تولید پایدار بتن: پتانسیل استفاده از مواد زائد بازیافتی

نویسندگان: عمر ترک، شریف یحیی، اکمال عبدالفتاح، محمد الشالکانی
سال انتشار: ۲۰۲۴
ژورنال: Journal of Building Engineering (Elsevier) لینک مقاله 

مقدمه: بحران منابع در صنعت بتن

صنعت ساخت‌وساز، یکی از بزرگترین مصرف‌کنندگان منابع طبیعی و هم‌زمان یکی از بزرگترین تولیدکنندگان پسماند در جهان است. بتن به عنوان پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی در بیش از یک قرن اخیر، نقشی انکارناپذیر در توسعه زیرساخت‌ها ایفا کرده، اما هزینه‌های زیست‌محیطی آن روزبه‌روز آشکارتر می‌شود.

تولید سالانه سنگدانه در جهان به حدود ۴۰ میلیارد تن می‌رسد. استخراج این حجم عظیم سنگدانه طبیعی با ماشین‌آلات سنگین، مصرف انرژی بالا و تخریب زیست‌بوم‌ها همراه است. از سوی دیگر، تولید سیمان پرتلند معمولی (OPC) مسئول انتشار ۵ تا ۷ درصد از کل گازهای گلخانه‌ای جهان است. نرخ رشد انتشار CO₂ در تولید سیمان بین سال‌های ۲۰۱۵ تا ۲۰۲۱ سالانه حدود ۱.۵ درصد افزایش یافته، در حالی که برای رسیدن به سناریوی انتشار خالص صفر تا ۲۰۵۰، باید این روند معکوس شده و سالانه ۳ درصد کاهش یابد.

علاوه بر این، شستشوی تراک‌میکسرها و کارخانه‌های بتن، حجم عظیمی آب آلوده تولید می‌کند. برای هر مترمکعب بتن آماده، حدود ۱۷۵ لیتر آب برای اختلاط و ۷۰ لیتر دیگر برای شستشوی تجهیزات مصرف می‌شود. این آب شستشو دارای pH بسیار بالا (۱۱ تا ۱۲) و مقادیر قابل توجهی جامدات محلول است.

این مقاله مروری، سه راهبرد مکمل برای کاهش این فشارهای زیست‌محیطی بررسی می‌کند: (۱) استفاده از سنگدانه بازیافتی (RA) به جای سنگدانه طبیعی، (۲) استفاده از سیمان کم‌کربن (LC2) به جای سیمان پرتلند معمولی، و (۳) استفاده مجدد از آب شستشوی کارخانه‌های بتن (CWW).

سنگدانه بازیافتی: چالش‌ها و راهکارها

پردازش سنگدانه بازیافتی

سنگدانه‌های بازیافتی از سه منبع اصلی تأمین می‌شوند: تخریب سازه‌های بتنی قدیمی، بتن باقیمانده در کارخانه‌های آماده، و ضایعات آزمایشگاه‌های کنترل کیفیت. فرآیند پردازش شامل خردایش، غربالگری و حذف آلاینده‌هاست. با این حال، کیفیت سنگدانه بازیافتی تحت تأثیر عواملی مانند روش بازیافت، مقدار و کیفیت خمیر سیمان چسبیده به دانه‌ها، و کیفیت سنگدانه اصلی قرار دارد.

چالش‌های اصلی بتن با سنگدانه بازیافتی (RAC)

استفاده از سنگدانه بازیافتی در بتن با چالش‌های متعددی همراه است:

• کاهش مقاومت: ماهیت متخلخل سنگدانه بازیافتی باعث کاهش مقاومت فشاری، کششی و خمشی بتن می‌شود.

• کاهش مدول یانگ: بتن با سنگدانه بازیافتی، تغییرشکل‌پذیری بیشتری دارد.

• کاهش کارایی: شکل زاویه‌دار و سطح زبر سنگدانه بازیافتی، روانی بتن تازه را کاهش می‌دهد (هرچند با افزودنی‌های شیمیایی قابل جبران است).

• کاهش دوام: نفوذپذیری بیشتر منجر به کاهش مقاومت در برابر چرخه یخ‌زدن و آب‌شدن، سولفات‌ها و کلریدها می‌شود.

راهکارهای بهبود عملکرد RAC

پژوهشگران روش‌های متعددی برای بهبود کیفیت بتن با سنگدانه بازیافتی ارائه داده‌اند:

• استفاده از مواد سیمانی مکمل (SCM): افزودن دوده سیلیس، خاکستر بادی یا سرباره کوره آهنگدانی می‌تواند کیفیت RAC را به سطح بتن معمولی نزدیک کند. شایان و شو (۲۰۰۴) نشان دادند با طراحی اختلاط مناسب و کنترل کیفیت، حتی می‌توان از RAC در بتن‌های سازه‌ای با عملکرد بالا استفاده کرد.

• روش اختلاط دو مرحله‌ای (TSMA): در این روش، ابتدا سنگدانه بازیافتی با بخشی از آب و سیمان مخلوط می‌شود تا خمیر اولیه منافذ سطحی را پر کند، سپس بقیه مواد افزوده می‌شوند. این روش می‌تواند مقاومت فشاری را تا ۲۰ درصد افزایش دهد.

• پیش‌تصفیه سنگدانه: روش‌هایی مانند کربناته‌کردن، شستشو با اسید، یا پوشش‌دهی با خمیر سیمان می‌تواند جذب آب سنگدانه بازیافتی را کاهش دهد.

• بهینه‌سازی طرح اختلاط: دستیابی به تراکم بسته‌بندی بالا (High Packing Density) نقش کلیدی در جبران کاهش مقاومت دارد. یحیی و همکاران (۲۰۱۵) نشان دادند با دستیابی به تراکم بسته‌بندی مناسب، می‌توان بتن با مقاومت و دوام کافی حتی با ۱۰۰ درصد سنگدانه بازیافتی تولید کرد.

مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی RAC

با وجود چالش‌ها، مزایای RAC چشمگیر است:

• طول عمر طراحی بین ۵۰ تا ۱۰۰ سال

• صرفه‌جویی هزینه بین ۳ تا ۱۹ درصد

• کاهش انتشار CO₂ حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد

• کاهش نیاز به استخراج سنگدانه طبیعی و کاهش پسماندهای تخریب

گو و همکاران (۲۰۱۸) محاسبه کردند که جایگزینی سنگدانه طبیعی با بازیافتی می‌تواند منابع سنگدانه جهان را حفظ کرده و انتشار کربن را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

آب شستشوی بتن (CWW): از تهدید تا فرصت

حجم و ترکیب مشکل‌ساز

در هر بار شستشوی تراک‌میکسر، حدود ۱۵۰ تا ۳۰۰ گالن (۵۷۰ تا ۱۱۳۵ لیتر) آب مصرف می‌شود. آب شستشو دارای ویژگی‌های زیر است:

• pH بالا: معمولاً بین ۱۱ تا ۱۲ به دلیل غلظت بالای آهک محلول

• جامدات محلول: شامل هیدروکسیدها و سولفات‌های حاصل از سیمان، کلریدها (در صورت استفاده از کلرید کلسیم به عنوان افزودنی)

• آلاینده‌های دیگر: روغن و گریس از تجهیزات، و مواد شیمیایی ناشی از افزودنی‌های بتن

اثرات استفاده از CWW در بتن تازه

بهرامان و همکاران (۲۰۲۱) تأثیر استفاده از آب شستشو را در تولید بتن تازه بررسی کردند. یافته‌های کلیدی:

• مقاومت فشاری، کششی و خمشی تحت تأثیر معناداری قرار نمی‌گیرد.

• زمان گیرش: نمونه‌های با نسبت بالاتر آب شستشو، زمان گیرش طولانی‌تری دارند.

• کارایی (اسلامپ): در همه نمونه‌ها یکنواخت بود.

• نفوذپذیری: عمق نفوذ در نمونه‌های ساخته شده با آب شستشو کمتر از نمونه‌های با آب لوله‌کشی بود (نشانه مثبت).

راهکارهای ترکیبی

الچالاکانی و همکاران (۲۰۲۱) طرح اختلاطی برای تولید بتن پایدار ارائه دادند که در آن از ۱۰۰ درصد آب بازیافتی، ۱۰۰ درصد سنگدانه بازیافتی، و جایگزینی بخشی از سیمان پرتلند با خاکستر بادی و سرباره استفاده شد. نتایج نشان داد که افزودن خاکستر بادی و سرباره به طور چشمگیری ردپای کربن را کاهش می‌دهد و پتانسیل استفاده از آب و سنگدانه بازیافتی را در ساخت‌وساز آینده افزایش می‌دهد.

احمد و همکاران (۲۰۲۱) نیز تأثیر استفاده از فاضلاب تصفیه‌شده و آب شور را به جای آب لوله‌کشی در بتن حاوی ۲۰ درصد سنگدانه بازیافتی بررسی کردند. نتایج نشان داد که اگرچه مقاومت مکانیکی در معرض آب شور یا فاضلاب تصفیه‌شده کاهش یافت، اما آزمون نفوذپذیری یون کلرید نشان داد که همه مخلوط‌ها دوام قابل قبولی دارند.

سیمان کم‌کربن LC2: آینده سیمان

مشکل سیمان پرتلند معمولی

تولید کلینکر سیمان پرتلند نیازمند انرژی حرارتی حدود ۳.۵ گیگاژول بر تن کلینکر است و حدود ۸ درصد از انتشار جهانی CO₂ را به خود اختصاص می‌دهد. این آمار، صنعت سیمان را به یکی از اهداف اصلی راهکارهای کاهش کربن تبدیل کرده است.

معرفی LC2

LC2 مخفف «Low Carbon Limestone Calcined Clay Cement» است؛ سیمانی که در آن بخش قابل توجهی از کلینکر با ترکیبی از خاک رس کلسینه شده (متاکائولن) و سنگ آهک جایگزین می‌شود. مزایای LC2:

• انرژی حرارتی مورد نیاز برای کلسیناسیون خاک رس: فقط ۰.۳۵ گیگاژول بر تن خاک رس، یعنی تنها ۱۰ درصد انرژی مورد نیاز برای تولید کلینکر سیمان پرتلند.

• مقاومت و دوام قابل مقایسه یا برتر نسبت به OPC – در بسیاری از مطالعات تأیید شده است.

• قابلیت دسترسی گسترده: خاک رس تقریباً در همه نقاط جهان یافت می‌شود.

ترکیب LC2 با سنگدانه بازیافتی و آب شستشو

نقطه قوت اصلی این مقاله مروری، تأکید بر استفاده همزمان هر سه راهکار پایدار است: LC2 + RA + CWW. ترکیب این سه ماده می‌تواند گامی بزرگ به سوی صنعت بتن با حداقل ردپای کربن و حداکثر استفاده از پسماند باشد. با این حال، نویسندگان تأکید می‌کنند که پژوهش‌های بیشتری برای بهینه‌سازی این ترکیب سه‌گانه و اطمینان از عملکرد بلندمدت آن در شرایط مختلف محیطی لازم است.

نتیجه‌گیری نهایی: مسیر پیش رو

این مقاله مروری نشان می‌دهد که تولید پایدار بتن نه یک رؤیا، بلکه هدفی دست‌یافتنی است. جمع‌بندی یافته‌ها:

۱. سنگدانه بازیافتی (RA): با وجود چالش‌هایی مانند کاهش مقاومت و دوام، روش‌های مؤثری برای جبران این کاستی‌ها وجود دارد (استفاده از SCMها، روش اختلاط دو مرحله‌ای، پیش‌تصفیه سنگدانه). RAC می‌تواند جایگزینی مقرون‌به‌صرفه و بادوام برای کاربردهای سازه‌ای باشد.

۲. آب شستشوی بتن (CWW): استفاده از این آب در تولید بتن تازه نه تنها مشکل دفع پساب را حل می‌کند، بلکه در بسیاری موارد تأثیر منفی بر مقاومت نهایی ندارد. ترکیب CWW با SCMها و طرح اختلاط بهینه، نتایج امیدوارکننده‌ای نشان داده است.

۳. سیمان کم‌کربن (LC2): با مصرف انرژی تنها یک‌دهم سیمان پرتلند معمولی و عملکرد قابل مقایسه، یکی از امیدوارکننده‌ترین جایگزین‌های حال حاضر است.

۴. نیاز به پژوهش بیشتر: برای بهینه‌سازی هم‌زمان هر سه راهکار و اطمینان از عملکرد بلندمدت بتن پایدار در شرایط محیطی مختلف (مانند یخ‌زدن و آب‌شدن، حمله سولفاتی و کلریدی)، پژوهش‌های بیشتری لازم است.

پیام نهایی مقاله: صنعت بتن می‌تواند با پذیرش این راهکارهای پایدار، ضمن کاهش چشمگیر مصرف منابع طبیعی و انتشار کربن، همچنان نقش خود را به عنوان ستون فقرات صنعت ساخت‌وساز حفظ کند.