بررسی مشخصات فیزیکی و شیمیایی سنگ مرمریت شایان با توجه به استانداردهای ملی و بین‌المللی

سید حسین موسوی
دکتری تخصصی معماری، مدیر واحد معماری و R&D شرکت راداستون

1- کلیات

سنگ یکی از نخستین مصالحی است که توسط بشر اولیه جهت ساخت انواع وسایل، مورد استفاده قرار گرفته است. سختی، استحکام و دوام، همواره به عنوان مهم‌ترین ویژگی‌های سنگ مورد توجه قرار داشته است. بزرگ‌ترین و عجیب‌ترین بناهای ساخته دست بشر از اهرام مصر با سنگ‌هایی به وزن تا 150 تن، دیوار چین به طول بیش از 6000 کیلومتر تا بنای باشکوه تخت جمشید در ایران باستان از جمله بی‌نظیرترین آثار سنگی است که ساخت آن‌ها با امکانات و تجهیزات امروزی نیز بسی دشوار و عجیب به نظر می‌رسد. دوام این بناها بعد از گذشت هزاران سال، علاوه بر اثبات مقاومت بی‌نظیر سنگ در برابر شرایط نامساعد جوی، حاکی از دانش فنی و دقت بسیار بالای سازندگان آن‌هاست. محاسبات دقیق، ابعاد مناسب، چفت و بست سنگ‌ها، استفاده از سیستم اتصال مناسب و ... از جمله مواردی است که در بسیاری از موارد با استانداردهای متداول امروزه نیز مطابقت دارد. وجود ذخایر گسترده و معادن بسیار متنوع از انواع سنگ‌ها، موجب شده تا از ایران به عنوان یکی از قطب‌های تولید سنگ‌های ساختمانی در جهان یاد شود. پیشرفت سریع این صنعت در کنار تنوع بسیار زیاد و پیچیدگی‌های ناشی از بافت ناهمگون درونی، خلل و فرج، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی و مقاومت در برابر شرایط جوی از عواملی است که موجب تبدیل این صنعت به یک حوزه تخصصی شده است. تشخیص جنس سنگ و کیفیت آن یکی از موارد کاملاً تخصصی و نیازمند دانش و تجربه بالاست. تنوع محصول، جهت و نوع برش، ابزارهای مورد استفاده، نوع فرآوری، رگه‌ها و ناخالصی‌ها، بازی رنگ، ضخامت، کیفیت ساب و ... از عواملی است که گاهی حتی افراد خبره را نیز دچار اشتباه در تشخیص می‌کند. لذا لزوم شناخت انواع سنگ‌ها، جهت انتخاب مناسب و طراحی زیبا یکی از اولویت‌های طراحان و استفاده‌کنندگان از سنگ طبیعی به شمار می‌رود. در این مقاله پس از معرفی سنگ‌های ساختمانی به طور عام، مشخصات و ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی سنگ مرمریت شاین به طور خاص و بر اساس استاندارد ASTM، مورد بررسی قرار گرفته است.

1-1- استاندارد ASTM

ASTM بین المللی[1] یکی از بزرگ‌ترین سازمان‌های بین‌المللی توسعه‌دهنده استاندارد است که در سال 1898 در ايالات متحده آمريکا با نام انجمن آزمايش و مواد آمريکا[2] توسط گروهي متشکل از دانشمندان و مهندسان ايجاد شد. استانداردهای گسترده این سازمان شامل استانداردهای فنی برای مواد، محصولات، سامانه‌ها و خدمات است که توسط کمیته‌های تخصصی از 140 کشور جهان با بیش از 30،000 عضو، بصورت سالانه تهیه و منتشر می‌گردد. ASTM مانند سازمان‌هاي استاندارد ديگر مانند BSI (سازمان استاندارد بريتانيا)، DIN (سازمان استاندارد آلمان) و AFNOR (سازمان استاندار فرانسه) است ولي با اين تفاوت که اين سازمان يک هيأت استاندارد ملي نيست که در آمريکا وظيفه توسعه استاندارد را داراست. در حقيقت در آمريکا، مؤسسه ملی استانداردANSI ) )[3] وظيفه‌اي مانند سازمان‌هاي بالا را بر عهده دارد. در ایران، استانداردهای ASTM، منبع تهیه اغلب استانداردهای ملی تهیه شده توسط سازمان ملی استاندارد (INSO)[4] است که از آن جمله می‌توان از استاندارد ملی شماره 5696 نام برد که به ویژگی‌های سنگ مرمریت می‌پردازد و بر اساس استاندارد ASTM C503 [5] تهیه و منتشر شده است. بررسی‌های صورت گرفته در این مقاله نیز بر پایه همین استاندارد انجام شده است.

2- انواع سنگ از نظر منشأ زمین‌شناسی

سنگ‌ها از نظر زمین‌شناسی، به سه گروه سنگ‌های آذرین، رسوبی و دگرگونی تقسیم‌بندی می‌شوند.

2-1- سنگ‌های آذرین (Igneous)

سنگ‌های آذرین، از سرد شدن و انجماد مواد مذاب داخل زمین به وجود می‌آیند. این سنگ‌ها در دو نوع بیرونی و درونی طبقه‌بندی شده که سنگ‌های آذرین درونی، روشن‌تر و دارای بلورهای درشت‌تری هستند. جذب آب پایین، سختی و استحکام بالا و مقاومت در برابر اسیدها و شرایط جوی از ویژگی‌های آن‌هاست. گرانیت، کوارتز و گابرو از جمله معروف‌ترین این سنگ‌ها هستند. سنگ‌های آذرین به دلیل تخلخل کم و جذب آب پایین و در نتیجه کم بودن چسبندگی به ملات برای نمای خارجی به روش چسبانده به سطح پشت کار، مناسب نبوده و به دلیل سختی زیاد برای فضاهای پرتردد مانند کف‌های صنعتی، پارکینگ و کف حیاط بسیار مناسب می‌باشند.

2-2- سنگ‌های رسوبی (Sedimentary)

سنگ‌های رسوبی، از ته‌نشین شدن مواد محلول یا شناور در آب دریاها، رودخانه‌ها و چشمه‌ها به وجود می‌آیند. به دلیل فراوانی منابع آبی مذکور، قسمت عمده‌ای از سنگ‌های سطح زمین، منشأ رسوبی دارند. ماسه‌سنگ‌ها، سنگ‌های آهکی و شیل‌ها شامل تراورتن و بعضی از مرمریت‌ها از جمله سنگ‌های رسوبی به شمار می‌روند.

2-3- سنگ‌های دگرگونی (Metamorphic)

این سنگ‌ها از تغییر در شکل، بافت و ترکیب کانی سنگ‌های رسوبی و آذرین در اثر عواملی مانند دما و فشار زیاد تشکیل می‌شوند. سنگ‌های چینی، مرمر و برخی از مرمریت‌ها به عنوان مهم‌ترین سنگ‌های دگرگونی شناخته می‌شوند. لازم به ذكر است كه دست اندرکاران بازار، سنگ‌ها را با اسامی مختلفی می‌شناسند اما به طور عام، تمام سنگ‌هاي آهكي را ماربل (marble) و به طور خاص، تراورتن‌ها را تراورتن (travertine)، چيني و مرمريت را ماربل (marble)، مرمرها را اُنيكس (onyx) و سنگ‌های آذرين را گرانيت (granite) می‌نامند.

3- سنگ مرمریت دهبید شایان

سنگ مرمریت (نامی که در بازار ایران به این سنگ‌ها اطلاق می‌گردد) شایان در تقسیم‌بندی سنگ‌های طبیعی در دسته سنگ‌های رسوبی قرار می‌گیرد. سنگ‌هاي رسوبي اصولاً منشأ خارجي داشته و در اثر فرسايش سنگ‌هاي دیگر در محيط‌هاي مختلف مانند سطح زمين، رودخانه، درياچه، دريا و باتلاق ته‌نشين شده و از سيمان شدن و به هم چسبيدن ذرات اين سنگ‌ها در اثر فرایند سنگ‌زایی (Diagenesis) سنگ‌هاي رسوبی تشکیل می‌شود. سنگ مرمریت شایان از نوع آهكي يعني كربنات كلسيم می‌باشد (بيش از 50 درصد از مواد تشکیل دهنده آن، كربنات كلسيم است) و بايد توجه داشت كه انتساب فرآیند دگرگونی به اين سنگ یا به عبارتی توجيه كريستالي بودن آن با پديده دگرگوني مبنای درستی نداشته بلکه بر اساس شواهد موجود، نظريه خلوص كربنات در موقع رسوب‌گذاري و كريستاليزاسيون حين فرآیند سنگ‌زایی (دياژنز)، قابل دفاع مي‌باشد. سنگ مرمریت ایران به لحاظ منابع وسیع، تنوع طرح، رنگ و مواد تشکیل دهنده، نسبت به سایر سنگ‌های صادراتی از اولویت بالاتری برخوردار است. در این میان سنگ مرمریت کرم دهبید شایان، از نظر سختی، ظرفیت پرداخت، تنوع، زیبایی و رنگ در جهان کم‌نظیر بوده و به همین دلیل، در تمام دنیا در ردیف سنگ‌های لوکس و گران‌قیمت به حساب می‌آید.

3-1- آنالیز شیمیایی سنگ مرمریت شایان

جدول 1 -  آنالیز شیمیایی سنگ مرمریت شایان

نوع کانی مقدار نوع کانی مقدار
CaO 54.49 % SO3 0.026 %
Al2O3 0.04 % L.O.I 43.46 %
Fe2O3 0.41 % Ba 173  ppm
SiO2 0.57 % Sr 221  ppm
Na2O 0.12 % Cu 14  ppm
K2O 0.11 % Zn 15  ppm
MgO 0.43 % Pb 40  ppm
TiO2 0.006 % Ni 28  ppm
MnO 0.001 % Cr 2  ppm
P2O5 0.085 % Cl 67 ppm

وجود ناخالصي در سنگ باعث ناهمگوني در جنس آن مي‌گردد و در برش يا ساب مشكلاتي را ايجاد مي‌کند. وجود دانه‌هاي سيليس در سنگ‌های آهكی، كيفيت برش و ساب را پايين آورده و هزينه آن را افزايش مي‌دهد. در هنگام فرسایش، به علت عدم فرسايش يكسان آهك و كوارتز، آهك بيشتر فرسايش يافته و سطح سنگ زبر و خشن مي‌گردد. آنالیز شیمیایی مرمریت شایان (جدول 1) نشان می‌دهد که این سنگ دارای ناخالصی خیلی کم (کمتر از 2 درصد) می‌باشد که این موضوع به ازرش این سنگ جهت مصارف ساختمانی و صادرات می‌افزاید.

3-2- مشخصات فیزیکی سنگ‌های ساختمانی

مشخصات فيزيكي سنگ‌های ساختمانی مانند چگالی، تخلخل، درصد جذب آب و ... عامل تعيين‌كننده‌اي در انتخاب آن‌ها با توجه به نوع استفاده، به حساب مي‌آيد. در جدول 2، به برخی از این ویژگی‌ها و مقدار آن‌ها بر اساس استاندارد ملی ایران شماره 5696 اشاره شده است.

جدول 2 -  الزامات فیزیکی سنگ‌های ساختمانی - مرمریت بر اساس استاندارد ملی ایران شماره 5696

ردیف خصوصیات فیزیکی واحد مقدار استاندارد آزمون
1 حداقل چگالی Kg/m3 2595 ASTM C97/C97M[6]
2 حداکثر درصد جذب آب % 2/0 ASTM C97/C97M
3 حداقل مقاومت فشاری MPa 52 ASTM C170/C170M[7]
4 حداقل ضریب گسیختگی MPa 9/6 ASTM C99/C99M[8]
5 حداقل مقاومت سایشی % 10 ASTM C241/C241M[9] ASTM C1353[10]
6 حداقل مقاومت خمشی MPa 9/6 ASTM C880/C880M[11]
 

3-2-1- سختي (Hardness)

دامنة تغيير در سنگ‌هاي ساختمانی از سختي 1 در مقیاس موس (Mohs) براي تالك (سنگ صابون) تا سختي 7 براي گرانيت متفاوت هستند. طبيعي است كه ميزان سختي در قابلیت برش و ساب و در نتیجه در قيمت تمام شده محصول مؤثر است. برش و ساب سنگ‌هاي نرم‌تر، راحت‌تر و توليد آن ارزان‌تر ولي برش و ساب سنگ‌هاي سخت‌تر، مانند گرانيت، مشكل‌تر و گران‌تر خواهد بود. در این زمینه، سنگ مرمریت شایان با سختی 5/3 در مقیاس موس، در زمره سنگ‌های با درجه سختی متوسط قرار می‌گیرید که این موضوع سبب ارزش هر چه بیشتر این سنگ شده به طوری که نه آنقدر سخت است که برش آن سخت و پرهزینه باشد و نه آنقدر نرم و شکننده است که در هنگام برش از بین برود.

3-2-2- جرم واحد حجم یا چگالی (Density)

این مشخصه نشان دهنده مقدار جرم سنگ در واحد حجم بوده که بسته به درجات تراکم مختلف و همچنین میزان رطوبت، متفاوت خواهد بود. بر اساس جرم حجمی، سنگ‌های ساختمانی به دو گروه سبک و سنگین با چگالی كمتر و بيشتر از 1800 كيلوگرم بر مترمكعب تقسيم مي‌شوند. در این خصوص، سنگ مرمریت شایان با جرم حجمی حالت خشک و اشباع به ترتیب 2700 و 2710 كيلوگرم بر مترمكعب، در گروه سنگ‌های سنگین قرار گرفته و از حداقل چگالی لازم (kg/m3 2595) مندرج در استاندارد ASTM نیز بالاتر می‌باشد.

3-2-3- تخلخل (Open porosity)

تخلخل، نشان‌دهنده مقدار فضاهای خالی موجود در توده سنگ است. هرچه تخلخل یک سنگ بیشتر باشد، توده سنگ سبک‌تر و عموماً دارای کیفیت پایین‌تری است. سنگ‌های با تخلخل زیاد معمولاً دارای نفوذپذیری و قدرت جذب آب بیشتری بوده و به همین علت از دوام کمتری برخوردارند. به علاوه، سنگ‌های متخلخل، دارای قدرت جلاپذیری کمتری بوده و مقاومت فشاری آن‌ها نیز از سنگ‌های متراکم کمتر است. سنگ مرمریت شایان با تخلخل 41/0 درصد، جزو سنگ‌های با تخلخل خیلی کم (متراکم) بوده که این امر در ساب‌پذیری بسیار خوب و جذب آب بسیار پایین این سنگ دیده می‌شود.

3-2-4- درصد جذب آب (Water absorption)

ظرفیت جذب آب، یکی از ویژگی‌های فیزیکی و مرتبط با دوام سنگ می‌باشد. جذب آب به وسیله سنگ در اقلیم سرد، موجب یخ‌زدن و انبساط بیشتر آن شده و در نتیجه امکان شکستن و خرد شدن سنگ در این شرایط افزایش می‌یابد. به همین علت در اغلب استانداردها، از درصد جذب آب به عنوان معیاری برای سنجش دوام سنگ در مناطق سردسیر استفاده می‌شود. به طور کلی از نظر فنی، سنگ‌های ساختمانی مطلوب باید از پتانسیل جذب آب کمتری برخوردار باشند. این میزان برای سنگ مرمریت در استاندارد ASTM (جدول 2)، حداکثر 2/0 درصد تعیین گردیده است و آزمایشات مربوطه نشان می‌دهد که درصد جذب آب سنگ مرمریت شایان با مقدار 15/0 درصد در محدوده قابل قبول این استاندارد قرار می‌گیرد.

3-3- مشخصات مکانیکی سنگ‌های ساختمانی

در قسمت‌های زیر هر یک از این مشخصات شرح داده شده است:

3-3-1- مقاومت فشاري (Compressive strength)

مقاومت فشاری سنگ، میزان پایداری آن را در برابر نیروهای فشارشی اعمال شده نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، سنگ‌ها در برابر نيروهاي موثر بر سطح، مقاومت‌هاي گوناگون از خود نشان مي‌دهند و دامنه اين تغييرات در انواع مختلف، متغير است. سایر مشخصات مکانیکی سنگها تا حدودی در رابطه با این ویژگی میباشند و به طور متعارف، سنگی که مقاومت فشاری بالایی دارد، سایر ویژگیهای مکانیکی آن هم مطلوب است. با توجه به آزمایشات انجام گرفته، مقاومت فشاری سنگ مرمریت شایان، 92/63 مگاپاسکال برابر با 80/651 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع بوده که از حداقل مقاومت لازم (52 مگاپاسکال) بر اساس استاندارد ASTM (جدول 2) بالاتر است. این موضوع، قابلیت استفاده از سنگ مرمریت شایان در قسمت‌های مختلف ساختمان را نشان می‌دهد.

3-3-2- مقاومت خمشی (Flexural strength)

مقاومت خمشی، توانایی یک قطعه سنگ در مقابل تنش‌های خمشی است که معمولاً بر حسب مدول گسیختگی بیان می‌شود. این ویژگی بخصوص در قطعاتی از سنگ که در اعضای خمشی ساختمان به کار گرفته می‌شوند (مانند آستانه پنجره ها، کف پله ها و ...)، اهمیت می‌یابد و چنانچه سنگ به کار برده شده در این نقاط، از مقاومت مطلوب برخوردار نباشد، دچار شکستگی خواهد شد. با وجود اینکه رابطه مشخصی بین مقاومت فشاری و خمشی سنگ‌ها برقرار نیست، اما به طور کلی، سنگ‌های دارای مقاومت فشاری بالا، از مقاومت خمشی بیشتری نیز برخوردارند. مطابق با استاندارد ASTM، مقاومت خمشی سنگ مرمریت بایستی از 9/6 مگاپاسکال بیشتر باشد. سنگ مرمریت شایان با دارا بودن مقاومت خمشی 67/7 مگاپاسکال در محدوده قابل قبول این استاندارد قرار می‌گیرد.

3-3-3- مقاومت سایشی (Abrasion Resistance)

مقاومت سایشی سنگ به وضعیت دانه‌بندی و سختی کانی‌های تشکیل‌دهنده بستگی دارد. برخی از سنگ‌ها به علت سختی متفاوت سازنده‌های آن، دچار فرسایش نامنظمی می‌شوند و از این نظر ممکن است نسبت به سنگ‌های با سختی کم اما یکنواخت، کمتر مورد توجه باشند. مقاومت سایشی سنگ، زمانی که در محل‌های در معرض سایش مانند پلکان، پوشش کف ساختمان و پیاده‌روها مورد استفاده قرار می‌گیرد، عاملی تعیین‌کننده در انتخاب نوع سنگ می‌باشد. علاوه بر این، در مناطق خشک که فرسایش باد قابل توجه است یا در امتداد سواحل که وجود ماسه و باد می‌تواند عمل سایش را به وجود آورد، این موضوع باید در نظر گرفته شود. بر اساس استاندارد ASTM حداقل مقاومت سایشی قابل قبول برای سنگ مرمریت برابر 10 می‌باشد (در محل‌های رفت و آمد، حداقل مقاومت سایشی 12 پیشنهاد می‌گردد). برخی از ویژگی‌های فیزیکی سنگ‌ها به طور مستقیم بر مشخصات مکانیکی آنها تأثیر گذاشته و حتی می‌تواند باعث شکستن سنگ شود. یکی از این اثرات که در مقاومت سنگ در برابر یخ‌زدگی بروز پیدا می‌کند، به علت اهمیت و نقش آن در دوام سنگ‌های ساختمانی، به اختصار شرح داده می‌شود.

3-4 - مقاومت در برابر يخ‌زدگي

یکی از عوامل مخرب مؤثر بر سنگ‌های ساختمانی، یخ‌زدگی و ذوب مکرر است. در بسیاری از مناطق سرد و مرطوب، آب جذب شده توسط سنگ‌های ساختمانی، بر اثر کاهش دما یخ زده و دچار افزایش حجم می‌گردد. این افزایش حجم، موجب ایجاد تنش درونی و خرد شدن سنگ می‌شود. به همین علت در انتخاب و کاربرد سنگ ساختمانی در چنین شرایطی باید این ویژگی مورد توجه قرار گیرد. به طور معمول، سنگ‌های متخلخل و دارای درز و ترک، دارای پتانسیل جذب آب و یخ‌زدگی بیشتر بوده و سریع‌تر دچار آسیب می‌شوند. بنابراین در هنگام کاربرد سنگ‌ها در مناطق سرد و مرطوب (به ویژه در قسمت‌های بیرونی بنا)، لازم است با انجام آزمایش یخ‌زدگی، مقاومت سنگ در مقابل این پدیده، مورد بررسی قرار گیرد. به طور متعارف در این ارزیابی، هر یک یا دو چرخه یخ‌زدگی و ذوب معادل 3 تا 5 سال قرارگیری مصالح در شرایط جوّی بیرونی محسوب می‌شود.

[1]- ASTM International
[2]- American Society for Testing and Materials (ASTM)
[3]- American National Standards Institute
[4]- Iranian National Standardization Organization
[5]- ASTM C503:2015, Standard Specification for Marble Dimension Stone
[6] - ASTM C97/C97M, Test Methods for Absorption and Bulk Specific Gravity of Dimension Stone
[7] - ASTM C170/C170M, Test Method for Compressive Strength of Dimension Stone
[8] - ASTM C99/C99M, Test Method for Modulus of Rupture of Dimension Stone
[9] - ASTM C241/C241M ,Test Method for Abrasion Resistance of Stone Subjected to Foot Traffic
[10] - ASTM C1353, Test Method for Abrasion Resistance of Dimension Stone Subjected to Foot Traffic Using a Rotary Platform Abraser
[11] - ASTM C880/C880M, Test Method for Flexural Strength of Dimension Stone