مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع: راسخون
منبع: راسخون
مقدمه
در طی قرن 20 ام، بتن متداول ترین ماده‌ی ساختمانی مورد استفاده بوده است. علت این مسئله این است که بتن توانسته است تا برخی از نیازهای اساسی انسان ها را برطرف کند. بتن ماده ای است که می تواند برای ساخت خانه ها، ساختمان های اداری، زیرساخت های شهری و همچنین زیرساخت های حمل و نقل مورد استفاده قرار گیرند. استفاده‌ی جهانی از بتن به دلیل ویژگی ذاتی این ماده است. این ماده، یک ماده‌ی ارزان قیمت است. این ماده به خوبی در برابر آب مقاومت می کند. این ماده نمی پوسد و زنگ نمی زند، می سوزد و در برابر حملات حشرات مقاوم است. 80 % این ماده را آب و اگریگیت (شن و ماسه) تشکیل داده است. علاوه بر این، قیمتی برابر با50 دلار بر واحد تن برای سیمان موجب شده است تا این ماده به عنوان یک ماده ارزان قیمت در نظر گرفته شود. در نهایت، تکنولوژی ساده‌ی تولید بتن موجب شده است تا سرمایه گذاری مورد نیاز برای آن کم باشد.اگر این صحیح باشد که در بین موجودات زنده، انسان ها موفق به تشکیل کولنی در سراسر جهان شده اند، در سطح مواد ساختمانی نیز بتن همین جایگاه را دارد. بتن در هرجایی که انسان وجود دارد، وجود دارد. این مسئله باید تذکر داده شود که در سال 2000، 5/1 میلیارد تن بتن تولید شده است و هر انسان از 1 متر مکعب بتن استفاده کرده است که این مقدار وزنی برابر با 5/2 تن دارا می باشد.
البته این استفاده‌ی جهانی از بتن دارای نتایج محیط زیستی است (مشابه با سایر مواد مورد استفاده بوسیله‌ی بشر). این ضروری است که ابتدا اثر محیط زیستی این مقدار قابل توجه از بتن مورد ارزیابی قرار گیرد و ثانیاً ببینیم چگونه می توان این مقدار مصرف بتن را کاهش داد. تولید 1 تن سیمان پرتلند نیازمند دی کربونیزاسیون تقریباً 1 تن آهک در دمایی بین 700 تا
900 می باشد. این دی کربونیزاسیون سنگ آهک با حرارت دهی مواد اولیه تا دمایی در حدود 1450 همراه است.بطور کلی، تولید 1 تن سیمان پرتلند تقریباً 1 تن دی اکسید کربن تولید می کند که علاوه بر انتشار دی اکسید کربن، باید انتشار اکسیدهای نیتروژن را نیز باید به آن اضافه کرد. این اکسیدهای نیتروژن در داخل شعله‌ی با دمای بالا ایجاد می شوند (با دمای در حدود
2500). مقداری 
نیز در طی احتراق گوگرد موجود در سوخت، ایجاد می شود. امروزه ما معمولاً گوگرد را در داخل کلینکر، محبوس می کنیم (مخصوصاً در داخل فاز 
یا به صورت اشکال مختلف سولفات های قلیایی)، اما مقداری از در دوده هایی وجود دارند که در دودکش کوره بوجود می آیند.هم اکنون به دلیل بازده‌ی بالای سیستم های غبارگیری، هیچ گرد و غباری از دودکش کوره خارج نمی شود.
دمای بسیار بالای ایجاد شده در داخل شعله دارای اثرات زیست محیطی منفی است اما این شعله برخی نتایج مفید را نیز به همراه دارد. در واقع با ورود مواد اولیه به داخل کوره، تقریباً تمام مواد سمی آلی موجود در این مواد اولیه، از بین می رود. هیچ مولکول آلی نمی تواند در دمای ایجاد شده در کوره‌ی سیمان، باقی بماند. بنابراین کوره های سیمان هم اکنون برای زدایش بی فنیل پلی کلرونات ها (PCBs)، روغن های جلا، ضایعات روغنی و ... مورد استفاده قرار می گیرد. کوره های سیمان می توانند برای سوزاندن زباله های خانگی، لاستیک های فرسوده و زغال سنگ غنی از گوگرد، مورد استفاده قرار گیرد.
بنابراین، تولید سیمان دو اثر محیط زیستی دارد: یکی منفی و دیگری مثبت. هدف ما کاهش مورد اول و افزایش مورد دوم است.
تولید بتن نیازمند مقادیر قابل توجه سنگ های طبیعی، مقداری آب و مقادیر اندکی افزودنی است.
برای کاهش اثر محیط زیستی بتن، این ضروری است که استفاده از سیمان پرتلند را بهینه سازی کنیم. با استفاده از این کار میزان کارپذیری و استحکام بتن بهینه سازی می شود. مقدار بتن باید به گونه ای بهینه شود که میزان دوام ساختارهای بتنی افزایش یابد و این نیاز وجود نداشته باشد که بتن در آینده، تعمیر شود. محصولات جانبی صنایع می تواند به عنوان اگریگیت مورد استفاده قرار گیرد. همچنین می توان بتن های تخریب شده را خردایش و به عنوان اگریگیت مورد استفاده قرار داد.
در ادامه در مورد نحوه‌ی کاهش اثر محیط زیستی بتن و سیمان صحبت خواهد شد.
چگونه می توان اثرات محیط زیستی بتن و سیمان را کاهش داد
این مشاهده خواهد شد که چندین راه برای کاهش اثرات محیطی بتن وجود دارد. این راه های اصلی به سهولت با تکنولوژی های کنونی، تطبیق می یابند. وقتی بتن تهیه می شود، مقادیر قابل توجهی از سیمان به ضایعات تبدیل می شود. همچنین در هنگام ساختمان سازی نیز مقدار بتن به ضایعات تبدیل می شود. در ادامه راه های کاهش مصرف بتن و سیمان را مطالعه خواهید کرد.
کاهش نسبت آب/ بایندر
استحکام فشاری بتن و نفوذناپذیری ضرورتاً یک تابع از نسبت آب/ سیمان یا آب/ بایندر است و به مقدار سیمان مورد استفاده بستگی ندارد. یک بتن با استحکام فشاری یکسان، دوام و کارایی مناسب می تواند با مقدار کمتری سیمان ساخته شود اگر از یک کاهنده‌ی آب یا یک سوپرپلاستیسایزر استفاده شود. در این حالت مقدار بتن با دوام بیشتری را می توان با استفاده از یک مقدار معین سیمان تولید کرد.
یک کاهنده‌ی آب مقدار مصرف آب (W) مورد نیاز برای حصول کارپذیری یک بتن با نسبت آب/ بایندر معین را به میزان ∆W کاهش می دهد.
اگر نسبت آب/ بایندر ثابت در نظر گرفته شود:
بنابراین
∆B=1/(W/B) ∆W
اگر ما نسبت آب/ بایندر متداول در تولید بتن (یعنی 50/0 تا 80/0) را که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند را پیشنهاد دهیم، مقدار بایندر که با استفاده از یک کاهنده‌ی آب صرفه جویی می شود، برابر است با:
وقتی یک کاهنده‌ی آب بر پایه‌ی لیگنوسولفات مقدار آب مورد نیاز برای حصول یک میزان کارپذیری را به مقدار 8 % کاهش دهد، مقدار سیمانی که می تواند صرفه جویی شود، بین 12 تا 16 % است.
به دلیل اینکه بیش از نیمی از بتن هایی که امروزه تولید می شوند، دارای کاهنده‌ی آب نیست، این کاهش در مقدار سیمان باید بر روی 800 میلیون تن سیمان، اعمال شود. در واقع با در نظر گرفتن مقدار 13 % برای این کاهش، در سال 2000، 100 میلیون تن سیمان ضایعات می شود. علت این مسئله عدم استفاده از ماده‌ی کاهنده‌ی آب می باشد. این بدین معناست که 16 میلیون تن سوخت یا 3 میلیون تن زغال سنگ می تواند با استفاده از این مواد، صرفه جویی شود و از انتشار 100 میلیون تن دی اکسید کربن، جلوگیری شود.
برای جلوگیری از ایجاد چنین ضایعاتی، این امکان وجود دارد که بر روی تولیدکنندگان سیمان فشار اعمال شود تا در داخل سیمان های خود از مواد کاهنده‌ی آب استفاده کنند. در واقع بیشتر سیمان ها نیازمند مواد کاهنده‌ی آب هستند.
عملکرد مفید مواد کاهنده‌ی آب می تواند با راه های دیگر نیز دیده شود. اگر یک میزان جایگزینی 35 % در سیمان انجام شود، مقدار 100 میلیون تن کلینکر یا 135 میلیون تن بایندر هیدرولیک کاهش می یابد. این بدین معناست که 400 میلیون متر مکعب بتن می تواند بدون افزایش اثرات محیط زیستی، تولید شود.
به عنوان یک مرحله‌ی دوم، وقتی از پلاستیسایزر به جای ماده‌ی کاهنده‌ی آب استفاده کنیم، بیایید اثر کاهش اضافی در نسبت آب/ بایندر را در نظر بگیریم. استفاده از سوپرپلاستیسایزر موجب کاهش 15 تا 20 % در مقدار آب مورد استفاده در ساخت بتن های با نسبت آب/ بایندر کم، می شود. در عین حال، استحکام فشاری بتن از 25 به 75 مگاپاسکال افزایش می یابد، در حالی که مقدار سیمان مورد استفاده به کمتر از یک سوم می رسد. در یک ستون که دارای عملکرد فشاری است، این مسئله نشاندهنده‌ی این است که مقدار بتن مورد نیاز برای تحمل یک بار معین، به یک سوم کاهش می یابد. این در حالی است که دوام این بتن نیز طولانی تر می شود.
برای تبدیل یک بتن با استحکام 25 مگاپاسکال که دارای مواد کاهنده‌ی آب نیست به یک بتن دارای مواد سوپرپلاستیک با استحکام 75 مگاپاسکال، مقدار سیمان مورد نیاز تقریباً از 300 کیلوگرم سیمان در هر متر مربع بتن به 450 کیلوگرم سیمان در هر متر مربع بتن افزایش می یابد. بنابراین، وقتی از یک بتن دارای استحکام 75 مگاپاسکال به جای بتن با استحکام 25 مگاپاسکال، برای ساخت یک ستون، استفاده می کنیم، بار اسمی بر واحد کیلوگرم سیمان دو برابر می شود. بنابراین، استفاده از یک بتن با استحکام 75 مگاپاسکال، موجب می شود تا بتوان دو برابر حالت قبل ستون سازی کنیم. تا زمانی که از اگریگیت های حجمی استفاده شود، این استفاده موجب کاهش 3 برابری بتن مورد نیاز می شود.
البته کاهش مصرف سیمان و اگریگیت ها در المان های ساختاری نسبت به ساختارهای خمیده مانند تیرها، کمتر مهم می باشد. استفاده از بتن های با کارایی بالا که دارای نسبت آب/ بایندر کمتر نسبت به بتن های معمولی هستند، دارای اثرات محیط زیستی چشمگیری هستند. این اثرات محیط زیستی علاوه بر افزایش عمر سرویس دهی این بتن هاست.
افزایش عمر سرویس دهی ساختارهای بتنی
عمر سرویس دهی ساختارهای بتنی به شرایط محیطی بستگی دارد. از آنجایی که اصلاح وضعیت محیطی بتن بدون هزینه های اضافی، سخت است، برای محافظت از بتن در برابر محیط های طبیعی یا حملات شیمیایی، این بهتر است که از بتن های با دوام متناسب با محیط استفاده کنیم و به این مسئله توجه کنیم که با انجام عمل آوری مناسب بر روی بتن، می توان عمر مفید ساختارهای بتنی را افزایش دهیم.این متداول است که خواص بتن را با توجه به استحکام فشاری آن تعیین می کنند بدون آنکه شرایط محیطی را که ساختار در آن قرار می گیرد، در نظر گرفته شود. به عنوان یک نتیجه، بسیاری از بتن ها به طور جزئی یا کلی قادر به روبرو شدن با محیط های طبیعی را برای دراز مدت ندارند. نمونه ای از این ساختارها که نباید ساخته می شد، گاراژهای خارج ساختمانی بود که در کانادا و با استفاده از بتن های با استحکام 20 مگاپاسکال ساخته شده بود.
از نقطه نظر ساختاری، این ممکن است که این گاراژها را با استفاده از بتن های با استحکام 20 مگاپاسکال ساخت اما یک چنین بتن هایی در زمانی که آنها با سیکل های یخ زدن و شرایط محیطی خورنده، روبرو می شوند، زیاد دوام نمی آورند. نسبت آب/ بایندر این بتن ها بسیار بالاست و نمی توان میله های فولادی قرار داده شده در داخل آن را در برابر پوسیدگی محافظت کرد.
این مهم است که دستورالعمل های ملی به گونه ای تغییر یابند که نیاز به افزایش دوام بتن در زمانی وجود داشته باشد که در آن شرایط محیطی خاص نیازمند یک نسبت آب/ بایندر پایین وجود داشته باشد. طراح باید با استفاده از بتن های با مقاومت بالاتر بتواند این دوام بتن را افزایش دهد.
کاهش نسبت آب/ بایندر یک شرط ضروری برای افزایش دوام ساختارهای بتنی است. البته این دلیل یک دلیل کافی نیست زیرا یک بتن که دارای نسبت آب/ بایندر پایین است نیز اگر به صورت مناسب عمل آوری نشود، ممکن است تخریب شود. در محل اجرای ساختار بتنی، این باید مد نظرقرار گیرد که قرارگیری و عمل آوری بتن نیز دو عامل مهم هستند و اگر این دو عامل در نظر گرفته نشود، استحکام فشاری نیز مهم نمی باشد. این ضروری است تا معیارهای دقیق و واضحی برای عمل آوری و قرارگیری بتن در ساختار، تدوین شود و به پیمانکاران سفارش شود تا کیفیت عمل آوری و جادهی بتن در ساختار را به خوبی انجام دهند. البته وقتی معیارها بسیار دقیق و واضح باشد، این ساده است که بررسی کنیم آیا عمل آوری و قرارگیری بتن به خوب انجام شده است یا نه! باید سرمایه گذاری مناسبی برای انجام عمل آوری و قرارگیری بتن انجام دهیم. با انجام این سرمایه گذاری اندک، امکان افزایش طول عمر بتن وجود دارد. مهندسین شهر مونترال کانادا محاسبه کرده اند که هزینه‌ی عمل آوری مناسب بتن با آب از 1/0 تا 1 % هزینه های ساختار بتنی می باشد.
هم اکنون پیش بینی دقیق افزایش عمر سرویس دهی با استفاده از عمل آوری و قراردهی مناسب بتن، سخت است اما هیچ کس نمی تواند استدلال کند که یک بتن با نسبت آب/ بایندر پایین که به خوبی عمل آوری و جادهی شده است، دوام بیشتری نسبت به بتن هایی دارد که بدون انجام این عملیات ها، جادهی شده اند.
این مسئله باید تذکر داده شود که در آینده، میزان مصرف بتن و سیمان به دلیل استفاده از بتن های با دوام بالا، کاهش می یابد. و میزان بازسازی و مرمت ساختارهای بتنی نیز کاهش می یابد.
برای متقاعد کردن تولیدکنندگان بتن و تولیدکنندگان سیمان در مورد هزینه بر بودن تعمیر و ساخت مجدد از نقطه نظر کلی، این ضروری است که به این نکته اشاره شود که هزینه‌ی اندکی صرف مواد مورد استفاده در کارهای مرمتی می شود و بیشتر هزینه های تعمیر به نیروی انسانی مورد استفاده و ماشین آلات اختصاص دارد. به طور عکس، ساخت ساختمان های جدید نیامند استفاده از مقدار سیمانی است که معمولاً 10 برابر مقدار سیمان مورد استفاده در کارهای مرمتی است (جدول 1). به دلیل اینکه بودجه های مربوط به زیرساخت ها، بودجه هایی انعطاف پذیر نیست، انجام کارهای تعمیر و مرمت به معنای هزینه های کمتر برای ساختمان سازی های جدید است.
استفاده از بتن های دارای درصد سیمان کمتر
بتن های با کارایی بالا و حرارت هیدراسیون پایین
محققین انرژی اتمی کانادا یک نوع جدید از بتن را ثبت اختراع کرده اند که بتن های با کارایی بالا و حرارت پایین (LHHPC) نامیده می شوند. این بتن تنها شامل 100 کیلوگرم سیمان تیپ V، 100 کیلوگرم دوده‌ی سیلیسی و 200 کیلوگرم پرکننده‌ی سیلیسی آسیاب شده است. این بتن دارای نسبت آب/ بایندر + دوده‌ی سیلیسی برابر با 50/0 است. استفاده از یک چنین بتنی دارای مزیت بزرگی است و تنها موجب افزایش ℃20 دما در شرایط شبه آدیاباتیک می شود. علارغم غلظت پایین سیمان، استحکام فشاری یک چنین بتنی برابر با 100 مگاپاسکال است. این بتن واقعاً یک بتن محیط زیستی با کارایی قابل توجه است. بدبختانه تولید جهانی دوده‌ی سیلیسی به حدی نیست که بتوان استفاده از این بتن را در همه‌ی جهان عمومیت داد.
بتن های سرباره ای و دارای خاکستر بادی
محققین CANMET درکانادا بتن های سرباره ای و دارای خاکستر بادی را توسعه دادند. یک چنین بتن هایی نه تنها جنبه‌ی محیط زیستی بتن را بهبود می دهند، بلکه همچنین برای محصولات جانبی حاصل از صنایع دیگر نیز کاربرد ایجاد می کنند. در این بتن ها، خاکستر بادی یا سرباره 50 تا 60 % عمل اتصال را انجام می دهد. چیزی که این بتن را از بتن های اروپایی تولید شده از سیمان های مخلوط (دارای درصد بالای سرباره و خاکستر بادی و نسبت آب/ بایندر پایین) متمایز می کند، کاهش قابل توجه مصرف پلاستیسایزر است. استحکام فشاری اولیه‌ی یک چنین بتن هایی به حدی بالاست که نگرانی در مورد کار پیمانکاران نیست و دوام این بتن ها به دلیل پایین بودن نسبت آب/ بایندر نیز بالاست. بدبختانه تاکنون در پروژه های اندکی از این نوع بتن استفاده شده است، اما یک روز این تکنولوژی در مقیاسی بزرگتر مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از مقالات منتشر شده بوسیله‌ی Mehta و همکارانش در سال 2006 نشان داده است که این تکنولوژی در حال اوج گرفتن درایالات متحده‌ی آمریکاست.بازیافت بتن
بازیافتن بتن در انتهای عمر ساختاری می تواند به عنوان یکی از راه کارهای مناسب جهت کاهش اثرات بتن بر روی محیط زیست تلقی گردد. به هر حال، این را باید به یاد داشته باشید که هر زمان یک ماده بازیافت شود، بازیافت آن موجب کاهش کارایی مواد جدید می شود زیرا استفاده از مواد بازیافتی در بتن جدید، برخی از خواص آن را تحت الشعاع قرار می دهد.به هر حال، این دلگرم کننده است که هر ساله حجم بالاتری از بتن بازیافت شود؛ البته این مسئله باید در نظر گرفته شود که باید حجم بالاتری از بتن بازیافت شود. در زمینه‌ی بازیافت بتن، بتن های با کارایی بالا دارای مزیت های بازیافتی بیشتری هستند. در حقیقت، به دلیل نسبت آب/ بایندر پایین، این سیمان ها می توانند پیش از استفاده شدن در بستر جاده ها، دو تا سه بار بازیافت می شوند.
بتن بازیافت شده در بخش های شهری دارای چندین مزیت است، زیرا این بازیافت منابع جدیدی را برای ما بوجود می آورد. علاوه بر این، دفن و جابجایی این بتن ها در صورت عدم بازیافت، هزینه بر تر هستند و بازیافت آنها می تواند از حمل و نقل منابع شن و ماسه‌ی جدید به فواصل طولانی جلوگیری کند. در واقع با توجه به حجم 70 تا 75 % شن و ماسه در داخل بتن، این بازیافت می تواند از انتقال حجم قابل توجهی از مواد اولیه جلوگیری کند. همچنین بازیافت بتن، مصرف انرژی و انتشار دی اکسید کربن را کاهش می دهد و به خاطر کاهش ترافیک حمل و نقل، دارای مزیت های اقتصادی- اجتماعی زیادی است.
تولید بایندرهای هیدرولیک میزان انرژی کمتری نسبت به سیمان پرتلند مصرف می کند و کارایی محیط زیستی این بایندرها نیز بالاتر است
در ادامه خواهید دید که چگونه برخی اوقات بهبود بازده انرژی و کارایی محیط زیستی سیمان پرتلند، ساده اما در برخی اوقات این فرایند کاملاً پیچیده است.
ما بررسی خود را از کارهایی شروع می کنیم که برای کاهش انرژی مورد نیاز برای تولید کلینکر، انجام می شود و بعد از آن به احتمالات ایجاد شده در زمینه‌ی جایگزینی مقداری از سیمان پرتلند با اجزای معدنی در کارخانه های سیمان و بتن، می پردازیم. این مشاهده خواهد شد که اگر از استفاده از اجزای مینرالی عمومیت پیدا کند، میزان انتشار گاز دی اکسید کربن در کشورهای مختلف کاهش می یابد و بازده تولید نیز افزایش می یابد.
کاهش محتوای انرژی کلینکر
این تشخیص داده شده است که شرکت های تولید سیمان تلاش زیادی انجام می دهند تا مقدار انرژی مورد نیاز برای تولید کلینکر را کاهش دهند. این مسئله بعد از وقوع 2 بحران نفتی در دهه ای 1970 و 1980 مشاهده شده است. در طی این بحران ها، قیمت یک بشکه‌ی نفت از 50/4 دلار به 30 دلار رسید. این افزایش قیمت بر روی قیمت انواع دیگر سوخت نیز اثر گذاشت. فرایند خشک با یک بخش پیش کلسینه کننده به عنوان رویه‌ی اصلی تولید سیمان تبدیل شد و تلاش های زیادی به منظور محدود کردن اتلاف های حرارتی ایجاد شده در کارخانه های سیمان انجام شد. همچنین تلاش های فراوانی برای بازیابی حرارت تولید شده در بخش های مختلف تولید کلینکر، نیز انجام شده است. در کارخانه های مدرن سیمان که از فرایند خشک استفاده می شود، تولید 1 کیلوگرم کلینکر نیازمند صرف 2800 کیلوژول انرژی است. این در حالی است که این مصرف انرژی در فرایند تر به 6000 کیلوژول می رسد.به هر حال، علارغم این تلاش ها، هنوز هم زمینه هایی وجود دارد که می تواند بهبود یابد. در این کار باید نکات زیر مد نظر قرار گیرد:
کاهش دمای کلینکر از طریق استفاده از مواد معدنی خاص
تولید سیمان بلایت
جایگزینی مقداری از سنگ معدن با استفاده از منابع دیگر آهکاستفاده بیشتر از سوخت های جایگزین. این مورد به طور مستقیم در صرفه جویی در انرژی اثر ندارد ولی به طور غیر مستقیم بر روی این مصرف اثر دارد.
کاهش دمای کلینکر از طریق استفاده از مواد معدنی خاص (mineralizers)
بر اساس دیاگرام فازی
، این مشاهده می شود که دمای مینیمم تشکیل فازهای
و 
درکلینکر برابر با 1450 می باشد. البته این دما مربوط به تشکیل فازهای خالص است. به هر حال، این فهمیده شده است که حضور ناخالصی های خاص در شبکه‌ی کریستالی این مواد می تواند دمای تشکیل یک یا چند فاز را کاهش دهد.برای زمان های طولانی، محققین تلاش داشته اند تا دمای کلینکرسازی را با استفاده از وارد کردن یون های خاص، کاهش دهند بدون آنکه خواص هیدرولیک فازهای
و تغییر کند. این یون ها نباید به طور اساساً فرایند یا کیفیت کلینکر را تغییر دهند. این مسئله نیز خطرناک است که از یون های سمی مانند فلزات سنگین استفاده کنیم. علاوه بر این، تعادل اقتصادی و زیست محیطی نیز باید حفظ گردد.هم اکنون، این مشاهده شده است دو ماده‌ی معدنی مناسب برای این کار، مواد گوگرد دار و مواد فلئوردار هستند. وقتی این مواد معدنی در مقادیر مناسب مورد استفاده قرار گیرد، می توان دمای کلینکرسازی را بین 100 تا 150 درجه کاهش داد. چندین تست صنعتی به طور مخفیانه بوسیله‌ی برخی از شرکت های سیمان انجام شده است. این امید وجود دارد که در سال های آتی، پیشرفت های قابل توجهی در این زمینه بوجود آید. یک کاهش 100 تا 150 درجه ای موجب کاهش 2 تا 3 % در انرژی مصرفی در تولید سیمان می شود. همچنین این کاهش، موجب کاهش قابل توجه در انتشار اکسیدهای نیتروژن می شود.
تولید یک کلینکر بلایتی
همانگونه که گفته شد، این مسئله مطلوب پیمان کاران است که تولیدکنندگان سیمان سیمان های تولید کنند که سریع سخت می شوند. یک چنین سیمان هایی سرعت فرایند ساخت را افزایش می دهند. برای نیل به این هدف، تولیدکنندگان سیمان شروع به تولید سیمان هایی کردند که از فازهای و 
غنی هستند. این شرکت ها همچنین ذرات سیمان را به گونه ای آسیاب کردند که ریزترشوند. بسیاری از سیمان هایی که در بازار وجود دارد، دارای مقدار بزرگتر از 65 % هستند. به هر حال، این سخت است که به مزیت رقابتی این سیمان ها پی ببریم. این ضروری نیست که محدودیت های فنی استفاده از این کلینکرها را گوشزد کنیم. در واقع استفاده از این سیمان ها موجب ایجاد تغییرات حجمی، ترک خوردگی زودرس، تغییر در کارایی بتن و دوام آن می شود. در حقیقت، برای برطرف کردن این محدودیت های کلینکر، این ضروری است که میزان آب مورد استفاده برای تولید بتن را افزایش دهیم البته با این کار دوام بتن کاهش می یابد. علاوه بر این، این سیمان ها دارای رئولوژی متفاوت هستند و از این رو کنترل آنها مشکل است. در واقع در اغلب موارد لازم است تا پیش از ریختن بتن در محل مورد نظر، بتن را دوباره تمپر کنیم.در حقیقیت جواب نیاز پیمانکاران کاهش نسبت آب/ بایندراست نه افزایش میزان فاز
و ریز کردن ذرات سیمان. به دلیل اینکه مواد سوپرپلاستیک مناسب هم اکنون موجود می باشد، این ضرورتی ندارد که سیمان هایی تولید شود که مقدار فازهای و در آنها بالا باشد. در واقع با استفاده از این سوپرپلاستیسایزرها، استحکام اولیه‌ی بالایی حاصل می شود. برای بیش از 100 سال است که این فهمیده شده است که استحکام یک بتن بیشتر از اینکه به استحکام سیمان بستگی داشته باشد، به نسبت آب/ بایندر وابسته است. در واقع ذرات سیمان نزدیک تر به هم در بتن موجب افزایش استحکام بتن می شود.البته وقتی امکان نزدیک کردن ذرات سیمان به همدیگر، وجود نداشته باشد، این ضروری است که از مقدار آب بیشتری استفاده کرد تا بدین صورت این ذرات را از حالت فلوکوله به حالت باز در آورد. بنابراین، برای بدست آوردن اسحکام مناسب، این ضروی است که ساختار C-S-H به خوبی در داخل ماده تشکیل شود. مقادیر بالای فازهای
و یک پیش نیاز برای بدست آورن استحکام اولیه‌ی بالا می باشد. اما هم اکنون که این پلاستیسایزرها موجود می باشد، این ممکن است که ذرات سیمان را به همدیگر نزدیک کنیم. این مسئله توضیح می دهد که چرا تحقیقات انجام شده بوسیله‌ی محققین آمریکایی نشان داده است که بهترین نوع از سیمان در آمریکای شمالی که می تواند بتن های با استحکام 200 مگاپاسکال ایجاد کند، سیمان های تیپ V و تیپ 20 M کانادایی است. این سیمان ها دارای مقادیر و کمی هستند. یک چنین بتن هایی که بتن های با پودر فعال نامیده می شوند، می توانند بعد از 24 ساعت، استحکام فشاری برابر با 50 مگاپاسکال بدست آورند.بنابراین، استفاده از سیمان های غنی از
نیاز به استفاده از آهک کمتر دارد و بنابراین، انتشار دی اکسید کربن و مصرف سوخت در تولید این سیمان ها کمتر است. تنها مواردی که یک سیمان بلایتی دارای مزیت نیست، وقتی است که این کلینکر با اجزای مینرالی مخلوط شود.استفاده از یک منبع آهک غیر از سنگ آهک
یکی دیگر از راه های جالب برای افزایش کارایی محیط زیستی تولید کلینکر (کاهش انتشار دی اکسید کربن)، استفاده از منابع آهک غیر از سنگ آهک است. با استفاده از این جایگزینی امکان کاهش مصرف انرژی وجود دارد. علت این مسئله این است که دی کربونیزاسیون آهک یک واکنش واقعاً گرماگیر است.سرباره‌ی کریستالی شده می تواند به عنوان یک منبع آهک مورد استفاده قرار گیرد و با این کار، مقدار سنگ آهک مورد استفاده، کاهش یابد (جدول 2). از جنبه‌ی تئوری (جدول 3)، این مشاهده می شود که با استفاده از مخلوط کردن سرباره با سنگ آهک، امکان کاهش 20 % در آهک مورد نیاز وجود دارد. بنابراین، جایگزینی سنگ آهک با یک مقدار معین از سرباره‌ی کریستالی شده، یکی از راه حل های جالب از نقطه نظر محیط زیستی است (شکل 1). البته این در صورتی اتفاق می افتد که سرباره در مکان مورد نظر به وفور یافت شود. سیمان های الینیتی (Alinite cement) که از کلسیم کلراید تولید می شوند، نیز دارای اثرات محیط زیستی بهتری هستند.
استفاده از اجزای معدنی
جایگزینی یک مقدار معین از کلینکر با یک جزء معدنی، یک راه حل مناسب برای بهبود بازده انرژی و بهره وری محیط زیستی در فرآوری بایندرهای هیدرولیک می باشد. این جایگزینی می تواند در کارخانه‌ی سیمان (در زمان تولید سیمان های مخلوط) و یا در کارخانه های بتن سازی انجام شود. در هر دو مورد، برای هر کیلوگرم از کلینکر سیمان پرتلند، 3000 کیلوژول انرژی صرفه جویی می شود و میزان انتشار دی اکسید کربن نیز به مقدار 1 کیلوگرم کاهش می یابد. در واقع در این بخش بیشترین صرفه جویی در مصرف انرژی حاصل می شود.
به هر حال، همانگونه که قبلاً گفته شد، دراین حالت با استفاده از کاهش نسبت آب/ بایندر(استفاده از پلاستیسایزر)، می توان وضعیت را بهبود داد به نحوی که می توان ساختار C-S-H خوبی در داخل بتن ایجاد کنیم. بنابراین، در آینده‌ی نزدیک، اجزای معدنی می تواند به میزان 50 % جایگزین کلینکر شوند. در مقیاس جهانی، این بدین معناست که تولید بایندرهای هیدرولیک در جهان می تواند بدون افزایش مصرف سوخت و همچنین بدون افزایش انتشار دی اکسید کربن، دو برابر شود.
آیا می توان سیمان پرتلند را حذف کرد؟
این سوال یک سوال محرک است. در واقع جواب این سوال این است که چرا نه! اما این کار در آینده‌ی نزدیک رخ نمی دهد. این مسئله این نتیجه را به همراه ندارد که بتوان فرایندهای صنعتی با مصرف انرژی کمتری را در آینده ابداع کرد که بوسیله‌ی آن بایندرهایی تولید شود که این بایندرها در زمانی کمتر از 24 ساعت سخت شوند.با توجه به کارهای محققین کانادایی، این فهمیده شده است که حداقل سه راه برای تبدیل شدن سنگ آهک به مواد ساختمانی وجود دارد. سنگ آهک می تواند از منابع معدنی استخراج شود. این فرایند از لحاظ محیط زیستی بسیار پاکیزه است اما این کار زمان بر است و بازده بالایی ندارد. سنگ آهک می تواند از معدن استخراج و آسیاب کاری شود و با مقدار مناسبی رس مخلوط شود و بدین صورت کلینکر سیمان پرتلند، تولید می شود. این بهترین و پر بازده ترین راه برای تولید یک ماده‌ی ساختمانی انعطاف پذیر است اما از نقطه نظر انرژی و محیط زیست، این فرایند، فرایند با بازده بالایی محسوب نمی شود. سومین راه این است که این سنگ آهک را به خورد یک مرغ داد و منتظر بمانیم تا فردا صبح، از مرغ، تخم مرغ بدست آید. در واقع پوسته‌ی تخم مرغ از جنس آهک است و تبدیل سنگ آهک به آهک در داخل بدن مرغ انجام شده است.
برخی ماهی های صدفی نیز پوسته های قوی تر تولید می کنند. آنها می دانند که چگونه یون ها و مولکول ها مورد نیاز را از آب دریا انتخاب کنند و پوسته های سختی بسازند که دارای استحکام فوق العاده ای است. این فرایند در دمای پایین تر از دمای بدن مرغ انجام می شود. استحکام پوسته های حلزون هنوز هم شگفتی محققین مواد را به خود جلب کرده است. این پوسته از لایه های بسیار نازک کلسیم کربنات تشکیل شده اند که این لایه ها دارای ضخامت 2/0 میلی متر هستند. این لایه ها با یک لایه‌ی پروتئینی بزرگتر جدا شده اند (شکل 2).
نتیجه گیری
بتن متداول ترین ماده‌ی ساختمانی مورد استفاده در آینده خواهد بود. علت این مسئله، قیمت ارزان آن و تطبیق پذیری آن با محیط های مختلف است. استفاده از این ماده نه تنها در کشورهای صنعتی افزایش خواهد داشت، بلکه همچنین استفاده از این ماده در کشورهای در حال توسعه نیز افزایش خواهد یافت.فرایند شهر نشینی که در کشورهای در حال توسعه به سرعت در حال گسترش است، غیر قابل اجتناب است زیرا این تنها راه برای ثروت آفرینی است. این شهرنشینی نتیجه ای از افزایش در مصرف بتن است که اگر بتن های با دوام بالا تولید نشوند، در آینده انتشار دی اکسید کربن حاصل از این فرایند، می تواند مشکل زا باشد. در واقع افراد باید بدانند چگونه می توان بتن های با دوام بالا را با استفاده از کلینکر کمتری تولید شوند.
بدبختانه این کار در کشورهای پیشرفته به خوبی شناخته شده است اما در این کشورها مصرف بتن در حال کاهش است. حال این وظیفه‌ی ماست که به مردم یاد دهیم چگونه بتن های با دوام بالا را با استفاده از مقدار کمتر سیمان، تولید کرد، چگونه می توان بایندرهای هیدرولیک را با صرف انرژی کمتر تولید کرد و چگونه می توان بازیافت بتن را افزایش داد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.
/ج
