مقاله تحلیلی: افزایش پایداری پل‌ ها با بهینه ‌سازی بتن

مهندسان باید بکوشند تا در انجام وظایف حرفه‌ای خود، از اصول توسعه پایدار پیروی نمایند. علاوه بر این در برخی از ایالت‌ها تجزیه‌وتحلیل اثرات زیست‌محیطی برخی از پروژه‌های حمل‌ونقل الزامی است (اداره کل فدرال بزرگراه‌های آمریکا (FHWA)، ۲۰۱۶). به‌عنوان نمونه در ماساچوست در پروژه‌های ویژه‌ای باید میزان انتشار   اندازه‌گیری و کمّی سازی شود و تا جایی که امکان‌پذیر است از آسیب‌های زیست‌محیطی جلوگیری نمایند، آن‌ها را به حداقل برسانند یا کاهش دهند (منافع مشترک ماساچوست، ۲۰۱۰). به‌طور مشابه در تحلیل کیفی هوا، در ایالت نیویورک تحلیل اثر انرژی برای برخی از پروژه‌ها الزامی است.

دستورالعمل‌های متنوعی همچون راهنمای Envision، راهنمای Greenroads و LEED برای موضوع پایداری در دسترس مهندسان و مالکان علاقه‌مند به کاهش اثر زیست‌محیطی سازه‌ها قرار دارد. این دستورالعمل‌ها اهداف را مشخص می‌نمایند. برای تمرکز روی دسته تخصیص منابع راهنمای انویژن با فرض اینکه مهندسان سازه تأثیر زیادی بر این سیستم دسته‌بندی دارند، اهداف فهرست بندی شده عبارت‌اند از: کاهش انرژی خالص نهفته و حمایت از روش‌های پایدار. واضح است که رویکردهای تجویزی برای دستیابی به این اهداف مدنظر نیستند، زیرا برای کسانی که آموزش اندکی در زمینه پایداری دیده‌اند چالش‌برانگیز می‌شود. هدف از این مقاله ارائه استراتژی‌های ویژه‌ای برای دستیابی به اهداف جامع پایداری موجود در دستورالعمل‌ها، با تمرکز بر بتن است.

اثرات زیست‌محیطی قابل‌توجه

درک این‌که چه فازی از چرخه حیات یک پل، بیش‌ترین مشارکت را در اثرات زیست‌محیطی دارد مفید است، از این طریق می‌توان دریافت که چه استراتژی‌هایی بیشترین تأثیر را در کاهش اثرات زیست‌محیطی دارند. فازهای معمول چرخه حیات یک پل عبارت‌اند از: تولید، ساخت‌وساز، بهره‌برداری/ نگهداری و پایان عمر.

اثرات هر فاز را می‌توان با استفاده از روش ارزیابی چرخه حیات کمی سازی کرد. به‌طور خلاصه، روش ارزیابی چرخه حیات اثرات زیست‌محیطی را در مقوله‌هایی چون پتانسیل گرمایش جهانی با استفاده از محدوده یک سیستم مشخص (بخش تعریف‌شده‌ای از زنجیره تأمین برای یک پروژه خاص) کمّی سازی می‌کند. در مطالعات متعددی انتشار آلاینده‌های مربوط به پروژه‌های پل تحلیل شده است. برخی از مطالعات، نتایج را برای هر فاز چرخه حیات گزارش می‌کنند. برخی دیگر روی مقایسه میزان انتشار آلاینده‌ها در یک فاز مشخص و در گزینه‌های جایگزین تمرکز می‌کنند. در بسیاری از مطالعات، جایگزین‌های مختلف روسازه ارزیابی می‌شود، با این فرض که زیرسازه پل همان‌طور باقی بماند. برای برقراری تعادل کمّی میان جایگزین‌های زیرسازه و روسازه پل باهدف به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی، می‌توان از مطالعات پروژه محور ارزیابی چرخه حیات استفاده کرد. مطالعات ارزیابی چرخه حیات می‌توانند تشخیص دهند که چه عناصری از پروژه دارای بیشترین اثرات هستند و چه عناصری یک اثر غیرمتناسب با توجه به ابعاد و هزینه خود دارند. شکل ۱ نمونه‌ای از نتایج ارزیابی چرخه حیات را برای پتانسیل گرمایش جهانی در یک پروژه فرضی نشان می‌دهد.

مطالعاتی که انتشار آلاینده را از طریق چرخه حیات مقایسه می‌کنند، نشان داده‌اند که فاز تولید، بیشترین میزان انتشار آلاینده را دارد. به گفته مارتین (۲۰۱۱)، همرولد و همکارانش (2013) و دو و همکارانش (2014) بیش از ۸۴ درصد کل پتانسیل گرمایش جهانی ناشی از فاز اولیه است. دکوییت این میزان را ۶۴ درصد برآورد کرده است. همچنین دو و همکارانش (2014) بیان می‌کنند که قسمت عمده انتشار آلاینده‌هایی چون  ،  ،   و   ناشی از فاز نخست است. میزان این انتشار تا حد زیادی به مقدار سیمان، نرخ بازیافت فولاد (که در ایالات‌متحده، بالا است) و به منبع برق مصرفی در تولید فولاد وابسته است؛ بنابراین فاز اولیه تولید بایستی هدف آن دسته از مهندسان پل قرار بگیرد که به دنبال کاهش عواملی با بیشترین میزان تولید آلاینده در پروژه هستند.

استراتژی‌ها

مواد جایگزین سیمانی

یکی از اهداف کاهش اثر زیست‌محیطی در سازه‌های بزرگراهی و سایر سازه‌های دارای بتن، جایگزین کردن همه یا بخشی از حجم سیمان پرتلند در بتن با مواد سیمانی جایگزین است. این مواد اغلب، مواد سیمانی افزودنی نیز نامیده می‌شوند. باوجود این‌که در اصل هر دو مشابه هستند اما مورد اول بهتر مشخص می‌کند که برخی از این مواد می‌توانند تا اندازه قابل‌توجهی، یا حتی در برخی موارد به‌طور کامل به‌جای سیمان پرتلند استفاده شوند.

به دلیل آن‌که بسیاری از مصالح سیمانی جایگزین به‌صورت محصولات جانبی تولید می‌شوند اما اثرات زیست‌محیطی سازه‌ها را به طرز چشمگیری کاهش می‌دهند. کاهش ترک‌های حرارتی می‌تواند از دیگر مزایای استفاده از مصالح سیمانی جایگزین باشد که به‌ویژه برای اعضای بتنی بزرگ سودمند است. علاوه بر این، مصالح جایگزین سیمانی می‌توانند عملکرد مکانیکی درازمدت را بهبود بخشند و نگرانی‌های مربوط به دوام بتن همچون مقاومت در برابر نفوذ کلرید و مقاومت در برابر واکنش قلیایی-سیلیسی را کاهش دهند. در حقیقت، از طریق طرح اختلاط مناسب و استفاده از مصالح جایگزین سیمانی، عمر سرویس مورد انتظار می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی فراتر ازآنچه معمول است، رود.

ممکن است طیف گسترده‌ای از مصالح سیمانی جایگزین وجود داشته باشد. آن‌هایی که کمترین اثرات زیست‌محیطی را دارند، به‌طور مستقیم آن مصالحی هستند که از مواد زائد و دورریختنی بخش‌های دیگر حاصل می‌شوند (اگرچه برای بررسی کامل صحت این قضیه، نیاز است ملاحظات کاملی به‌منظور بررسی اثرات زیست‌محیطی انجام شود). خاکستر بادی، سرباره کوره و سیلیکا فوم که به‌صورت محصولات جانبی تولید می‌شوند، در حال حاضر رایج‌ترین مصالح مورداستفاده به‌عنوان مواد سیمانی جایگزین هستند. سایر محصولاتی که به‌عنوان مصالح سیمانی جایگزین مورداستفاده قرار گرفته‌اند شامل سایر ضایعات صنعتی، کشاورزی، شهری و پوزولان‌ طبیعی مانند خاک رس و خاکستر آتش‌فشانی هستند.

نسبت مصالح سیمانی جایگزین بسیار مهم است. کسب مقاومت کندتر با استفاده از برخی از مصالح سیمانی جایگزین حاکی از آن است که حصول اطمینان از مقاومت کافی در سنین اولیه باید موردتوجه قرار گیرد. کارایی بتن نیز می‌تواند نوعی نگرانی در استفاده از مصالح سیمانی جایگزین به همراه داشته باشد؛ بنابراین، در حال حاضر از مصالح معدودی می‌توان به‌طور کامل به‌عنوان جایگزین سیمان پرتلند استفاده کرد. ترکیبات متعدد و متنوعی از مصالح سیمانی جایگزین مورداستفاده قرار گرفته است تا الزامات مقاومت، خدمت پذیری و قابلیت‌های سازه‌ای را برآورده کند و درعین‌حال اثرات زیست‌محیطی را نیز کاهش دهد.

درصد مجاز خاکستر بادی بسیار متغیر است اما اغلب مقدار جایگزینی تا نهایت ۳۰ درصد (که به‌صورت نسبت وزن خاکستر بادی به وزن کل مصالح سیمانی بیان می‌شود) است. برخی از سازمان‌ها الزامات اضافه‌تری مانند مشخص کردن نوع خاکستر بادی مورداستفاده (که در آن کلاس F به‌عنوان بالاترین کیفیت در نظر گرفته می‌شود و نیز کلاس C که به‌طورمعمول مورداستفاده قرار می‌گیرد) را مدنظر قرار می‌دهند.

سایر سازمان‌ها در استفاده از خاکستر بادی محدودیت کمتری قائل هستند. به‌طور مثال، دپارتمان حمل‌ونقل تگزاس تا ۳۵ درصد نسبت خاکستر بادی را مجاز می‌داند (با این فرض که سایر محدودیت‌ها برآورده شده‌اند) که همان نسبتی است که بنتز (Bentz) و همکارانش (2011) نتوانستند در آن هیچ‌گونه سازگاری در خواص سنین اولیه بتن بیابند. یک مثال دیگر دپارتمان حمل‌ونقل ایالت دلاویر برای بتن‌های نوع خاکستر بادی است که کمینه ۲۰ درصدی برای خاکستر بادی تعیین می‌کند. علاوه بر این، پروژه‌های متعددی از مقادیر بالای خاکستر بادی استفاده کرده‌اند. این پروژه‌ها شامل پل سان شاین اسکای وِی در فلوریدا و پل کوپر ریور در کارولینای جنوبی است که به ترتیب ۵۰ درصد و ۴۳ درصد از خاکستر بادی استفاده کرده‌اند. 

حتی درصدهای بالاتری از خاکستر بادی توسط بازوبا (Bouzoubaâ) و لاچمی (Lachemi) (2011) استفاده‌شده است که مخلوطی با حجم بالای حاوی ۷۰ درصد خاکستر بادی را حاصل شده است. در آزمایش‌های میدانی صورت گرفته توسط کراس و همکارانش (2005) از ۱۰۰ درصد خاکستر بادی کلاس C برای بتن پی‌ها و دیوارها استفاده شد. مقادیر مشابه مصالح سیمانی جایگزین را می‌توان در اعضایی از سازه که به زمان‌بندی حساس نیستند، استفاده کرد به شرطی که نیازی به دستیابی به مقاومت طراحی کامل در سنین کم نداشته باشند.

نسبت‌های بیشتری از سرباره در مقایسه با خاکستر بادی، مجاز هستند. به‌عنوان نمونه، دپارتمان حمل‌ونقل ویسکانسین یکی از چندین سازمانی است که تا ۵۰ درصد سرباره را مجاز می‌داند. الهی و همکارانش (2010) افزایش مقاومت ۲۸ روزه و کاهش قابل‌توجه نفوذپذیری کلرید را نشان دادند. با توجه به مزایای ترکیب نیازهای عملکرد سازه‌ای و اهداف زیست‌محیطی، مثال‌های خلاقانه‌ای وجود دارد که در آن‌ها استفاده از سرباره به‌عنوان مصالح جایگزین سیمانی حداکثر شده است که شامل ۷۵ درصد سرباره به کار گرفته‌شده در پل جیمز ریور در ویرجینیا و ۶۹ درصد سرباره در ترکیب با ۱۶ درصد خاکستر بادی استفاده‌شده در پل I-35W سنت آنتونی فالز در ایالت مینه سوتا است.

سیلیکا فوم به میزان خاکستر بادی و سرباره استفاده نمی‌شود و نسبت استفاده از آن محدود است؛ بنابراین، مزایای استفاده از آن در حال حاضر محدودتر از سایر مصالح سیمانی جایگزین است. باوجود این‌که اغلب مطالعات موردی و پژوهش‌هایی که تا به امروز انجام‌شده بر استفاده از یک نوع واحد از مصالح سیمانی جایگزین تمرکز می‌کنند، ترکیبی از مصالح سیمانی جایگزین متنوع نیز امکان‌پذیر است.

علاوه بر به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی، دو چالش بحرانی همچنان منجر به تحقیق بیشتر در خصوص مصالح سیمانی جایگزین می‌شوند. یکی مقاومت در سنین اولیه است که قبلاً به آن اشاره شد. نگرانی دیگر این است که تقاضا برای مصالح سیمانی جایگزین ممکن است بیش از منابع موجود باشد. گاهی اوقات در دسترس بودن خاکسترهای بادی باکیفیت بالا یک مشکل است.

بهره‌وری در تولید سیمان

تولید سیمان در کارخانه‌هایی با بهره‌وری انرژی یک استراتژی پایدار است. گزارشی در سال ۲۰۰۸ توسط آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی انجام شد که نشان داد بیش از ۴۰ کارخانه را می‌توان باهدف افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش انتشار گاز   راه‌اندازی کرد. در حالت ایدئال، کارخانه‌های سیمان قادر خواهند بود نوعی گواهی زیست‌محیطی برای محصولات خود ارائه دهند تا اثرات زیست‌محیطی آن‌ها را شرح دهند.

سایر فناوری‌های در حال ظهور

فناوری‌هایی به‌منظور ارتقای عملکرد پایدار بتن مسلح ظهور یافته‌اند که به‌عنوان‌مثال می‌توان به‌ جایگزینی آرماتورهای فولادی با مصالح ضد خوردگی به‌طور قابل‌توجهی طول عمر پل‌های بتنی را افزایش داد. مصالح مسلح کننده ضد خوردگی شامل فولاد ضدزنگ، ترکیبات تقویت‌شده با الیاف پلیمری، آرماتور فولادی گالوانیزه شده، آرماتور کروم کم‌کربن اشاره کرد باشند. استفاده مناسب از این مصالح به‌تنهایی می‌تواند طول عمر سرویس را در مقایسه با میلگردهای فولادی معمولی بدون تعمیر و نگهداری افزایش دهد.

بتن با خاکستر بادی فعال قلیایی گزینه دیگری است که از خاکستر بادی به‌عنوان جایگزین ۱۰۰ درصدی سیمان پرتلند استفاده می‌کند. بتن با خاکستر بادی فعال قلیایی برای کاهش میزان ردپای کربن به فرآورده‌های جانبی صنعتی وابسته است. سایر فناوری‌های در حال ظهور مرتبط با بهبود پایداری بتن شامل بتن کاملاً قابل بازیافت، سیمانِ کلسیم سولفو آلومینات و استفاده از سنگ‌دانه‌های بازیافت شده است. در حال حاضر استراتژی آخر به‌طور موفقیت‌آمیزی در روسازی اجرا شده است و برخی از پژوهش‌های اخیر نتایج مطلوبی را در کاربردهای سازه‌ای بتن‌های شامل سنگ‌دانه‌های بازیافت شده ارائه می‌کنند.

 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.