بتن رسانای سازگار با محیط زیست

چکیده:

در این مقاله، شرح داده می‌شود که نویسنده با کاوش مداوم در امر بهبود و بهینه‌سازی روش و فرآیند آماده‌سازی بتن رسانا، به نوعی بتن رسانای سازگار با محیط‌زیست دست یافته است که دارای مشخصه رسانایی بالا، روش و فرآیند آماده‌سازی ساده، هزینه کم و کاربرد مناسب در یک سایت ساخت‌وساز می‌باشد.

کلمات کلیدی: بتن رسانا، روش و فرآیند آماده‌سازی، سازگار با محیط‌زیست و ساختارهای سبز

مقدمه

روش آماده‌سازی و مخلوط کردن بتن رسانا با توجه به اجزای رسانای (نظیر: گرافیت، سرباره فولاد، فیبر فولاد ضد زنگ و فیبر کربن) مخلوط شده در بتن متفاوت خواهد بود. مولفه‌های مختلف بتن، نسبت مخلوط و فرآیند آماده‌سازی تنها تعیین کننده مشخصه رسانایی بتن نیست، بلکه راحتی و کنترل هزینه در کاربرد آخر خود را نیز تحت تاثیر قرار می‌دهد. امروزه، با توجه بیشتر و بیشتر به حفاظت محیط زیست و فضای سبز، آلودگی مواد مخلوط در بتن نسبت به محیط زیست باید مورد توجه قرار گیرد. در غیر این‌صورت، استفاده از بتن رسانا حتی با ویژگی‌های عالی، مجاز نخواهد بود.

مشخصه رسانایی، تعیین‌کننده ارزش خواص و کاربرد بتن رسانا است. فرآیند ساده آماده‌سازی، کاربرد سودمند را به دنبال خواهد داشت. این‌که بتن رسانا در حفاظت از فضای سبز و محیط‌زیست مناسب باشد، بیانگر نگرش مسئولانه نسبت به طبیعت و جامعه است. بنابراین، مشخصه عالی، کاربرد عملی و حفاظت زیست‌محیطی قاعده اصلی و مسیری است که نویسنده در پژوهش و کاوش خود در فرآیند آماده‌سازی بتن رسانا به آن پای‌بند است.

بهبود مشخصه رسانایی بتن

مشخصه رسانایی، نخستین المان بتن رسانا است. مقاومت ویژه مواد، شاخصی برای نشان دادن مشخصه رسانایی بتن می‌باشد. برای بدست آوردن حداقل مقدار ممکن مقاومت ویژه، نویسنده انواع مختلف و مشخصی از مواد رسانا را مورد آزمایش قرار داده و فرآیندها وروش‌های آماده‌سازی مختلفی را در نظر گرفت و سرانجام، پس از موازنه عوامل هزینه به یک طرح بهینه‌سازی نسبتاً معقولی دست یافت.

 

بتن رسانا با گرافیت به عنوان ماده رسانا

گرافیت، یک ماده خوب رسانا است که به طور گسترده در زمینه‌های مربوط به هدایت الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و همچنین با توجه به رسانایی خوب، خواص پایدار، منابع گسترده و عدم آلودگی محیط زیست به عنوان یک ماده محبوب در بتن رسانا بکار می‌رود. نویسنده، برخی از آزمون‌های مقایسه‌ای را در نسبت‌های مختلف و با در نظر گرفتن به ترتیب نمونه‌های گرافیت خاکی شکل با مقدار کربن بیشتر از 80% و نمونه‌های گرافیت ورقه‌ای مرغوب با مقدار کربن بیشتر از 95% و درجه خلوص 500 مش انجام داد. مقایسه گرافیت‌های مختلف برای نتایج آزمون را در شکل 1 ببینید.

 

با توجه به شکل می‌توان دریافت که گرافیت ورقه‌ای مرغوب با کربن و خلوص بالا دارای مشخصه رسانایی بالاتری نسبت به گرافیت مشترک خاکی شکل می‌باشد و مشخصه رسانایی بتن با افزایش حجم گرافیت، بهبود می‌یابد. با این وجود، نرمی ذاتی گرافیت باعث کم شدن قابل توجه استحکام بتنی می‌شود که دارای حجم بالای گرافیت بوده و هزینه‌های بتن با زیاد شدن مقدار گرافیت به شدت افزایش می‌یابند. بدیهی است که استفاده از گرافیت گران‌قیمت و مرغوب و افزایش مقدار گرافیت در بتن، راه‌حل ایده‌آلی برای بهبود خاصیت رسانایی، مشخصه جامع و نتایج اقتصادی نیست

بتن رسانای کامپوزیت با الیاف (فیبر) کربن

 نویسنده، استفاده از بتن رسانای کامپوزیت با مواد جدید و رسانای الیافی شکل (فیبر) به عنوان ماده غالب و سایر مواد به عنوان مکمل را برای بهبود ویژگی‌ رسانایی بتن مورد آزمایش قرار داد زیرا بتن رسانای مخلوط شده با گرافیت خالص نمی‌تواند مشخصه رسانایی، استحکام و نتایج اقتصادی رضایت‌بخشی را فراهم سازد. مطابق با شکل 2 و از آن‌جایی که انتقال رسانایی در بین مواد به راحتی انجام می‌شود، مواد الیافی رسانا آشکارا قادر به بهبود مشخصه رسانایی بتن می‌باشند.

مقایسه بین مواد گرافیتی و کامپوزیتی در شکل 2، نشان می‌دهد که گرافیت مورد استفاده از نوع ورقه‌ای مرغوب با کربن 95% و سهم 15% است. با توجه به مواد مصرفی و مقدار خود گرافیت، این یک بتن رسانای خوب می‌باشد. اما مشخص است که  مشخصه رسانایی آن در مقایسه با بتن رسانای کامپوزیت، دارای مرتبه یکسانی از بزرگی نیست. علاوه بر این، مقاومت ویژه بتن رسانای گرافیتی به تدریج با طولانی شدن زمان عمل‌آوری بتن، افزایش می‌یابد. اما مقاومت ویژه بتن کامپوزیت به آرامی تغییر کرده و مشخصه رسانایی آن بسیار پایدار است. داشتن مشخصه رسانایی خوب و پایدار در مرحله اولیه تنظیم، یک مزیت بزرگ برای بتن رسانای کامپوزیت به شمار می‌رود. اگرچه بتن گرافیتی از ویژگی رسانایی نسبتاً خوبی در مرحله اولیه تنظیم برخوردار است اما مشخصه رسانایی آن به تدریج کاهش یافته و سرانجام با گذشت زمان به یک مقدار پایدار می‌رسد. هنگامی که از بتن رسانا به عنوان عاملکاهش دهنده مقاومت استفاده می‌شود، می‌توان بلافاصله پس از بتن‌ریزی از بتن رسانای کامپوزیت در آزمون اثر استفاده نمود. مقادیر اندازه‌گیری شده تست در این مرحله اساساً با مقادیر اندازه‌گیری شده پس از تنظیم بتن سازگار است. این امر نه تنها موجب بهبود بهره‌وری و کوتاه شدن چرخه عملیات می‌گردد، بلکه سود اقتصادی را نیز افزایش می‌دهد.

شناخت فرآیند بهبود و عملی بودن

اگرچه مواد رسانای الیافی می‌توانند مشخصه رسانایی بتن را به شدت افزایش دهند، اما فرآیندهای اصلی آماده‌سازی، بکارگیری چنین مواد الیافی را در سایت ساخت وساز با مشکل مواجه می‌سازد. برای حضور این مواد در مرحله نهایی، مواد الیافی باید به طور مساوی در بتن توزیع شوند که این امر باید با اضافه کردن یک معلق‌کننده (پخش‌کننده) انجام شود. این ماده معلق‌کننده را تنها می‌توان در آب با دمای بالا حل کرد. برطرف کردن این مشکل در آزمایشگاه دشوار نیست چرا که تنها یک آزمون نمونه‌ای کوچک است. اما در سایت ساخت‌وساز، حل کردن ماده معلق‌کننده در آب با دمای بالا یک مشکل لاینحل خواهد بود. اگر مشکل بر طرف نشود، کاربرد گسترده مواد الیافی در مهندسی قطعا محدود خواهد شد.

در نهایت، نویسنده یک ماده رسانای جدید الیافی کشف کرد. در مقایسه با مواد اصلی، مشخصه ضد چسبندگی چنین ماده جدید الیافی تا حدود زیادی بهبود یافته است. در ابتدا، چنین الیافی به صورت فیزیکی با گرافیت ورقه‌ای مرغوب مخلوط خواهد شد و نرمی و قابلیت انتشار گرافیت، مشخصه چسبندگی موجود در الیاف را به حداقل کاهش خواهد داد. در طول مدت آماده‌سازی بتن، از پودر سنگ نظیر خاکستر سیلیکون نیز برای انتشار دوباره الیاف استفاده می‌شود. هزینه پودر سنگ بسیار پایین‌تر از پودر سیلیکون بوده و دارای منابع گسترده‌تری می‌باشد. نویسنده در نهایت، مشکلات تراکم و توزیع نابرابر الیاف را با بکارگیری روش پاشش فیزیکی بجای روش پاشش شیمیایی مرسوم بر طرف نمود، بنابراین مبنای خوبی برای کاربرد مناسب چنین الیافی در مهندسی پی‌ریزی شده است.

 

مواد کاهش‌دهنده مقاومت سازگار با محیط‌ زیست

در ساختار اتصال به زمین یک سیستم قدرت (مانند پست و مزارع بادی) و در ساختمان‌های خاص (مانند ایستگاه گاز)، به دلیل نیاز بالا به مقاومت زمین، از تعدادی از عوامل کاهش دهنده مقاومت برای کاهش مقاومت زمین استفاده می‌شود. در حال حاضر، بکارگیری گسترده هر دو عامل کاهش مقاومت به صورت شیمایی و فیزیکی با این مشکل مواجه‌اند که آن‌ها دارای قابلیت جامد شدن و سپس تکثیر سریع نیستند، بنابراین آسیب جدی به محیط زیست وارد می‌کنند. ابتدا، این عوامل ماهش مقاومت از فلزات سنگین و سایر اجزای شیمیایی مضر برای محیط‌زیست تشکیل شده‌اند. آنها توسط جریان آب به عمق عمیق‌تری از خاک نفوذ کرده و موجب الودگی خاک و منابع آب می‌شوند. در مرحله دوم، اعمال عامل کاهنده مقاومت باعث می‌شود که خاک در برگیرنده الکترود زمین، با خاک کلی جایگزین شود به طوری‌که عامل کاهنده مقاومت به شدت تقلیل یابد. در این مورد، مقاومت زمین، هر سال به مقدار اولیه خود برگشته و نمی تواند به استاندارد طراحی برسد. علاوه بر این، استفاده از عوامل شیمیایی و رایج ماهنده مقاومت، موجب خوردندگی الکترود زمین و در نهایت موجب غیر فعال شدن آن به دلیل زنگ‌زدگی خواهد شد و از رسیدن سیستم زمین به حد استاندارد جلوگیری می‌کند.

بتن رسانای کامپوزیت معرفی شده توسط زمین از نظر داشتن خاصیت رسانایی، همانند بسیاری از مواد کاهش‌دهنده مقاومت و یا حتی بهتر از آن‌ها می‌باشد. (خاصیت رسانایی بتن رسانای کامپوزیت تهیه شده توسط نویسنده برابر و حتی بهتر از این مواد کاهش‌دهنده مقاومت می‌باشد). (مقاومت ویژه عامل کاهنده در استاندارد ملی بیشتر از 5 Ω.m و مقاومت ویژه بتن رسانای کامپوزیت تهیه شده توسط نویسنده بیشتر 0.5 Ω.m می‌باشد). در عین حال، بزرگ‌ترین مزیت آن، حفاظت محیط زیست می‌باشد. به هیچ‌وجه از مواد حاوی ذرات مضر برای محیط زیست در این بتن استفاده نشده است. امروزه این امر، یک موضوع بسیار مهم است چرا که دولت با جدیت به ترویج حفاظت از محیط زیست پرداخته است. چنین بتن‌های رسانا با توجه به مشخصه تنظیم خاص خود، با گذشت زمان در خاک گسترش نمی‌یابند و دچار خوردگی نمی‌شوند، اما از بدنه سیستم زمین محافظت کرده و نقش طولانی و پایدار در کاهش مقاومت و کاهش هزینه‌های استفاده‌های مجدد و تعمیرات و نگهداری دارند. بنابراین، یک ماده کاهش دهنده مقاومت و سازگار با محیط زیست هستند.

 

 نتیجه‌گیری

• مقدار بالا کربن و گرافیت ورقه‌ای با خلوص بالا برای بهبود خاصیت رسانایی بتن رسانا مطلوب است.

• بتن رسانای کامپوزیت که از الیاف رسانای جدید به عنوان غالب و سایر مواد به عنوان ماده مکمل استفاده می‌کند، دارای خاصیت رسانایی بسیار بالاتر و عملکرد باثبات‌تر در مقایسه با بتن رسانای گرافیتی است.

• استفاده از مواد و روش جدید، تضمینی مهم برای کاربردهای مناسب بتن رسانا در مهندسی است.

• از نقطه‌نظر مشخصه رسانایی، نوع جدید بتن رسانا یک ماده ایده‌آل کاهنده مقاومت می‌باشد. می‌توان از آن در سیستم زمین به جای عامل کاهش دهنده مقاومت متداول استفاده کرد.

در فرآیندهای اماده‌سازی و اکتشاف بتن رسانا، مقدار زیادی از داده‌ها و همچنین نتایج رضایت‌بخشی از طریق تنظیم مداوم مواد و نسبت مخلوط و بهبود فرآیند پیوسته بدست آوردند. مشخصه خوب رسانایی و مشخصه زیست محیطی نوع جدید بتن رسانا، منجر به پی‌ریزی اساسی کاربردهای اینده آن در بسیاری از حوزه‌های شده است.