به گزارش ایسنا، تقریباً هر پروژه ساختمانی در جهان به نوعی از بتن استفاده میکند. فقط یک مشکل وجود دارد و آن هم مشکل بزرگی است؛ ساخت یکی از مواد اصلی آن که سیمان است، به طرز وحشتناکی برای محیط زیست مضر است.
عمل گرم کردن و فرآوری سنگ آهک برای ساخت سیمان یکی از منابع اصلی انتشار کربن دی اکسید در جهان است. بنابراین قابل درک است که دانشمندان به دنبال راههایی برای کاهش این مشکل افتادهاند.
محققان به رهبری مهندس عمران، راگووش تیواری(Raghuvesh Tiwari) از دانشگاه مانیپال جایپور در هند به تازگی به یک راه حل هوشمندانه دست یافتهاند که با یک تیر دو نشان زیست محیطی را میزند.
آنها در مقاله خود نوشتند: با مخلوط کردن بیوچار ساخته شده از دوغاب مدفوع انسان که در تصفیهخانهها فرآوری میشود، بتن ما بهبودهای قابل توجهی در خواص بتن ایجاد میکند.
بتن، سودمندی فوقالعاده خود را مدیون ترکیبی از خواص است. وقتی خیس است، انعطافپذیر است و تقریباً به هر شکلی میتوان آن را ریخت، اما پس از خشک شدن به مادهای تبدیل میشود که به اندازه کافی قوی است تا بارهای عظیم را تحمل کند و به اندازه کافی بادوام است که برای دههها یا حتی هزارهها دوام بیاورد.
بتن معمولاً از چند چیز در مقادیر مشخص ساخته میشود که شامل شن، ماسه، آب و سیمان است.
متأسفانه ترکیب این مواد بسیار حساس است و تغییر تعادل یا جایگزینی مقداری از سیمان با چیز دیگری میتواند بتنی تولید کند که به اندازه کافی قوی یا بادوام نباشد. اگر بتن تحت فشار ترک بخورد، به عنوان یک مصالح ساختمانی دیگر مفید نخواهد بود.
یکی از جایگزینهای سیمان که به طور فزایندهای امیدوارکننده نشان داده است، بیوچار است که مادهای غنی از کربن است که با گرم کردن مواد آلی در محیطی کم اکسیژن ساخته میشود.
جذابیت بیوچار در این است که میتوان آن را از انواع مختلفی از مواد آلی ساخت و انسانها نیز مقدار زیادی مواد آلی تولید میکنند. برای مثال هر انسان تا حدود ۴۰۰ گرم مدفوع در روز تولید میکند که وقتی چندین میلیون نفر را در نظر بگیریم، شگفتانگیز است که فاضلابهای ما تا این حد میتوانند در توسعه چنین موادی مؤثر باشند.
به هر حال، تمام مدفوعها روزانه باید به جایی بروند و اینجاست که نقاط شروع به اتصال میکنند. در هند، تصفیهخانههای مدفوع برای مدیریت ایمن زبالههای انسانی تأسیس شدهاند که میتوانند از طریق پیرولیز به بیوچار تبدیل شوند. بنابراین محققان تصور کردند که اگر خاک اره، چوب، پوسته برنج و سایر بیوچارها در ساخت بتن مؤثر باشند، آیا میتوان از مدفوع نیز برای تولید بتن استفاده کرد؟
تیواری و همکارانش برای آزمایش این امر، بیوچار مدفوع را از یک تصفیهخانه در وارانگال هند تهیه کردند.
برای ساخت بیوچار، مدفوع خشک میشود، سپس در محیطی با اکسیژن کم در دمای بین ۳۵۰ تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد حرارت داده میشود تا بیوچار تولید شود. سپس بیوچار، آسیاب و به صورت پودر ریز الک میشود.
محققان از این پودر برای جایگزینی مقادیر مختلف سیمان به صورت ۵، ۱۰ و ۱۵ درصد در بتن معمولی استفاده کردند، سپس بتن حاصل را تحت آزمایشهای مختلفی قرار دادند تا ببینند چقدر خوب دوام میآورد و به طرز باورنکردنی، این مدفوع فرآوری شده توانست بتن را بهتر کند.
محققان میزان انقباض، مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، جذب آب و تخلخل مخلوطهای مختلف خود را اندازهگیری کردند و اینجاست که واقعاً جالب شد.
به طور کلی مشخص شد که قویترین بتن معمولاً زمانی تولید میشود که ۵ درصد از سیمان با بیوچار مدفوع جایگزین شود، اما این ماده یک ترفند جالب دیگر هم داشت؛ با خشک شدن، همچنان به افزایش مقاومت قابل توجه خود ادامه میداد.
محققان گزارش میدهند که بتن حاوی ۵ درصد بیوچار مدفوع پس از ۹۱ روز، به طور متوسط افزایش ۲۰ درصدی در مقاومت فشاری و ۳۶ درصدی در مقاومت خمشی را ثبت کرده است.
در مخلوط ۱۰ درصدی، این افزایشها حتی بیشتر هم بودند و ۲۱ درصد برای مقاومت فشاری و ۴۲ درصد را برای مقاومت خمشی نشان دادند.
به نظر نمیرسید که این بتن جدید در برخی از خواص دیگر مورد آزمایش تیم، مقاومت خود را جبران کند.
مخلوط ۵ درصدی به طور کلی آب کمتری جذب میکرد و تخلخل کمتری نسبت به بتن معمولی داشت، در حالی که انقباض خشک شدن آن نیز کمتر بود. در مخلوط ۱۰ درصدی اما عملکرد آن به طور کلی قابل مقایسه با بتن معمولی باقی ماند.
در مخلوط ۱۵ درصدی، بتن همچنان با عمل آمدن قویتر شد، اما مقاومت کلی آن از نسخههای ۵ و ۱۰ درصدی عقب ماند.
حال پرسش این است که چرا اضافه کردن کمی مدفوع، بتن را قویتر میکند؟
محققان فکر میکنند که چندین اثر با هم کار میکنند. اول اینکه بیوچار مدفوع بسیار متخلخل است و پر از حفرههای ریز است که میتوانند آب را جذب کرده و به تدریج با عمل آمدن بتن، آن را آزاد کنند.
این امر به طور مؤثر ذرات بیوچار را به مخازن داخلی ریز تبدیل میکند و آب را برای واکنشهای شیمیایی که سیمان را سخت و تقویت میکنند، در دسترس نگه میدارد.
اما مدفوع فقط آنجا نمیماند تا آب را در خود نگه دارد. بیوچار سرشار از سیلیس است که میتواند با ترکیبات تولید شده در حین عملآوری سیمان واکنش دهد تا سیلیکاتهای کلسیم بیشتری تشکیل دهد که به استحکام بتن کمک میکند.
به عبارت دیگر، این ماده پوزولانی(pozzolanic) است که به همان دسته گسترده از واکنشهای شیمیایی گفته میشود که در بتنهای روم باستان به کار میرفتند. فقط به جای مواد آتشفشانی که رومیها استفاده میکردند، از مدفوع انسان استفاده میشود.
در نهایت، ذرات ریز بیوچار میتوانند شکافهای بتن را پر کنند و نحوه بسته شدن و اتصال مواد تشکیل دهنده آن را بهبود بخشند.
محققان توانستند نتیجه را زیر میکروسکوپ ببینند. بتنی که حاوی ۵ درصد بیوچار بود، ساختاری متراکمتر و با پیوند محکمتر نسبت به بتن معمولی داشت، اما در ۱۵ درصد، این ساختار شروع به خراب شدن کرد و منافذ، ترکها و نواحی با پیوند ضعیف بیشتری ظاهر شدند.
محققان میگویند حالا قرار نیست از فردا شروع به ساختن آسمانخراشها از بتن مدفوعی کنیم، بلکه خاطرنشان میکنند که برای ارزیابی عملکرد آن در شرایط واقعی، مانند چرخههای انجماد-ذوب، شوری و دماهای شدید، مطالعات بیشتری لازم است.
همچنین مسئله تجمع فلزات سنگین وجود دارد که یک مشکل شناخته شده در لجن فاضلاب است. حبس کردن فلزات سنگین بالقوه مضر در بتن میتواند یک مزیت باشد، اما مشخص نیست که چقدر خوب حبس میشوند یا اینکه آیا با گذشت زمان از بین میروند یا خیر.
این مطالعه همچنین تأثیر این روش بر انتشار کربن را ارزیابی نکرده است.
با این حال، جایگزینی حتی کسری از سیمان بتن با مادهای ساخته شده از جریان زبالهای که انسانها در مقادیر بیپایان تولید میکنند، میتواند به طور بالقوه دو مشکل را همزمان حل کند.
اگر یک چیز وجود داشته باشد که بتوانیم برای تولید آن در مقادیر زیاد و مداوم به انسانها تکیه کنیم، قطعاً همین مدفوع است.
این پژوهش برای انتشار در مجله Scientific Reports پذیرفته شده است.
انتهای پیام
