مقایسه دوام و مقاومت تراورتن و مرمر

چکیده

تراورتن و مرمر از سنگ‌های کربناته هستند که به طور گسترده در معماری و پوشش‌های تزئینی ساختمان به کار می‌روند. هر دو عمدتاً از کربنات کلسیم (کلسیت ± آراگونیت یا دولومیت) تشکیل شده‌اند، اما از نظر منشأ و بافت داخلی متفاوت‌اند: تراورتن حاصل رسوب‌گذاری شیمیایی یا زیستی (اغلب لایه‌ای و متخلخل) است، در حالی که مرمر سنگی کربناته دگرگونی و تبلور مجدد (عموماً بلوری و متراکم‌تر) است. این تفاوت‌ها باعث رفتارهای مکانیکی و دوام متفاوت می‌شوند: تخلخل و شکل حفرات، به‌طور قابل توجهی مقاومت فشاری و خمشی، جذب آب، حساسیت به نمک و آسیب‌پذیری در برابر چرخه‌های یخ‌زدگی/ذوب را کنترل می‌کنند. در این مقاله، با تکیه بر داده‌های علمی معتبر، از جمله نتایج تحقیقات هیولکا و همکاران (2023) بر روی تراورتن و گزارش فنی NIST  درباره مرمر، خواص کانی‌شناسی، فیزیکی، مکانیکی و دوام این دو سنگ بررسی و مقایسه می‌شود. همچنین به استانداردهای ASTM برای آزمون‌های مرتبط اشاره شده و توصیه‌های کاربردی برای انتخاب و فرآوری ارائه می‌گردد.

۱. کانی‌شناسی و منشأ (تفاوت در مقیاس میکروسکوپی)

تراورتن: تراورتن نوعی سنگ کربناته است که از رسوب سریع کربنات کلسیم در آب‌های فوق‌اشباع (چشمه‌های معدنی، آب‌گرم یا رودخانه‌ها) تشکیل می‌شود. کانی غالب آن کلسیت است و آراگونیت نیز معمولاً در آن حضور دارد. مکانیزم رسوب‌گذاری باعث ایجاد بافت لایه‌ای و شبکه‌ای از حفرات اولیه (خلل و فرج و حفره‌ها) و حفرات ثانویه می‌شود که ممکن است بعداً با سیمان‌های معدنی یا ناخالصی‌ها پر یا نیمه‌پر گردند. این شبکه‌های حفره‌ای موجب تخلخل نسبتاً بالا و متغیر تراورتن نسبت به سایر کربنات‌های متراکم می‌شود.

مرمر: مرمر یک سنگ دگرگونی کربناته است که از تبلور مجدد سنگ آهک یا دولومیت در اثر فشار و حرارت تشکیل می‌شود. این فرآیند منجر به ایجاد موزاییکی از بلورهای هم‌اندازه کلسیت یا دولومیت می‌شود که معمولاً تخلخل اولیه بسیار کمی دارند. بافت بلوری حاصل، خواص مکانیکی ناهمسان‌گردی را ایجاد می‌کند که به اندازه دانه‌ها، میزان دولومیت و وجود کانی‌های فرعی مانند میکا، سیلیکات‌ها و اکسیدها بستگی دارد.

۲. ویژگی‌های فیزیکی کلیدی که دوام را تعیین می‌کنند

چگالی و وزن مخصوص: مرمر معمولاً چگالی و وزن مخصوص بیشتری نسبت به تراورتن متخلخل دارد. این دو ویژگی رابطه معکوس با تخلخل باز دارند و معمولاً پیش‌بینی‌کننده مقاومت فشاری بالاتر هستند.

تخلخل باز و جذب آب: تراورتن اغلب تخلخل و جذب آب بالاتری دارد (از چند درصد تا بیش از ۱۰٪ حجمی بسته به نوع لایه‌بندی و پرشدگی حفرات). مرمرهای مرغوب معمولاً تخلخل کمتر از ۱٪ تا چند درصد دارند. تخلخل، میزان جذب آب مویینه، انتقال نمک و حساسیت به چرخه یخ‌زدگی/ذوب و تبلور نمک را کنترل می‌کند.

مقاومت سایشی و سختی سطح: هر دو سنگ از نظر سختی معدنی نرم‌اند (کلسیت با سختی ۳ در مقیاس موهس)، اما مقاومت سایشی کلی به تخلخل، پیوند دانه‌ها و وجود کانی‌های سخت‌تر وابسته است. مرمر متراکم معمولاً مقاومت سایشی بیشتری نسبت به تراورتن متخلخل دارد، هرچند تراورتن‌های سیمان‌شده خوب هم می‌توانند عملکرد مناسبی در کف‌پوش‌ها داشته باشند.

3.خواص مکانیکی / مقاومت، سختی و تغییرپذیری

مقاومت فشاری تک‌محوره (UCS)

بطور متوسط،  بسته به منبع و بافت مر مرها، مقاومت فشاری مرمرهای متراکم معمولاً بین چند ده تا حدود ۲۰۰ مگاپاسکال است. بر اساس استانداردهای NIST  ، مقاومت فشاری تک‌محوره  برای مرمر کلسیتی   ~54 MPa UCS و برای مرمر دولومیتی تا ~346 Mpaمی باشد. در نتیجه مرمرهای دولومیتی معمولاً مقاوم‌تر و سخت‌تر از مرمرهای کلسیتی هستند.

برای تراورتن، مقاومت فشاری به شدت به تخلخل و جهت لایه‌بندی وابسته است. فاسیس‌های متراکم تراورتن می‌توانند مقاومت‌هایی نزدیک به مرمرهای ضعیف‌تر داشته باشند. هویلکا و همکاران (2023) برای تراورتن مقاومت فشاری تک‌محوره (UCS) را   13.26 – 48.04 MP و تخلل 8.40% – 14.66% محاسبه کردند. بر اساس نتایج تحقیقاتشان، کاهش تخلخل حتی به میزان کم باعث  افزایش قابل توجه مقاومت می شود و بررسی رفتار سه‌محوره نشان داد که تراورتن متراکم‌تر در فشار جانبی، پایداری بیشتری نشان می‌دهد.

مقاومت خمشی و مدول الاستیسیته

افزایش تخلخل یا وجود ریزترک‌ها باعث کاهش قابل توجه این مقادیر می‌شود. در مرمر، چرخه‌های یخ‌زدگی یا هوازدگی شیمیایی می‌تواند مدول یانگ را به‌طور چشمگیری کاهش دهد. در تراورتن، وجود لایه‌بندی و حفرات بزرگ باعث رفتار خمشی پیچیده‌تر و مقاومت کمتر می‌شود

نکته مهم که باید درنظر گرفته شود این است که حتی در یک معدن، خواص سنگ از یک بلوک به بلوک دیگر متفاوت است، بنابراین باید برای هر سری محصول، آزمون‌های اختصاصی انجام شود.

مقاومت محیطی: یخ‌زدگی/ذوب، تبلور نمک، اسیدها، و چرخه حرارتی

یخ‌زدگی/ذوب: سنگ‌های با تخلخل باز و شبکه حفرات متصل، بیشتر در معرض آسیب ناشی از انجماد و ذوب آب قرار می‌گیرند. مرمرهای متراکم با تخلخل پایین می‌توانند چرخه‌های بیشتری را بدون تخریب تحمل کنند.

تبلور نمک و هوازدگی شیمیایی: تراورتن با حفرات باز محل تجمع نمک است که در مناطق ساحلی یا آلوده باعث تسریع تخریب می‌شود. مرمر نیز در تماس با محیط‌های اسیدی یا آلوده دچار فرسایش سطحی و جداشدن دانه‌ها می‌شود.

پایداری حرارتی: هر دو سنگ در دماهای معمول ساختمانی پایدارند، اما چرخه‌های حرارتی همراه با رطوبت می‌تواند ترک‌های ریز ایجاد کند.

 عملکرد عملی و موارد استفاده

کف و دیوار داخلی:  مرمرهای متراکم برای فضاهای لوکس و کم‌تردد مناسب‌اند. تراورتن (پرشده یا ساب‌خورده) برای ظاهر طبیعی‌تر و سطوح غیرلغزنده داخلی محبوب است.

کاربرد خارجی:  تراورتن در گذشته (مانند بناهای روم باستان) در فضای باز استفاده شده، ولی امروز باید فاسیس کم‌تخلخل یا آب‌بندی‌شده انتخاب شود. مرمر متراکم را می‌توان بیرون به کار برد، ولی در محیط‌های آلوده یا اسیدی آسیب‌پذیرتر است.

محیط‌های مرطوب: تراورتن با پرداخت مات، لغزندگی کمتری دارد اما نیازمند آب‌بندی است. مرمر صیقلی در این فضاها لغزنده است و باید با پرداخت زبرتر استفاده شود.

کاربری سازه‌ای:  به عنوان عضو باربر اصلی توصیه نمی‌شود، مگر با آزمون‌های کامل و طراحی مهندسی.

استانداردها و آزمون‌ها

استانداردهای مهم ASTM و صنعتی که هنگام تعیین مشخصات و آزمایش تراورتن و مرمر باید مورد استفاده قرار گیرند:

• ASTM C1527  (مشخصات استاندارد برای ابعاد  سنگ تراورتن)
• ASTM C503   (مشخصات استاندارد برای ابعاد سنگ مرمر)
• ASTM C97  (جذب آب و چگالی ظاهری ابعاد سنگ (مفید برای آزمایش های تخلخل و جذب آب))
• ASTM C170  (مقاومت فشاری)
• ASTM C241   (مقاومت سایشی سنگ در برابر تردد پیاده رو (مربوط به سنگهای کف))

اجرای یکسری آزمون های کنترل کیفیت که شامل غربالگری بصری پتروگرافی، اندازه گیری چگالی کلی و جذب آب (استاندار ASTM C97 )، غربالگری غیرمخرب با استفاده از سرعت موج P و سختی اشمیت، و همچنین آزمایش های تأییدی مقاومت فشاری و خمشی (استانداردهای ASTM C170 و C99) روی نمونه های نماینده انجام شود. نمونه برداری آماری بسیار مهم است زیرا تغییرات درون معدن میتواند زیاد باشد. (Erdogan (2011))

 مقایسه مستقیم )مزایا و معایب)

مقاومت مکانیکی: مرمر متراکم معمولاً مقاومت فشاری و سایشی بالاتری دارد، اما تراورتن‌های کم‌تخلخل می‌توانند به مقادیر مشابه برسند.

دوام:  هر دو در برابر اسید و نمک آسیب‌پذیرند، ولی تراورتن متخلخل در برابر چرخه یخ‌زدگی حساس‌تر است.

پرداخت: تراورتن طیف وسیعی از پرداخت‌ها را می‌پذیرد و می‌تواند لغزندگی را کاهش دهد؛ مرمر جلای بالایی دارد اما خراش و خوردگی را بیشتر نشان می‌دهد.

 توصیه‌های عملی برای کارخانه

شناسایی دقیق رخساره‌ها و نقشه‌برداری از تخلخل بلوک‌ها

انجام آزمون‌های اجباریC97، C170

آب‌بندی تراورتن‌های متخلخل

انتخاب سنگ بر اساس شرایط محیطی پروژه

درج مشخصات کامل (منبع، فاسیس، تخلخل، مقاومت، پرداخت) در گواهی تحویل

 نتیجه‌گیری

هر دو سنگ دارای ارزش زیبایی و فنی هستند، اما انتخاب درست، با شناخت کامل ویژگی‌ها و آزمون‌های استاندارد، تضمین‌کننده دوام و عملکرد مناسب در پروژه خواهد بود. مرمرهای متراکم (خصوصاً دولومیتی) از نظر مقاومت مکانیکی و دوام، برتری قابل‌توجهی نسبت به تراورتن‌های متخلخل دارند، اما تراورتن‌های کم‌تخلخل می‌توانند به مقاومت‌های مشابه مرمرهای ضعیف‌تر برسند. انتخاب درست باید بر اساس شرایط محیطی، نوع پرداخت و نتایج آزمون‌های استاندارد انجام شود. در نتیجه نکته اساسی در مورد دوام این است که تخلخل، عامل تعیین‌کننده اصلی است. این تحقیق پایه علمی محکمی برای درک این موضوع فراهم می‌کند که چرا تراورتن‌های تراکم‌دار می‌توانند عملکرد مقاومتی قابل‌قبول در برخی کاربردها از خود نشان دهند، مخصوصاً وقتی که با مرمر مقایسه می‌شوند که به‌طور کلی تخلخل پایین‌تر و مقاومت فشاری بالاتری دارد.