Table of Contents
۱٫ بیان مسئله
امروزه گرایش به مصالح ساختمانی سبز، نوآورانه، کم مصرف انرژی، مقرون به صرفه و پایدار با کربن کم موضوع مورد توجه مهندسان است. تولید سیمان پرتلند معمولی (OPC) که چسب اصلی در بتن است، حدود ۸ درصد در انتشار کربن در جهان نقش دارد و حدود ۳ درصد از انرژی جهان را مصرف می کند.
همچنین صنعت بتن بیشترین مصرف کننده سنگدانه طبیعی و آب شیرین است. تولید بیشتر بتن برای استفاده در آینده منجر به کاهش قابل توجه این منابع طبیعی و آلودگی محیط زیست می شود. بنابراین، نیاز به بتن سبز ضروری است تا ضمن حفظ منابع طبیعی، نیازهای آتی بتن برآورده شود.
۱٫۱ تعریف بتن سبز
بتن سبز را می توان به هر بتنی که انرژی و کربن کمتری نسبت به بتن معمولی دارد اطلاق کرد. بتن سبز یک انرژی کارآمد و یک فناوری با اثرات زیست محیطی کمتر می‌باشد. در این نوع بتن اساساً مواد زائد مختلفی به عنوان چسب یا سنگدانه ترکیب می شود. بتن سبز می تواند در انواع مختلف باشد، مانند بتن با جایگزینی جزئی تا کلی به عنوان ماده چسباننده، یا بتن حاوی زباله و مواد بازیافتی به عنوان سنگدانه.
۲٫ تحولات اخیر
بتن سبز می تواند اکوسیستم را حفظ کند و در عین حال هزینه کلی بتن را کاهش دهد. پیشرفت‌های متعددی نسبت به بتن سبز رخ داده است و این از جایگزینی جزئی تا کلی اجزای مختلف در بتن با مواد پایدار جایگزین متفاوت است. این ابتکارات به صورت جداگانه یا ترکیبی با سایر ابتکارات سبز مورد استفاده قرار گرفته است.
جدای از مسائل پایداری، لزوم داشتن بتن مستحکم و بادوام باعث توسعه بتن سبز شده است که بتواند در برابر بار و نیروهای مخرب مختلف در محیط مقاومت کند. تحولات عمده اخیر که در چند دهه اخیر ذکر شده است بیشتر توضیح داده شده و دسته بندی شده است.
۲٫۱٫ سیمان تکمیلی به عنوان جایگزین جزئی OPC
از آنجایی که تولید OPC ، مصرف کننده اصلی انرژی و عامل انتشار دی اکسید کربن در بتن است، جایگزینی جزئی آن با مواد جایگزین با انرژی و کربن کمتر منجر به کاهش قابل توجهی در کربن مجسم شده کلی بتن خواهد شد.
مواد سیمانی تکمیلی (SCMs) جایگزین سبز برای جایگزینی جزئی OPC به عنوان یک چسب در بتن هستند. SCM ها دارای هر دو ویژگی پوزولانی و پرکننده هستند که آن را با قابلیت هایی برای افزایش خواص مکانیکی و دوام بتن تجسم می بخشد.
SCM ها به عنوان یک جایگزین سبز عمل می کنند زیرا آنها عمدتاً ضایعات سایر صنایع هستند و استفاده از آنها در بتن راهی برای مدیریت موثر این زباله ها ایجاد می کند.
علاوه بر این، استفاده از آنها در بتن منجر به حفاظت از چندین فضای زمین و ذخایر طبیعی مواد خامی که می‌توانستند برای دفع آنها استفاده شود و استخراج مواد خام برای تولید OPC می‌شود. SCM می تواند برای جایگزینی OPC در بتن در محدوده ۱۰-۵۰٪ استفاده شود.
۲٫۱٫۱ انواع SCM ها
۲٫۱٫۱-۱٫ دوده سیلیس (SF)
محصول جانبی تولید فروسیلیسیم است، طی دهه‌ها به عنوان SCM در بتن استفاده شده است. نشان داده شده است که جایگزینی جزئی OPC با SF نه تنها انتشار کلی دی اکسید کربن بتن را کاهش می دهد، بلکه خواص مکانیکی آن را نیز افزایش می دهد.
۲٫ خاکستر پوسته برنج (RHA)
یکی از ضایعات کشاورزی است و نوعی SCM است که برای افزایش مقاومت و دوام اولیه بتن گزارش شده است. خواص بهبود یافته بتن با استفاده از RHA به عنوان جایگزین جزئی OPC به اصلاح ریزساختار و متراکم شدن ناحیه انتقال سطحی (ITZ) بین سنگدانه و خمیر نسبت داده شده است.
با این حال، باید توجه داشت که افزودن RHA به بتن منجر به اثرات مضر بر خواص تازه بتن می شود. افزایش نیاز به آب و کاهش در جریان پذیری عمده ترین اثرات منفی مشاهده شده در هنگام استفاده از RHA به عنوان جایگزینی جزئی OPC در بتن است.
علاوه بر این، سطوح جایگزینی خاص گذشته، خواص مکانیکی و دوام مختل شده مانند کاهش استحکام فشاری و افزایش نفوذپذیری می تواند به دنبال داشته باشد. بنابراین، آزمایش اولیه در مقیاس کوچک و بهینه سازی مناسب قبل از اینکه RHA به عنوان جایگزینی جزئی OPC در بتن در مقیاس بزرگ گنجانده شود، ضروری است.
سطح جایگزینی بهینه مورد نیاز بین مطالعات متفاوت بود زیرا خواص RHA تحت تأثیر پارامترهای مختلفی مانند مکان، شرایط احتراق، نوع کود مصرفی و غیره قرار می‌گیرد. بنابراین، برای استفاده از هر گونه SCM به عنوان جایگزینی جزئی OPC در بتن، ضروری است آزمایشات اولیه را برای تعیین سطح جایگزینی بهینه انجام دهید.
۲٫۱٫۱-۳٫ استفاده از خاکستر بادی (FA)
از سوزاندن زغال سنگ خاکستری به جا می‌ماند که به عنوان SCM نیز برای بهبود خواص بتن استفاده می‌شود. با این حال، برای دستیابی به حداکثر مزایای مانند خواص افزایش یافته، سطح جایگزینی مناسب و روش های پخت باید بررسی شود.
هنگامی که FA در سطح جایگزینی بالای OPC استفاده می شود، اثرات مضری مانند سرعت کند رشد قدرت، زمان های تنظیم طولانی تر و قدرت کمتر در سنین پایین می تواند مشهود باشد.
علاوه بر این، مسائل دوام مانند کربناسیون پوسته پوسته شدن، واکنش های قلیایی سیلیس می تواند ناشی از استفاده با حجم زیاد از FA به عنوان جایگزینی جزئی OPC باشد.
۲٫۱٫۱-۴٫ سرباره (SL)
سرباره یکی از SCM های رایج است که به عنوان جایگزینی جزئی OPC در بتن استفاده می شود. سرباره به عنوان یک محصول زائد از صنایع فلزی به دست می آید و گزارش شده است که هم خواص مکانیکی و هم دوام بتن را بهبود می بخشد.
به طور کلی، با بهبود خواص و کاهش انرژی و کربن کلی بتن با استفاده از SCMs به عنوان جایگزینی جزئی OPC ، سطوح جایگزینی بالاتر منجر به اثرات مضر بر روی خواص تازه و سخت شده می‌شود.
به عنوان مثال، کاهش در اسلامپ با افزایش سطوح SCM ها به ظرفیت بالای جذب آب و سطح ویژه آنها نسبت داده شده است. بنابراین، مطالعات در مقیاس کوچک مناسب باید برای تعیین این مقادیر بهینه انجام شود.
۲٫۲٫ بایندرهای فعال شده با محلول قلیایی
بایندرهای فعال شده با محلول قلیایی (AAB) یکی از جایگزین‌های سبز امیدوارکننده اصلی برای OPC معمولی هستند.
استفاده از سازهای آلومینوسیلیکات در بتن راهی برای مدیریت موثر ضایعات ایجاد می کند. پیش سازهای آلومینوسیلیکات رایج عبارتند از خاکستر بادی از صنعت تولید برق، سرباره از صنعت آهن، خاکستر پوسته برنج از صنعت کشاورزی و غیره.
برای به دست آوردن AAB، پیش سازهای آلومینوسیلیکات با یک محیط قلیایی فعال می شوند. این کار منجر به انحلال یون ها و تشکیل ژلی می شود که سخت می شود. سیلیکات سدیم و هیدروکسید سدیم رایج ترین نوع فعال کننده های مورد استفاده در AAB به دلیل استحکام بالا هستند.
تولید فعال‌کننده‌هایی مانند سیلیکات سدیم و هیدروکسید سدیم مقدار زیادی انرژی مصرف می‌کند و مقدار متعاقبی دی اکسید کربن را در محیط آزاد می‌کند. از سوی دیگر، فعال کننده هایی مانند کربنات سدیم به طور طبیعی در محیط وجود دارند و پردازش آنها انرژی کمتری مصرف می کند.
بنابراین، به منظور به حداکثر رساندن مزایای AAB برای کاهش انتشار دی اکسید کربن در صنعت ساختمان، باید از فعال کننده هایی با کربن و انرژی کم استفاده کرد.
۲٫۳٫ سیمان های جایگزین
استفاده از سیمان آلومینات کلسیم (CA) و کلسیم سولفوآلومینات (CSA) یکی از مسیرهای تولید بتن سبز است. استفاده از این نوع سیمان به جای OPC منجر به سبز شدن بتن می شود زیرا تولید آن مقدار کمتری دی اکسید کربن را وارد محیط زیست می کند.
سیمان آلومینات کلسیم برای جلوگیری از حمله سولفات به بتن نیز موثر است. با این حال، به دلیل مزیت پایداری که دارد، برای ساخت و ساز در مکان هایی که مقاومت سولفات نگران کننده نیست، استفاده شده است.
این نوع سیمان همچنین دارای مزایای دوام دیگری مانند بهبود مقاومت در برابر سایش و واکنش قلیایی – سیلیس است. علاوه بر این، افزایش مقاومت سریع آنها، آن را برای انواع خاصی از ساخت و ساز مناسب می کند.
با این حال، برخی از انواع جایگزین سیمان گرانتر از OPC هستند، که علیرغم مشارکت احتمالی آن در به دست آوردن بتن سبز، استفاده از آن را محدود کرده است.
۲٫۴٫ مواد زائد به عنوان سنگدانه در بتن
استفاده از مواد زائد جامد مختلف به عنوان سنگدانه در تولید بتن باعث ایجاد بتن سبز می شود زیرا نیاز به استخراج و فرآوری سنگدانه های طبیعی را از بین می برد. همچنین به حفظ منابع طبیعی سنگدانه ها، مدیریت ضایعات و کاهش انرژی و کربن کلی بتن کمک می کند.
چندین پسماند جامد به عنوان سنگدانه در بتن گزارش شده است. برخی از این ضایعات عبارتند از: پلاستیک، ضایعات ساختمانی و تخریب، شیشه، ضایعات کشاورزی و سرامیک.
با این حال، اثر حاصل از هر نوع زباله ای که به عنوان سنگدانه استفاده می شود، بسته به سطح جایگزینی و خواص فیزیکی سنگدانه، از یکدیگر متفاوت است.
به عنوان مثال، استفاده از شیشه به عنوان جایگزین جزئی سنگدانه های ریز در محدوده ۷٫۵ تا ۲۵ درصد، مقاومت در برابر یخ زدگی و ذوب شدن و پوسته پوسته شدن سطح بتن را افزایش می دهد. استفاده از شیشه به عنوان سنگدانه در سطوح بالاتر منجر به کاهش اسلامپ و کاهش خواص مکانیکی می شود.
بسیاری از ماتریس های پلیمری مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن برای استفاده در زمینه کامپوزیت های سبز در سال های اخیر مورد بررسی قرار گرفته اند. پلی اتیلن بیشتر به عنوان سنگدانه استفاده می شود در حالی که پلی پروپیلن بیشتر به عنوان الیاف تقویت کننده در بتن عمل می کند. یک محدوده‌ای برای پلی اتیلن بر کارایی و نفوذپذیری هوای بتن وجود دارد.
افزایش محتوای پلی اتیلن منجر به کاهش مقاومت و انقباض بتن می شود. سایر مطالعات مشابه نیز مناسب بودن پلی اتیلن و پلی پروپیلن را برای تولید بتن گزارش کرده اند.
۲٫۵٫ فاضلاب
مصرف زیاد آب شیرین توسط تولید بتن باعث پایداری آن به ویژه در نقاطی از جهان شده است که آب شیرین محدودی وجود دارد. استفاده از آب در بتن ضروری است زیرا به عنوان یکی از واکنش دهنده ها برای واکنش هیدراتاسیون و وسیله ای برای انتقال یون ها عمل می کند.
از آنجایی که نمی توان آب را از تولید بتن حذف کرد، استفاده از پساب به جای آب شیرین یکی از راه های پیش رو برای دستیابی به بتن سبز است.
امکان استفاده از فاضلاب در بتن تضمین می کند که آب شیرین کافی برای مصرف موجودات زنده وجود دارد. با این حال، قبل از استفاده از فاضلاب در بتن، باید با تصفیه مناسب آن را بازیافت کرد، زیرا ترکیبات مضر موجود در فاضلاب می‌توانند واکنش‌های شیمیایی داخل بتن را تغییر دهند.
۳٫ جمع بندی مطالب
۱) بتن سبز جریانی پایدار برای پاسخگویی به تقاضای آتی برای بتن ارائه می دهد. همچنین مصالح ساختمانی قوی و بادوام را برای الزامات طراحی آینده فراهم می کند. بتن سبز منبع ارزان تری از مصالح ساختمانی است که باعث توسعه بیشتر به ویژه در کشورهای در حال توسعه می شود.
۲) از آنجایی که مواد زائد به طور موثر در بتن سبز گنجانده می شوند، بتن سبز راهی برای مدیریت مواد زائد ارائه می دهد که ممکن است به دلیل دفع نادرست آنها اثرات مضری بر محیط زیست داشته باشد. بعلاوه استفاده از این پسماندها در بتن باعث حفظ فضاهای زمینی می شود که در آنها دفع می شود.
۳) از آنجایی که استفاده نادرست از SCM ها به عنوان جایگزینی جزئی برای OPC می تواند منجر به اثرات منفی متفاوتی بر خواص تازه و سخت شده بتن شود. استفاده از این SCM ها در سطوح بهینه، خواص مطلوب را تضمین می کند و در عین حال انتشار دی اکسید کربن کلی بتن را کاهش می دهد.
۴) بایندرهای فعال شده با قلیایی جایگزین مناسبی برای OPC به عنوان چسب در بتن هستند. با این حال، برای دستیابی به بتن سبز با این نوع چسب‌ها، باید از فعال‌کننده‌هایی با انرژی و کربن پایین استفاده کرد.
۴٫ سخن پایانی
تولید بتن سبز نه تنها برای ایجاد زیرساخت های پایدار و مقاوم مفید است، بلکه به تامین تقاضای آتی برای بتن کمک می کند که به توسعه و شهرنشینی بیشتر کمک می کند. چشم انداز بتن سبز برای تولید خواص تازه و سخت شده عالی در مقایسه با بتن معمولی، هزینه نگهداری پایین، تکمیل سریع ساخت و سازها و عمر مفید طولانی را تضمین می کند.
گرد آورنده: ستاره خانکی
