بخشی از مقاله
بررسی تاثیر ترکیبات جایگزین سیمان در بتن بر کاهش آلودگیهای محیط زیستی
چکیده
تجمع کربندیاکسید در اتمسفر بهعنوان عامل اصلی تغییرات آبوهوا در جهان شناخته میشود. اثرات مخرب مقدار گازهای گلخانهای بیش از حد مجاز مخصوصا کربندیاکسید1 بهاندازهای میباشد که منجر به تداعی تفکرات پایدار در راستای کاهش انتشار کربندیاکسید حاصل از تولید سیمان میشود. چنانکه در ازای هر یک تن سیمان پرتلند بهطور متوسط یک تن گاز کربندیاکسید روانه اتمسفر و 1,4 گیگاژول انرژی مصرف میگردد و عدم توجه به این مهم، باعث میشود که در آینده ای نه چندان دور به یکی از بزرگترین نگرانیهای جوامع بشری تبدیل گردد. لذا ضروری است تا راهکارهای عملی و ممکن جهت کاهش این گازها را بررسی و بهترین آنها را معرفی کرد. با توجه به این نکته که کاهش مصرف سیمان در بتن میتواند نهایتا منجر به کاهش تولید کربندیاکسید گردد، در تحقیق حاضر اثرات جایگزینی درصدی از مواد مکمل سیمانی در بتن بررسی شده است. بهعنوان نمونه میتوان به کاربرد پودرسنگ، خاکستر لجن فاضلاب، سرباره کوره آهنگدازی و پوزولانها و جایگزینی آنها با درصدی از سیمان در تولید بتن اشاره کرد. نتایج نمودارها نشان داد که در محدوده 7/5 تا 10 درصد جایگزین سیمان تغییرات محسوسی در مقاومت نمونهها مشاهده نگردید. استفاده از طرح اختلاط و نوع بتن مناسب، ارتقاء سطح و کیفیت کارخانههای تولید سیمان و نصب سنسورهای کنترل آلودگی، نصب فیلتر، قابلیت بازیافت بتن، آموزش به مهندسان و دانشجویان، احداث کارخانههای سیمان و ذوب آهن در فواصل نزدیک به هم، درختکاری و انبوهسازی نباتات در اطراف کارخانههای صنعتی از جمله دیگر اقدامات کاربردی جهت کاهش گازهای گلخانهای می باشد.
واژگان کلیدی: بتن سبز، انرژی، گازهایگلخانهای، محیطزیست، مواد جایگزین سیمان، توسعه پایدار
-1 مقدمه
میزان تولید سیمان در سال 2013 توسط کارخانه جات تولید سیمان و کلینکر ایران در حدود 70 میلیون تن بوده که این میزان از گذشته تابه حال همواره با توجه به گسترش میزان ظرفیت تولید کارگاهها با افزایش روبرو شده است (ماهنامه علمی تخصصی فناوری سیمان، .(2014 این میزان تولید سیمان که یکی از صنایع پرمصرف در زمینه انرژی و مصالح طبیعی میباشد، علاوه بر کاهش ذخایر موجود باعث انتشار آلودگیهای متعدد زیستمحیطی نیز میشود. این میزان تولید در جهان 1,6 میلیارد تن می باشد (گزارش CEMBUREA، (2000 که به ازای هر یک تن سیمان پرتلند به طور متوسط یک تن گاز کربندیاکسید روانه اتمسفر و 1,4 گیگاژول انرژی مصرف میکند. عدم توجه به این صنعت مهم باعث میشود که در آیندهای نه چندان دور به یکی از بزرگترین نگرانیهای جوامع بشری تبدیل خواهد شد. این میزان تولید سیمان %7 از کل کربندیاکسید موجود در اتمسفر را بهطور تقریبی شامل می شود Beremner)، .(2001
در این مقاله سعی شده پس از ذکر فرآیند تولید سیمان و مواد تشکیل دهندهی آن، انواع بتنها و کاربردهایشان، به انواع گازهای منتشر شده از سیمان، میزان تاثیر گازهای گلخانهای بر اکو سیستم و سایر عوارض زیستمحیطی پرداخته می شود. سپس با بررسی نتایج کارهای آزمایشگاهی انجام شده توسط محققین و اطلاعات حاصل از علم بروز تکنولوژی بتن بهینهترین روش های ممکن با توجه به در نظر گرفتن معایب و محاسن آنها بیان شود. در انتها، قابل بازیافت بودن ضایعات بتن و در نهایت راهکارهایی جهت کاهش این گاز ها ارائه می شود.
-2 تولید سیمان و بتن
-1-2 فرآیند تولید سیمان
مواد اصلی بهمنظور تولید سیمان عبارتند از سنگ آهک (%75-%80) و خاک رس یا همان سیلیس و آلومین (%20-%25) که در طبیعت به وفور یافت میشوند ولی به شکلی نیستند که بتوان مستقیما در تولید سیمان از آنها استفاده نمود. فرآیند کلینیکر شامل سه مرحله اساسی آسیاب مواد اولیه، فرآورش گرمایی (کلینیکر سازی) و آسیاب نهایی کلینیکر مخلوط شده با گچ و دیگر مواد افزودنی برای تهیه سیمان به عنوان محصول نهایی است. سنگهای آهکی، کربنات کلسیم (CaCo3) لازم را فراهم میکنند، که در سنگهای آهکی تا %95 وجود دارد. اکسید سیلیسیم (%45-%65)، اکسید
آلومینیوم (%10-%15)، اکسید آهن (%6-%12) و اکسیدکلسیم (%4-%10)، اجزای اصلی سازنده خاک رس هستند. جدول 1 ترکیبات اصلی سیمان پرتلند را نشان میدهد.
جدول (1) ترکیبات اصلی سیمان پرتلند (موستوفینژاد، (1389
نام ترکیب اکسیدهای ترکیب علامت اختصاری
سه کلسیم سیلیکات 3cao.sio2 C3s
دو کلسیم سلیکات 2cao.sio2 C2s
سه کلسیم آلومینات 3cao.Al2o3 C3A
چهار کلسیم آلومینوفریت 4cao.Al2o3.Fe2o3 C4AF
مخلوط مواد اولیه که اندازه ذرات نهایی آنها بعد از آسیاب کمتر از 300 m شده است، راهی فرآیند کلینیکر سازی میشود. در آنجا درون کوره ای با دمای بستر 1450 0C مطابق با دمای گاز حدود 2000 0C حرارت داده شده تا در نهایت به صورت مادهای شیشه ای شکل درآید. در این مرحله، بواسطهی گرما، CaCo3 به CaO و CO2 تجزیه شده است. مرحله خنک سازی کلینیکر (از 1450 0C تا (200 0C برای توقف واکنشها و کریستالیزاسیون نهایی ترکیب کلسیم، لازم است. پس از آن، کلینیکر (%80) با گچ و دیگر مواد افزودنی (%20) مخلوط شده و آسیاب میشود تا سیمان نهایی تولید شود. مواد افزودنی مختلف (سنگ آهک، پوزولان، سربارههای شیشه ای، خاکستر لجن فاضلاب، خاکستر بادی و...) میتوانند خواص مکانیکی و خصوصیات مورد نیاز را برای سیمان نهایی ایجاد کنند Navia)، .(2006 سه گونه برای تولید سیمان وجود دارد؛ فرآیند تر، فرآیند نیمه خشک و فرآیند خشک، که در فرآیند خشک بر خلاف فرآیند تر، مواد اولیه دستنخورده، مخلوط شده و به صورت خشک وارد کوره میشوند. همچنین در مورد کارآمدی فرایندها، بطور کلی فرآیند خشک نسبت به فرآیند تر، و فرآیند نیمه تر مقدار کمی نسبت به فرآیند نیمهخشک بازده انرژی بیشتری دارد Michael)، .(2006
بتن جسم بسیار سخت و سنگی مانندی است که از ترکیب مقدار معین و حساب شدهی سیمان، شن، ماسه و آب به دست میآید. در بعضی موارد از اجزای دیگری بنام مواد افزودنی نیز در ساخت بتن استفاده میشود . پس از اینکه آب به مخلوط مصالح سنگی و سیمان افزوده شد، سیمان و آب با هم وارد فعلوانفعالات شیمیایی حرارتزا میشوند. در اثر این فعل و انفعالات، مادهی ژله مانند و چسبندهای بوجود میآید که مصالح مختلف داخل مخلوط را به هم پیوند میدهد و آنرا بصورت جسم سختی درمیآورد. کاربرد اصلی سیمان برای ساخت بتن در موارد مختلفی از جمله ساختمان سازی، صنعت و سدسازی میباشد. بتنها از نظر وزن به سه دسته معمول، سبک و سنگین تقسیم میشوند. بتن معمولی بتنی است که به صورت عادی با سیمانهای معمولی تیپ (I) تا تیپ (V) پرتلند ساخته میشود. این بتن دارای وزن مخصوصی برابر با 2200 kg/m3 الی 2500 kg/m3 بسته به جنس دانهها و تراکم بتن است. هر کدام از این بتنها کاربرد خاص خود را در سازههای مختلف دارند (موستوفی نژاد، .(1389 بطور مثال از کاربردهای بتن سنگین میتوان به سپر محافظ در مقابل تشعشع اشعه X و Y و... اشاره کرد. هرچند که سپرهای محافظ در مقابل تشعشع کاربرد اصلی بتنهای سنگین هستند، لیکن در ساخت وزنههای تعادلی (بتنهای وزنی) یا در مواردی که نیاز به افزایش بار مرده سازه، بدون افزایش حجم هستیم، نیز مورد استفاده میباشد. حال آنکه اگر از بتن معمولی یا سبک استفاده کنیم منجر به تولید حجم بالاتر بتن و در نتیجه مصرف سیمان بیشتر خواهد شد. لذا مقولهی انتخاب بتن نیز بهنوبهی خود در جهت کاهش میزان آلودگی ناشی از بتن موثر است.
-2-2 گازها و غبار تولید شده توسط صنعت سیمان:
صنعت سیمان چهار نوع گاز و غبار اصلی: غبار، سولفور، NOx و CO2 در جو متصاعد میکنند. اثر سه عامل اول در تغییر دمای زمین توسط صنعت سیمان خیلی قابل توجه نیست. برای مثال غبار تولید شده توسط صنعت سیمان در هر سال معادل 3 ملیون تن است در صورتی که کل صنایع حدود 100 ملیون تن در سال غبار ایجاد می نمایند (بیدآباد، .(1384 از جمله راهکارها جهت کاهش این غبار در کارخانههای سیمانسازی نصب فیلتر است که در شکل 1 قابل مشاهده است. درختکاری و انبوه سازی نباتات در اطراف این صنایع نیز علاوه بر کاهش میزان کربندیاکسید طی عمل فتوسنتز، به کاهش گرد و غبار نیز کمک میکند. همچنین با احداث صنایع مرتبط در کنار یکدیگر گام عظیمی را در کاهش این آلودگیها میتوان برداشت.
CaO+ Co2
شکل (1) سیستم غبارگیری
انتشار سولفور صنعت سیمان نیز در مقیاس جهانی با اهمیت نیست. تقریبا %100 دودهای متصاعدهی سولفور مضر برای انسان از سوختن نفت و زغال و تولید مس ایجاد میشوند (بیدآباد، .(1384 به هر حال سولفور از طریق تشکیل آئروسلها نقش خنککننده دمای زمین را دارد. انتشار NOx از صنعت سیمان نیز همچنان در مقیاس جهانی قابل اغماض است ولی میتواند بعنوان مزاحمتهای منطقهای به حساب آید. از جمله این مزاحمتها میتوان به باران اسیدی اشاره کرد که این به نوبهی خود خسارتهای فراوانی به محیطزیست، مجسمههای هنری، ساخنمانها و... وارد می کند. مقدار اعظم NOx تولید شده از احتراق سوختهای فسیلی و بیولوژیک ایجاد می شود. فنآوری پیشرفته همانند مشعلهای کم NOx و بهویژه خطوط طراحی شده خاص برای فرآیندهای حرارتی تولید سیمان سهم مهمی در کاهش NOx در صنعت سیمان دارند.
برخلاف سه مورد فوق تولید گاز CO2 از کارخانههای سیمان در جهان قابل اهمیت و رو به افزایش است. این میزان پس از صنعت آهک بیشترین مقدار را دارا میباشد. شکل 2 میزان تولید CO2 را در صنایع مختلف نشان می دهد (بیدآباد، %45 .(1384 تولید گاز CO2 در بخش سیمان ناشی از مصرف انرژی و %55 آن ناشی از فرآیند تبدیل بی کربنات کلسیم به اکسید کلسیم و اندرید کربنیک می باشد (بیدآباد، (1384، همانطور که در
معادله (1) دیده می شود. (1)
شکل (2) میزان تولید CO2 در صنایع مختلف
افزایش میانگین دمای سطح زمین و بدنبال آن افزایش بلایای طبیعی، بالا آمدن سطح آب دریاها، افزایش میزان خشکسالی و توسعه مناطق بیابانی، بارانهای اسیدی و... سبب شده تا موضوعات زیستمحیطی از جمله مسائل و چالشهای پیش روی صنعت سیمان باشد و در آینده در این صنعت نقش تعیین کنندهای داشته باشد.
از طرفی کریمی و همکاران، در بررسی تاثیر کربندیاکسید بر روی سازههای بتنآرمه با انجام دو آزمایش محلول 1 درصد فنول فتالئین و دستگاه میکرو آنالیزور اشعه x بر روی نمونههای بتنی به نتایج جالبی از تاثیر پدیدهی کربناتاسیون بر روی خوردگی آرماتورها دست یافتند. عوامل
زیادی چون، غلظت گاز کربندیاکسید، دما، رطوبت، ساختار و اجزای بتن بر روند کربناتاسیون تاثیر میگذارند که بایستی تمامی عوامل در نظر گرفته شوند (کریمی، .(1393
-1-2-2 انواع گازهای گلخانهای
این گازها به این دلیل گازهای گلخانه ای نامیده میشوند که فضای گلخانهها را در اطراف زمین ایجاد میکنند. در گلخانهها نور خورشید وارد محیط می شود اما به دلیل جداره شیشه ای، بخشی از آن دوباره به درون گلخانه برمیگردد. به این ترتیب فضای داخل گلخانه ازبیرون گرمتر می شود. در جو زمین هم اتفاق مشابهی روی میدهد. وقتی اشعههای خورشید به سطح زمین میرسند، بخشی از آنها جذب میشود و سطح زمین را گرم میکند، زیرا سطح زمین بسیار سردتر از خورشید است. در نتیجه امواج را با طول موج بلندتری نسبت به خورشید منتشر میکند. گازهای گلخانه ای شامل بخارآب1، کربندیاکسید 2، اکسید نیتروژن3، متان4، ازن5، کلروفلوئوروکربنها 6، هیدروفلوئوروکربنها7 و پرفلوئوروکربنها8 میباشد. تمامی این گازها در ایجاد پدیده گلخانه ای در جو زمین نقش دارند و در این میان بخار آب و کریندی اکسید مجموعا %90 از سهم اثر گلخانهای را به خود اختصاص میدهند (بیدآباد، .(1384
گازهای گلخانهای بطور طبیعی در جو زمین وجود دارند اما فعالیتهای انسانها و آلودگیهای ناشی از این فعالیتها، مقدار گازهای مذکور را بطور غیرطبیعی افزایش میدهد. در نتیجه گرمای ناشی از تابش اشعه خورشید در جو زمین محبوس میشود و دمای کره زمین را بالا میبرد. گازهای گلخانهای دارای منابع تولید کننده طبیعی و غیر طبیعی هستند. این منابع چشمههای گازهای گلخانه ای نامیده می شوند. از طرفی مقدار گازهای گلخانهای در اثر تغییر و تحولات شیمیای در جو یا توسط منابع جذب کننده این گازها که اصطلاحا چاهک نامیده میشوند، کاهش می یابد. هر گاز گلخانهای طول عمر مشخصی دارد و با توجه به نوع گاز گلخانه ای میزان تاثیر آن بر شدت اثر گلخانه ای نیز متفاوت است. معمولا گاز کربندیاکسید به عنوان مبنای تعیین میزان تاثیر گاز گلخانهای بر گرمای زمین، در نظر گرفته می شود و پتانسیل گرمایش سایر گازها نسبت به این گاز سنجیده میشود (بیدآباد، .(1384 نمودار 3 میزان گازهای گلخانهای را به تقریب نشان میدهد (بیدآباد، .(1384
شکل (3) سهم گازهای مختلف گلخانه ای در اتمسفر بر حسب درصد در سال 1373
