مقاله تحلیلی:‌ نوآوری‌های حوزه بتن

بتن از جمله مصالحی است که در ساخت بلندترین سازه های دنیا و زیرساخت‌هایی با طول عمر زیاد استفاده می‌شود. برای تامین الزامات چنین پروژه‌هایی، بتن باید مقاومت، دوام و کارایی بیشتری داشته باشد. در این مقاله تأثیر روش‌های تولید و تحقیقات جدید در تولید بتن‌های نوآورانه در جهت مقابله با این چالش‌ها را بررسی می‌کنیم. بتن قابل خمش، بتن جاذب دود و کربن تنها چند نمونه از فناوری‌های جدید هستند.

مقدمه

وجه مشترک بین کلیسای جوبیلای و پانتئون چیست؟ هر دو محل عبادت در روم هستند؛ اما علاوه بر این در ساخت هر دوی آن‌ها هم از بتن‌های نوآورانه استفاده‌شده است. رومی‌ها 2000 سال پیش استاد استفاده از بتن برای ساخت سازه‌های نمادین بودند. باوجود تفاوت با بتن‌های امروزی، بتن رومی‌ها هم از قواعد مشابهی تبعیت می‌کرد؛ مخلوط کردن سنگ‌دانه با چسب هیدرولیکی. سنگ‌دانه‌ها شامل قطعات سنگی، کاشی سرامیکی و خرده آجرهایی بود که از ساختمان‌های تخریب‌شده بازیافت شده بودند. خاکستر آتش‌فشانی که پوزولان نامیده می‌شد، نقش چسب را در کنار هم قرار دادن سنگ‌دانه‌ها داشت. از گچ و آهک هم به‌عنوان چسب استفاده می‌شد. حتی 3000 سال قبل، مصریان از یک نوع بتن ساخته شده با گل‌ولای و کاه برای ساخت اهرام استفاده کرده‌اند. البته امروز اغلب بتن با سیمان پورتلند که در سال 1824 اختراع شد و سنگ‌دانه‌های معدنی باکیفیت ساخته می‌شود. اغلب بتن‌های مدرن با افزودنی‌هایی که خاصیت پلاستیکی و سخت‌شوندگی را بهبود می‌دهند تقویت می‌شوند.

از مصالح سیمانی مکمل نوآورانه (SMC) مانند خاکستر بادی، سیمان سرباره و سیلیکا فوم برای افزایش مقاومت، دوام و کارایی استفاده می‌شود. افزودنی‌های شیمیایی بر زمان گیرش، مقاومت در برابر یخ زدن و کارایی بتن تأثیر می‌گذارند. الیاف‌های باریک برای افزایش شکل‌پذیری و کنترل ترک‌خوردگی به بتن اضافه می‌شوند. کربن دی‌اکسید برای بهبود مقاومت و گرفتن گازهای گلخانه‌ای به بتن تزریق می‌شود. بعضی از افزودنی‌ها آلایندگی‌ها را از سطح بتن و از اتمسفر اطراف پاک می‌کنند که این ویژگی بتن کلیسای جوبیلای را نوآورانه کرده است. سطوح خمیده خارجی پوشانده شده با سیمان تیتانیوم دی‌اکسید (TiO_2) دود را جذب و به تمیز نگه‌داشتن سطح خیلی کمک می‌کنند.

بتن پرکاربردترین محصول ساختمانی در جهان است. معمولاً بتن با مصالح محلی ساخته می‌شود که مقرون‌به‌صرفه، در دسترس، مقاوم و بادوام است. از بتن معمولی می‌توان برای اکثر کارها استفاده کرد و معمولاً برای بلندترین ساختمان‌های جهان و زیرساخت‌هایی با طول عمر زیاد هم استفاده می‌شود. بااینکه بتن همیشه با نوآوری همراه نیست، محصولات و روش‌های تولید جدید در حال بهبود عملکرد بتن برای مواجهه با چالش‌های مدرن هستند. در این مقاله بعضی از آخرین نوآوری‌ها را بررسی می‌کنیم.

بتن خود تمیز شونده

بتنی را تصور کنید که می‌تواند خودش و حتی هوای اطراف خود را از آلاینده‌های خطرناک پاک کند. این کاری است که بتن تولیدشده با (TiO_2) انجام می‌دهد. سیمان TiO_2 آلاینده‌های خطرناک هوا را از طریق واکنش کاتالیز شده با نور یا فوتوکاتالیست جذب می‌کند. در سیمان‌های فوتوکاتالیستی واکنش با تیتانیوم انجام می‌شود. سیمان آلاینده‌های ارگانیک را همانند آلاینده‌های غیر ارگانیک تجزیه می‌کند و در پروژه‌هایی که در مراکز شهری قرار دارند و آلودگی بیشتر است، کاربرد دارد.

یک مثال از نحوه تجزیه آلاینده‌ها توسط سیمان‌های تیتانیوم دی‌اکسید را می‌توان در تبدیل نیتروژن دی‌اکسید (NO_2)،  ترکیب خطرناک تولیدشده در احتراق سوخت خودروهاست، مشاهده کرد. نیتروژن دی‌اکسید یکی از ترکیبات مؤثر در تشکیل باران اسیدی، دود و مشکلات تنفسی و لکه‌دار شدن ساختمان‌ها و روسازی‌ها است. واکنش با نور خورشید باعث تولید رادیکال‌های هیدروکسیل می‌شود که با NO_2 واکنش داده و NO_3 تولید می‌کند که بعد از واکنش دادن با سطح سیمانی در آب حل می‌شود.

بتن قابل خمش

بتن قابل خمش 300 تا 500 برابر شکل‌پذیرتر از بتن معمولی است

بتن قابل خمش یک گزینه مؤثر برای ساخت‌وساز و نگهداری زیرساخت‌هایی است که در آن‌ها بتن تحت شرایط آب‌وهوایی حاد و بارگذاری‌های بزرگ قرار دارد. طراحی و تولید بتن قابل خمش از Nacre، ماده‌ای که داخل پوسته‌های صدف آبالون را پوشش می‌دهد، الهام گرفته شده است. 

Nacre از پلاکت‌های آراگونیت کوچکی تشکیل شده که پلیمرهای طبیعی آن‌ها را کنار هم نگه داشته شده و امکان سخت و انعطاف‌پذیر بودن را به آن‌ها می‌دهد. تحت تنش، پلاکت‌ها می‌توانند به‌صورت آزادانه پهلوبه‌پهلو بلغزند. این اثر در بتن قابل خمش با پراکنده کردن الیاف‌های نازک در بتن شبیه‌سازی می‌شود. بتن قابل خمش می‌تواند 3 تا 5 درصد کشش را قبل از شکستن تحمل کند که کرنش خمشی 300 تا 500 برابر بیشتر نسبت به بتن معمولی را به آن می‌دهد. همین قابلیت شگفت‌انگیز تحمل کرنش کششی است که بتن قابل خمش را منحصربه‌فرد کرده است.

افزایش قابل‌توجه شکل‌پذیری موجب کاربردهای متنوعی می‌شود. اولاً در راه‌ها و سطوح روسازی شده که در معرض بارگذاری‌های مکرر وسایل سنگین هستند، بتن قابل خمش کمتر ترک خواهد خورد و از فرسایش به دلیل نمک‌پاشی که باعث خوردگی آرماتور فولادی می‌شود جلوگیری می‌کند.

بااین‌حال قبل از این‌که این بتن به استفاده تجاری در پروژه‌های بزرگ برسد، باید دسترسی به آن تسهیل شود. بتن قابل خمش قابلیت‌های خود ترمیمی هم دارد. به دلیل نسبتاً کوچک ماندن ترک‌ها در بتن قابل خمش، واکنش‌های طبیعی در بتن سخت شده باعث هیدراسیون پیوسته می‌شود که خود موجب ترمیم ترک‌ها و بازگشت دوام بتن می‌گردد.

درواقع بتن تقویت‌شده با الیاف چیز جدیدی نیست. شرکت‌های زیادی الیاف‌هایی برای استفاده در بتن باهدف بهبود مقاومت و دوام بتن ارائه می‌کنند. در بتن تقویت‌شده با الیاف این هدف‌ها با استفاده از الیاف‌هایی از فولاد، شیشه یا پلیمرهای آلی قابل‌دستیابی هستند. گاهی از الیاف‌های طبیعی مانند سیزال و کنف هم برای این کار استفاده می‌شود. این الیاف‌ها اصولاً برای مبارزه با جمع شدگی پلاستیک و جمع شدگی ناشی از خشک شدن به کار می‌روند که در صورت عدم توجه ممکن است باعث ترک‌خوردگی و آسیب رسیدن به بتن شوند. این مقاومت در برابر جمع شدگی و ترک‌خوردگی ناشی از آن کلید افزایش عمر بتن و کاهش دفعات تعمیرات هزینه‌بر است. الیاف‌ها معمولاً از عریض شدن ترک‌های موجود و آسیب بیشتر به بتن بعد از پیدا شدن ترک‌ها جلوگیری می‌کنند. اخیراً از الیاف‌های فولادی در کاربردهای سازه‌ای برای کاهش مقدار آرماتور فولادی و صرفه‌جویی در زمان و نیروی انسانی استفاده‌شده است.

بتن جاذب کربن

مانند اکثر مصالح ساخت انسان، بتن هم یک منبع انتشار کربن دی‌اکسید است. دلیل اصلی تولید کربن دی‌اکسید در فرآیند تولید سیمان است؛ اما اگر بتوانیم این فرآیند را معکوس کرده و کربن دی‌اکسید را با فرآیندهای طبیعی یا فناوری‌های کربن گیر در بتن محصور کنیم اوضاع متفاوت خواهد شد.

کربناسیون یک فرآیند طبیعی است که در آن کربن دی‌اکسید به سطح سخت شده بتن نفوذ کرده و با محصولات هیدراسیون سیمان واکنش داده و کربنات ایجاد می‌کند. برای بتن در حالت سرویس کربناسیون یک فرآیند کند با متغیرهای وابسته بسیار زیاد است. سرعت این واکنش با گذر زمان کاهش پیدا می‌کند. دلیل این است که کربناسیون باعث کاهش نفوذپذیری شده و کربناسیون از سطح به سمت داخل اتفاق می‌افتد و یک لایه در سطح ایجاد می‌کند که از انتشار بیشتر کربن دی‌اکسید به داخل بتن جلوگیری می‌کند. باوجود کند بودن، فرآیند کربناسیون باعث جذب مقداری از کربن دی‌اکسید منتشرشده در فرآیند تولید در یک فرآیند شیمیایی به نام تکلیس، می‌شود. ازنظر تجربی با دادن زمان کافی و شرایط ایده آل، تمام کربن دی‌اکسید منتشرشده از تکلیس را می‌توان با کربناسیون جذب کرد. بااین‌حال شرایط واقعی فاصله زیادی از شرایط ایده آل دارد.

سرعت جذب کربن به قرارگیری بتن در معرض هوا، جهت سطح، نسبت سطح به حجم، عامل چسبانندگی، عمل‌آوری سطح، تخلخل، مقاومت، رطوبت، دما و غلظت کربن دی‌اکسید محیط بستگی دارد. پیش‌بینی مقدار کربن دی‌اکسید جذب‌شده توسط بتن درجا سخت است. آنچه معلوم است این است که سرعت جذب کربن دی‌اکسید وقتی نسبت سطح به حجم بالا باشد بیشتر است؛ مانند وقتی‌که بتن خردشده و در معرض هوا قرار می‌گیرد.

بتن خود تراکم

بتن خود تراکم (SCC) بتنی بسیار روان و بدون جداشدگی است که می‌تواند در محل جریان پیدا کرده، قالب را پر کرده و بدون هیچ‌گونه ارتعاش مکانیکی آرماتورها را محصور کند. SCC بر ترکیب نسبت بالایی از سنگ‌دانه نرم و افزودنی‌هایی به نام فوق روان کننده‌ها و اصلاح‌کننده‌های ویسکوزیته برای به دست آوردن بتن روان و پایدار تکیه دارد.

بتن‌ریزی بتن خودتراکم سریع‌تر از بتن معمولی انجام شده، پرداخت کمتری می‌طلبد و نیازی به ارتعاش مکانیکی ندارد. همچنین یکنواختی بتن ریخته شده نیاز به کارهای سطحی را هم حذف می‌کند.

به‌علاوه استفاده از SCC امکان کاهش نیروی انسانی و افزایش ایمنی محل کار را هم فراهم می‌کند زیرا نیازی به رفتن کارگرها به روی سطوح دال‌ها و بالای دیوارها برای ویبره مکانیکی بتن وجود ندارد. SCC باعث کاهش زمان ساخت‌وساز و درنتیجه صرفه‌جویی هزینه‌ای و همچنین بهبود قابلیت پمپاژ بتن هم می‌شود.

SCC برای اولین بار در سال 1986 توسط پروفسور اوکامورا در دانشگاه اوچی ژاپن برای برطرف کردن مشکل کمبود نیروی کار ماهر تولید شد. در ابتدا به دلیل تولید با قیمت بالا و نیاز به کنترل کیفیت بالا، از SCC در پروژه‌های خیلی تخصصی مانند کارهای تعمیراتی یا در محل‌هایی که دسترسی به آن‌ها مشکل بود استفاده می‌شد. اولین کاربرد SCC در پیش‌ساخته سازی بود که در آن بتن در شرایط کنترل‌شده تولید و ریخته می‌شود. در کاربردهای بتن تازه هم ابتدا از بتن برای مقاطع با آرماتوربندی متراکم و محل‌هایی که در آن ویبره مکانیکی سخت بود استفاده می‌شد. اخیراً از بتن خودتراکم در بتن معماری هم استفاده می‌شود؛ زیرا این بتن سطح تمام‌شده بهتری نسبت به بتن‌های سنتی دارد. بتن خودتراکم هنوز هم هزینه نسبتاً بالایی دارد اما در مواردی که تأمین نیروی انسانی سخت است یا به سطح بتنی در معرض دید همواری نیاز است محبوبیت خود را دارد.

یکی از برجسته‌ترین کاربردهای بتن خودتراکم در پروژه‌های ساختمانی بلندمرتبه است که توجیه تجاری و موفقیت خود را در کاربردهای عملی نشان داده است. بعضی از ملاحظاتی که باید در مورد این بتن در نظر داشت این است که روانی آن ممکن است به دلیل آب‌وهوای گرم، فاصله حمل طولانی یا تأخیر در کارگاه کاهش پیدا کند. مشخصات موردنیاز برای یک کار ازجمله روانی بتن ممکن است متفاوت باشد؛ اما می‌توان با روش‌هایی ازجمله آزمایش جریان اسلامپ حدود مشخصات پلاستیک بتن را تعیین کرد تا مطمئن شویم که بتنی که به محل کار می‌رسد استانداردهای خاص پروژه را دارا است. SCC کاملاً تجاری‌سازی شده است و در کل دنیا هم از آن استفاده می‌شود.

از زباله تا ثروت

مصالح سیمانی مکمل (SCM ها) مانند خاکستر بادی، سیمان سرباره‌ای و سیلیکا فوم کلید دستیابی به بتن توانمند هستند. آنچه این مصالح را نوآورانه می‌کند این است که اکثر آن‌ها از زباله به‌دست‌آمده‌اند – فرآورده‌های جانبی فرآیند تولید که در صورت عدم استفاده در بتن دور ریخته می‌شوند.

 وقتی این زباله‌ها با سیمان پرتلند در بتن مخلوط می‌شوند با ترکیبات شیمیایی خاصی واکنش داده و چسبندگی بیشتر ایجاد می‌کنند. درنتیجه این مصالح به‌شدت به‌عنوان مصالح مکمل سیمان باارزش هستند.

بتن بدون سیمان

هرچند هنوز هم ‌سال‌ها با تجاری سازه گسترده آن فاصله داریم اما یکی از جذاب‌ترین موضوعات تحقیق و توسعه روی بتن ژئوپلیمر است که در آن از خاکستر بادی و/یا سرباره و فعال‌کننده‌های شیمیایی به‌عنوان چسباننده به‌جای سیمان پرتلند استفاده می‌شود. بتن ژئوپلیمر با استفاده از یک منبع سیلیکون و آلومینیوم که معمولاً خاکستر بادی یا سرباره است و ترکیب آن با یک محلول فعال‌کننده قلیایی که این مصالح را به زنجیره‌های مولکولی پلیمری تبدیل می‌کنند که چسبی سخت ایجاد می‌کند، ساخته می‌شوند. معمول‌ترین محلول‌های فعال‌کننده شامل سدیم هیدروکسید یا پتاسیم هیدروکسید هستند که سیلیکون و آلومینیوم را آزاد می‌کنند.

مقاومت فشاری بتن ژئوپلیمر قابل‌مقایسه با سیمان پرتلند یا بیشتر است و سرعت کسب مقاومت آن معمولاً با مقاومت 3500 psi یا بیشتر در 24 ساعت اولیه، بالاتر از بتن سیمان پرتلند است. مقاومت‌های فشاری در سن 28 روز 8000 تا 10000 پوند بر اینچ مربع نشان داده شده است. تحقیقات نشان می‌دهد که بتن ژئوپلیمر جمع شدگی ناشی از خشک شدن کمتر، گرمای هیدراسیون کمتر، نفوذ کلرید بهتر و مقاومت بیشتر در برابر اسیدها دارد. مقاومت این بتن در برابر آتش بسیار بهتر از بتن سیمان پرتلند است که بتن‌های ژئوپلیمر را برای کاربردهای پرحرارت خاص ایده آل می‌کند.

نتیجه‌گیری

سالانه بیش از 20 میلیارد تن بتن در سراسر جهان تولید می‌شود؛ بنابراین ساخت بتن موجب تولید حدود 5% از انتشار کربن دی‌اکسید کل جهان می‌شود که بیشتر آن مربوط به فرآیند تولید بتن است. تقاضای بتن احتمالاً با افزایش جمعیت افزایش پیدا خواهد کرد. به‌علاوه نیاز به مقاومت، دوام و کارایی بیشتر هم ادامه پیدا خواهد کرد. ترکیبی از فناوری‌های پیشرفته و سنتی به برآورده کردن این نیازها کمک خواهد کرد. فناوری‌هایی مانند سیمان‌های TiO₂، بتن خودتراکم، مکمل‌های سیمان و الیاف تا حدودی در حال حاضر هم با نتایج قابل‌قبول به کار گرفته می‌شوند. جذب کربن هم در مراحل اولیه است اما امیدهای بزرگی را زنده کرده است. خاکستر بادی هم به برآورده کردن نیاز به بتن‌های توانمند اقتصادی کمک کرده و روزی بتن‌های ژئوپلیمری به تولید بتن کربن خنثی بدون خدشه‌دار کردن عملکرد کمک خواهند کرد.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.