از خاک بی‌ارزش تا بتن سبز: نوآوری تازه در مصالح ساختمانی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، مهندسان دانشگاه RMIT در استرالیا، خاک رس کم‌عیار را به یک مکمل سیمان با عملکرد بالا تبدیل کرده‌اند و بازار بالقوه جدیدی را در مصالح ساختمانی پایدار ایجاد کرده‌اند.

تولید جهانی سیمان - یکی از اجزای کلیدی بتن - مسئول ۸ درصد از انتشار جهانی دی اکسید کربن است.

جایگزینی مقداری سیمان با خاک رس، اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد، اما خاک رس کائولن مرغوب که برای جایگزینی سیمان مناسب‌تر است، تقاضای فزاینده‌ای برای سرامیک، رنگ، لوازم آرایشی و کاغذ دارد.

اکنون تیم RMIT نشان داده است که خاک رس ایلیت ارزان‌تر و فراوان‌تر را می‌توان با خاک رس کائولینیت کم‌عیار مخلوط کرد تا بتن قوی‌تری ساخته شود.

پیشرفت فناوری به سوی آینده‌ای کم‌کربن

این مطالعه که در مجله Construction and Building Materials منتشر شده است، فرآیند جدیدی را معرفی می‌کند که در آن خاک رس ایلیت و کائولن با درجه خلوص پایین با نسبت مساوی مخلوط شده و سپس در دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد گرم می‌شوند.

این مطالعه نشان داد که پردازش این دو ماده با هم، به جای جداگانه، منجر به بهبود‌های متعددی در عملکرد ماده شد.

دکتر چامیلا گوناسکارا، سرپرست پروژه، گفت که خاک رس ایلیت با عیار پایین معمولاً به خوبی با سیمان و آب پیوند برقرار نمی‌کند، اما فرآیند گرمایش مشترک یا هم‌آهکی کردن، توانایی پیوند خاک رس ایلیت، که به عنوان واکنش‌پذیری پوزولانی شناخته می‌شود، را تا حد زیادی افزایش می‌دهد.

گوناسکارا، از دانشکده مهندسی RMIT، گفت: «بر اساس این رویکرد، ما قادریم ۲۰ درصد از مصرف سیمان را با استفاده از ترکیبات ایلیت کم‌عیار و کائولن جایگزین کنیم، در حالی که به عملکرد حتی بهتری از محصول نهایی دست می‌یابیم.»

میزان مواد نامنظم در خاک رس جدید ۱۸ درصد افزایش یافته است که برای استحکام و دوام مفید است. این ماده همچنین آب بیشتری را به شکل شیمیایی پایدار در خود نگه می‌دارد که به واکنش‌های بلندمدت بهتر اشاره دارد که به استحکام سازه کمک می‌کند.

گوناسکارا گفت: «تخلخل به میزان قابل توجهی ۴۱ درصد کاهش می‌یابد، در حالی که مقاومت فشاری آن ۱۵ درصد افزایش می‌یابد، جایی که تغییرات در نحوه تشکیل ترکیبات آهن به ایجاد یک ساختار داخلی محکم‌تر و فشرده‌تر کمک می‌کند.»

این پیشرفت‌ها نشان می‌دهند که مخلوط‌های ایلیت-کائولنِ هم-کلسینه شده می‌توانند عملکردشان با جایگزین‌های سنتی مبتنی بر کائولن برابری کند یا از آنها پیشی بگیرد.

تقاضا برای کائولن به طور پیوسته در حال افزایش است، به طوری که پیش‌بینی می‌شود ارزش بازار آن تا سال ۲۰۳۲ به ۶ میلیارد دلار آمریکا برسد و به لطف این تحقیق، امید است که بازاری برای خاک رس ایلیت نیز ایجاد شود.

دکتر روشن جایاتیلاکیج، نویسنده‌ی اصلی این مطالعه، گفت که این تکنیک از نظر انرژی نیز کارآمدتر است.

جایاتیلاکاژ گفت: «از آنجایی که مواد خام با هم فرآوری می‌شوند، این روش عملیات صنعتی را ساده‌تر کرده و در مقایسه با چندین مرحله کلسیناسیون، مصرف سوخت را کاهش می‌دهد.»

این باعث می‌شود که این روش نه تنها از نظر فنی بی‌نقص باشد، بلکه از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی نیز مقیاس‌پذیر باشد.

ابزار محاسباتی جدید برای تسریع تحول سبز

این تحقیق همچنین پیشرفت‌های محاسباتی در علم مواد را نشان می‌دهد.

زیربنای کار این گروه، یک ابزار محاسباتی پیشرفته برای تحلیل و طراحی بتن است که با همکاری دانشگاه هوکایدو ژاپن توسعه یافته است.

این ابزار به تیم اجازه می‌دهد تا عملکرد رس‌های فعال مختلف در مخلوط‌های بتنی را ارزیابی کنند و بینش دقیقی در مورد خواص مکانیکی، دوام و بهره‌وری انرژی آنها ارائه دهند، جایی که رویکرد‌های موجود در حال حاضر با مشکل مواجه بوده‌اند.

دکتر یوگو یو، از دانشکده مهندسی RMIT، گفت که ابزار محاسباتی آنها امکان ارزیابی کارآمدتر عملکرد مواد را فراهم کرده و اتکا به آزمایش‌های آزمایشگاهی گسترده را کاهش می‌دهد.

او گفت: «با پیش‌بینی اینکه ترکیبات مختلف رس چگونه بر رفتار بتن تأثیر می‌گذارند، مهندسان قادر خواهند بود مخلوط‌های با بهره‌وری انرژی بهتر و متناسب با انواع رس‌های محلی و شرایط محیطی خاص طراحی کنند.»

این ابزار مجازی می‌تواند صنعت ساخت و ساز را قادر سازد تا پذیرش مواد سازگار با محیط زیست را تسریع کند و راه را برای تحول سبزتر به سوی آینده‌ای پایدارتر هموار سازد.

تیم RMIT با تکیه بر همکاری با شرکای جهانی، از جمله مرکز تابش سینکروترون اروپا در فرانسه، همچنان به بررسی چگونگی تأثیر انواع مختلف رس و تکنیک‌های فعال‌سازی بر رفتار بتن در مقیاس‌های مختلف ادامه می‌دهد و در عین حال آزمایش عملکرد در شرایط دنیای واقعی را گسترش می‌دهد.