جایگزین های سیمان در بتن
جایگزین های سیمان در بتن
سالانه سه تن بتن برای هر فرد روی کره زمین استفاده می‌شود که این مقدار روز به روز در حال افزایش است. امروز ما با یک مشکل روبرو هستیم! سیمان چسبی است که اجزای بتن را به هم متصل می‌کند. سیمان مسئول هشت درصد از انتشار جهانی دی اکسید کربن (CO2) است. دی اکسید کربن مهمترین گاز گلخانه‌ای است که باعث تغییرات آب و هوایی می‌شود. به همین دلیل است که هم تحقیقات و هم صنعت در حال بررسی راه‌هایی برای کاهش این انتشارات یا یافتن مواد جایگزین هستند. یکی از راه‌ها استفاده از جایگزین های سیمان در بتن است. در این بررسی به طور مفصل در مورد موضوع جایگزین های سیمان در بتن صحبت می‌کنیم.
سیمان در بتن
مواد جایگزین سیمان (CRM) موادی هستند که می‌توانند برای جایگزینی سیمان در تولید بتن یا سایر محصولات سیمانی استفاده شوند. برای اینکه یک ماده به عنوان ماده جایگزین سیمان استفاده شود، باید دارای خواص پوزولانی باشد. در پی نیاز اخیر به تولید بتن پایدار، حفظ محیط زیست، کاهش اثرات گلخانه ای در ساخت و ساز و اصلاح خواص بتن، استفاده از ضایعات صنعتی و کشاورزی به عنوان مواد جایگزین سیمان کاربردهای گسترده‌ای یافته است.
برخی از نمونه‌های اساسی مواد جایگزین سیمان عبارتند از:
- خاکستر بادی (خاکستر سوخت پودر شده)
- سرباره کوره بلند دانه بندی شده (GGBS)
- دود سیلیس
- ریزه سنگ آهک
- خاکستر پوسته برنج
- خاکستر سوخت روغن پالم
- خاکستر باگاس نیشکر
توجه به این نکته ضروری است که در حالی که خاکستر بادی، GGBS، دوده سیلیس و ریزه سنگ آهک زباله‌های صنعتی هستند، خاکستر پوسته برنج، خاکستر سوخت روغن پالم و خاکستر باگاس نیشکر ضایعات کشاورزی می‌باشند. استفاده از بسیاری از ضایعات کشاورزی دیگر نیز توسط محققان مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از این ضایعات در تولید بتن می‌تواند ردپای کربن مرتبط با صنعت ساختمان را کاهش دهد و در عین حال به حل مشکلات دفع زباله کمک کند.
به درجات مختلف می‌توان از این مواد در جایگزینی جزئی سیمان استفاده کرد زیرا می‌توانند مانند سیمان پرتلند هیدراته و درمان شوند. علاوه بر این، آنها پوزولان هستند که سیلیسی را فراهم می‌کنند که با آهک هیدراته، محصول جانبی ناخواسته عمل آوری بتن، واکنش می‌دهد. در حالی که محصولات فرعی صنعتی مستقیماً به عنوان جایگزین سیمان استفاده می‌شوند، ضایعات کشاورزی معمولاً در یک محیط/دمای کنترل شده سوزانده می‌شوند و قبل از اینکه خاکستر به عنوان پوزولان استفاده شود، ریز آسیاب می‌شوند.
اگر اکسیدهای سیلیس، آلومینیوم و آهن به دست‌آمده پس از سوزاندن ضایعات کشاورزی تا 70 درصد نباشد، این ماده به عنوان جایگزین سیمان به درستی عمل نمی‌کند. اینها برخی از معایب استفاده از ضایعات کشاورزی هستند. علاوه بر این، معمولاً در مقایسه با ضایعات صنعتی، به دست آوردن مقدار زیادی از ضایعات کشاورزی که بتوان از آنها برای اجرای یک پروژه در مقیاس بزرگ استفاده کرد، چالش برانگیز است. با این حال، اجازه دهید به خواص این مواد جایگزین سیمان و چگونگی تأثیر آنها بر خواص بتن نگاه کنیم.
انواع مواد جایگزین سیمان در بتن
در ادامه به انواع جایگزین‌های سیمان اشاره می‌کنیم:
خاکستر بادی (Fly Ash)
خاکستر بادی پودری ریز است که از سوزاندن زغال سنگ پودر شده یا بدون مواد احتراق دیگر به دست می‌آید. حاوی خواص پوزولانی است و عمدتاً از اکسید آلومینیوم (Al203) و اکسید سیلیکون (SiO2) تشکیل شده است. به طور معمول، این به عنوان محصول جانبی احتراق زغال سنگ از نیروگاه‌ها به دست می‌آید.
خاکستر از گازها بازیابی می‌شود و از جمله کارکردهای دیگر، به عنوان جایگزین سیمان استفاده می‌شود. خاکستر بادی تنها می‌تواند به عنوان جایگزینی جزئی برای سیمان استفاده شود زیرا برای هیدراته شدن به عنوان بخشی از واکنش شیمیایی کلی به آب و آهک سیمان متکی است. استفاده از خاکستر بادی خواص مفیدی را برای بتن تازه و سخت شده ارائه می‌دهد. کارایی بتن تازه، استحکام و دوام بتن سخت شده را بهبود می‌بخشد.
این ماده مقرون به صرفه است و مقدار سیمان مورد نیاز برای ساخت و ساز را کاهش می‌دهد. به طور معمول، 15 تا 30 درصد از سیمان پرتلند با خاکستر بادی جایگزین می‌شود و درصدهای بالاتری نیز برای قرار دادن بتن انبوه استفاده می‌گردند. برای دستیابی به این هدف، یک وزن معادل یا بیشتر از خاکستر بادی جایگزین سیمان حذف شده می‌شود. در یک مطالعه در سال 2017 که در هند منتشر شد، نتایج جایگزینی جزئی سیمان با خاکستر بادی به شرح زیر است.
همانطور که از تحقیقات مشاهده می‌شود، جایگزینی سیمان با 20 تا 30 درصد خاکستر بادی مقاومت فشاری 28 روزه بهتری نسبت به بتن معمولی داشت. بر اساس مطالعه ای که در سال 2010 در لهستان منتشر شد، نمونه‌های بتن حاوی 20 درصد خاکستر بادی مربوط به جرم سیمان، پس از 180 روز عمل آوری، مقاومت فشاری حدود 25 درصد بیشتر از بتن معمولی به دست آوردند.
سرباره کوره بلند دانه بندی شده (GGBS)
سرباره کوره بلند دانه بندی شده زمینی (GGBS) با خاموش کردن سرباره مذاب آهن (محصول جانبی ساخت آهن و فولاد) از کوره بلند در آب یا بخار به دست می‌آید تا محصولی شیشه‌ای و دانه‌ای تولید شود، سپس خشک شده و آسیاب شده به پودر ریزی تبدیل شود. GGBS دارای رنگ مایل به سفید یا تقریباً سفید است و هنگامی که ریز آسیاب شده و با سیمان پرتلند ترکیب می‌شود خاصیت سیمانی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد.
اساساً، GGBS شامل سیلیکات‌ها و سیلیکات‌های آلومینا از کلسیم و سایر پایه‌هایی است که در یک کوره بلند و تحت شرایط مذاب همزمان با آهن تولید می‌شوند. ترکیب شیمیایی اکسیدها در GGBS مشابه سیمان پرتلند است، اما نسبت آن متفاوت می‌باشد. ظرافت GGBS یک پارامتر بسیار مهم برای استفاده در تولید بتن است. این با مساحت سطح خاص اندازه‌گیری می‌شود و واکنش پذیری GGBS با سیمان را کنترل می‌کند.
افزایش ظرافت GGBS منجر به توسعه قدرت بهتر می‌شود، اما در عمل، ظرافت توسط ملاحظات اقتصادی و عملکرد و عواملی مانند زمان گیرش و جمع شدگی محدود می‌شود. در مطالعه ای که در سال 2017 در انگلستان در مورد توسعه مقاومت بتن تولید شده با GGBS انجام شد، سه شرایط محیطی عمل آوری در آزمایشگاه شبیه سازی شدند:
- C1 : محیط عمل آوری تابستانی
- C2 : محیط عمل آوری در زمستان
- C3 : محیط عمل آوری آب معمولی
همانطور که از نتیجه تحقیق مشاهده می‌شود، حداکثر مقاومت فشاری 28 روزه در 30 درصد جایگزینی جزئی سیمان با GGBS در شرایط عمل آوری با دمای معمولی به دست آمد. در مطالعه دیگری که توسط Vinayak و Nagendra (2014) انجام شد، حداکثر مقاومت فشاری بتن درجه 20 در 30 درصد جایگزینی سیمان GGBS به دست آمد. با این حال، اثر منفی جایگزینی GGBS بر مقاومت مکانیکی برای 60 درصد و 80 درصد جایگزینی بسیار محسوس مشاهده شده است. برای تمام روزها، با افزایش سطوح جایگزینی GGBS در سیمان، مقاومت فشاری ملات سیمان در سنین اولیه به شدت کاهش یافت.
دود سیلیس (Silica fume)
دوده سیلیس یک پودر بسیار ریز است که به عنوان محصول جانبی تولید سیلیکون و آلیاژ فروسیلیکون جمع آوری می‌شود. مواد اولیه زغال سنگ، کوارتز و خرده چوب هستند. این اساساً یک پلی‌مورف آمورف (غیر کریستالی) از دی‌اکسید سیلیکون، سیلیس است. دود سیلیس از ذرات کروی با قطر ذرات متوسط 150 نانومتر تشکیل شده است.
مساحت ذرات دوده سیلیس تقریباً شش برابر سیمان است زیرا ریزتر از سیمان هستند. به عنوان یک ماده پوزولان و پرکننده، می‌تواند استحکام و دوام بتن سخت شده را بهبود بخشد. با توجه به سطح بالا و محتوای بالای سیلیس آمورف در دود سیلیس، این پوزولانای بسیار فعال سریعتر از پوزولان‌های معمولی واکنش نشان می‌دهد.
آزمایشات زیادی نشان داده‌اند که افزودن دوده سیلیس به بتن، بسته به نوع سیمان، نوع مخلوط، استفاده از نرم کننده‌ها، میزان بخار سیلیس، نوع سنگدانه‌ها و عمل آوری، مقاومت فشاری بتن را بین 30 تا 100 درصد افزایش می‌دهند. در یک مطالعه در سال 2012 که در هند انجام شد، اثرات دوده سیلیس بر مقاومت فشاری 7 روزه و 28 روزه بتن در جدول زیر نشان داده شده است.همانطور که از مطالعه مشاهده می‌شود، جایگزینی نسبی بهینه سیمان با دوده سیلیس برای حداکثر مقاومت فشاری بتن در 15 درصد رخ داده است.
محققان گزارش دادند که در محتوای 15 درصد دوده سیلیس، مقاومت فشاری بتن در 7 روز 23.33 درصد، در 28 روز 21.34 درصد، در 56 روز 16.50 درصد و در 90 روز 18.00 درصد افزایش یافته است. به دلیل ملاحظات اقتصادی، استفاده از دوده سیلیس به طور کلی به بتن‌های با مقاومت بالا یا بتن در شرایط محیطی تهاجمی محدود می‌شود. رایج‌ترین نسبت استفاده شده از دوده سیلیس در بریتانیا، ترکیبات تولید شده 10 درصد جرم کل محتوای سیمان است.
ریز سنگ آهک (Limestone Fines)
ریز سنگ آهک پودری است که از فرآوری سنگ آهک در معادن به دست می‌آید. در مورد اینکه ریزه‌های سنگ آهک باید به‌عنوان نوع I (تقریباً بی‌اثر به عنوان یک سنگدانه پرکننده) یا نوع II (با خواص هیدرولیکی پوزولانی یا نهان، به عنوان مثال موادی مانند خاکستر و GBS). سنگ آهک نسبت به خاکستر بادی یا GGBS واکنش پذیری کمتری دارد، اما تحقیقات نشان می‌دهند که می‌تواند واکنش پذیری خفیف و همچنین اثرات فیزیکی مفیدی به دلیل اندازه ذرات ریز آن داشته باشد.
طبق گفته لومبوی و همکاران (2016)، دو روش وجود دارند که توسط آنها ریز سنگ آهک در سیستم‌های سیمانی گنجانده می‌شوند. اولی با افزودن، به موجب آن ریز سنگ آهک جایگزین درصدی از مواد سیمانی یا به عنوان پرکننده است که در طول فرآیند اختلاط اضافه می‌شود. روش دیگر آسیاب همزمان با کلینکر سیمان پرتلند است که سنگ آهک را جزء سیمان پرتلند می‌کند. در مطالعه Lomboy و همکاران (2016)، اثر جایگزینی ریزه سنگ آهک سیمان در زیر نشان داده شده است.
ریز سنگ آهک مورد استفاده برای جایگزینی سیمان نوع IP (با 25 درصد خاکستر بادی) اندکی بهبود یافته است (به عنوان مثال، 5 درصد تا 10 درصد) مقاومت فشاری بتن. با این حال، جایگزینی سیمان نوع I (معمولی پرتلند) مقاومت فشاری را کاهش داد. این احتمالاً به این دلیل است که اندازه ریزه‌های سنگ آهک مکمل ترکیب سیمان و خاکستر بادی برای بهبود بسته بندی در نوع IP است. علاوه بر این، ممکن است یک فعل و انفعال شیمیایی بین خاکستر بادی در نوع IP و ریز سنگ آهک وجود داشته باشد که همچنین افزایش مقاومت بتن را تسهیل می‌کند.
خاکستر پوسته برنج
خاکستر پوسته برنج (RHA) یکی از مواد پوزولانی امیدوارکننده است که می‌تواند با سیمان پرتلند برای تولید بتن بادوام ترکیب شود. با سوزاندن کنترل شده و در صورت آسیاب کافی، خاکستر تولید شده می‌تواند به عنوان ماده جایگزین سیمان در بتن استفاده شود.
در یک مطالعه در سال 2009 که در نیجریه انجام شد، اثرات جایگزینی جزئی بتن با RHA در زیر نشان داده شده است. همیشه توصیه می‌شود که دوز بهینه خاکستر پوسته برنج در بتن باید 10 درصد باشد، مگر اینکه اثرات دیگری غیر از مقاومت فشاری مورد نظر باشد.
خاکستر سوخت روغن پالم
خاکستر سوخت روغن پالم (POFA) یک محصول جانبی است که در طی سوزاندن مواد زائد مانند پوسته هسته خرما، فیبر روغن نخل و پوسته روغن پالم به دست می‌آید. آنها معمولاً از نیروگاه‌های زیست توده تولید می‌شوند، جایی که بقایای روغن نخل مانند الیاف، پوسته و دسته‌های خالی میوه برای تولید برق سوزانده می‌شوند.
خاکستر به دلیل خواص پوزولانی آن می‌تواند برای جایگزینی جزئی سیمان در مخلوط بتن استفاده شود. از مطالعات مشاهده می‌شود که جایگزینی POFA در OPC در 15 و 35 درصد وزنی چسب دارای مقاومت 94 تا 80 درصد بتن شاهد در 28 و 90 روز است. علاوه بر این، استفاده از POFA آسیاب شده در بتن به مقادیر کمی بالاتر از فوق روان کننده نسبت به بتن شاهد نیاز دارد.
خاکستر باگاس نیشکر
باگاس نیشکر یک ضایعات کشاورزی است که می‌تواند با سوزاندن آن در یک محیط کنترل شده و آسیاب کردن آن به مواد جایگزین سیمان برای اهداف مختلف سیمانی به پوزولان تبدیل شود. در مطالعه ای که در سال 2017 در مالزی انجام شد، تأثیر خاکستر باگاس نیشکر بر مقاومت فشاری بتن در جدول زیر آورده شده است. از نتایج تحقیق می‌توان دریافت که جایگزینی بهینه سیمان با خاکستر باگاس نیشکر در بتن 5 درصد است.
اثرات زیست محیطی سیمان
اگرچه عمده انتشار CO2 عموماً از سوزاندن سوخت‌های فسیلی ناشی می‌شود، اما در مورد صنعت سیمان این تنها 50 درصد کربن منتشر شده را تشکیل می‌دهد. نیمی دیگر را نمی‌توان نه با بهبود کارایی و نه با جایگزینی منابع انرژی از بین برد، زیرا در واکنش شیمیایی ذاتی است که باعث تشکیل عنصر اصلی سیمان می‌شود که شامل کلسینه کردن سنگ آهک یا کربنات کلسیم (CaCO3)، منجر به آهک می‌شود. اکسید کلسیم، CaO و CO2هستند.
بنابراین تولید سیمان بدون تولید CO2 غیرممکن است. بنابراین، جدای از کاهش مقدار CO2 در مخلوط بتن، پیشنهادات برای کربن زدایی تولید سیمان بر جذب CO2 به طوری که در اتمسفر آزاد نمی شود، تمرکز دارد. پیشنهادات مختلفی برای جذب و ذخیره کربن وجود دارند، از دفن CO2 گرفته تا استفاده از آن به عنوان ماده خام در ساخت مواد.
با این حال، این فناوری‌ها هنوز در مراحل آزمایشی یا آزمایشی پروژه هستند و برخی از کارشناسان در این مورد تردید دارند. یکی از فرآیندهای خاص سیمان شامل استفاده از CO2 به عنوان یک عامل عمل آوری است، به طوری که کربن در حالت جامد به دام افتاده و به شکل کربنات کلسیم معدنی می‌شود. بنابراین سیمان به یک سینک کربن تبدیل می‌شود که حتی می‌تواند خواص بتن حاصل را بهبود بخشد.
بازیافت مواد سیمانی
بازیافت نیز یک راه ضروری برای کاهش مصرف سیمان است. به طور سنتی، زباله‌های تخریب در محل‌های دفن زباله ریخته می‌شوند، اما به طور فزاینده‌ای مورد استفاده مجدد قرار می‌گیرند. قلوه سنگ‌های ساختمانی را می‌توان به اندازه‌های مختلف شکسته و خرد کرد و به آن اجازه می‌دهد به عنوان بلوک‌های ساختمانی، در موج شکن‌ها یا دیوارهای حائل، به عنوان سنگ ریزه برای جاده‌ها و محوطه سازی یا به عنوان سنگدانه برای ساخت بتن جدید استفاده شوند.
در اتحادیه اروپا از سال 2008 دستورالعملی وجود دارد که از کشورها می‌خواهد تا 70 درصد زباله‌های ساختمانی و تخریب را تا سال 2020 بازیافت کنند. اگرچه اکثر کشورهای عضو هنوز فقط 50 درصد بازیافت می‌کنند، در برخی از کشورهای اتحادیه اروپا این میزان در حال حاضر به 90 درصد می‌رسد. بتن تنها منبع مصالح ساختمانی بازیافتی نیست. فولاد ضد زنگ، یک مصالح ساختمانی است که اغلب به دلیل دوام و به دلیل اینکه 100 درصد قابل بازیافت بدون از دست دادن خواص است، به عنوان نمونه ای از پایداری در نظر گرفته می‌شود.
اگرچه هنوز تنها 85 درصد از آن استفاده مجدد می‌شود، اما بازیافتی‌ترین ماده صنعتی در جهان است. نقطه ضعف صنعت آهن و فولاد انتشار CO2 آن است که 6.7 درصد از کل تولید جهانی را تشکیل می‌دهد، اما مانند سیمان، در حال حاضر کار برای کاهش آن در حال انجام است. یکی دیگر از احتمالات جالب در زمینه بازیافت، مربوط به ماده‌ای است که در تمدن ما در همه جا حاضر است که اغلب به سطل زباله ختم می‌شود؛ پلاستیک!
استفاده از پلاستیک در ساخت و ساز یکی از راه‌های استفاده قطعی از آن است. بسیاری از محققان در حال کار بر روی ساخت عناصر ساختمانی از پلاستیک مانند سنگ فرش، آجر، سقف و تیرها هستند. به گفته سیبل سستاری از دانشگاه کوئین بلفاست، خواص زباله‌های پلاستیکی آن را به مصالح ساختمانی عالی تبدیل می‌کند: قالب گیری، سبک وزن، قوی، بادوام، ضد آب و قابل بازیافت.
مواد نوآورانه در صنعت سیمان
جست و جو برای مواد جدیدی که می‌توانند جایگزین سیمان به عنوان یک عنصر اساسی در ساخت و ساز شوند، ادامه دارد. آنها باید به عنوان عوامل اتصال دهنده عمل کنند و همچنین در دمای اتاق بدون استفاده از کربنات کلسیم و بدون انتشار CO2 تنظیم شوند. از دهه 1970، سیمان‌های مبتنی بر ژئوپلیمرها انتخاب اصلی بوده‌اند. آنها از آلومینوسیلیکات‌ها ساخته شده‌اند که در حضور یک عامل قلیایی و آب واکنش داده و ژلی را تشکیل می‌دهند که حتی سریعتر از سیمان معمولی گیر می‌کند.
پخت سریع آنها می‌تواند یک اشکال باشد. متاکائولین، مشتقی از کائولینیت معدنی رسی یا خاکستر بادی به عنوان مواد خام استفاده می‌شوند و حتی محصولات فرعی صنعتی مانند سرباره نیز می‌توانند به سیمان اضافه شوند. چندین شرکت این سیمان‌ها را تولید می‌کنند که انتشار را در مقایسه با سیمان‌های معمولی 80 تا 90 درصد کاهش می‌دهد اما کاربرد آنها هنوز محدود است و هنوز استانداردهایی برای تسهیل استفاده گسترده‌تر وجود ندارد.
تحقیق در مورد مواد نوآورانه جدید که می‌توانند جایگزین یا کاهنده در استفاده از سیمان شوند، بر روی گزینه‌هایی مانند بیوسمان‌ها تمرکز دارد که به لطف عملکرد میکروارگانیسم‌ها به روشی مشابه مرجان رشد می‌کنند. بتن‌های کربنی که از الیاف گیاهی برای کاهش استفاده از سیمان استفاده می‌کنند، اولین ساختمان ساخته شده از این ماده در آلمان در حال توسعه است.
آجرهای ساخته شده از ته سیگار و سایر پیشنهادات متنوع. با این حال، همه اینها احتمالاً کاربرد بسیار محدودی دارند. در این زمینه، یک کنجکاوی که خودنمایی می‌کند، چوب شفاف است که با استفاده از تیمارهای شیمیایی خاصی به دست می‌آید. اگرچه جایگزین سیمان نمی‌شود اما امکان ساخت پنجره‌هایی با قدرت عایق بیشتر از شیشه را ارائه می‌دهد.
منابع: