استفاده از ضایعات کشاورزی در بتن آماده یا قطعات بتنی اکسپوز ،بحران کمتری بر محیط زیست را تا حد زیادی کاهش می دهد. استفاده از ضایعات کشاورزی به عنوان جایگزین سیمان، یا جایگزین سنگدانه ها و تقویت الیاف پتانسیل بالایی را نشان داده است.
استفاده کامل از این ضایعات می تواند به توسعه بتن پایدار کمک کند.
ضایعات کشاورزی با توجه به عملکرد مفید و روش های جایگزین، مانند الیاف سیزال (الیاف طبیعی سیزال از گیاهی به نام آگاو به دست می آیند)، خاکستر ضایعات زیتون و بامبو به الیاف گیاهی طبیعی، خاکستر ضایعات کشاورزی و ضایعات چندکاربردی تقسیم می شوند.
چگونه ضایعات مختلف کشاورزی در بتن ساخته می شوند؟ انتخاب روش های تصفیه مناسب و سناریوهای استفاده برای بتن ضایعات کشاورزی بسیار مهم است که می تواند تعیین کند که آیا بتن عملکرد قابل اعتمادی دارد یا خیر. این مقاله پایه ای برای پیشرفت بتن ضایعاتی ایجاد می کند و کمک قابل اعتمادی برای توسعه بتن حافظ محیط زیست ارائه می دهد.
بتن یکی از پرمصرف ترین مصالح ساختمانی در جهان است. مصرف جهانی بتن سالانه نزدیک به 17.5 میلیارد تن است. استفاده بیش از حد از معادن برای جمع آوری سنگدانه های استفاده شده در بتن منجر به فرسودگی منابع طبیعی می شود و مستقیماً تأثیرات منفی بر محیط زیست مانند تخریب چشم انداز و تخریب اکوسیستم و آلودگی ایجاد می کند. در عین حال، سیمان، جزء اصلی ملات، 74 تا 81 درصد از کل انتشار دی اکسید کربن ناشی از تولید بتن را تشکیل می دهد. همچنین فرآیندهای تولید سیمان حدود 1 میلیارد تن CO منتشر می کنند.
در این ارائه صرفاً از تولیدات بومی ایران استفاده شده وسایر محصولات کشاورزی مانند سیزال که در نواحی استوایی بعمل می آید صرف نظر شده است .
به منظور کاهش آسیب های زیست محیطی صنعت بتن، جایگزین های متغیر برای هر دو سنگدانه و سیمان به طور گسترده در دهه های گذشته بررسی شده است. به عنوان مثال، سنگدانه های بازیافتی و پودرهای ریز حاصل از ضایعات بتن را می توان برای تهیه بتن تازه با عملکرد رضایت بخش به کار برد. پسماندهای صنعتی مانند خاکستر بادی ، سرباره ، خاکستر کف و غیره نیز به طور گسترده در بتن استفاده شده اند.
به عنوان یک جایگزین در حال ظهور سیمان، سیمان های رسی کلسینه شده با سنگ آهک توجه بیشتری را از صنعت مصالح ساختمانی به خود جلب کرده اند
ضایعات کشاورزی به زباله های تخلیه شده از تولیدات کشاورزی، فرآوری محصولات کشاورزی، پرورش دام و طیور و ساکنان روستایی اطلاق می شود. این نوع زباله 30 درصد از کل تولید کشاورزی جهان را تشکیل می دهد. در بیشتر موارد ، زباله های کشاورزی سوزانده یا دفن می شوند که باعث آلودگی زمین و تأثیر بر محیط زیست می شود.
در سال های اخیر استفاده از ضایعات کشاورزی به عنوان جایگزینی برای مواد تشکیل دهنده بتن روند افزایشی را نشان می دهد. در مقایسه با بررسی‌های موجود، علاوه بر پسماند، باید به بررسی بیشتر انواع پسماندهای کشاورزی بخصوص از جنبه راه‌های بهره‌برداری پرداخت.
* این بررسی ضایعات کشاورزی را به سه دسته طبقه بندی می کند:
در این میان الیاف گیاهی طبیعی ماده ای است که طبیعت گیاهی اصیل دارد و می توان آن را مستقیماً استخراج کرد یا در تولید بتن به کار برد.
خاکستر ضایعات کشاورزی ضایعاتی است که در فرآیند تولید کشاورزی روزانه تولید می شود و با کلسینه کردن و سایر روش ها برای تشکیل ماده ای با خواص پوزولانی پردازش می شود.
ضایعات چندکاربردی پسماندهایی است که در فرآیند تولید کشاورزی یا پس از مصرف انسانی باقی می‌ماند که می‌توان از آن در تحقیقات بتن به صورت بلوک، ماسه و خاکستر استفاده کرد.
این مقاله بر روی کارایی، خواص مکانیکی و دوام بتن تهیه شده با استفاده از ضایعات کشاورزی تمرکز دارد. مطالعه بر روی مزایا و معایب این ضایعات در تهیه بتن می تواند منابعی را برای کاربردهای زباله و مصالح ساختمانی سبز فراهم کند.
ضایعات کشاورزی
تعداد زیادی از مطالعات در سال های اخیر نشان داده است که پسماندهای کشاورزی می توانند به عنوان موارد زیر مورد استفاده قرار گیرند:
1) مواد سیمانی تکمیلی. به عنوان مثال، پوسته برنج و پوسته کاه گندم می توانند به عنوان مواد پوزولانی استفاده شوند که می توانند با آهک آزاد تولید شده توسط فرآیند هیدراتاسیون سیلیکات کلینکر واکنش دهند و سیمان را از مقاومت محیطی بالایی برخوردار کنند.
2) به عنوان مواد تقویت شده با پایه سیمان استفاده می شود. به عنوان مثال، الیاف سیزال چیده شده بلند می تواند به عنوان مواد تقویت کننده برای ورقه های نازک پایه سیمانی استفاده شود و الیاف بلند بامبو دوام بالایی در زمینه سیمان دارد.
3) جایگزین بخشی از سنگدانه های بتن ؛ مواد زائد مانند پوسته نخل و پوسته نارگیل می‌توانند به طور کامل یا جزئی جایگزین نقش سنگدانه های سنتی در بتن شده و به حفظ انرژی و کاهش فشار صنعت ساختمان بر محیط زیست دست یابند.
فیبر گیاهی طبیعی
در سال های اخیر، الیاف گیاهی طبیعی به طور گسترده در ساخت بتن به منظور تقویت عملکرد بتن مورد مطالعه قرار گرفته است. الیاف گیاهی طبیعی می توانند به طور قابل توجهی سختی و شکل پذیری کامپوزیت های پایه سیمانی را افزایش دهند، در حالی که متأسفانه عملکرد دوام در ماتریس سیمانی قلیایی بالا نگرانی های زیادی را ایجاد می کند. علاوه بر این، الیاف گیاهی طبیعی دارای محدودیت‌های تورم آب هستند و پس از خشک شدن منقبض می‌شوند که این امر باعث تقویت فیبر می‌شود.
فیبر خرما
نخل خرما که بومی غرب آسیا و شمال آفریقا است، یکی از پُر کاشت درختان خرما در جهان است. درختان خرما می توانند چهار نوع الیاف را فراهم کنند: الیاف برگ ، الیاف ساقه ، الیاف ضایعات چوب در تنه و الیاف سطحی در اطراف .
الیاف سطحی نخل خرما دارای بالاترین استحکام کششی در بین چهار نوع الیاف است. الیاف با کارایی بالا موجود در نخل خرما فرصتی را برای توسعه مصالح ساختمانی کم هزینه و با راندمان بالا فراهم می کند. وجود الیاف خرما مقاومت در برابر ترک خوردگی، سختی و عملکرد بتن را پس از ترک خوردن بهبود می بخشد .
با این حال، کاربرد این الیاف گیاهی در بتن با مشکلات دوام در محیط های قلیایی روبروست. الیاف سطحی درختان خرما به شدت تحت تأثیر محلول قلیایی قرار می گیرند. به عنوان مثال، الیاف سطحی درختان خرما پس از قرار گرفتن در محلول Ca(OH) 2 به مدت 6 ماه ، 69 درصد از استحکام اولیه را حفظ می کنند.
افزودن الیاف چوب خرما می تواند چگالی ملات را کاهش دهد و عملکرد عایق حرارتی را نیز بهبود بخشد، که پتانسیل بسیار زیادی در تحقیقات مواد زیستی کامپوزیت صرفه جویی در انرژی ساختمان های جدید دارد. به عنوان مثال، یکی از محققان دریافت که افزودن 5 تا 15 درصد الیاف خرما باعث می شود که مواد کامپوزیت نیازهای حرارتی و مکانیکی مصالح ساختمانی را برآورده کند.
استفاده از کاه برنج در بتن با کیفیت
فیبر موجود در کاه برنج دارای ویژگی های استحکام کششی بالا و چگالی کم است. در عین حال، الیاف کاه برنج نیز یکی از کم هزینه ترین الیاف گیاهی است و خواص تجدید پذیر خوبی دارد. در میان انواع الیاف گیاهی طبیعی، الیاف کاه برنج از منظر فناوری پردازش و در دسترس بودن، الیاف کاه برنج یک ماده ایده آل در میان الیاف طبیعی گیاهی برای جایگزینی الیاف مصنوعی مختلف برای تقویت ماتریس و کامپوزیت بتن است . افزایش چشمگیر مقاومت های خمشی و فشاری و کاهش خوردگی بتن از مهم اثرات استفاده از کاه برنج خصوصاً بصورت دوده است .
ترکیب الیاف گیاهی طبیعی کمک زیادی به بهبود خواص مکانیکی بتن کرده است. به طور خاص، در مقایسه با سایر الیاف گیاهی طبیعی، الیاف کاه برنج دارای طول پیوسته ، استحکام بالا و ویژگی های کشیدگی کم است.
الیاف کاه برنج در بتن کف یا نما می تواند به طور موثر عملکرد فشاری بتن را افزایش دهد و در صورت دوز 0.9 کیلوگرم بر متر مکعب مقاومت ترک خوبی دارد. گزارش شده است که وقتی محتوای فیبر کاه برنج بتن 0.5-0.6 کیلوگرم بر متر مکعب باشد ، مقاومت فشاری و خمشی بتن به طور قابل توجهی افزایش می یابد ، با این حال، طول الیاف مخلوط در بتن نباید خیلی بلند باشد (کوتاهتر از 40 میلی متر)، در غیر این صورت اثر افزایشی عملکرد فشاری بتن تا حد زیادی کاهش می یابد.
از نظر دوام یخبندان بتن ، الیاف کاه برنج ، یک تیم تحقیقاتی یک آزمایش چرخه یخ زدگی- ذوب را روی بتن الیاف کاه برنج مخلوط با نسبت های جرمی مختلف انجام داد و دریافتند که بتن بدون الیاف کاه برنج نسبت به بتن حاوی الیاف کاه برنج مقاومت یخ زدگی کمتری دارد. زمانی که نسبت جرمی الیاف کاه برنج 0.9 درصد باشد، نرخ ضایعات جرمی و نرخ ضایعات جرم نسبی بتن به حداقل رسیده است.
تحقیقات انجام شده نشان داد که انرژی شکست بتن مسلح شده با الیاف کنفی 70 درصد بیشتر از بتن معمولی است.
کاه برنج حاصل از ضایعات باقی مانده پس از مصرف برنج منبع خوب و طبیعی است. در مقایسه با مواد کامپوزیتی بدون الیاف، خواص مکانیکی مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف کاه برنج به طور قابل توجهی بهبود یافته است. افزودن الیاف کاه برنج، چگالی ظاهری مواد کامپوزیت را 12.4-37.3٪ کاهش می دهد و استحکام خمشی را 24.3٪ افزایش می دهد .
خاکستر ضایعات کشاورزی
خاکستر پسماند کشاورزی به مواد خاکستری اطلاق می شود که با روش کلسینه کردن تولید می شود. بیشتر خاکستر زباله های کشاورزی دارای ویژگی های خاکستر آتشفشانی است و می تواند به عنوان ماده پوزولان در ملات و بتن برای دستیابی به اثر و همچنین بهبود عملکرد ملات و بتن استفاده شود.
خاکستر ضایعات زیتون
ضایعات زیتون حاوی تفاله زیتون، پوست و روغن باقی مانده است. تقریباً 3 تن بقایای هرس هر سال از 1 هکتار درخت زیتون تولید می شود که اکثر آنها به طور بی ملاحظه دفع می شوند. خاکستر زیتون حاوی حدود 22 درصد دی اکسید سیلیسیم و 42 درصد آهک را می توان با سوزاندن مقادیر زیادی ضایعات زیتون تولید کرد و نوع جدیدی از مواد سیمانی کمکی تولید کرد.
در تولید بتن، اگرچه خاکستر زیتون عملکرد تراکم خوبی دارد و مقاومت فشاری بتن را بهبود می بخشد، اما نیاز به مصرف آب نسبتاً بالایی دارد. بنابراین، افزودن مواد افزودنی برای کنترل جذب آب بالای آن ضروری است. در عین حال، عملکرد بتن مخلوط با خاکستر زیتون در دمای بالا بهتر از بتن معمولی است. بعلاوه مقاومت عالی خاکستر زیتون در دمای بالا باعث می شود که پتانسیل تبدیل شدن به یک ماده عایق حرارتی را داشته باشد .
ترکیب مواد خاکستر زیتون در ملات سیمانی می تواند عملکرد ملات سیمانی را بهبود بخشد، زیرا به کاهش تخلخل سطح اتصال کمک می کند.
به عنوان جایگزینی جزئی ماسه، مقاومت فشاری و خمشی ملات با افزایش محتوای خاکستر زیتون افزایش می یابد. با این حال، به عنوان جایگزینی جزئی سیمان، مقاومت فشاری و خمشی ملات با افزایش میزان خاکستر زیتون کاهش می یابد، زیرا میزان مواد سیمانی کاهش می یابد.
علاوه بر این، در مقایسه با عمل آوری اتوکلاو، ملات زیتون خشک شده دارای مقاومت فشاری و خمشی بهتری است.
خاکستر سبوس
کنترل پارامترهای احتراق مانند دما، سرعت گرمایش و زمان خیساندن عوامل اصلی تعیین کننده میزان و وضعیت ساختاری دی‌اکسید سیلیسیم در خاکستر سبوس هستند. محققان دریافتند که پیش اکسید فلزی موجود در خاکستر سبوس می‌تواند محتوای اکسید سیلیکون را افزایش دهد. در عرض 28 روز پس از عمل آوری، استفاده از 20% جایگزین های سیمان خاکستر سبوس ، مقاومت فشاری بتن 35 مگاپاسکال را تغییر می دهد ، از خاکستر سبوس فیل پس از کلسینه شدن در دمای 700 درجه سانتیگراد استفاده کرد.
خاکستر باگاس
تفاله های ساقه های نیشکر یک مشکل در دراز مدت خواهد بود ، پس از تست های مختلف در محل آزمایشگاه این شرکت با الیاف جداسازی شده از تفاله ها و یا خاکستر باگاس سوزانده شده در دمای معین، یک ماده پوزولانی امیدوارکننده بدست می آید که می تواند به عنوان ماده کمکی برای سیمان پرتلند در ملات و بتن استفاده شود ، دی‌اکسید سیلیسیم موجود در خاکستر باگاس در طی واکنش هیدراتاسیون با سیمان یک محصول هیدراتاسیون جدید – کلسیم SiO 2 را تشکیل می دهد که عملکرد بتن را بهبود می بخشد.
در آزمایش جامع انجام شده ، زمانی که نرخ جایگزینی سیمان خاکستر باگاس 20 درصد است، بهبود مقاومت فشاری، مقاومت کششی شکافته، جذب آب، نفوذپذیری، انتشار یون کلرید و مقاومت در برابر نفوذپذیری یون کلرید بتن به ایده آل ترین اثر دست یافته است.
در مقابل تیم دیگری پیشنهاد کردند که وقتی مقدار مخلوط خاکستر باگاس 30٪ باشد، مقاومت ماده در برابر نفوذ یون کلرید را می توان بیشتر بهبود بخشد. ترکیب خاکستر باگاس واکنش هیدراتاسیون پوزولان و تولید محصولات هیدراتاسیون را افزایش می دهد که باعث کاهش کلسیم هیدروکسید می شود.
در بتن، مقاومت بتن در برابر نفوذ یون کلرید را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. علاوه بر این، ذرات خاکستر باگاس ریزتر از سیمان پرتلند هستند و سطح واکنش افزایش می یابد در حالی که جذب آب نیز افزایش می یابد.
تفاوت در نتایج این مطالعات ممکن است ناشی از انتخاب صنایع و مواد مختلف برای تولید خاکستر باگاس باشد. با این حال، می توان ثابت کرد که ترکیب خاکستر باگاس می تواند به طور قابل توجهی عملکرد بتن را بهبود بخشد.
