بازیافت و بتن
مقدمه
در دنیای صنعتی امروز، مسئله تولید و انباشت انواع زبالههای خانگی و صنعتی ابعاد تازهای بخود گرفته و میرود تا بصورت معضلی مهم درآید. هزینه بالای نگهداری زبالهها دستاندرکاران را واداشته که بفکر استفاده مجدد از آنها در زمینههای مختلف بیفتند.
در این راستا، دو محور اساسی مطرح شده:
استفاده از زبالهها بصورت سوخت برای تولید انرژی و استفاده از آنها بعنوان مواد اولیه برای بهبود بخشیدن خواص محصول تولید شده یا کاهش قیمت آن.
در صنعت سیمان و بتن این دو محور می توانند کاربردهای وسیعی داشته باشند.
بازیافت و بتن
در تهیه سیمان، از آنجا که مرحله عملیات حرارتی نیازمند مقادیر فراوانی انرژی حرارتی میباشد، استفاده از ضایعات صنایع دیگر بعنوان سوخت بسیار مطرح است.
در این راستا، این ضایعات به سه صورت سوختهای مایع، جامد و گاز قابل استفاده می باشند. ضایعات شیمیائی، روغنهای مصرف شده، کاغذهای باطله، تایرهای مستعمل مثالهائی از این سه دسته هستند که با توجه به قیمت و دردسترس بودنشان مورد استفاده قرار میگیرند. علاوه بر صرفه اقتصادی، استفاده از این ضایعات میتواند نقش مهمی در کاهش انتشار انواع آلایندههای بحرانی از قبیل اکسیدهای نیتروژن و گوگرد ایفا کند.
قبل از استفاده از ضایعات در صنعت سیمان و یا در هر صنعت دیگر، یکسری آزمایشات و تحقیقات بایستی صورت پذیرد که در آن مسائلی از قبیل ترکیب شیمیائی ضایعات و مجاز بودن استفاده از آنها، نحوه استفاده از ضایعات، تجهیزات مورد نیاز و جنبههای اقتصادی و زیست محیطی دیگر کاملاً مشخص گردد. امروزه حساسیت زیادی بر مسائل زیست محیطی وجود دارد و باید از ضایعاتی استفاده کرد که کمترین آلودگی را داشته باشد.
در این راستا استفاده از ضایعات بیمارستانی و رادیو اکتیو، حشرهکشهای سمی و مواد سرطان زا ممنوع میباشد.
منابع سوختی متداول در صنعت سیمان که کارخانههای مختلف با توجه به امکانات خود از آنها استفاده میکنند، عبارتند از زغال سنگ، نفت، و گاز.
ضایعات مورد استفاده را میتوان در سه گروه مایع، جامد و گاز دسته بندی نمود. جدول زیر عمدهترین موارد هر گروه را نشان میدهد:
مزایای استفاده از مواد بازیافت شده بعنوان سوخت شامل کاهش انتشار گاز CO2 ، کاهش هزینه تولید، حفظ منابع سوختی فسیلی موجود، استفاده بهینه و جهت یافته از مواد اولیه، افزایش کارآئی گرمائی فرآیند تولید و افزایش توازن زیست محیطی می باشد.
از طرف دیگر، استفاده از این ضایعات در اکثر موارد نه تنها تغییری در کیفیت سیمان تولیدی ندارد بلکه در مواردی میتواند عناصری مانند آهن، که از عناصر مفید ساختار سیمان است را به ساختار محصول بیافزاید.
انتخاب هر یک از این ضایعات بستگی زیادی به قیمت و همچنین در دسترس بودن آن دارد. البته عواملی از قبیل مقدار انرژی تولید شده، مقدار خاکستر ، درجه رطوبت و مواد فرار آلی آن نیز دارای اهمیت هستند.
به جهت استفاده از این ضایعات، باید تجهیزاتی ویژه در کارخانه، از قبیل خشک کن، جدا کننده و خرد کننده در نظر گرفته شود.
بتن یکی از ترکیبات مهمی است که کاربرد بسیار زیادی در زندگی روزمره ما دارد. از منازل مسکونی گرفته تا ساختمانهای اداری و بزرگراهها، بتن در همه جا نقشی اساسی در ساخت و سازهای شهری دارد.
بتن ترکیبی سیمان، آب و انواع اگریگیت ها بوده و میتواند جایگاه بسیار مهمی در استفاده از ضایعات صنایع دیگر داشته باشد. بطور کلی ضایعات مورد استفاده در تهیه بتن را، بسته به کاربرد آن، میتوان در دو دسته قرار داد.
– دسته اول ضایعات صنایع دیگر است که شامل سیلیکا فیوم، سرباره کوره بلند ، خاکستر آتش فشانی، خرده شیشه، خرده لاستیک، پلاستیکها، ضایعات سرامیکی و خاک اره می گردد.
– دسته دوم ضایعات بتن است که شامل بتن های مستعملی است که در حین خراب کردن ساختمان ها یا پیادهروها بدست می آید.
استفاده از ضایعات در تهیه بتن
سیلیکا فیوم
سیلیکا فیوم محصول جانبی احیاء کوارتز خالص توسط زغال سنگ، کک یا ورقههای نازک چوب در کوره با قوس الکتریکی، در حین فرآیند تهیه فلز سیلیکون از آلیاژهای فرو سیلیکونی، است. سیلیکا فیوم، که از تراکم گازهای خروجی کوره بدست می آید، حاوی مقادیر زیادی دیاکسید سیلیکون آمورف بصورت ذرات ریز کروی است.
استفاده از سیلیکا فیوم اثر مطلوبی بر کاهش نفوذ پذیری و بهبود نحوه سفت شدن بتن در دراز مدت دارد.
آزمایشات نشان میدهند که افزودن 20-10 درصد وزنی از سیلیکا فیوم به ترکیب بتن قدرت فشار پذیری آنرا در یک دوره 28 روزه بهبود بخشیده و قدرت انعطاف آنرا نیز افزایش میدهد.
استفاده از ضایعات در تهیه بتن
سرباره کوره بلند
استفاده از سرباره کورههای آهنی در ترکیب بتن هم بعنوان اگریگیت و هم بعنوان یک ماده سیمانی از مدتها قبل معمول بوده است. تحقیقات نشان میدهند که جایگزینی بخشی از سیمان موجود در ترکیب بتن توسط سرباره کوره بلند موجب کاهش چشمگیر پتانسیل انبساط بتن میگردد که بدلیل واکنشهای قلیائی-سیلیکائی است.
معمولا مقدار استفاده از سرباره بجای سیمان 70-25 درصد است که البته بستگی به مورد استفاده بتن، دمای استفاده و گرید سرباره دارد. در صورت استفاده از سرباره در بتن بهبود خواصی مانند قدرت انعطاف پذیری و تراکم پذیری در محدوده وسیعی انجام میپذیرد.
استفاده از ضایعات در تهیه بتن
سرباره
خاکستر ذغال سنگ (Fly Ash)
تقریباً تمامی انواع بتن حاوی خاکستر ذغال سنگ می باشند که محصول جانبی کارخانههائی است که انرژی الکتریکی خود را از سوختن ذغال سنگ تهیه می نمایند. سالیانه چیزی در حدود بیست میلیون تن خاکستر آتش فشان در دنیا تولید میگردد که از این میان هفت میلیون تن آن در تهیه بتن مصرف میشود.
خاکستر ذغال سنگ بدلیل خواص سیمانی آن استفاده میگردد که موجب افزایش قدرت و بهبود سیکل سفت شدن بتن میشود. دلایل دیگر استفاده از آن شامل ارزان بودن و ایجاد تغییرات مثبت در برخی خواص بتن تازه و سفت شده است. بعلاوه این ماده موجب کاهش نیاز مخلوط بتن به آب جهت رسیدن به نقطه افت مطلوب میگردد. همچنین بدلیل کروی بودن و اندازه بسیار ریز ذرات خاکستر آتش فشانی، افزودن آن همگونی مخلوط و کار کردن با آن را بهبود می بخشد.
استفاده از ضایعات در تهیه بتن
خرده شیشه
بر خلاف ضایعاتی از قبیل کاغذ و مواد آلی، ضایعات شیشه قابل تجزیه نبوده و بهمین دلیل حتماً میبایستی بنحوی از آنها استفاده گردد. در این راستا، عمدهترین محل استفاده از آنها در صنعت شیشه بوده و پس از آن در تهیه بتن، که بعنوان اگریگیت میتواند بکار رود. این بتن ها عمدتاً در صنعت ساختمان سازی استفاده شده و بصورت صفحات براق شامل بتن و خرده شیشه تولید می شوند که اغلب استفاده دکوراتیو در نماسازی ها دارند. خرده شیشهها اندازهای در حدود 10 تا 19 میلی متر داشته و صفحات ساخته شده با بتن و خرده شیشه دارای مقاومت به خوردگی بالا و جذب کم آب بوده و میتوانند تغییرات دمائی زیاد را تحمل کنند.
استفاده از ضایعات در تهیه بتن
خرده لاستیک
آمار نشان میدهند که هر ساله مقادیر متنابهی از تایرهای مستعمل خودروها تولید میگردند. تنها در مورد آمریکا برآورد میشود که چیزی در حدود دو میلیارد تایر مستعمل وجود داشته (2008) و هر ساله 250 هزار عدد به آن افزوده میگردد که این امر اهمیت بازیافت این مواد را نشان می دهد. یکی از مهمترین موارد کاربرد آنها میتواند بعنوان اگریگیت در تهیه بتن باشد. آزمایشهای انجام شده روی خواص بتن های حاوی مقادیر متفاوت از خرده لاستیکهای با اندازه ذرات مختلف نشان دادهاند که بتن حاصله دارای قدرت تراکم پذیری و تنشپذیری کمتری نسبت به بتن معمولی میباشد ولی این مخلوطها نشان دهنده شکنندگی کم نبوده ودارای قدرت جذب مقادیر زیادی از انرژی پلاستیکی تحت تاثیر عوامل تنش زا میباشند.
استفاده از ضایعات در تهیه بتن
پلاستیک
پلاستیکهای بازیافت شده میتوانند بعنوان جایگزین بخشی از اگریگیت های ساختار بتن استفاده گردند. افزودن این مواد، به مقدار7 تا 15درصد، به بهبود ضربه پذیری، کاهش نفوذ پذیری و افزایش انعطاف پذیری بتن کمک می کند. بعلاوه، مطالعات نشان دادهاند که استفاده از پلاستیکهای بازیافت شده در بتنهای سبک موجب کاهش وزن در واحد آنها و غلبه بر مشکل شکنندگی این بتن ها می گردد.
استفاده از ضایعات در تهیه بتن
خرده کاشی
کاشیهای خرد شده بعنوان یک منبع مناسب اگریگیت در بتن مطرح هستند. در این راستا، مطالعات نشان میدهند که وزن مخصوص متوسط خرده کاشیها بین 30 تا 11 درصد کمتر از کل گروه اگریگیت های سنگی دیگر است. به این صورت که نسبت به سنگهای خرد شده، خرده کاشیها در حدود 37 درصد سبکتربوده و در رده های پایین وزن اگریگیت استفاده شده در بتن قرار می گیرند.
البته مقاومت به سایش خرده کاشیها تقریباً 39 درصد بیشتر از سایر اگریگیت های سنگی است ولی تنش پذیری بتن را زیاد می کند.
حداکثر جایگزینی اگریگیت سنگی ساختار بتن با خرده کاشی باید کمتر از 50 درصد باشد.
استفاده از ضایعات در تهیه بتن
در جریان عملیات بازسازی و تخریب ساختمانها، پیادهروها و تاسیسات دیگر مقادیر متنابهی بتنهای خرد شده و مستعمل تولید میگردد که میتوانند دوباره در تهیه بتن بکار روند.
این بتنها عمدتاً بعنوان اگریگیت و یا جایگزین بخشی از اگریگیت معدنی ساختار بتن مورد استفاده قرار میگیرند. اگر چه، انجمن بتن آمریکا حداکثر مجاز جایگزینی اگریگیت را با بتنهای مستعمل در حدود 20-10 درصد میداند ولی مطالعات نشان می دهند که بتنهای مستعمل میتواند تا 50 درصد نیز جایگزین اگریگیت معدنی ساختار بتن گردند، بدون اینکه خواص بتن حاصله چه در حالت تازه و چه در حالت سفت شده تغییر چشمگیری پیدا کند. البته باید گفت که بتنهای تهیه شده با بتنهای مستعمل دارای نکاتی منفی از قبیل دانسیته کمتر نسبت به بتنهای دیگر و تراکم پذیری و تنش پذیری کمتر هستند که این عیوب را میتوان با افزودن موادی مانند سیلیکا فیوم و خاکستر آتش فشانی کمتر یا برطرف نمود.
بدلیل اینکه بتنهای مستعمل از خواص و مواد افزودنی کم و بیش متفاوتی برخوردارند از آنها عمدتاً در ساخت پیادهروها استفاده می شود. مهمترین هزینه مربوط به استفاده مجدد از بتنهای مستعمل در بخش آسیاب کردن آنها مطرح است.
بازیافتِ بتن – ضایعات بتنی
برای آسیاب کردن بتن از ماشین آلاتی خاص استفاده می شود که اغلب با فشار مکانیکی در جهات مختلف آسیاب کردن قطعات بزرگ را انجام داده و خروجی آنها می تواند با دانه بندی مشخص برای موارد مناسب همان نوع دانه بندی باشد.
در ویدیوی زیر یک کارخانه بازیافت بتن را مشاهده می کنیم که انواع ماشین آلات خرد کردن و جداسازی، فرایند بازتبدیل بتن را انجام می دهند:
ضایعات بتنی
سنگ شکن فکی (JAW CRUSHER): محصول این سری از سنگ شکن های فکی، شکل نهایی یکسانی را داراست. این دستگاه کاربرد زیادی در خرد کردن موادی با شکنندگی زیاد و متوسط، سنگ های نرم و سنگ های معدنی مانند مصالح ساختمانی، سنگ مرمر و غیره دارد. نیروی مقاومت فشار زیر٢٠٠ mpa می باشد که برای خرد کردن اولیه مناسب است.
ماشین آلات بازیافت ترکیبی
سنگ شکن ضربه ای دمنده (IMPACT CRUSHER) : این سنگ شکن مواد را با نیروی ضربه حاصل از دمیدن هوا خرد می کند. زمانیکه مواد وارد میله دمنده می شوند به علت فشار شدید دمنده خرد شده و به هدف مرحله دوم خرد کنی به صفحات ضربه ای روی گردونه پرت می شوند. سپس مواد مجدداً جهت خرد شدن مرحله سوم به میله دمنده بر گردانده می شوند . این مراحل تا زمانیکه مواد به ذرات مطلوب رسیده و از قسمت زیرین دستگاه تخلیه شوند ادامه می یابد. سایز و شکل محصول تولید شده در این دستگاه قابل تغییر است.
تسمه نقاله (BELT CONVEYOR): تسمه نقاله شامل اجزای استانداردی است که دارای ساختاری ساده هستند و از یک سطح روان الاستیک و غلطک های حرکت دهنده تشکیل می شود. این دستگاه برای اتصال دستگاه های متحرک و ساکن سنگ شکنی به کار می رود.
ماشین آلات نوین
تخریب کننده های هیدرولیکی (Hydro Demolition Machines) : این دستگاه ها با ترکیب فناوری های مختلف مراحل متعدد تخریب را به یکباره (Stand Alone) انجام می دهند. برای این کار از فشار بسیار بالای آب و سیستم وکیوم پیشرفته ای بهره می برند که همزمان سطوح بتنی را شناسایی، لمس, آنالیز و تخریب می کند بنحوی که میلگرد ها و اجزای دیگر شناسایی می شوند و سطوح را تنها از بتن می زدایند. اگرچه این ماشین آلات ساخته شده اند ولی به دلیل هزینه و ادامه تحقیقات برای کاربرد انبوه به زمان بیشتری نیاز است.
ماشین آلات نوین
ERO ROBOT: یک ربات نمونه از ماشین آلات نوین است که طراح آن Omer Haciomeroglu دانشجوی دانشگاه Umea ی سوئد برنده جایزه طراحیIDEA در بخش دانشجویی در سال 2013 گردید و با همکاری دانشگاه اوزاکای ژاپن محصول مورد نظرش را به تولید رساند.
ماشین آلات نوین
اساس کار ERO نیز بر پایه نازل های Water jet تعبیه شده در دستگاه و یک سیستم مکنده قوی برای جمع آوری قطعات جدا شده بواسطه نیروی فشار آب است.
ماشین آلات نوین
مزایای:
استفاده ی مجدد از آب، کاربری ساده بواسطه ی هوش مصنوعی، دپوی خودکار مواد جداشده در مخزن نزدیک دستگاه، خروجی اگریگیت شسته شده و آماده و میلگرد های سالم و تمیز قابل استفاده پس از جداسازی بتن توسط دستگاه از مزایای این دستگاه بشمار می رود.
با توجه به محدود بودن منابع انرژی و همچنین منابع معدنی بحث بازیافت و اتصال چرخه های بازیافت مواد مختلف برای بهره وری بیشتر و صرفه جویی انرژی به یکی از اصلی ترین مباحث حال حاظر محافل علمی جهان بدل شده است.
با تشکر از توجه شما