4 . فرمولاسیون بتن صفر کربن
برای به حداقل رساندن اثرات بتن بر تغییرات آب و هوا، چندین فرمول و تاکتیک برای تولید بتن با ردپای کربن بسیار کمتر همانطور که در شکل 3 ارائه شده است، بررسی شده است . افزودن مواد سیمانی مکمل به بتن، مانند خاکستر بادی، GGBFS و دود سیلیس، نیاز به کلینکر در سیمان را کاهش می دهد که انتشار CO 2 را کاهش می دهد . فرمول های مختلف به طور مفصل در بخش های فرعی بعدی مورد بحث قرار می گیرند.
شکل 3 . فرمولاسیون بتن صفر کربن
توجه: GGBFS: سرباره کوره بلند دانه بندی شده زمینی، FA: خاکستر بادی، SF: دود سیلیس، CC: خاک رس کلسینه، PLC: سیمان سنگ آهک پرتلند، BPC: PC غنی از بلیت، CSA: سیمان سولفوآلومینات کلسیم، AAB: سیمان با بتن فعال شده با قلیایی RBPS: پرتلند کلینکرهای غنی از بلیت واکنشی، BYF: Belite-Ye’elimite-Ferrite، SAB: کلسیم سولفوآلومینات-بلیت، CCSC: سیمان سیلیکات کلسیم کربنات پذیر.
4.1 . مواد سیمانی جایگزین
یکی از رویکردهای اساسی برای کاهش انتشار کربن در بتن، استفاده از مواد سیمانی مکمل جایگزین (SCM) است [ 28 ]. برای دستیابی به بتن بدون کربن، محققان در حال جایگزینی بخشی از رایانه شخصی با موادی مانند خاکستر بادی، سرباره، GGBFS و خاک رس کلسینه شده هستند. این جایگزینی همچنین بتن پایدار و با کارایی بالا تولید می کند. این مواد به دلیل خواص پوزولانی خود شناخته شده اند، که می تواند استحکام و دوام بتن را افزایش دهد و در عین حال ردپای محیطی آن را به حداقل برساند [ 29 ، 30 ]. جدول 3 اثرات زیست محیطی مواد مختلف سیمانی جایگزین را خلاصه می کند.
جدول 3 . مواد سیمانی تکمیلی برای بتن صفر کربن و انتشار کربن آنها.
| مواد سیمانی تکمیلی | ویژگی های کلیدی | پتانسیل کاهش انتشار گازهای گلخانه ای | مراجع |
|---|---|---|---|
| سرباره کوره بلند دانه بندی شده (GGBFS) | طبیعت پوزولانی دارد. به دلیل ظرافت آن، به کاهش توزیع کلی اندازه ذرات کمک می کند | کاهش قابل توجه در هنگام استفاده به عنوان جایگزین. به عنوان مثال، 50٪ جایگزینی باعث کاهش حدود 0.5 تن CO 2 در هر تن بتن می شود. | [ 31 ] |
| Fly Ash | پوزولانی است و مواد سیمانی اضافی را تشکیل می دهد. استحکام و دوام بتن را افزایش می دهد |
کاهش مصرف کلی سیمان به میزان 15 تا 35 درصد. حدود 56 درصد کاهش CO 2 | [ 32 ] |
| دود سیلیس | محصول جانبی سیلیکون و آلیاژ فروسیلیس. به دو صورت کریستالی و آمورف وجود دارد. |
کاهش انتشار CO 2 با تقریباً 10٪ جایگزینی SF در بتن نشان داده شد | [ 33 ، 34 ] |
| خاک رس کلسینه شده (مثلاً متاکائولین) | بتنی که کلسینه شده است، مانند متاکائولین، می تواند دارای استحکام بالا و استحکام فوق العاده بالا باشد. | پتانسیل کاهش قابل توجهی در انتشار CO 2 از تولید سیمان | [ 35 ، 36 ] |
| سیمان سنگ آهک پرتلند (PLC) | محتوای سنگ آهک بالاتری دارد | کاهش حدود 10 درصدی ردپای کربن حاصل از تولید سیمان | [ 37 ] |
سرباره کوره بلند دانه بندی شده (GGBFS) یک محصول جانبی به طور گسترده ای در تولید آهن خام است. ترکیبات شیمیایی مناسب برای تولید بتن را نشان می دهد. در بخش ساختمان برای تولید بتن به جای سیمان پرتلند معمولی (OPC) استفاده شده است. GGBFS مزایای مختلفی دارد، از جمله گرمای کمتر هیدراتاسیون و تولید گرمای کمتر در طول ساخت و پخت بتن. در بچینگ پلانت، می توان آن را در سطوح جایگزینی بین 30 تا 85 درصد به بتن اضافه کرد [ 38 ]. علیرغم نوسانات در تولید، GGBFS یک جزء کلیدی باقی می ماند که در کاهش انتشار CO 2 در هنگام استفاده به عنوان جایگزین سیمان نقش دارد [ 31 ]. مطالعات گزارش کردند که جایگزینی 70 درصد OPC با GGBS در بتن ممکن است منجر به کاهش حداکثر 47.5 درصدی در انتشار CO 2 شود [ 39 ]. علاوه بر این، تعداد کمی از محققین دریافتهاند که اعمال 35 تا 75 درصد GGBS برای جایگزینی منجر به کاهش 13 تا 28 درصدی انتشار CO 2 میشود [ 40 ]. یک مطالعه ویژگی های بتن ساخته شده با سیمان مخلوط و GGBFS را در شرایط مختلف عمل آوری بررسی کرد که در شکل 4 نشان داده شده است [ 41 ]. در دسترس بودن جهانی GGBFS به نیروگاه های حرارتی مبتنی بر زغال سنگ بستگی دارد. با این حال، به دلیل کاهش مورد انتظار در چنین کارخانه ها و تغییرات در فرآیندهای متالورژی، نگرانی هایی به وجود می آید [ 30 ].
شکل 4 . میانگین انتشار CO 2 از GGBFS و PC [ 41 ].
خاکستر بادی یکی دیگر از SCM های مهم است که به راحتی در دسترس و سازگار با محیط زیست است [ 42 ]. این محصول فرعی سوزاندن زغال سنگ در نیروگاه های حرارتی است [ 43 ]. اجزای اصلی خاکستر بادی اکسید آهن، دی اکسید سیلیکون و اکسید آلومینیوم هستند. ترکیب شیمیایی آن ممکن است بسته به منبع آن متفاوت باشد. این عمدتا یک ماده بی شکل با بخش های کریستالی است [ 42 ]. در بتنهای سیمانی، خاکستر بادی میتواند تا حدی جایگزین ماسه شود تا چگالی را کاهش دهد، هزینههای ساخت را کاهش دهد و دوام را افزایش دهد [ 44 ]. شکل 5 اجزاء و کاربردهای خاکستر بادی را همانطور که در Ref ارائه شده است نشان می دهد. [ 45 ]. در هند، حدود 270 میلیون تن خاکستر بادی در سالهای 2021-22 تولید شد که میزان استفاده از آن به تقریباً 96 درصد رسید [ 46 ]. با این حال، چالش هایی مانند کیفیت پایین و نگرانی در مورد در دسترس بودن آینده مانع از رشد بازار آن می شود [ 32 ]. تلاشهایی برای کاهش انتشار CO 2 در تولید سیمان و بتن، مانند بازیافت خاکستر بادی توسط شرکتهایی مانند Separation Technologies [ 32 ] در حال انجام است. مطالعات مختلفی برای تعیین تاثیر خاکستر بادی بر ردپای کربن بتن انجام شده است. مطالعات نشان داده اند که افزودن خاکستر بادی به بتن معمولی می تواند انتشار کربن را تا 56 درصد کاهش دهد [ 47 ]. جایگزینی 20 درصد خاکستر بادی با OPC منجر به کاهش 17 درصدی انتشار CO 2 می شود [ 48 ]. جایگزینی 25% OPC باعث کاهش 13-15% انتشار CO 2 شد [ 49 ]. یکی از مطالعات همچنین گزارش داد که انتشار 41 درصد CO 2 با جایگزینی 50 درصد OPC با خاکستر بادی کاهش یافت [ 50 ]. علاوه بر این، عمق کربناته شدن تسریع شده برای جایگزینی های بزرگتر از خاکستر بادی افزایش یافت، اما در ترکیبات بتن تا 30 درصد جایگزینی مشابه باقی ماند [ 51 ]. علاوه بر این، کشف شد که استفاده از خاکستر بادی برای جمع آوری CO 2 و سپس استفاده از آن در بتن باعث کاهش عمق انبساط و کربناته شدن در نمونه های ملات می شود [ 52 ].
شکل 5 . اجزای اولیه FA و کاربردهای آنها [ 45 ].
دود سیلیس (SF)، محصول جانبی تولید سیلیکون و آلیاژ فروسیلیکون، استحکام و دوام بتن را هنگامی که به عنوان SCM استفاده می شود، افزایش می دهد. دود سیلیس فضاهای خالی بین دانه های سیمان در بتن را پر می کند و با عمل به عنوان پرکننده، مقاومت کلی آن را افزایش می دهد [ 53 ]. درصد دوده سیلیس ایده آل برای بتن می تواند از 7.5 تا 12 درصد متغیر باشد که بستگی به نسبت آب به سیمان دارد. اگر دوده سیلیس بیش از حد یا بیش از مقدار توصیه شده اضافه شود، ممکن است خواص بتن آسیب ببیند. علاوه بر این، دوده سیلیس را می توان در ترکیب با سایر الیاف و مواد سیمانی به بتن اضافه کرد تا کیفیت آن را بهبود بخشد [ 54 ]. جایگزینی 10 درصد SF با OPC در 2.2 میلیارد تن بتن منجر به کاهش 39.6 میلیون تنی انتشار CO 2 شد [ 33 ، 34 ]. مطالعات نشان دادند که جایگزینی 5% دوده سیلیس با OPC باعث کاهش انتشار CO 2 تا 4% شد [ 55 ]. به طور مشابه، مشاهده شد که وقتی 10 و 15 درصد جایگزینی SF انجام شد، انتشار CO 2 به ترتیب تقریباً 8 و 12 درصد کاهش یافت [ 56 ].
خاک رس کلسینه شده را می توان در بتن به عنوان SCM برای جایگزینی جزئی سیمان استفاده کرد [ 57 ]. آنها می توانند مقدار سیمان یا کلینکر را در بتن یا سیمان مخلوط کاهش دهند و جایگزین مناسبی برای مواد مبتنی بر سیمان سازگار با محیط زیست ارائه دهند [ 35 ]. بتن را می توان با افزودن خاک رس کلسینه شده قوی تر و بادوام تر ساخت، به ویژه هنگامی که با ریز سنگ آهک همراه شود [ 58 ]. بتنی که کلسینه شده است، مانند متاکائولین، می تواند دارای مقاومت بالایی باشد [ 36 ]. با این حال، زمان گیرش بتن با افزودن خاک رس کلسینه شده کوتاه می شود و با استفاده از فوق روان کننده ها می توان آن را کنترل و طولانی کرد [ 59 ]. کیفیت مکانیکی و دوام بتن از جمله خاک رس کلسینه همتراز یا حتی بهتر از سیستم های معمولی OPC است [ 58 ]. استفاده از خاک رس کلسینه در سیستم های سیمانی پتانسیل کاهش قابل توجه مصرف انرژی و انتشار دی اکسید کربن در بخش ساختمان را دارد، حتی اگر نیاز به تغییر در قوانین و استانداردهای ملی دارد [ 60 ]. خاک رس کلسینه شده، از جمله متاکائولین، پتانسیل قابل توجهی را به عنوان جایگزین سیمان نشان می دهد و پتانسیل کاهش CO 2 30-40٪ را در مقایسه با OPC ارائه می دهد [ 26 ].
سیمان سنگ آهک پرتلند (PLC) کلینکر PC و سنگ آهک است که با هم آسیاب می شوند و در نتیجه توزیع اندازه ذرات ایده آل و ویژگی های عملکردی افزایش یافته است [ 61 ]. غلظت سنگ آهک PLC متفاوت است، اگرچه نشان داده شده است که سیمان با 19-24 درصد سنگ آهک بر حسب جرم، مقاومت عالی در برابر چرخه های انجماد و ذوب دارد [ 62 ]. PC که سنگ آهک به آن اضافه شده است ممکن است بر تخلخل و ساختار منافذ خمیر سیمان، ملات و بتن تأثیر بگذارد. با این وجود، ساختار منافذ بعید است تا 25 درصد محتوای سنگ آهک تأثیر منفی بگذارد [ 63 ]. PLC با محتوای سنگ آهک بالاتر به دلیل توانایی آن در کاهش انتشار کربن تا حدود 10٪ توجه سازندگان سیمان را به خود جلب کرده است. کشورهای اروپایی، به ویژه رهبران در استفاده از PLC، در سال های اخیر افزایش قابل توجهی در تولید داشته اند [ 37 ].
کلینکر PC ماده اتصال دهنده غالب در تولید سیمان است. با این حال، مواد اتصال دهنده جایگزین اهمیت پیدا می کنند. این جایگزین ها می توانند تا حدی یا به طور کامل جایگزین سیمان معمولی شوند. توسعه و استفاده از این مواد جایگزین استراتژی های بسیار مهمی است. هدف اصلی کاهش انتشار CO 2 از تولید سیمان است [ 64 ]. این جایگزین ها در بخش بعدی مورد بحث قرار می گیرند.
4.2 . کلاسورهای جایگزین
تحقیقات گستردهای بر روی چسبها و بتنهایی با کربن صفر جایگزین که به رایانههای شخصی سنتی متکی نیستند، انجام شده است [ 65 ]. استفاده از بایندرهای جایگزین با کمتر یا بدون محتوای PC، ردپای کربن مرتبط با تولید سیمان سنتی را کاهش می دهد [ 66 ]. جدول 4 برخی از چسب های جایگزین برای بتن صفر کربن و اثرات زیست محیطی آنها را نشان می دهد.
جدول 4 . چسب های جایگزین برای بتن صفر کربن.
| نوع کلاسور | خواص و مزایا | کاهش انتشار گازهای گلخانه ای | مراجع |
|---|---|---|---|
| سیمان پرتلند غنی از بلیت (BPC) | مصرف کم انرژی و انتشار CO 2 در طول تولید | کاهش 10 تا 12 درصدی در انتشار CO 2 در مقایسه با OPC | [ 67 ] |
| سیمان سولفوآلومینات کلسیم (CSA) | آلومینا بالا، محتوای CaO کم | انتشار CO 2 34 درصد کمتر در مقایسه با OPC | [ 68 ] |
| بایندرهای فعال شده با قلیایی (AABs) | توسعه اولیه استحکام و نشان دادن مقاومت فشاری خوب | کاهش 80 تا 90 درصدی انتشار CO2 در فرآیند | [ 69 ] |
| سیمان ژئوپلیمر (GPC) | پتانسیل کاهش مصرف انرژی | کاهش 45 درصدی در انتشار CO 2 در مقایسه با OPC | [ 70 ] |
| رس کلسینه شده سنگ آهک (LC 3 ) | مقاومت فشاری مشابه بتن تولید شده از OPC را نشان می دهد | استفاده از LC 3 می تواند انتشار CO 2 را تا 40 درصد کاهش دهد. | [ 71 ] |
سیمان پرتلند غنی از بلیت (BPC) به دلیل مصرف کم انرژی و کاهش انتشار CO 2 در طول تولید مورد توجه قرار گرفته است. این ماده با جایگزینی ضایعات صنعتی مانند خاکستر پوسته برنج و گرد و غبار کوره سیمان به عنوان مواد خام تولید می شود و تقاضا برای منابع اولیه و انرژی را کاهش می دهد. سیمان BPC یا سیمان پربلیت، دارای ترکیبی تقریباً 50 درصد الیت (2CaOSiO2 ) و 35 درصد آلیت (3CaOSiO2 ) است . در دمای کمتر (1350 درجه سانتیگراد) نسبت به کلینکرهای معمولی پورتلند شلیک می شود که منجر به کاهش انتشار دی اکسید نیتروژن (NO 2 ) و اکسید گوگرد (SO 2 ) و کاهش 10-12٪ در انتشار CO 2 در مقایسه با OPC [ 67 ] می شود. BPC مزایایی مانند گرمای کم هیدراتاسیون، کارایی استثنایی، خواص مکانیکی افزایش یافته و دوام را ارائه می دهد [ 72 ].
سیمان سولفوآلومینات کلسیم (CSA) دارای آلومینا بالا و محتوای CaO کم است که باعث کاهش انتشار CO 2 در طول تولید می شود. CSA 0.54 کیلوگرم CO 2 به ازای هر کیلوگرم سیمان منتشر می کند که 34 درصد کمتر از OPC است [ 68 ]. CSA حاوی ye’elimite و belite است که به سن پایین و قدرت طولانی مدت کمک می کند. ظهور سیمان CSA جدید، BYF (belite-ye’elimite-ferrite) و AYF (alite-ye’elimite-ferrite)، در کاهش مصرف انرژی و انتشار کربن امیدوارکننده است. یک ارزیابی چرخه زندگی ساده شده (LCA) روی CSA با منابع مختلف گوگرد انجام شد که نشان دهنده کاهش 25 تا 35 درصدی انتشار CO 2 در مقایسه با OPC [ 73 ] بود. یکی از مطالعات حداکثر کاهش انتشار CO 2 را نشان داد ، با CSA پیشنهادی CO2 را تا 52٪ در مقایسه با OPC کاهش می دهد [ 74 ] .
بایندرهای فعال شده با قلیایی (AABs) می توانند جایگزینی برای PC باشند [ 75 ]. AAB ها، به عنوان یک جایگزین سازگار با محیط زیست برای OPC، می توانند با استفاده از مواد زائد تولید شده از فرآیندهای صنعتی متنوع تولید شوند [ 76 ]. متاکائولین در فعال سازی قلیایی استفاده شده است و مروری بر تحقیقات قبلی ارائه شده است [ 75 ]. اثرات افزودنی ها بر سینتیک واکنش، ساختار ژل، ویژگی های مکانیکی، تخلخل و انقباض همه به خوبی در مورد شیمی، طراحی و استفاده از AAB ها تحقیق شده است [ 77 ]. همچنین بررسی شده است که روش های تولید AAB چقدر سازگار هستند. AAB ها از منابع فلز قلیایی با مواد معدنی کلسیم-آلومینوسیلیکات استفاده می کنند و به کاهش 80 تا 90 درصدی در انتشار CO 2 در مقایسه با OPC دست می یابند [ 69 ]. انواع مختلف سیمان فعال شده با قلیایی از نظر قیمت، عملکرد و انتشار CO 2 با PC رقابت می کنند. محققان گزارش کردهاند که بتن AABs میتواند انتشار CO 2 را 44 تا 64 درصد در مقایسه با بتن OPC کاهش دهد [ 10 ]. بر اساس مطالعه دیگری که مقایسه AABs با بتن OPC با درجه مقاومت یکسان است ممکن است انتشار CO 2 را تا 61 درصد کاهش دهد [ 78 ]. تعداد کمی از محققان یک تحقیق ارزیابی چرخه زندگی مقایسه ای را روی AAB ها انجام دادند و دریافتند که AAB ها ممکن است در مقایسه با OPC حدود 79 درصد کاهش پیدا کنند، به استثنای انتشار گازهای گلخانه ای حمل و نقل [ 79 ].
سیمان رسی کلسینه شده سنگ آهک (LC 3 )، یک ماده سیمانی پایدار، جایگزینی برای OPC مورد استفاده در ساخت بتن است. LC 3 از سنگ آهک، خاک رس کلسینه و گچ با حداقل مقدار PC مشتق شده است. این ردپای کربن کمتر، خواص مکانیکی بهبود یافته و نفوذپذیری کمتری دارد. LC 3 با استفاده از مواد خام در دسترس محلی و امکانات تولید سیمان موجود تولید می شود که آن را به یک انتخاب مناسب و مقرون به صرفه برای تولید بتن تبدیل می کند [ 80 ]. خاک رس کلسینه شده در بتن LC 3 به عنوان جایگزینی برای مقدار قابل توجهی از OPC استفاده می شود که به طور قابل ملاحظه ای به دماهای پایین تری در طول تولید نیاز دارد. در مقایسه با OPC، استفاده از بتن LC 3 می تواند انتشار CO 2 را تا 40 درصد کاهش دهد [ 71 ]. مشخص است که 1 کیلوگرم خاک رس کلسینه شده 0.2-0.37 کیلوگرم CO 2 منتشر می کند ، اما مقدار معادل OPC 0.8-0.9 کیلوگرم منتشر می کند. انتشار CO 2 از سنگ آهک کربن زدایی شده ناچیز است [ 81 ]. از آنجایی که سنگ آهک ماسه رسی در سرتاسر جهان در دسترس است، تولید LC 3 یک پتانسیل بالقوه است. LC 3 با استفاده از سنگ آهک از گرد و غبار مرمر، ضایعات سنگ، و منابع دیگر، و همچنین خاک رس از مکان های مختلف، از جمله هوازدگی سنگ ها و خاک رس های دریایی [ 80 ] ایجاد می شود. بتن مبتنی بر LC 3 مقاومت فشاری مشابهی را با بتن تولید شده از OPC نشان می دهد [ 82 ].
یکی دیگر از جایگزین های سازگار با محیط زیست برای OPC معمولی، سیمان ژئوپلیمری (GPC) است که می تواند انتشار کربن را کاهش دهد و اثرات بخش ساختمان را بر محیط زیست کاهش دهد [ 83] ، [84] ، [85 ]. GPC به مواد غنی از سیلیس و آلومینا از جمله خاکستر بادی، GGBS (سرباره کوره بلند دانهدار زمینی) و متاکائولین نیاز دارد. این مواد با یک محلول قلیایی مخلوط می شوند که یک ژل آلومینوسیلیکات را تشکیل می دهد. ژل یک چارچوب پیوند پلیمری سه بعدی ایجاد می کند که اساس GPC [ 86 ] است. GPC یک مصالح ساختمانی پایدارتر از OPC است زیرا دارای کیفیت مکانیکی برتر است و می تواند زباله های بخش های مختلف را جذب کند [ 83 ]. شکل 6 تمایزات کلیدی بین بتن GPC و OPC را نشان می دهد و نشان می دهد که چرا GPC بهتر از بتن OPC است، به ویژه از نظر پایداری و دوام [ 87 ]. ارزش GPC تا سال 2028 به 19 میلیارد دلار می رسد .
شکل 6 . تفاوت های کلیدی بین بتن GPC و OPC [ 87 ].
سیمان هیدروسیلیکات کلسیم (Celitement) یک بایندر هیدرولیکی نوآورانه با غلظت کم CaO است. این بر اساس هیدرولیک کلسیم هیدرو سیلیکات است. از طریق فعال سازی مکانیکی شیمیایی هیدروکسیدهای سیلیکات کلسیم (CSH) ایجاد می شود. تشکیل هیدروکسید کلسیم در حین هیدراتاسیون در PC اتفاق نمی افتد. در عوض، برای تضمین یک واکنش تکرارپذیر، غلظت گونههای محلول (Ca2 + و SiO44- ) و همچنین pH مرتبط باید تنظیم شود [ 88 ]. Celitement گرمای کمتری را در طول هیدراتاسیون نسبت به OPC آزاد می کند، خواص دوام خوبی از خود نشان می دهد و می تواند انتشار CO 2 را تا 50٪ بر اساس محتوای آهک کاهش دهد.
4.3 . کلینکر جایگزین
سیمان مخلوط، مانند سیمان پرتلند-سنگ آهک (PLC) و سیمان مخلوط سه تایی، بخشی از کلینکر را با مواد جایگزین جایگزین میکند و محتوای کلینکر و انتشارات مرتبط را کاهش میدهد. محققان در حال بررسی فناوری های جایگزین کلینکر (ACT) به عنوان یک استراتژی برای کربن زدایی صنعت سیمان هستند. هدف ACTs توسعه کلینکرهای جدید با اتکای کمتر به کلسیم و دمای کلسیناسیون پایین تر است. علاوه بر این، خواص آن با OPC قابل مقایسه است در حالی که کربن بسیار کمتری منتشر می کند. کلینکرهای کم کربن با شدت کربن کمتر، مانند کلینکرهای بلیتیک، کلینکرهای سولفوآلومینات کلسیم، یا سیمان های مبتنی بر منیزیم، می توانند انتشار CO 2 را در طول تولید سیمان کاهش دهند [ 89 ]. جدول 5 چندین کلیک کننده جایگزین را با اثرات زیست محیطی آنها نشان می دهد.
جدول 5 . کلینکر جایگزین برای بتن صفر کربن.
| فناوری کلینکر | خواص | کاهش انتشار گازهای گلخانه ای | مراجع |
|---|---|---|---|
| نفت شیل پورتلند کلینکر |
|
|
[ 90 ] |
| کلینکرهای پرتلند غنی از Belite (RBPC) |
|
|
[ 91 ] |
| سیمان Belite-Ye’elimite-Ferrite (BYF) و کلسیم سولفوآلومینات-بلیت (C$AB) |
|
|
[ 92 ] |
| سیمان سیلیکات کلسیم کربنات (CCSC) |
|
|
[ 91 ] |
کلینکر PC، بخش ضروری سیمان مورد استفاده در ساختمان و ساخت و ساز را می توان با استفاده از شیل نفتی ساخت. تا 76 درصد از مواد خام مورد نیاز در ایجاد کلینکر را می توان با شیل نفتی جایگزین کرد و انتشار CO 2 را در طول تولید کاهش داد [ 93 ]. علاوه بر این، دما و زمان سوزاندن را می توان کاهش داد، مصرف سوخت را می توان کاهش داد، و در تولید سیمان می توان از شیل نفت استفاده کرد [ 94 ]. بنابراین، کلینکر پرتلند شیل نفتی از شیل نفتی در تولید کلینکر OPC استفاده می کند که منجر به کاهش 10 درصدی دمای کلینکرینگ می شود. خاکستر شیل نفتی (OSA) با فعالیت پوزولانی برای استفاده در ملات و بتن بررسی شده است. شیل نفتی آهکی پتانسیل جایگزینی مواد خام در سیمان بلیت را دارد که منجر به کاهش قابل توجه انتشار کربن تا 10 درصد می شود [ 90 ]. شیل نفتی دارای انواع مواد آلی و مواد معدنی است. بسته به کانسار، ترکیب معدنی شیل نفتی میتواند تغییر کند، اما معمولاً از کوارتز، ماینیت، ژلنیت، انیدریت، هماتیت و آهک تشکیل شده است [ 95 ]. اجزای آلی موجود در شیل نفتی شامل گوگرد، نیتروژن، هیدروکربن ها و مقادیر کمی اورانیوم، مولیبدن، وانادیم و رنیم است [ 96 ]. با این حال، کلینکر PC در درجه اول از سیلیکات های کلسیم و آلومینات ها تشکیل شده است [ 97 ].
کلینکرهای سیمانی که دارای مقدار قابل توجهی فاز بلیت در خود هستند، کلینکرهای پرتلند پرتلند با ذرات واکنشی (RBPC) نامیده می شوند. سیمان بلیت (BCs) از نظر دوام، توسعه حرارت کم و استفاده از مواد خام کم تقاضا، مزایایی را نسبت به رایانه های شخصی ارائه می دهد [ 98 ]. روش های هیدروترمال و سل-ژل، که کاهش انتشار CO 2 و استفاده از مواد زائد صنعتی را ارائه می دهند، دو روش جایگزین برای سنتز RBPC ها هستند [ 99 ]. عناصری از جمله محتوای آلومینات کلسیم، فاکتور اشباع آهک و محتوای سولفات همگی بر واکنش پذیری بلیت در RBPCها تأثیر می گذارند. بلیت در RBPC ها از برهمکنش سیلیس و آهک ایجاد می شود، درست مانند بلیت در کلینکر پورتلند [ 100 ]. بسیاری از مطالعات تأثیر افزودنیها و مواد خام مختلف را بر روی ترکیب و واکنشپذیری کلینکرهای بلیت بررسی کردهاند [ 98 ، 101 ، 102 ]. اجزای خاصی مانند پوسته تخم مرغ و پودر آجر قرمز می توانند پلی مورف α’-بلیت را تثبیت کنند و مقاومت فشاری سیمان را افزایش دهند [ 101 ]. نشان داده شده است که افزودن بیلیت بیشتر به کلینکر پورتلند انتشار CO 2 را کاهش می دهد و آن را به یک جایگزین با انرژی پایین تبدیل می کند [ 103 ]. RBPCها با بیش از 40 درصد بیلیت مشخص می شوند که به کاهش دما و انتشار گازهای گلخانه ای کمک می کند. تولید RBPC در دمای 1350 درجه سانتی گراد، مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای را 6 تا 10 درصد کاهش می دهد [ 91 ]. هنگامی که زباله های صنعتی ترکیب می شوند، 24 درصد کاهش قابل توجهی در انتشار کربن وجود دارد [ 104 ].
سیمان های Belite-Ye’elimite-Ferrite (BYF) یکی دیگر از جایگزین های سازگار با محیط زیست برای PC هستند. محتوای گچ سیمان BYF بر رفتار هیدراتاسیون و توسعه قدرت آنها تأثیر می گذارد. استحکام و تولید گرمای بالاتر در طول هیدراتاسیون زمانی تولید می شود که محتوای گچ ایده آل باشد که 18 درصد وزنی است [ 105 ].
افزودن گوگرد در طول کلینکرینگ و خنکسازی سریع میتواند سیمانهای BYF را فعال کرده و واکنشپذیری آنها را در سنین پایین بهبود بخشد [ 106 ]. بدون از بین بردن استحکام طولانی مدت، خاکستر بادی را می توان به سیمان BYF اضافه کرد تا کسر اترینگیت و استرتلینگیت را افزایش دهد [ 107 ]. سیمان ساخته شده از کلسیم سولفوآلومینات بلیت (CSAB)، جایگزینی برای PC، در برابر ترک خوردگی انقباض مقاومتر است و اثرات زیست محیطی کمتری دارد. سیمان های CSAB به دلیل خاصیت متخلخل خود، انرژی کمتری برای آسیاب مصرف می کنند. آنها را می توان به عنوان سیستم های سیمانی منبسط برای محاسبه انقباض طراحی کرد. سولفات کلسیم، بلیت، فریت و Ye’elimite مواد اولیه سیمان CSAB هستند. اترینگیت زمانی تشکیل می شود که ییلمیت در حضور سولفات کلسیم هیدراته شود که باعث انبساط در سنین پایین می شود. هنگام استفاده از سیمان BYF و CSAB به جای PC معمولی، مزایای زیست محیطی مانند کاهش مصرف انرژی و انتشار CO 2 وجود دارد [ 105 ، 108 ]. تولیدکنندگان سیمان با استفاده از BYF و CSAB، 20 تا 30 درصد کمتر از سنگ آهک استفاده می کنند و انتشار CO 2 را کاهش می دهند [ 92 ]. انتشار کربن را می توان تا 30 درصد در هنگام استفاده از سیمان CSAB کاهش داد زیرا در دمای پایین تری می سوزند و از سنگ آهک کمتری استفاده می کنند [ 108 ]. سیمان BYF می تواند با استفاده از ضایعات صنعتی به عنوان مواد خام، مانند گل قرمز خشک و گچ ناشی از گوگرد زدایی گاز، ردپای CO 2 را کاهش دهد. مزایای زیست محیطی با استفاده از این زباله ها بهبود می یابد [ 109 ].
سیمان سیلیکات کلسیم کربنات بر پایه ولاستونیت (CCSC) یک جایگزین سازگارتر با محیط زیست برای OPC است. CO 2 بیشتری را در طول ساخت جذب می کند و ردپای کربن کاهش می یابد [ 110 ]. CCSC، بر اساس ولاستونیت، 70٪ کربن کمتری نسبت به OPC به دلیل محتوای کلسیم کمتر آزاد می کند [ 91 ]. CaCO 3 و SiO 2 آمورف زمانی تولید می شوند که سیلیکات های کلسیم موجود در CCSC کربناته شده و تحت دکلسیفیکاسیون قرار گیرند. با تأثیر بر نسبت Ca/Si هیدرات سیلیکات کلسیم، CCSC کربناته می تواند به تشکیل مقاومت فشاری در ملات کمک کند [ 110 ]. علاوه بر واکنش کربناته شدن، CCSC یک فاز سیلیکاژل تولید می کند که پلیمریزه تر از سیستم معمولی کلسیم سیلیکات هیدرات (CSH) است [ 111 ]. چندین شکل مختلف از CaCO 3 در خمیر CCSC گازدار وجود دارد که رایج ترین آنها کلسیت است. دما، رطوبت نسبی و نسبت آب به سیمان همگی بر میزان کربناته شدن CCSC تأثیر دارند [ 112 ].
سایر فناوری های نوظهور کلینکر عبارتند از سیمان MOMS/MOMC بر اساس اکسیدهای منیزیم برای ترسیب کربن، سیمان Solidia با انتشار کربن 30 درصد کمتر و جذب CO 2 در طول پخت، و Celitement و X-Clinker با انتشار کمتر پردازش گرچه نیاز به سازگاری های فنی دارند [ 113 ]. علیرغم تغییرات در ترکیب فازها در بین ACTها، اکثر آنها فاقد فاز آلیت مسئول انتشار کربن قابل توجه در OPC هستند. در حالی که این فناوریها امیدوارکننده هستند، مطالعات عمیق در مورد عملکرد مهندسی و انتشار کربن از طریق ارزیابی چرخه عمر (LCA) برای درک سهم آنها در کربنزدایی صنعت سیمان ضروری است.
Leave A Comment