านหิน อีกทั้งยังช่วยลดต้นทุนในการผลิตคอนกรีต และเป็นการสนับสนุนในการใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์และเถ้าถ่านหินให้เป็นประโยชน์มากขึ้น
สรุปผลการวิจัย
ผลการศึกษาสรุปได้ดังนี้
1. ปริมาณของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 มีอิทธิพลต่อกําลังอัดคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ในช่วงต้น โดยการใช้ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 มากขึ้น มีผลให้กําลังอัดของคอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ในช่วง 28 วันสูงขึ้น ส่วนที่อายุ 90 วัน ปฏิกิริยาปอซโซลานระหว่างกากแคลเซียมคาร์ไบด์กับเถ้าถ่านหินมีผลให้กําลังอัดคอนกรีตสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง
2. การใช้กากแคลเซียมคาร์ไบด์ผสมคอนกรีตในปริมาณสูงขึ้นทําให้กําลังอัดคอนกรีตในระยะต้นลดลง แต่มีผลให้ร้อยละกําลังอัดที่อายุ 90 วันเทียบกับอายุ 28 วันเพิ่มขึ้น ซึ่งแสดงถึงการพัฒนากําลังอัดในระยะยาวที่ดีขึ้น
3. การศึกษาครั้งนี้พบว่าคอนกรีต 40:30:30 มีกําลังอัดสูงสุดที่อายุ 28 วัน เท่ากับ 224 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร โดยคิดเป็นร้อยละ 51 ของคอนกรีตจากปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 และสามารถพัฒนาเป็นคอนกรีตโครงสร้างได้
4. คอนกรีตที่ผสมกากแคลเซียมคาร์ไบด์ทุกส่วนผสมมีความหนาแน่นน้อยกว่าคอนกรีตของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1
5. คอนกรีตที่ได้จากการศึกษาในครั้งนี้สามารถนําไปใช้งานให้เหมาะสมกับลักษณะของงานก่อสร้าง ซึ่งจะช่วยลดปริมาณการใช้ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์และใช้ประโยชน์จากวัสดุเหลือทิ้งได้
บทความวิจัยโดยณัฐกร แนบทอง และวิเชียร ชาลี ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยบูรพา ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 17 ฉบับที่ 2 กรกฎาคม-ธันวาคม 2555 หน้า 38-49 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com