استفاده از خاکسترِ پوسته برنج RHA در توليد بتن

خاکستر پوسته برنج (RHA)، يک جايگزين ايده ال و شايسته براي سيمان

از مهم ترين محاسن بکار گيري خاکسترِ پوسته برنج در توليد بتن، افزايش دوام بتن و مقاومت آن در برابر حملات مواد مخربِ شيميايي است.

هرکدام از انواع ساخت و سازهاي فوق، در عصر حاضر در بسياري از کشورها خصوصاً در کشور ايران، روندي رو به رشد داشته و خواهد داشت و اين يعني افزايش مصرف مصالح ساختماني در جهان و در راس آنها مصالحي پرمصرف مثل بتن و فولادو سيمان. بنابراين افزايش سرمايه گذاري و افزايش مصرف سوخت در کارخانه هاي توليدي مصالح را پيش رو خواهيم داشت. که در اين ميان فراين توليد بتن بدليل اينکه داراي بالاترين حجم توليد در بين تمام مصالح ساختماني در جهان است، اهميت بسيار بالايي دارد. پس بايد شرايط توليد، مواد اوليه، مواد ثانويه و مواد مضاف بتن و مهمتر از همه سيمان و جايگزين هاي مناسب براي آن در توليد بتن مورد مطالعه کاملاً علمي، فني و مهندسي قرار گيرند، تا هم از نظر بهبود مشخصات بتن و افزايش مقاومت آن پيشرفت هايي حاصل شود و هم از نظر اقتصادي در هزينه ها صرفه جويي گردد. يکي از بهترين راهکارهاي موجود، يافتن جايگزينهاي مناسب براي سيمان مصرفي در بتن است و در اين زمينه استفاده از منابع و مصالح طبيعي و در راس آنها ضايعات ومواد اضافي کشاورزي مي تواند ايده بسيار کارآمد و پرثمري باشد.
در ايران و نيز در بعضي کشورها عمده استفاده اي که از مواد زايد کشاورزي مي شود، يکي بعنوان خوراک دام و ديگري بعنوان سوخت مصرفي در کارخانه هايي مثل کارخانه توليد آجر يا برنج کشي و... است و اين بخاطر ارزاني و راحتي دسترسي به اين مواد است. در بسياري موارد حتي ديده مي شود که کشاورزان اقدام به سوزاندن اين مواد به ظاهر اضافي مي کنند. که اين امر هم آلودگي هاي زيست محيطي را در پي دارد وهم در مواقع بارندگي موجب اسيدي شدن آب و خاک کشاورزي و درنتيجه كاهش ميزان توليدات زراعي مي گردد.
اما در سالهاي اخير با پيشرفت سريع بشر در حوزه مسايل فني و اجرايي در بخش ساختمان سازي و با تحقيقات صورت گرفته در زمينه مصالح ساختماني و بکار گيري مواد طبيعي و تقويت و بهسازي مصالح ساختماني مصنوعي، نوآوري ها و ابتکارات تازه و بسيار سودمندي صورت گرفته است. يکي از بهترين رهيافتها، سوزاندن و خاکستر کردن مواد زايد محصولات کشاورزي مثل پوسته و ساقه برنج(توليد ساليانه 40000 تن در جهان)، پوسته و غلاف برگ ارزن هندي(sorghum ) يا همان نيشکر چيني، غلاف برگ گندم، تيغه برگ ذرت، برگ و ساقه گياه شاه پسند، ساقه درخت نان (breadfruit )که بيشتر در مناطق استوايي آسيا مي رويد، باگاس( تفاله ساقه نيشکر)، برگ و ساقه آفتابگردان، قسمت داخلي گياه بامبو (bamboo) که در مناطق با دسترسي آب بالا مثل حاشيه دريا ها و درياچه ها و رودخانه ها و باتلاقها و ... رشد مي کند، ودر نهايت جايگزيني خاکستر حاصل از سوزاندن مواد فوق، البته در حدود سي تا چهل درصد، بجاي سيمان مصرفي در توليد بتن و در نتيجه افزايش ميزان سيمان توليدي و کاهش قيمت آن است. همانطور که بسياري از شما، خصوصاً عزيزان دست اندرکار امر ساخت و ساز مطلعند، نوسان قيمت سيمان که در اکثر موارد روند افزايشي داشته است، در مقطع هاي زماني مختلف همواره مشکلات عديده اي را براي انجام صحيح و به موقع پروژه هاي خرد و کلان سازه ايِ کشور بوجود آورده است. از طرف ديگر توليد و عرضه کافي و بموقع سيمان به بازار، در حدي که پاسخگوي نيازهاي ساخت و ساز کشور باشد، باعث مي شود که مناطق شهري و روستايي دور افتاده کشور خصوصاً در مناطق با امکانات پايين(فاقد کارخانه هاي توليد سيمان) که در حال ساخت يا بازسازي هستند، براحتي و در اسرع وقت به مصالح مورد نظر خود از جمله سيمان دسترسي پيدا کنند.
از سوختن موادزايد کشاورزي که متشکل از فيبر، مواد معدني مثل اکسيد آهن(fe2o3)، اکسيد آلومينيوم(al2o3) و مواد ديگري مثل سلولز، سيليس، پروتئين و چربي و ... هستند، خاکستري توليد مي شود که حاوي سيليس است که بسته به درجه حرارت سوختن، به صورت کوارتز، کرسيتو باليت(crystobalite) و ترديميت(tridymite) توليد مي شود. که در واکنش با آهک يک ترکيب چسبنده بنام سيليکات کلسيم توليد مي کند که اين محصول در بهبود مشخصات و مقاومت بتن ساخته شده تاثير عمده اي دارد. در بين محصولات کشاورزي نامبرده بالا، پوسته برنج و باگاس يا همان تفاله ساقه نيشکر و ساقه برنج، با سوزاندن مقدار يکسان از آنهادر شرايط يکسان به ترتيب بيشترين مقدار خاکستر را توليد مي کنند که براي پوسته برنج حدود 22 درصد، باگاس حدود 15درصد و ساقه آن5/14 درصد وزن اوليه خاکستر توليد مي کنند. با سوزاندن هر تن پوسته برنج حدود 220 کيلو خاکستر توليد مي شود که حدود 94 کيلو از اين مقدار خاکستر، سيليس است. البته ناگفته نماند که مقدار سيليس توليد شده به دماي سوختن و طول مدت سوزاندن پوسته برنج بستگي دارد.
از طرف ديگر پوسته برنج بر خلاف ساقه برنج و باگاس براي خوراک دام آنچنان مناسب نيست. اين در حالي است که ساقه و پوسته برنج و باگاس از نظر توليد حرارت بعنوان سوخت در کارخانه هاي توليد شکر، توليد آجر و حتي پوسته برنج در پخت وپز خانگي و در کارخانجات برنج کوبي کاربرد زيادي دارند. گرماي حاصل از سوختن هر تن پوسته برنج معادل گرماي آزاد شده از سوختن حدود 360 کيلو نفت سياه يا 480 کيلو گرم زغال است.
عمده کاربرد علمي و مهندسي خاکستر پوسته برنج در صنعت ساخت وساز اين است که، بصورت ماده پوزولاني در سيمان هاي ترکيبي و هيدروليکي حداکثرتا حدود 40 درصد وزني جايگزين سيمان مي شود و با هيدراتاسيون آرام و حرارت هيدراته پايين، خصوصاً در بتن ريزي هاي حجيم که نياز به کنترل درجه حرارت هيدراتاسيون مي باشد، کاربرد داشته و از همه مهمترکارايي و مقاومت بتن يا ملات سيماني را افزايش داده و هزينه توليد واجراي بتن ريزي را کاهش مي دهد. از طرف ديگر وزن مخصوص کمتر پوزولانها، در نهايت موجب افزايش حجم ماتريس سيماني مي شود. در سيمانهاي پوزولاني ابتدا سيمان و پوزولان را با هم ترکيب کرده و آسياب مي کنند ولي در مورد بتنهاي حاوي rha بهتر است ابتدا خاکستر آسياب شده و بعد با سيمان ترکيب گرددو در بتن بکار رود.
رفتار پوزولاني خاکستر پوسته برنج و واکنش شيميايي آن به ويژه در ترکيب باآهک بستگي به شکل سيليس و کربن موجود در آن و نيز درجه حرارت سوختن و زمان نگهداري در آن دما دارد. با افزايش دماي سوزاندن و زمان نگهداري بيش از حد استاندارد ( حدود 700 درجه سانتي گراد) نتيجه افزايش دما بر عکس مي شود. يعني افزايش دما باعث تاثيرات منفي در عملکرد rha مي شود. نبايد فراموش کرد که خاصيت پوزولاني ماده ذاتي است و در درجه اول بستگي به ترکيبات شيميايي و ساختمان کريستالي آنها دارد و عوامل فوق در مراتب بعدي از نظر تاثير گذاري در خواص پوزولاني مواد قرار دارند.
پيشينه استفاده از پوسته برنج در بتن به سال 1924 م در آلمان بر مي گردد. در سالهاي 1955 و 1956 آقايان mc daniel و hough و barr در زمينه کاربرد اين مواد تحقيقات بيشتري انجام دادند و علي الخصوص عملکرد بلوکهاي ساخته شده با ترکيب سيمان و rha را مورد بررسي قرار دادند. که نتايج آزمايشات انجام شده حاکي از افزايش تاب فشاري نمونه نسبت به حالت بدون استفاده از rha بود. البته مقاومت نمونه در برابر سايش و قدرت رسانايي حرارتي آنها نيز مورد بررسي قرار گرفت که نتايج بدست آمده بسيار مثبت و اميدوارکننده بود. شايان ذکر است که از آن زمان به بعد همواره در کشورهاي مختلف جهان، در زمينه بکار گيري اين گونه مواد در توليد ترکيبات سيماني تحقيقات زيادي صورت گرفته و همايشها وگردهمايي هاي مختلفي در سراسر دنيا هم برگزار شده است. و نتيجه اين گونه فعاليتها و تحقيقات، يعني حرکت بسوي توليد بتن و ماتريس هاي سيماني ارزان و در عين حال مقاوم.
شرايط سوزاندن پوسته برنج براي توليد خاکستر ايده ال:
تعيين دماي بهينه سوزاندن پوسته برنج، با استفاده از نتايج آزمايش پراش سنجي اشعه ايکس و نيز آزمايش سنجش فعاليت دربرابر آهک صورت مي گيرد. بهترين و درعين حال اقتصادي ترين حالت براي توليد خاکستر مناسب، همگن،داراي حداکثر فعاليت پوزولاني و با کيفيت بالا از پوسته برنج، حالتي است که عمل سوزاندن آن در دماي بين 500 تا 650 درجه سانتي گراد و در مدت زمان حدود دو ساعت صورت گيرد. بر اساس آزمايشها و تحقيقات صورت گرفته مشخص شده است که اگر دماي سوختن زير 500 يا بالاي 650 درجه سانتي گراد باشد، باعث بوجود آمدن سيليسهاي بيشکل و غير بلوري مي شود. و از طرفي در دماهاي بالاتر هوا(اکسيژن) کافي براي سوختن کامل پوسته و توليد خاکستر با کارايي مناسب در محيط وجود نخواهد داشت. ونيز تخليه گازهاي مزاحم توليد شده در شرايط سخت تري انجام مي شود. بلوري يا غير بلوري بودن خاکستر توليد شده نيز به کمک اشعه ايکس و شيوه پراش سنجي مشخص مي شود. نکته ديگر اينکه متناسب با افزايش دماي سوختن رنگِ خاکسترِ توليد شده سفيد تر و روشنتر خواهد بود. البته اگر در زمان سوختن هواي کافي در محل وجود نداشته باشد، رنگ خاکستر تيره تر مي شود. تا جاييکه در دماي 900 درجه اگر سرعت سوختن بالا باشد و پوسته به درستي نسوزد، خاکستر حاصل، سياهرنگ است.
در سوزاندن پوسته برنج، لازم است که هواي تازه حاوي اکسيژن بجاي دي اکسيد کربن توليد شده از سوختنِ rh وارد کوره شود، تا ته نشيني سيليس و بلوري شدن آنرا تنظيم نمايد. کوره هاي باريک که داراي مجاري تهويه(ورود اکسيژن و خروج دي اکسيد کربن و ساير گازهاي اضافي) باشند، که سرد شدن آرام و اصولي خاکستر را در پي داشته باشند، براي توليد خاکستر از پوسته برنج مناسبند. استفاده از کوره هاي غير استاندارد، بدليل عدم کنترل دماي سوختن و سرد شدن غير نرمال خاکستر توليدي و در نتيجه تشکيل بلورهاي با کارايي پايين، کاري غير فني و غير اصولي است. خارج کردن دي اکسيد کربن و دسترسي به هواي اکسيژن دار، باعث جدايي بهتر مواد معدني پوسته از مواد سلولزي و ليگنين مي شود. و همين مساله کربن زدايي خاکستر را کنترل مي کند.
خاکستر توليدي از پوسته برنج را قبل از بکار گيري آن آسياب مي کنند. اين کار بايد قبل از مخلوط کردن خاکستر با سيمان صورت گيرد. زيرا اگر سيمان نيز آسياب شود، نرمتر مي شود و در نتيجه مصرف آب بيشتر شده و نهايتاً ترکيب سيماني يا بتن حاصل کيفيت مطلوب و مورد نظر را نخواهد داشت. ولي در مورد rha برعکسِ سيمان، هر چه نرمتر باشد، آب مصرفي کمتر خواهد بود و چسبندگي ملات بيشتر خواهد بود. هر چه نسبت آب به مخلوط سيمان و خاکستر در محدوده استاندارد کمتر باشد( نزديک به حداقل مقدار مجاز) تاب فشاري ترکيب سيماني حاصل، بيشتر خواهد بود.
از مهم ترين محاسن بکار گيري خاکسترِ پوسته برنج در توليد بتن، افزايش دوام بتن و مقاومت آن در برابر حملات مواد مخربِ شيميايي است. مزيت ديگر اينکه ملات يا بتن ساخته شده با rha نسبت به انواع ساخته شده با سيمان پرتلند تنها(بدون خاکستر) داراي مقاومت بالاتري در برابر شرايط محيطي اسيدي است. بر اساس آزمايشات صورت گرفته، افت وزني بتن ساخته شده با rha در محلول اسيد سولفوريک و اسيد کلريدريک به ترتيب 13 و 8 درصد است در حالي که بتن ساخته شده با سيمان پرتلند، در برابر اسيدهاي فوق به ترتيب در حدود 27 و 35 درصد کاهش وزن دارد. شايان ذکر است که اسيد کلريدريک باعث حفره اي شدن و خوردگي بتن معمولي( بدون خاکستر) مي شود در حالي بر روي بتن حاوي خاکستر پس از رسيدن به مقاومت 72 روزه بي تاثير است.
بتني را که در توليد آن از خاکستر پوسته برنج استفاده شده، به روشهاي مختلف عمل آوري مي کنند._ عمل آوري به روش کاريبين(carbbean): که در اتاق با دماي بين 29 تا 31 درجه سانتي گراد و رطوبت نسبي بين 77 تا 83 درصد انجام مي شود. _ عمل آوري به روش استاندارد: در اتاق با دماي 20 تا 21 درجه و رطوبت نسبي 92 تا 98 درصد._ روش تسريع شده که بيشتر براي قطعات پيش ساخته بکار مي رود. _ عمل آوري در محيط خارجي حفاظت شده( اتاق داغ): با دما و درصد رطوبت متفاوت و افزايش تدريجي دما و رطوبت نسبي محل محافظت شده. _ عمل آوري داخلي در شرايط نسبتاً ثابت با دماي حدود 19 درجه و رطوبت نسبي 55 تا 65 درصد. که از ميان روشهاي ياد شده، روش کاريبين، مناسبتر است و موجب افزايش دوام بتن شده و مصرف انرژي پاييني داردو نيز تاب فشاري را تا حدود 30درصد افزايش مي دهد. در واقع روشهايي که رطوبت نسبي بالاتري داشته باشند مناسبترند.
استفاده از rha در توليد بتنهاي عايق: بتني مي تواند عايق باشد که وزن مخصوص آن کمتر از 800 کيلوگرم بر مترمکعب و تاب فشاري بين 10 تا 70 کيلوگرم بر سانتي متر مربع داشته باشد. براي ساخت اين گروه بتن، از خاکستر عمل آوري شده با آهک يا خاکستر عمل آوري نشده استفاده مي شود. البته پايداري و تاب فشاري گروه اول بيشتر است.و نيز استفاده از خاکستر عمل آوري شده مانع از شوره زدگي بتن مي شود. مهمتر از همه باعث سبکي و کاهش وزن مخصوص بتن شده و خواص عايق بودن آنرا افزايش مي دهد.
در پايان لازم به ذکر است که، علاوه بر توليد بتن، از خاکستر پوسته برنج(rha) در توليد آجرهاي سبک و نسوز و بلوکهاي بتني نيز بهره برداري مي شود. اين آجرها داراي خواص ويژه بسيار ارزشمندي هستند. از جمله: - تحمل گرماي حدود 1250 درجه بدون ترک خوردگي يا حداکثر با ترک خوردگي ها بسيار ريز و مويي - مقاومت فشاري 30 کيلو گرم بر سانتي متر مربع – دوام طولاني مدت – چسبندگي کافي و موثر با ملاتهاي بنايي و اندودهاي گچي و سيماني – وزن کم در حدود يک تن بر متر مکعب – رنگ خاکستري روشن. در آجرهايي که با خاک لاتريتي(lateritic )، خاک رس و خاکستر ساخته مي شوند، با افزايش مقدار خاکستر، تاب فشاري و حدود اتربرگ شامل حد حالت رواني(ll )، حد حالت خميري(pl )، ميزان آب لازم نيز افزايش مي يابد ولي نشانه حالتِ خميري(pi ) کاهش پيدا مي کند.