چکیده :هدف این مقاله معرفی روشی جهت تغییر دادن رنگ سنگ های تزئینی و نما می باشد. اساس این روش از تأثیر فرآیند های طبیعی جوی)نظیر گرما و نور آفتاب در طی زمانهای بسیار) بر روی سنگ های ساختمانی و تزئینی الهام گرفته شده است. بدین منظور سنگ های ساختمانی از نظر کانی شناسی و خصوصیاتفیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مطالعه و بررسی شدند. با در نظر گرفتن عناصر و عواملموثر، تعدادی از سنگ های تزئینی به عنوان نمونه برگزیده شد و آزمایشهای حرارتی تحتشرایط معین، انجام گرفت. نمونه های بدست آمده تحت آزمایشهای فیزیکی، مکانیکی وشیمیایی قرار گرفته و پس از مطالعه، موفقیت سنگ های تغییر رنگ یافته از نظر جلوهرنگ ظاهری، ثبات رنگ حاصل و خصوصیات استاندارد مشخص شده است .
مقدمه:
عموماً سنگ های تزئینی ایران از نظررنگ بندی دارای تنوع بسیاری می باشند که این مسئله اکثراً به دلیل وجود ناخالصی هایآهن موجود در این سنگها است. همانطور که می دانیم در بین سنگهای ساختمانی و تزئینی،می توان سنگهایی را نام برد که تحت اثر شرایط جوی شامل عوامل فیزیکی (گرما و نور)یا عوامل شیمیایی (باران های اسیدی) دچار هوازدگی و در پی آن تغییر رنگ ظاهری سنگمی شوند. از این میان می توان سنگ مرمریت قرمز سنندج که در اثر هوازدگی به رنگسفید تمایل پیدا می کند، همچنین مرمریت خاکستری لاشتر و یا برخی از گرانیت ها که بهمرور زمان کمرنگ می شوند را نام برد. این نکته ما را بر آن داشت که با بررسی عواملتغییر رنگ سنگ های تزئینی به صورت شبیه سازی این عوامل در آزمایشگاه بتوانیم درزمان بسیار کمتر با کنترل عوامل هوازدگی به روشی نوین جهت تغییر رنگ سنگ دست پیداکنیم.
در این زمینه تا پیش از این تنها در برخی کشورها نظیر کشور چین امکانتغییر رنگ سنگ آن هم با استفاده از مواد رنگزا میسر شده است که دارای نقایصی نظیرعدم ثبات رنگ بدست آمده می باشد. در این تحقیق با مطالعه رفتار تأثیر عوامل جوینظیر گرما و نور در طی زمان، توانستیم با کنترل، محاسبه و مهار حرارت اعمالی به سنگدر زمانهای محاسبه شده موفق به تغییر رنگ سنگ های تزئینی و ساختمانی شویم.
مطالعه تأثیر حرارت:
سنگها رسانای ضعیف گرمایند و دامنه مقدار رسانندگی آنها از 1/0 تا 7 j/m.s.cمی‌باشد و از این لحاظ ضعیف‌تر از فلزات می‌باشند زیرا رسانندگی در فلزات، الکترونی است در حالی‌که در سنگها به صورت فونونی می‌باشد. به همین دلیل کانیهایی چون مگنتیت، هماتیت و لیمونیت رسانندگی بالایی دارند (30-10 j/m.s.c). افزایش دما دامنه ارتعاش اتمی کانی‌ها را افزایش می‌دهد و همچنین با افزایش اعمال حرارت بر روی سنگها شاهد کاهش چگالی و افزایش تخلخل سنگ و همچنین کاهش شدید مدول یانگ هستیم.
یکی از عوامل اصلی رنگ در سنگها و کانی‌ها عنصر Fe؛ یا به عبارتی داشتن ناخالصیهای هماتیت، لیمونیت و بعضاً کلریت می‌باشد. در مورد سنگهای قیمتی نیز می‌توان عنصر Crرا مثال زد که در یاقوت باعث رنگ قرمز و در زمرد باعث رنگ سبز می‌شود و در کوارتز اسموکی نیز رنگ کانی متاثر از وجود ناخالصی Al3+می‌باشد.
در مورد تأثیر حرارت بر روی رنگ کانی‌ها، تاکنون آزمایشاتی صورت پذیرفته که به عنوان مثال الکترون‌های کوارتز دودی پس از گرمایش جابجا شده و پس از جفت شدن الکترون‌ها، کوارتز دودی بی‌رنگ شده است. همچنین می‌توان کانی اسپودومن (Spodumene) سفید رنگ را مثال زد که وقتی تا دمای 250 درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شود ارغوانی می‌گردد و با افزایش حرارت بیشتر تا دمای 500 درجه سانتیگراد کاملاً بی‌رنگ می‌گردد. در یک نمونه سیدریت نیز پس از اعمال گرما، رنگ کانی تیره گشت که این را می‌توان مرتبط با اکسیداسیون Fe2+دانست. با توجه به اینکه رنگ، یکی از چشم‌گیر‌ترین مشخصه‌های سنگهای قیمتی می‌باشد بررسی تأثیر حرارت بر روی رنگ آنها نیز جایگاه خود را بیشتر نمایان می‌سازد.
حرارت در خصوص سنگهای تزئینی و نما در نمونه‌های مختلف تأثیر متفاوتی بر روی رنگ سنگها می‌گذارد که در برخی موارد مناسب و در برخی دیگر نیز نامناسب می‌باشد چرا که گاهی رنگ اولیه جذاب‌تر می‌نماید. این مقاله در ادامه به شرح تأثیر حرارت بر روی رنگ سنگ تزئینی و مهار این عامل به عنوان روشی جهت تهیه سنگ جدید می‌پردازد.
مطالعه و بررسی سنگها:
ابتدا مطالعه جامعی بر روی کلیه سنگهای تزئینی و ساختمانی ایران که در مقابل هوازدگی دچار تغییر رنگ ظاهری شده بودند انجام گرفت. اکثر این دسته از سنگها دارای ناخالصیهای رنگی همچون ترکیبات آهن بودند که همانطور که قبلاً توضیح داده شد کانی‌های مگنتیت، هماتیت و لیمونیت از نظر رسانندگی گرمایی درسطح بالایی قرار دارند.
پس از مطالعه خواص کانی‌شناسی و مکانیکی این دسته از سنگهای ساختمانی، تعدادی از آنها جهت انجام آزمایشات حرارتی انتخاب شد. هدف این بود که در آزمایشگاه بتوان سرعت تأثیر عوامل جوی نظیر حرارت را که طی زمانهای بسیار باعث تغییر رنگ سنگ می‌شود تسریع نمود.
انتخاب نمونه‌ها:
پس از بررسی نهایی تأثیر عوامل جوی نظیر دما در طی زمانهای بسیار، تعدادی از سنگهای تزئینی ایران که با توجه به مشخصات کانی‌شناسی آنها پیش‌بینی می‌شد پس از اعمال گرما در زمانهای کوتاه‌تر به رنگ دلخواه و مناسبتر برسند انتخاب شدند. به منظور داشتن تنوع در نوع سنگ از هر خانواده سنگ تزئینی یک نمونه مناسب انتخاب گردید که عبارتند از سنگ تراورتن لیمویی، سنگ آذرین گابرو سبز رنگ، سنگ آهک زرد رنگ و سنگ آهک زرد مایل به قهوه‌ای کم رنگ.
مشخصات ظاهری نمونه‌ها:
برای هر نوع سنگ تعداد 40 نمونه مکعبی صیقلی با ابعاد مناسب آماده شد (بدلیل بررسی روند تغییر رنگ و خطای کمتر در انتخاب نهایی، این تعداد نمونه در نظر گرفته شد). نمونه‌ها به صورت صیقلی انتخاب گردید تا بتوان ضمن بررسی تأثیر حرارت بر روی رنگ سنگ، تأثیر حرارت بر روی کیفیت پولیش سنگ را نیز به عنوان عاملی بسیار مهم در سنگ تزئینی بررسی نمود.
مشخصات محیط انجام آزمایش:
جهت انجام عملیات حرارتی، کوره‌ای از نوع کوره سرامیکی پیشرفته با اندازه دهانه ورودی مناسب و همچنین با داشتن توانایی اعمال گرما در نرخ‌های زمانی متفاوت، در دماهای پایین و بالا، انتخاب شد. هر نمونه جداگانه در دما و زمان متفاوت داخل کوره قرار گرفتند و با اعمال گرما و نرخ افزایش دمای مناسب گرم شدند و در زمانهای متفاوت پس از سرد شدن با نرخ بازگشت دمای مشخص، از کوره خارج گردیدند. حد فواصل دماهای آزمایش شده 25 -20 درجه سیلیوس در نظر گرفته شد.
شرح آزمایشات:
نمونه اول
نمونه اول سنگ تراورتن لیمویی رنگ است. تعداد 40 نمونه آماده‌سازی شده از این سنگ به صورت جداگانه در دماهای مختلف و زمانهای متفاوت داخل کوره قرار گرفتند و پس از طی زمانهای متفاوت از کوره خارج گردیدند. نرخ افزایش دمای مشخص و رنگ ظاهری آن که از رنگ لیمویی به سمت رنگ قرمز تمایل پیدا کرده بود بررسی و مطالعه شد.
به مرور زمان با افزایش دما، رنگ سنگ از رنگ لیمویی به سمت رنگ قرمز پر رنگ سوق پیدا کرد که از بین 40 نمونه سنگ آزمایش شده، نمونه‌هائی که از نظر ظاهری دارای رنگ قرمز مناسبی بودند جهت بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی (طبق استاندارد سنگ تزئینی) به آزمایشگاه ارسال گردیدند.
پس از مطالعه نتایج آزمایشگاهی نمونه‌های حرارت دیده و مقایسه نتایج آنها با نمونه‌های اولیه و همچنین مقایسه با استانداردهای سنگ تزئینی، نمونه موفق از نظر جلوه رنگ ظاهری، ثبات رنگ و نیز خواص فیزیکی و مکانیکی انتخاب گردید. (تصویر 1)
شایان ذکر است در صورتی که عامل گرما و مشخصات محیط تحت کنترل نباشند، گر چه ممکن است که سنگ در ظاهر دارای رنگ مناسبی باشد اما پس از گذشت زمان امکان از دست دادن خصوصیات و از هم‌پاشی آن وجود دارد و این نکته لزوم دقت در فرایند عملیات را نمایان می‌سازد
نمونه دوم
نمونه سنگ دوم نوعی گابرو سبز رنگ است که در اصطلاح بازار سنگ تزئینی، گرانیت نامیده می‌شود. همانند اول سنگ اول تعداد 40 نمونه مکعبی صیقلی از این سنگ تهیه گردید. هر کدام از نمونه‌ها جداگانه در دماهای مشخص و زمانهای معین تحت حرارت قرار گرفتند که روند تغییر رنگ سنگ از رنگ سبز به سمت رنگ قهوه‌ای کاملاً مشهود بود.
درنهایت آن دسته از نمونه‌ها که از نظر ظاهری دارای رنگ قهوه‌ای مناسبی بودند جهت بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی به آزمایشگاه ارسال شدند و از بین آنها نمونه موفق که هم از نظر ظاهری دارای رنگ مناسب و هم از نظر خصوصیات در حد استاندارد بود انتخاب و ثبت گردید. (تصویر 2)
نمونه سوم
این نمونه نوعی سنگ آهکی زرد رنگ است که تحت گرمایش و اعمال حرارت به رنگ قهوه‌ای سوق پیدا می‌کند. تعداد 40 نمونه مکعبی صیقلی تهیه و جداگانه در دماهای متفاوت و زمانهای معین تحت تاثیر حرارت قرار گرفتند. شایان گفتن است که در تعیین دامنه حرارت مورد آزمایش برای هر نوع سنگ، مقاومت حرارتی آنها می‌بایستی مورد توجه قرار گیرد.
پس از انجام آزمایشات و بررسی نمونه‌ها از نظر رنگ و کیفیت پولیش، تعدادی از نمونه‌ها جهت انجام تستهای فیزیکی و شیمیایی به آزمایشگاه فرستاده شد که پس از مطالعه نتایج تستها، نمونه موفق مشخص گردید. (تصویر 3)
نمونه چهارم
نمونه چهارم نیز از خانواده سنگهای آهکی می‌باشد که رنگ اصلی آن زرد رنگ با رگچه‌های قهوه‌ای است. این سنگ خود از نظر ظاهری دارای رنگ زیبایی است اما پس از اعمال حرارت نیز به رنگی چشم نواز تغییر رنگ می‌دهد. همانند آزمایشات قبل تعداد 40 نمونه مکعبی صیقلی از این سنگ تهیه و بر روی آن تستهای حرارتی در زمانهای مختلف و دماهای معین انجام شد.
پس از بررسی روند تغییر رنگ نمونه‌های مختلف که به سمت قهوه‌ای پررنگ و زیبا سوق پیدا کرده بود تعدادی از نمونه‌های مناسب به آزمایشگاه ارسال و تستهای لازم در مورد آنها صورت پذیرفت و در نهایت نمونه موفق انتخاب شد. (تصویر 4)
نتیجه گیری:
در این پژوهش کلیه آزمایشهای لازم شامل تستهای فیزیکی و مکانیکی، مطالعه مقاطع و همچنین تستهای XRDو XRFنمونه‌ها، قبل و بعد از اعمال حرارت و آزمایش ثبات رنگ نمونه‌ها پس از اعمال حرارت و تغییر رنگ نیز انجام گرفته که نتایج آن طی مقاله‌ای در آینده ارایه می‌گردد.
نتایج حاصل از این پژوهش و کاربرد آن را می‌توان به صورت زیر برشمرد:
1- موفقیت در ارایه روش نوین به منظور ایجاد تغییر رنگ عمقی بعضی از سنگهای تزئینی با استفاده از کنترل عوامل حرارت و زمان.
2- بسیاری از سنگهای تزئینی ایران با توجه به دارا بودن ناخالصیهای آهن، قابلیت تغییر رنگ در اثر اعمال حرارت در زمانهای محاسبه شده را دارند.
3- روش ارائه شده این امکان را فراهم می‌سازد که سنگی را با یک بافت اما در دو رنگ متفاوت، در کنار هم داشته باشیم که این پدیده می‌تواند در اصول معماری ساختمان و تزئینات سنگی به صورت تاثیر گذار به کار گرفته شود.
4- کانی‌های ناپایدار و ناخالصیهای رنگی باعث تغییر رنگ سنگ تزئینی می‌شوند که در پیش از انتخاب سنگهای نما می‌توان این موضوع را بوسیله پتروگرافی مطالعه نمود.
5- در مواردی از سنگهای تزئینی که دچار هوازدگی سطحی شده‌اند یا دارای اختلاط رنگ می‌باشند با این روش می‌توان به رنگی ثابت و یکدست درسطح و عمق سنگ رسید که مسئله مهمی در صنعت سنگ تزئینی به شمار می رود.
6- با توجه به محدود بودن ذخایر سنگ تزئینی از نظر تنوع رنگ و محدود بودن به استفاده از رنگ طبیعی سنگ این روش می‌تواند دریچه‌ای را جهت تولید نسل جدید از سنگهای تزئینی و نما بگشاید.
سنگ - مجله روشان روز