آموزش و فناوری

خاکستر پوسته برنج جایگزینی برای سیمان

خاکستر پوسته برنج ،هرکدام از انواع ساخت‌وسازهای فوق، در عصر حاضر در بسیاری از کشورها خصوصاً در کشور ایران، روندی رو به رشد داشته و خواهد داشت و این یعنی افزایش مصرف مصالح ساختمانی در جهان و در رأس آنها مصالحی پرمصرف مثل بتن، فولاد و سیمان. بنابراین افزایش سرمایه‌گذاری و افزایش مصرف سوخت در کارخانه‌های تولیدی مصالح را پیش رو خواهیم داشت. که در این میان فرایند تولید بتن به دلیل اینکه دارای بالاترین حجم تولید در بین تمام مصالح ساختمانی در جهان است، اهمیت بسیار بالایی دارد. پس باید شرایط تولید، مواد اولیه، مواد ثانویه و مواد مضاف بتن و مهم‌تر از همه سیمان و جایگزین‌های مناسب برای آن در تولید بتن موردمطالعه کاملاً علمی، فنی و مهندسی قرار گیرند، تا هم از نظر بهبود مشخصات بتن و افزایش مقاومت آن پیشرفت‌هایی حاصل شود و هم از نظر اقتصادی در هزینه‌ها صرفه‌جویی گردد. یکی از بهترین راهکارهای موجود، یافتن جایگزین‌های مناسب برای سیمان مصرفی در بتن است و در این زمینه استفاده از منابع و مصالح طبیعی و در رأس آنها ضایعات و مواد اضافی کشاورزی می‌تواند ایده بسیار کارآمد و پرثمری باشد. در ایران و نیز در بعضی کشورها عمده استفاده‌ای که از مواد زائد کشاورزی می‌شود، یکی به‌عنوان خوراک دام و دیگری به‌عنوان سوخت مصرفی در کارخانه‌هایی مثل کارخانه تولید آجر یا برنج کشی و… است و این به خاطر ارزانی و راحتی دسترسی به این مواد است. در بسیاری موارد حتی دیده می‌شود که کشاورزان اقدام به سوزاندن این مواد به‌ظاهر اضافی می‌کنند. که این امر هم آلودگی‌های زیست‌محیطی را در پی دارد و هم در مواقع بارندگی موجب اسیدی شدن آب‌وخاک کشاورزی و درنتیجه کاهش میزان تولیدات زراعی می‌گردد.

اما در سال‌های اخیر با پیشرفت سریع بشر در حوزه مسائل فنی و اجرایی در بخش ساختمان‌سازی و با تحقیقات صورت گرفته در زمینه مصالح ساختمانی و بکار گیری مواد طبیعی و تقویت و بهسازی مصالح ساختمانی مصنوعی، نوآوری‌ها و ابتکارات تازه و بسیار سودمندی صورت گرفته است. یکی از بهترین رهیافت‌ها، سوزاندن و خاکستر کردن مواد زائد محصولات کشاورزی مثل پوسته و ساقه برنج (تولید سالیانه ۴۰۰۰۰ تن در جهان)، پوسته و غلاف برگ ارزن هندی (Sorghum) یا همان نیشکر چینی، غلاف برگ گندم، تیغه برگ ذرت، برگ و ساقه گیاه شاه‌پسند، ساقه درخت نان (Breadfruit) که بیشتر در مناطق استوایی آسیا می‌روید، باگاس (تفاله ساقه نیشکر)، برگ و ساقه آفتابگردان، قسمت داخلی گیاه بامبو (Bamboo) که در مناطق با دسترسی آب بالا مثل حاشیه دریاها و دریاچه‌ها و رودخانه‌ها و باتلاق‌ها و … رشد می‌کند، و در نهایت جایگزینی خاکستر حاصل از سوزاندن مواد فوق، البته در حدود سی تا چهل درصد، بجای سیمان مصرفی در تولید بتن و در نتیجه افزایش میزان سیمان تولیدی و کاهش قیمت آن است. همان‌طور که بسیاری از شما، خصوصاً عزیزان دست‌اندرکار امر ساخت‌وساز مطلعند، نوسان قیمت سیمان که در اکثر موارد روند افزایشی داشته است، در مقطع‌های زمانی مختلف همواره مشکلات عدیده‌ای را برای انجام صحیح و به‌موقع پروژه‌های خرد و کلان سازه‌ای کشور به وجود آورده است. از طرف دیگر تولید و عرضه کافی و بموقع سیمان به بازار، در حدی که پاسخگوی نیازهای ساخت‌وساز کشور باشد، باعث می‌شود که مناطق شهری و روستایی دورافتاده کشور خصوصاً در مناطق با امکانات پایین (فاقد کارخانه‌های تولید سیمان) که در حال ساخت یا بازسازی هستند، به‌راحتی و در اسرع وقت به مصالح موردنظر خود از جمله سیمان دسترسی پیدا کنند.

از سوختن مواد زائد کشاورزی که متشکل از فیبر، مواد معدنی مثل اکسید آهن (Fe2O3)، اکسید آلومینیوم (Al2O3) و مواد دیگری مثل سلولز، سیلیس، پروتئین و چربی و … هستند، خاکستری تولید می‌شود که حاوی سیلیس است که بسته به درجه حرارت سوختن، به‌صورت کوارتز، کرسیتو بالیت (Crystobalite) و تردیمیت (Tridymite) تولید می‌شود. که در واکنش با آهک یک ترکیب چسبنده به نام سیلیکات کلسیم تولید می‌کند که این محصول در بهبود مشخصات و مقاومت بتن ساخته‌شده تأثیر عمده‌ای دارد. در بین محصولات کشاورزی نامبرده بالا، پوسته برنج و باگاس یا همان تفاله ساقه نیشکر و ساقه برنج، با سوزاندن مقدار یکسان از آنها در شرایط یکسان به ترتیب بیشترین مقدار خاکستر را تولید می‌کنند که برای پوسته برنج حدود ۲۲ درصد، باگاس حدود ۱۵ درصد و ساقه آن ۵٫۱۴ درصد وزن اولیه خاکستر تولید می‌کنند. با سوزاندن هر تن پوسته برنج حدود ۲۲۰ کیلو خاکستر تولید می‌شود که حدود ۹۴ کیلو از این مقدار خاکستر، سیلیس است. البته ناگفته نماند که مقدار سیلیس تولیدشده به دمای سوختن و طول مدت سوزاندن پوسته برنج بستگی دارد.

از طرف دیگر پوسته برنج بر خلاف ساقه برنج و باگاس برای خوراک دام آن‌چنان مناسب نیست. این در حالی است که ساقه و پوسته برنج و باگاس از نظر تولید حرارت به‌عنوان سوخت در کارخانه‌های تولید شکر، تولید آجر و حتی پوسته برنج در پخت‌وپز خانگی و در کارخانجات برنج‌کوبی کاربرد زیادی دارند. گرمای حاصل از سوختن هر تن پوسته برنج معادل گرمای آزادشده از سوختن حدود ۳۶۰ کیلو نفت سیاه یا ۴۸۰ کیلوگرم زغال است.

عمده کاربرد علمی و مهندسی خاکستر پوسته برنج در صنعت ساخت‌وساز این است که، به‌صورت ماده پوزولانی در سیمان‌های ترکیبی و هیدرولیکی حداکثر تا حدود ۴۰ درصد وزنی جایگزین سیمان می‌شود و با هیدراتاسیون آرام و حرارت هیدراته پایین، خصوصاً در بتن‌ریزی‌های حجیم که نیاز به کنترل درجه حرارت هیدراتاسیون می‌باشد، کاربرد داشته و از همه مهم‌تر کارایی و مقاومت بتن یا ملات سیمانی را افزایش داده و هزینه تولید و اجرای بتن‌ریزی را کاهش می‌دهد. از طرف دیگر وزن مخصوص کمتر پوزولانها، در نهایت موجب افزایش حجم ماتریس سیمانی می‌شود. در سیمان‌های پوزولانی ابتدا سیمان و پوزولان را باهم ترکیب کرده و آسیاب می‌کنند ولی در مورد به تنهای حاوی خاکستر پوسته برنج (RHA – Rice Husk Ash) بهتر است ابتدا خاکستر آسیاب شده و بعد با سیمان ترکیب گردد و در بتن بکار رود.

رفتار پوزولانی خاکستر پوسته برنج و واکنش شیمیایی آن به‌ویژه در ترکیب با آهک بستگی به شکل سیلیس و کربن موجود در آن و نیز درجه حرارت سوختن و زمان نگهداری در آن دما دارد. با افزایش دمای سوزاندن و زمان نگهداری بیش‌ازحد استاندارد (حدود ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد) نتیجه افزایش دما برعکس می‌شود یعنی افزایش دما باعث تأثیرات منفی در عملکرد RHA می‌شود. نباید فراموش کرد که خاصیت پوزولانی ماده ذاتی است و در درجه اول بستگی به ترکیبات شیمیایی و ساختمان کریستالی آنها دارد و عوامل فوق در مراتب بعدی از نظر تأثیرگذاری در خواص پوزولانی مواد قرار دارند.

پیشینه استفاده از پوسته برنج در بتن به سال ۱۹۲۴ میلادی در آلمان برمی‌گردد. در سال‌های ۱۹۵۵ و ۱۹۵۶ آقایان MC DANIEL، Hough و Barr در زمینه کاربرد این مواد تحقیقات بیشتری انجام دادند و علی‌الخصوص عملکرد بلوک‌های ساخته‌شده با ترکیب سیمان و RHA را موردبررسی قراردادند. که نتایج آزمایشات انجام‌شده حاکی از افزایش تاب فشاری نمونه نسبت به حالت بدون استفاده از RHA بود. البته مقاومت نمونه در برابر سایش و قدرت رسانایی حرارتی آنها نیز موردبررسی قرار گرفت که نتایج به‌دست‌آمده بسیار مثبت و امیدوارکننده بود. شایان‌ذکر است که از آن زمان به بعد همواره در کشورهای مختلف جهان، در زمینه بکار گیری این‌گونه مواد در تولید ترکیبات سیمانی تحقیقات زیادی صورت گرفته و همایش‌ها و گردهمایی‌های مختلفی در سراسر دنیا هم برگزارشده است و نتیجه این‌گونه فعالیت‌ها و تحقیقات، یعنی حرکت به‌سوی تولید بتن و ماتریس‌های سیمانی ارزان و درعین‌حال مقاوم.

شرایط سوزاندن پوسته برنج برای تولید خاکستر ایده آل

تعیین دمای بهینه سوزاندن پوسته برنج، با استفاده از نتایج آزمایش پراش سنجی اشعه ایکس و نیز آزمایش سنجش فعالیت در برابر آهک صورت می‌گیرد. بهترین و درعین‌حال اقتصادی‌ترین حالت برای تولید خاکستر مناسب، همگن، دارای حداکثر فعالیت پوزولانی و باکیفیت بالا از پوسته برنج، حالتی است که عمل سوزاندن آن در دمای بین ۵۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد و در مدت‌زمان حدود دو ساعت صورت گیرد. بر اساس آزمایش‌ها و تحقیقات صورت گرفته مشخص‌شده است که اگر دمای سوختن زیر ۵۰۰ یا بالای ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد باشد، باعث به وجود آمدن سیلیس‌های بی‌شکل و غیر بلوری می‌شود. و از طرفی در دماهای بالاتر هوا (اکسیژن) کافی برای سوختن کامل پوسته و تولید خاکستر با کارایی مناسب در محیط وجود نخواهد داشت. ونیز تخلیه گازهای مزاحم تولیدشده در شرایط سخت‌تری انجام می‌شود. بلوری یا غیر بلوری بودن خاکستر تولیدشده نیز به کمک اشعه ایکس و شیوه پراش سنجی مشخص می‌شود. نکته دیگر اینکه متناسب با افزایش دمای سوختن رنگِ خاکسترِ تولیدشده سفیدتر و روشن‌تر خواهد بود. البته اگر در زمان سوختن هوای کافی در محل وجود نداشته باشد، رنگ خاکستر تیره‌تر می‌شود. تا جایی که در دمای ۹۰۰ درجه اگر سرعت سوختن بالا باشد و پوسته به‌درستی نسوزد، خاکستر حاصل، سیاه‌رنگ است. در سوزاندن پوسته برنج، لازم است که هوای تازه حاوی اکسیژن بجای دی‌اکسید کربن تولیدشده از سوختنِ RH وارد کوره شود، تا ته‌نشینی سیلیس و بلوری‌شدن آن را تنظیم نماید. کوره‌های باریک که دارای مجاری تهویه (ورود اکسیژن و خروج دی‌اکسید کربن و سایر گازهای اضافی) باشند، که سرد شدن آرام و اصولی خاکستر را در پی داشته باشند، برای تولید خاکستر از پوسته برنج مناسبند.

استفاده از کوره‌های غیراستاندارد، به دلیل عدم کنترل دمای سوختن و سرد شدن غیر نرمال خاکستر تولیدی و درنتیجه تشکیل بلورهای با کارایی پایین، کاری غیر فنی و غیراصولی است. خارج کردن دی‌اکسید کربن و دسترسی به هوای اکسیژن‌دار، باعث جدایی بهتر مواد معدنی پوسته از مواد سلولزی و لیگنین می‌شود. و همین مسئله کربن‌زدایی خاکستر را کنترل می‌کند.

خاکستر تولیدی از پوسته برنج را قبل از بکار گیری آن آسیاب می‌کنند. این کار باید قبل از مخلوط کردن خاکستر با سیمان صورت گیرد. زیرا اگر سیمان نیز آسیاب شود، نرم‌تر می‌شود و درنتیجه مصرف آب بیشتر شده و نهایتاً ترکیب سیمانی یا بتن حاصل کیفیت مطلوب و موردنظر را نخواهد داشت. ولی در مورد RHA برعکسِ سیمان، هر چه نرم‌تر باشد، آب مصرفی کمتر خواهد بود و چسبندگی ملات بیشتر خواهد بود. هر چه نسبت آب به مخلوط سیمان و خاکستر در محدوده استاندارد کمتر باشد (نزدیک به حداقل مقدار مجاز) تاب فشاری ترکیب سیمانی حاصل، بیشتر خواهد بود.

از مهم‌ترین محاسن بکار گیری خاکسترِ پوسته برنج در تولید بتن، افزایش دوام بتن و مقاومت آن در برابر حملات مواد مخربِ شیمیایی است. مزیت دیگر اینکه ملات یا بتن ساخته‌شده با RHA نسبت به انواع ساخته‌شده با سیمان پرتلند تنها (بدون خاکستر) دارای مقاومت بالاتری در برابر شرایط محیطی اسیدی است. بر اساس آزمایشات صورت گرفته، افت وزنی بتن ساخته‌شده با RHA در محلول اسیدسولفوریک و اسیدکلریدریک به ترتیب ۱۳ و ۸ درصد است درحالی‌که بتن ساخته‌شده با سیمان پرتلند، در برابر اسیدهای فوق به ترتیب در حدود ۲۷ و ۳۵ درصد کاهش وزن دارد. شایان‌ذکر است که اسیدکلریدریک باعث حفره‌ای شدن و خوردگی بتن معمولی (بدون خاکستر) می‌شود در حالی بر روی بتن حاوی خاکستر پس از رسیدن به مقاومت ۷۲ روزه بی تأثیر است.

بتنی را که در تولید آن از خاکستر پوسته برنج استفاده‌شده، به روش‌های مختلف عمل‌آوری می‌کنند.

عمل‌آوری به روش کاریبین (Carbbean): که در اتاق با دمای بین ۲۹ تا ۳۱ درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی بین ۷۷ تا ۸۳ درصد انجام می‌شود.

عمل‌آوری به روش استاندارد: در اتاق با دمای ۲۰ تا ۲۱ درجه و رطوبت نسبی ۹۲ تا ۹۸ درصد.

روش تسریع شده که بیشتر برای قطعات پیش‌ساخته بکار می‌رود.

عمل‌آوری در محیط خارجی حفاظت‌شده اتاق داغ: با دما و درصد رطوبت متفاوت و افزایش تدریجی دما و رطوبت نسبی محل محافظت‌شده.

عمل‌آوری داخلی در شرایط نسبتاً ثابت با دمای حدود ۱۹ درجه و رطوبت نسبی ۵۵ تا ۶۵۵ درصد. که از میان روش‌های یادشده، روش کاریبین، مناسب‌تر است و موجب افزایش دوام بتن شده و مصرف انرژی پایینی دارد و نیز تاب فشاری را تا حدود ۳۰ درصد افزایش می‌دهد. درواقع روش‌هایی که رطوبت نسبی بالاتری داشته باشند مناسب‌ترند.

استفاده از RHA در تولید بتن های عایق

بتنی می‌تواند عایق باشد که وزن مخصوص آن کمتر از ۸۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب و تاب فشاری بین ۱۰ تا ۷۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع داشته باشد. برای ساخت این گروه بتن، از خاکستر عمل‌آوری شده با آهک یا خاکستر عمل‌آوری نشده استفاده می‌شود. البته پایداری و تاب فشاری گروه اول بیشتر است. و نیز استفاده از خاکستر عمل‌آوری شده مانع از شوره‌زدگی بتن می‌شود. مهم‌تر از همه باعث سبکی و کاهش وزن مخصوص بتن شده و خواص عایق بودن آن را افزایش می‌دهد.

در پایان لازم به ذکر است که، علاوه بر تولید بتن، از خاکستر پوسته برنج (RHA) در تولید آجرهای سبک و نسوز و بلوک‌های بتنی نیز بهره‌برداری می‌شود. این آجرها دارای خواص ویژه بسیار ارزشمندی هستند. از جمله:

  • تحمل گرمای حدود ۱۲۵۰ درجه بدون ترک‌خوردگی یا حداکثر با ترک‌خوردگی‌ها بسیار ریز و مویی
  • مقاومت فشاری ۳۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع
  • دوام طولانی‌مدت
  • چسبندگی کافی و مؤثر با ملاط‌های بنایی و اندودهای گچی و سیمانی
  • وزن کم در حدود یک تن بر مترمکعب
  • رنگ خاکستری روشن

در آجرهایی که با خاک لاتریتی (Lateritic)، خاک رس و خاکستر ساخته می‌شوند، با افزایش مقدار خاکستر، تاب فشاری و حدود اتربرگ شامل حد حالت روانی (LL)، حد حالت خمیری (PL)، میزان آب لازم نیز افزایش می‌یابد ولی نشانه حالتِ خمیری (PI) کاهش پیدا می‌کند.

برچسب ها
نمایش بیشتر

محمد احمدی اکبری

مؤسس و مدیر عمران آنلاین | کارشناسی مهندسی اجرایی عمران

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

نوشته های مشابه

بستن
بستن