استفاده از خاکستر سبوس برنج در بتن (1)

مقدمه

سبوس برنج یک محصول فرعی از صنعت شالی کوبی می باشد. در کشورهای تولیدکننده ی برنج، سبوس برنج توجه زیادی را به خود اختصاص داده است که علت این مسئله، آلودگی های محیط زیستی و افزایش علاقه در زمینه ی تبدیل این مواد به انرژی و منابع مفید می باشد. چندین دلیل وجود دارد که توجه محققین بتن به این ماده، افزایش یافته است. در این مقاله، به بررسی این عوامل می پردازیم.

دفع مناسب

حدود 20 % از شلتوک برنج خشک شده، را سبوس برنج تشکیل می دهد. تولید جهانی شلتوک برنج در حدود 500 میلیون تن در سال می باشد و از این رو، 100 میلیون تن سبوس برنج هر ساله تولید می شود (جدول 1). سبوس برنج دارای حجم خشک بالایی است که علت این مسئله، دانسیته ی بالک پایین این ماده می باشد. این دانسیته در حدود 90 تا 150 کیلوگرم بر متر مکعب است. این ماده سطح مدور و زبری دارد که مقاومت بالایی در برابر تخریب طبیعی دارد. دفن کردن در این زمینه، یک مشکل چالشی است. این فهمیده شده است که تنها صنعت سیمان و بتن می تواند یک چنین مقدار قابل توجه از ضایعات پزولانی جامد را مصرف کند.

بایندرهای مکمل

برای کشورهای در حال توسعه که تولید برنج در آنها فراوان است، استفاده از خاکستر سبوس برنج (RHA) در سیمان، بسیار جذاب است که علت این مسئله، فعالیت بالای این ماده می باشد. به دلیل اینکه 20 % شلتوک برنج تولیدی، سبوس است، میزان RHA تولیدی در جهان، در حدود 20 میلیون تن می باشد. همچنین خاکسترهایی که به خوبی عمل آوری شوند، به خوبی می توانند در داخل خمیرهای سیمانی، استفاده شوند. از این رو، استفاده از خاکستر سبوس برنج در بتن، یک مسئله ی بسیار مهم است. در این مقاله، ویژگی ها، کیفیت، مکانیزم هیدراسیون و اثر خاکسترهای منتج شده از سبوس برنج بر روی کیفیت بتن، مورد بررسی قرار می گیرد.

طبقه بندی خاکسترهای سبوس برنج

ترکیب شیمیایی مربوط به سبوس برنج، مشابه چیزی است که در بسیاری از الیاف آلی متداول وجود دارد. این ترکیبات عبارتند از: سلولز، لیگنین، همی سلولز و اجزای خاکستری می باشد. میزان همی سلولز در سبوس برنج، در حدود 54 % است، اما ترکیب خاکستر و لیگنین اندکی متفاوت هستند که این مسئله به گونه های بیان شده در جدول 2 وابسته می باشد. ترکیب سبوس برنج بر اساس گونه های مختلف در جدول 3 آورده شده است. بعد از سوختن، بیشتر اجزای فرار به آهستگی از بین می روند و سیلیکات ها باقی می مانند. ویژگی های هر خاکستر، به اجزا، دما و زمان سوختن، بستگی دارد. به منظور بدست آوردن یک خاکستر با فعالیت پزولانی بالا، سیلیس باید به حالت غیر کریستالی تشکیل شود و ساختار نیز حالت میکروتخلخلی باشد. از این رو، فرایند سوختن باید کنترل شود تا بدین صورت سلولز و لیگنین حذف شود، در حالی که ساختار اولیه ی سبوس برنج، حفظ گردد. سوختن معمولی و رو باز می تواند منجر به آلودگی هوا شود. این آلودگی ها منجر به بیماری های چشم و ریه ای شود.
کوره های بستر سیالی که در سال 1974 توسعه یافته است، موجب تولید خاکسترهای با فعالیت پزولانی بالا می شود. کوره های برقی مدرن به منظور کنترل مناسب فرایند سوختن و تولید خاکسترهای با کیفیت بالاتر نیز توسعه یافته اند.
اثر دمای سوختن
واکنش های ایجاد شده در دماهای سوختن مختلف، به همراه ترکیب شیمیایی RHA تولید شده، در جدول 4 آورده شده است. در دمای 400 درجه ی سانتیگراد، به دلیل ایجاد فرایند ترانس گلیکوزیلاسیون ، پلی ساکاریدها شروع به تجزیه می کنند و موجب تولید لوو گلوکوزان، مونوساکاریدها، مشتقات آنها و الیگوساکاریدها، می شوند.
آب گیری واحدهای شکر در دمای 400 درجه ی سانتیگراد رخ می دهد و بدین صورت 3- دی اکسی گلوکوزنون، لوو گلوکوزنون و مشتقات دیگر می شود.
در دمای 700 درجه ی سانتیگراد، واحدهای شکر تجزیه شده و موجب تولید برخی از ترکیبات مانند استالدهید، گلیکوزان و اکرولین می شود.
در دماهای بالاتر از 700 درجه ی سانتیگراد، این محصولات غیر اشباع با همدیگر واکنش می دهند و موجب تشکیل باقیمانده های کربنی با واکنش پذیری بالاتر می شود.
آنالیز گرمایی افتراقی (DTA)، آنالیز ترموگراویمتری (TGA) و TMA نشاندهنده ی ایجاد اولین پیک در دمای 95 درجه ی سانتیگراد می باشد. این پیک به دلیل دهیدراسیون رخ داده است. بین دمای 150 درجه ی سانتیگراد تا 250 درجه ی سانتیگراد، یک واکنش گرماگیر با شدت پایین رخ می دهد. این واکنش با واکنشی در دمای 300 درجه ی سانتیگراد ادامه می یابد که ممکن است به دلیل واکنش های اکسیداسیون ایجاد شود. مقدار زغال سنگ نیم سوز تشکیل شده، در حدود 60 % وزن اولیه می باشد (شکل 1). آنالیز با اشعه ی X، آنالیز EDAX و آنالیز شیمیایی، نشان می دهد که در دماهای بالاتر احتراق، میزان سیلیس موجود در خاکستر، بیشتر می شود. پتاسیم، گوگرد، کلسیم، منیزیم و سایر عناصر مواد فرار هستند (جدول 4 و شکل 2). تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی در شکل 3a و 3b وجود دارد. این تصاویر نشاندهنده ی نحوه ی سوختن الیاف سطحی است، در حالی که الیاف داخلی در این حالت به طور کامل تجزیه نشده اند. سبوس آسیاب شده، در دماهای بالا، به طور کامل تجزیه می شوند (شکل 3c). این واضح است که نرخ حرارت دهی و زمان، بر روی کیفیت خاکستر، مؤثر است. میزان خاکستر تشکیل شده در دمای 600 درجه ی سانتیگراد، بیشتر از خاکستر تشکیل شده در دمای 400 درجه ی سانتیگراد است (شکل 3d تا شکل 3I). در دمای 700 درجه ی سانتیگراد، خاکستر نیم سوز از رنگ خاکستری به رنگ صورتی تبدیل می شود. علاوه بر این، برخی از باقیمانده های کروی نیز مشاهده می شود (شکل 3j). نوع کریستال تشکیل شده در دمای 700 و 800 درجه، مشابه است. به هر حال، برخی تبدیل ها در پیکربندی شکلی ممکن است ایجاد شود (شکل 3K). این مسئله احتمالا به دلیل اثرات دمایی مختلف است. در بین دمای 900 تا 1000 درجه، تشکیل کریستال های شبه مرجانی، افزایش می یابد (شکل 3m تا 3O). اگر چه کریستال ها حالت مرجانی خود را در مای 1100 درجه نیز حفظ می کنند، این کریستال ها ریزتر هستند و سریع تر ذوب می شوند (شکل 3p تا 3r). یک دیاگرام فازی در سیستم کلسیم اکسید- سیلیس، می تواند برای تعیین نوع فازهای تشکیل شده، استفاده شود. انواع مختلفی از سلیس که در بین دماهای 900 تا 1000 درجه تشکیل می شود، ممکن است از نوع تریدیمیت، ولاستونیت، β-Ca_3 SiO_3 و بتا کوارتز باشد. در دمای بین 700 تا 800 درجه ی سانتیگراد، آلفا کوارتز و فاز ولاستونیت موجود می باشند. به دلیل اینکه دمای سوختن سبوس برنج زیر 1500 درجه ی سانتیگراد است، پلی مورفی های سیلیس مانند کوارتز، تری دیمیت و کریستوبالیت با ساختار سیلسی باز در RHA تشکیل می شود. این مورد موجب افزایش واکنش پزولانی ماده می شود. به هر حال، این واکنش ممکن است با انحلال سیلیس، تغییر کند. البته این مسئله، هم به لایه ی حل شونده و هم به دانسیته ی سیلیس، وابسته می باشد. با توجه به جدول 5، قطر مینیمم مربوط به حفرات در RHA، بین 600 تا 700 درجه ی سانتیگراد، بالاترین مقدار است و بنابراین، واکنش پزولانی خاکستر تشکیل شده در این دما، بالاترین میزان است. دماهای سوختن کمتر موجب می شود تا میزان مصرف انرژی پایین آید و بنابراین، دماهای بین 600 تا 700 درجه، برای تشکیل خاکستر سبوس برنج، انرژی زیادی نیاز ندارد.

اثر زمان سوختن و محیط کوره

در دماهای بالاتر از 800 درجه ی سانتیگراد، یک افزایش در دمای سوختن، زمان و اثرات محیطی، منجر به ایجاد اثرات زینترینگ می شود. در حقیقت این اثر موجب کاهش سطح ویژه می شود (جدول 6). محیط احتراق همچنین نقش مهمی ایفا می کند. این مسئله باید تذکر داده شود که یک تغییر در نرخ اکسیداسیون و در حقیقت افزایش میزان اکسیداسیون، مسئول افت سریع و کاهش کیفیت در ریزساختار و میکروحفرات موجود در این خاکسترها، می باشد (جدول 6). فرایند نفوذ برای بدست آوردن یک خاکستر برنج فعال در شکل 4 آورده شده است. این شکل بر طبق داده های جدول 6 و 7 تدوین شده است. اثر شرایط سوختن بر روی ساختار کریستالی و مساحت سطح خاکستر برنج، بوسیله ی Ankra مورد بررسی قرار گرفته است. این نشان داده شده است که شرایط سوزاندن بهینه، برای حصول خاکستر سبوس برنج با ریزساختار سلولی، مهم می باشد. اما این پیشنهاد شده است که سبوس برنج در دمایی بالاتر از 800 درجه ی سانتیگراد، سوزانده شود و همچنین زمان سوزاندن نیز بالاتر از یک ساعت باشد تا بدین صورت، فعالیت پزولانی مطلوبی بدست آید. همچنین این اعتقاد وجود دارد که سرد کردن سریع ممکن است موجب افزایش فعالیت RHA شود.

آنالیز کیفیت RHA

کیفیت RHA در حقیقت به روش سوزاندن خاکستر و میزان آسیاب کاری، وابسته می باشد. این کیفیت همچنین به حفظ ساختار سلولی و همچنین میزان مواد آمورف موجود در ساختار نیز بستگی دارد.

منابع مختلف

تولید سبوس برنچ در کل جهان در حدود 100 میلیون تن می باشد که اکثر این سبوس در کشورهای جنوب شرق آسیا تولید می شود. بسته به شرایط رشد و بسته به نوع برنج، کیفیت ساقه ها نیز تغییر می کند اماهمانگونه که در جدول 1 قابل مشاهده می باشد، ترکیب شیمیایی منابع مختلف کاملا مشابه است. اجزای نمونه وار مربوط به RHA، همانگونه که در جدول 2 نشان داده شده است، عبارتند از:
سلولز 40 تا 50 %
لیگنین 25 تا 30 %
خاکستر 15 تا 20 %
رطوبت 8 تا 15 %
بعد از سوزاندن در دما و زمان مناسب (دمای 700 درجه ی سانتیگراد و زمان 2 ساعت) در یک کوره ی صنعتی، سبوس برنج حاوی 90 تا 95 % سیلیس، 1 تا 3 % اکسید پتاسیم و کمتر از 5 % کربن باقیمانده خواهد بود (جدول 7). کیفیت خاکستر ایجاد شده از منابع مختلف بعد از سوزاندن مناسب، تنها اندکی متفاوت است. برای استفاده، RHA باید آمورف و حاوی تخلخل بالا باشد. فعالیت پزولانی همچنین به مساحت سطح RHA وابسته می باشد. خاکستر سبوس برنج با مساحت سطح 50 تا 100 متر مربع بر گرم، موجود نمی باشد. خلاصه ی تحقیقات انجام شده در این زمینه که در طی سال های 1976 تا 1991 منتشر شده است، در جدول 7 آورده شده است. فعالیت پزولانی RHA وقتی با میزان وزنی کمتر از 70 % سیمان مخلوط می شود، بیشتر از 100 % است. فرایندهای مختلف
فرایندهای سوختن بر روی کیفیت خاکستر سبوس برنج تولیدی، مؤثرند. مطالعات انجام شده، نشاندهنده ی اثر فرایند بر روی خواص RHA می باشد (جدول 7).

سوزاند در هوای باز

سوزاندن در هوای آزاد سبوس برنج، نه تنها موجب تولید خاکستر با کیفیت پایین می شود، بلکه در بسیاری از کشورها، این سوزاندن به دلیل مشکلات آلودگی، ممنوع می باشد. نتایج سوزاندن غیر کنترل شده در ساختار فرم کریستالی آن، به گونه ای است که فعالیت آن بسیار پایین است.

سوزاندن در کوره ی بستر سیال

کوره ی بستر سیال به گونه ای طراحی می شوند که بتوان فرایند سوزاندن سبوس برنج، کنترل شود. در این فرایند، حرارت ایجاد شده از احتراق سبوس برنج، برای تولید برق و یا بخار استفاده می شود. یک کنترل مناسب از پارامتر دما- زمان در فرایند سوزاندن، حفظ می گردد. خاکسترهای با خاصیت پزولانی بالا با استفاده از این روش، تولید می شوند. RHA با خاصیت پزولانی بالا با حفظ دمای احتراق سبوس بین 500 تا 700 درجه ی سانتیگراد برای یک دوره ی زمانی نسبتاً طولانی مدت، تولید می شود. این کار موجب حذف بیشتر کربن های موجود می شود. همچنین می توان این سوزاندن در دماهایی بین 700 تا 800 درجه ی سانیتگراد و به مدت یک دقیقه انجام شود. آنالیز شیمیایی مربوط به نمونه های خاکستر تولید شده از کوره های بستر سیال نشاندهنده ی این است که این خاکسترها حاوی 80 تا 95 % سیلیس، 1 تا 2 % پتاسیم اکسید و 3 تا 18 % کربن نسوخته می باشد. این خاکسترها، بسیار سلولی هستند و دارای مساحت سطح 50 تا 60 متر مربع بر گرم می باشند. بافت فیبری سیلیس در خاکسترهای منتج شده، به خوبی حفظ شده است.

کوره ی صنعتی

یک کوره ی صنعتی مدرن اخیراً مورد استفاده قرار گرفته اند که علت آنها، دلایل محیط زیستی و اقتصادی می باشد (جدول 7). بسته به بازده احتراق، میزان سیلیس موجود در RHA ممکن است در گستره ی 90 تا 95 % باشد و میزان کربن باقیمانده در آنها به عنوان یک جزء اصلی در نظر گرفته می شود. علاوه بر کربن باقیمانده، مواد قلیایی که در گستره ی 1 تا 3 % است، موجب تولید ناخالصی های دیگری می شود. با کنترل احتراق در کوره ی صنعتی، این ساده است که RHA با سیلیس آمورف و شکل سلولی کامل، تولید کرد که مساحت سطح آنها 50 تا 100 متر مربع بر گرم است. این نوع از خاکستر سبوس برنج، خاصیت پزولانی بالایی دارد.
اثر زمان و دمای سوزاندن بر روی مساحت سطح و فعالیت خاکسترها
RHA باید برای یک زمان و دمای مناسب، حرارت داده شود تا بدین صورت فعالیت پزولانی مناسبی ایجاد شود (همانگونه که در جدول 7 و شکل 4 قابل مشاهده می باشد). جدول 6 به طور واضح نشاندهنده ی این است که نه تنها دمای سوزاندن، بلکه زمان سوزاندن نیز برای حذف کربن، مهم می باشد. مساحت سطح RHA سوزانده شده در دمای 500 تا 600 و زمان یک دقیقه، 122 متر مربع بر گرم است، بدون آنکه کریستالیزاسیون در آنها ایجاد شود (جدول 6). زمان های سوزاندن طولانی تر موجب فروپاشی ساختار سلولی و همچنین پر شدن حفرات ریز شود. این مسئله موجب می شود تا مساحت سطح خاکستر، کاهش یابد. در دماهای بالاتر و زمان های سوزاندن طولانی تر، یک ساختار کریستالی با کاهش قابل توجه در مساحت سطح، قابل مشاهده می باشد. این مسئله موجب افت خاصیت پزولانی خاکستر می شود. شکل 4 نشاندهنده ی مسیر دما- زمان بهینه برای تولید خاکستر سبوس برنج مناسب و دارای ساختار متخلخل و سلولی با فعالیت بالا، می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Waste materials used in concrete manufacturing/ Satish Chandra