خبرگزاری ایسنا گزارش داده است که تقریباً در همه پروژههای ساختمانی جهان از بتن استفاده میشود؛ اما تولید سیمان، یکی از اجزای اصلی بتن، آسیب زیادی به محیطزیست وارد میکند. گرمکردن و فرآوری سنگآهک برای تولید سیمان، یکی از منابع اصلی انتشار دیاکسیدکربن در جهان است و به همین دلیل، دانشمندان به دنبال راههایی برای کاهش این اثرات هستند.
گروهی از محققان به رهبری راگووش تیواری (Raghuvesh Tiwari)، مهندس عمران در دانشگاه مانیپال جایپور هند، بهتازگی راهکاری ارائه کردهاند که میتواند همزمان به مدیریت پسماند انسانی و کاهش مصرف سیمان کمک کند.
محققان در مقاله خود توضیح دادهاند که افزودن بیوچار تولیدشده از لجن مدفوع انسانی فرآوریشده در تصفیهخانهها، میتواند برخی ویژگیهای بتن را به شکل قابلتوجهی بهبود دهد.
بتن به دلیل ترکیبی از ویژگیهای مختلف، کاربرد گستردهای دارد. این ماده در حالت خیس انعطافپذیر است و میتوان آن را تقریباً به هر شکلی ریخت؛ اما پس از خشکشدن، به مادهای مقاوم تبدیل میشود که توان تحمل بارهای سنگین را دارد و میتواند دههها یا حتی هزارهها دوام بیاورد.
بتن معمولاً از شن، ماسه، آب و سیمان با نسبتهای مشخص تشکیل میشود. با این حال، ترکیب این مواد حساس است و تغییر تعادل آنها یا جایگزینکردن بخشی از سیمان با مادهای دیگر، ممکن است بتنی تولید کند که استحکام یا دوام کافی نداشته باشد. بتنی که زیر فشار ترک بخورد، دیگر مصالح ساختمانی مناسبی نخواهد بود.
بیوچار، مادهای غنی از کربن است که با گرمکردن مواد آلی در محیطی کماکسیژن تولید میشود و بهعنوان یکی از جایگزینهای امیدوارکننده سیمان شناخته شده است.
بیوچار را میتوان از انواع مختلف مواد آلی تولید کرد؛ موادی که انسانها نیز به مقدار زیادی تولید میکنند. هر انسان روزانه حدود ۴۰۰ گرم مدفوع تولید میکند و با در نظر گرفتن جمعیت چندمیلیونی، حجم این ماده در فاضلابها قابلتوجه است.
مدفوع تولیدشده هر روز باید به شکل مناسبی مدیریت شود. در هند، تصفیهخانههایی برای مدیریت ایمن پسماند انسانی ایجاد شدهاند و این پسماند میتواند از طریق پیرولیز به بیوچار تبدیل شود. محققان با توجه به اثرگذاری بیوچارهای تولیدشده از خاکاره، چوب، پوسته برنج و دیگر مواد در ساخت بتن، بررسی کردند که آیا میتوان از مدفوع نیز برای تولید بتن استفاده کرد یا نه.
تیواری و همکارانش برای این آزمایش، بیوچار مدفوع را از یک تصفیهخانه در وارانگال هند تهیه کردند. برای تولید بیوچار، مدفوع ابتدا خشک شد و سپس در محیطی کماکسیژن، در دمای ۳۵۰ تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد حرارت دید. بیوچار تولیدشده پس از آن آسیاب و بهصورت پودر ریز الک شد.
محققان این پودر را در مقادیر ۵، ۱۰ و ۱۵ درصد جایگزین سیمان در بتن معمولی کردند و مخلوطهای بهدستآمده را تحت آزمایشهای مختلف قرار دادند. آنها میزان انقباض، مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، جذب آب و تخلخل هر مخلوط را اندازهگیری کردند.
نتایج نشان داد قویترین بتن معمولاً زمانی تولید میشود که ۵ درصد سیمان با بیوچار مدفوع جایگزین شود. این ماده همچنین با گذشت زمان و خشکشدن بتن، به افزایش مقاومت آن ادامه داد.
محققان گزارش کردند بتن حاوی ۵ درصد بیوچار مدفوع، پس از ۹۱ روز بهطور میانگین ۲۰ درصد افزایش مقاومت فشاری و ۳۶ درصد افزایش مقاومت خمشی داشت.
در مخلوط حاوی ۱۰ درصد بیوچار، افزایش مقاومت بیشتر بود و مقاومت فشاری ۲۱ درصد و مقاومت خمشی ۴۲ درصد افزایش یافت.
این بتن در برخی دیگر از ویژگیهای بررسیشده نیز عملکرد ضعیفتری از خود نشان نداد. مخلوط ۵ درصدی در مجموع آب کمتر و تخلخل کمتری نسبت به بتن معمولی داشت و انقباض ناشی از خشکشدن آن نیز کمتر بود. عملکرد مخلوط ۱۰ درصدی در این ویژگیها، در مجموع با بتن معمولی قابلمقایسه باقی ماند.
در مخلوط ۱۵ درصدی، بتن همچنان در فرایند عملآوری مقاومتر شد، اما مقاومت کلی آن از مخلوطهای ۵ و ۱۰ درصدی کمتر بود.
محققان معتقدند چند عامل همزمان باعث افزایش مقاومت بتن با افزودن مقدار کمی بیوچار مدفوع میشوند. نخست اینکه بیوچار مدفوع تخلخل زیادی دارد و پر از حفرههای ریزی است که میتوانند آب را جذب کنند و آن را بهتدریج در جریان عملآوری بتن آزاد کنند.
به این ترتیب، ذرات بیوچار مانند مخزنهای داخلی کوچک عمل میکنند و آب را برای واکنشهای شیمیایی لازم جهت سختشدن و تقویت سیمان در دسترس نگه میدارند.
بیوچار مدفوع همچنین سرشار از سیلیس است. سیلیس میتواند با ترکیباتی که هنگام عملآوری سیمان تولید میشوند واکنش دهد و سیلیکاتهای کلسیم بیشتری تشکیل دهد؛ ترکیباتی که به افزایش استحکام بتن کمک میکنند.
این ماده خاصیت پوزولانی (pozzolanic) دارد؛ اصطلاحی برای مجموعهای از واکنشهای شیمیایی که در بتنهای روم باستان نیز به کار میرفت. با این تفاوت که در آن بتنها از مواد آتشفشانی استفاده میشد، اما در این روش از مدفوع انسان استفاده میشود.
علاوه بر این، ذرات ریز بیوچار میتوانند شکافهای موجود در بتن را پر کنند و نحوه اتصال و درهمتنیدگی اجزای آن را بهبود دهند.
محققان این تفاوت را زیر میکروسکوپ نیز مشاهده کردند. بتن حاوی ۵ درصد بیوچار، در مقایسه با بتن معمولی ساختاری متراکمتر و پیوندهایی محکمتر داشت؛ اما در نمونه حاوی ۱۵ درصد بیوچار، ساختار بتن شروع به افت کرد و منافذ، ترکها و نواحی دارای پیوند ضعیف افزایش یافتند.
محققان تأکید میکنند که این نتایج به معنای استفاده فوری از بتن مدفوعی برای ساخت آسمانخراشها نیست. برای ارزیابی عملکرد این ماده در شرایط واقعی، از جمله چرخههای انجماد و ذوب، شوری و دماهای شدید، به مطالعات بیشتری نیاز است.
تجمع فلزات سنگین نیز یکی از نگرانیهای شناختهشده درباره لجن فاضلاب است. حبسکردن فلزات سنگین بالقوه مضر در بتن میتواند مزیت محسوب شود، اما هنوز مشخص نیست این فلزات تا چه اندازه در بتن محبوس میمانند و آیا با گذشت زمان از آن خارج میشوند یا نه.
این مطالعه همچنین تأثیر این روش بر انتشار کربن را ارزیابی نکرده است.
با وجود این، جایگزینکردن حتی بخشی از سیمان بتن با مادهای تولیدشده از جریانی از پسماند که انسانها بهطور مداوم و در مقادیر بسیار زیاد تولید میکنند، میتواند بهطور بالقوه دو مشکل را همزمان هدف قرار دهد.
این پژوهش برای انتشار در مجله Scientific Reports پذیرفته شده است.