بتن یکی از مهمترین مصالح دنیای مدرن است و تقریباً در تمام همه پروژههای ساختمانی استفاده میشود. اما تولید سیمان بهعنوان یکی از اصلیترین اجزای بتن، هزینهی زیستمحیطی بالایی دارد؛ زیرا فرایند تولید آن از عوامل مهم انتشار دیاکسیدکربن در جهان به شمار میرود.
اکنون گروهی از پژوهشگران در هند راهی متفاوت را بررسی کردهاند: استفاده از مادهای ساختهشده از لجن فاضلاب انسانی برای جایگزینی بخشی از سیمان. نتایج اولیه نشان میدهد افزودن مقدار کمی از این ماده نهتنها میتواند به کاهش مصرف سیمان کمک کند، بلکه حتی مقاومت بتن را نیز افزایش میدهد.
مادهای که پژوهشگران استفاده کردند، «بیوچار» نام دارد؛ مادهای سرشار از کربن که با حرارتدادن مواد آلی در محیطی با اکسیژن کم تولید میشود. بیوچار را میتوان از منابع مختلفی مانند چوب، خاکاره یا پوستهی برنج تولید کرد. پژوهشگران اینبار سراغ منبعی رفتند که تقریباً همیشه در دسترس است: لجن فاضلاب انسانی.
در هند، تصفیهخانههای لجن فاضلاب برای مدیریت پسماند انسانی فعال هستند. این لجن پس از خشکشدن، در دمای ۳۵۰ تا ۴۵۰ درجهی سانتیگراد و در محیطی کماکسیژن حرارت داده شد تا به بیوچار تبدیل شود. سپس ماده آسیاب شد و به شکل پودر درآمد. پژوهشگران این پودر را جایگزین بخشی از سیمان در بتن کردند و نمونههایی با جایگزینی ۵، ۱۰ و ۱۵ درصدی ساختند تا مقاومت آنها را بررسی کنند.
آزمایشها نشان داد افزودن مقدار مناسبی از بیوچار انسانی میتواند مقاومت بتن را افزایش دهد
به گزارش ساینس آلرت، نتایج آزمایشها نشان داد بهترین عملکرد مربوط به بتنهایی بود که ۵ درصد از سیمان آنها با بیوچار حاصل از لجن انسانی جایگزین شده بود. این بتن پس از ۹۱ روز، حدود ۲۰ درصد افزایش مقاومت فشاری و ۳۶ درصد افزایش مقاومت خمشی نسبت به بتن معمولی نشان داد. در نمونهای که ۱۰ درصد سیمان با این ماده جایگزین شده بود، افزایش مقاومت فشاری حدود ۲۱ درصد و افزایش مقاومت خمشی حدود ۴۲ درصد ثبت شد.
پژوهشگران همچنین دریافتند که بتن آزمایشی در برخی ویژگیهای دیگر نیز عملکرد مناسبی دارد. نمونهی دارای ۵ درصد بیوچار آب کمتری جذب میکرد، تخلخل کمتری داشت و در زمان خشکشدن کمتر جمع میشد.
اما افزایش مقدار بیوچار همیشه نتیجهی بهتر به همراه نداشت. در نمونههایی که ۱۵ درصد سیمان با این ماده جایگزین شده بود، مقاومت کلی بتن نسبت به نمونههای ۵ و ۱۰ درصدی کاهش پیدا کرد.
پژوهشگران چند دلیل برای این افزایش مقاومت مطرح کردهاند. بیوچار ساختاری پر از منافذ ریز دارد و میتواند آب را در خود نگه دارد. این آب بهتدریج هنگام سختشدن بتن آزاد میشود و به واکنشهای شیمیایی مورد نیاز برای شکلگیری ساختار مقاوم سیمان کمک میکند.
- 30 مرداد 04مطالعه '2
- 31 اردیبهشت 02مطالعه '3
- 26 روز قبلمطالعه '14
- 01 اردیبهشت 04مطالعه '2
از طرف دیگر، بیوچار حاصل از لجن انسانی مقدار قابلتوجهی سیلیس دارد. این ماده میتواند با ترکیبات موجود در سیمان واکنش دهد و ترکیباتی ایجاد کند که به افزایش استحکام بتن کمک میکنند.
ذرات ریز بیوچار همچنین میتوانند فضاهای خالی بین ذرات بتن را پر کنند و باعث شوند ساختار نهایی متراکمتر و اتصال میان اجزا قویتر شود. بررسیهای میکروسکوپی نیز این تفاوت را نشان داد. بتن دارای ۵ درصد بیوچار ساختاری متراکمتر و پیوندهای قویتری نسبت به بتن معمولی داشت. اما در نمونههای دارای ۱۵ درصد بیوچار، تعداد منافذ و نقاط ضعف افزایش پیدا کرده بود.
با وجود نتایج امیدوارکننده، این بتن هنوز آمادهی استفاده گسترده در ساختمانها نیست. پژوهشگران میگویند باید آزمایشهای بیشتری انجام شود تا عملکرد آن در شرایط واقعی، مانند تغییرات شدید دما، یخزدگی، ذوبشدن و محیطهای شور بررسی شود.
ساختار متخلخل بیوچار به حفظ آب و بهبود واکنشهای شیمیایی سیمان کمک میکند و ذرات آن نیز میتوانند فضای خالی بین اجزای بتن را پر کنند
یکی دیگر از نگرانیها، وجود فلزات سنگین در لجن فاضلاب است. اگرچه بتن میتواند این مواد را در ساختار خود محبوس کند، هنوز مشخص نیست این فلزات در بلندمدت تا چه اندازه پایدار باقی میمانند یا میتوانند وارد محیط شوند یا نه. مطالعه همچنین میزان کاهش انتشار کربن ناشی از این روش را بررسی نکرده است.
جایگزینکردن حتی بخشی از سیمان با مادهای که از پسماند فراوان انسانی تولید میشود، میتواند همزمان دو مشکل را هدف قرار دهد: کاهش وابستگی به سیمان و مدیریت بهتر پسماندهای انسانی. به گفتهی پژوهشگران، ایدهی اصلی این نیست که ساختمانهای آینده از «بتن مدفوعی» ساخته شوند، بلکه هدف یافتن راههایی برای استفاده دوباره از موادی است که تاکنون بهعنوان زباله دیده میشدند.
پژوهش در ژرونال Scientific Reports منتشر شده است.
