از مهم ترین محاسن بکار گیری خاکسترِپوسته برنج در تولید بتن، افزایش دوام بتن و مقاومت آن در برابر حملات مواد مخربِ شیمیایی است.
هرکدام از انواع ساخت و سازهای فوق، در عصر حاضر در بسیاری ازکشورها خصوصاً در کشور ایران، روندی رو به رشد داشته و خواهد داشت و این یعنیافزایش مصرف مصالح ساختمانی در جهان و در راس آنها مصالحی پرمصرف مثل بتن و فولادوسیمان. بنابراین افزایش سرمایه گذاری و افزایش مصرف سوخت در کارخانه های تولیدیمصالح را پیش رو خواهیم داشت. که در این میان فراین تولید بتن بدلیل اینکه دارایبالاترین حجم تولید در بین تمام مصالح ساختمانی در جهان است، اهمیت بسیار بالاییدارد. پس باید شرایط تولید، مواد اولیه، مواد ثانویه و مواد مضاف بتن و مهمتر ازهمه سیمان و جایگزین های مناسب برای آن در تولید بتن مورد مطالعه کاملاً علمی، فنیو مهندسی قرار گیرند، تا هم از نظر بهبود مشخصات بتن و افزایش مقاومت آن پیشرفتهایی حاصل شود و هم از نظر اقتصادی در هزینه ها صرفه جویی گردد. یکی از بهترینراهکارهای موجود، یافتن جایگزینهای مناسب برای سیمان مصرفی در بتن است و در اینزمینه استفاده از منابع و مصالح طبیعی و در راس آنها ضایعات ومواد اضافی کشاورزی میتواند ایده بسیار کارآمد و پرثمری باشد.
در ایران و نیز در بعضی کشورها عمدهاستفاده ای که از مواد زاید کشاورزی می شود، یکی بعنوان خوراک دام و دیگری بعنوانسوخت مصرفی در کارخانه هایی مثل کارخانه تولید آجر یا برنج کشی و... است و اینبخاطر ارزانی و راحتی دسترسی به این مواد است. در بسیاری موارد حتی دیده می شود کهکشاورزان اقدام به سوزاندن این مواد به ظاهر اضافی می کنند. که این امر هم آلودگیهای زیست محیطی را در پی دارد وهم در مواقع بارندگی موجب اسیدی شدن آب و خاک کشاورزی و درنتیجه کاهش میزان تولیدات زراعی می گردد.
اما در سالهای اخیر باپیشرفت سریع بشر در حوزه مسایل فنی و اجرایی در بخش ساختمان سازی و با تحقیقات صورتگرفته در زمینه مصالح ساختمانی و بکار گیری مواد طبیعی و تقویت و بهسازی مصالحساختمانی مصنوعی، نوآوری ها و ابتکارات تازه و بسیار سودمندی صورت گرفته است. یکیاز بهترین رهیافتها، سوزاندن و خاکستر کردن مواد زاید محصولات کشاورزی مثل پوسته وساقه برنج(تولید سالیانه 40000 تن در جهان)، پوسته و غلاف برگ ارزن هندی(sorghum ) یا همان نیشکر چینی، غلاف برگ گندم، تیغه برگ ذرت، برگ و ساقه گیاه شاه پسند، ساقهدرخت نان (breadfruit )که بیشتر در مناطق استوایی آسیا می روید، باگاس( تفاله ساقهنیشکر)، برگ و ساقه آفتابگردان، قسمت داخلی گیاه بامبو (bamboo) که در مناطق بادسترسی آب بالا مثل حاشیه دریا ها و دریاچه ها و رودخانه ها و باتلاقها و ... رشدمی کند، ودر نهایت جایگزینی خاکستر حاصل از سوزاندن مواد فوق، البته در حدود سی تاچهل درصد، بجای سیمان مصرفی در تولید بتن و در نتیجه افزایش میزان سیمان تولیدی وکاهش قیمت آن است. همانطور که بسیاری از شما، خصوصاً عزیزان دست اندرکار امر ساخت وساز مطلعند، نوسان قیمت سیمان که در اکثر موارد روند افزایشی داشته است، در مقطعهای زمانی مختلف همواره مشکلات عدیده ای را برای انجام صحیح و به موقع پروژه هایخرد و کلان سازه ایِ کشور بوجود آورده است. از طرف دیگر تولید و عرضه کافی و بموقعسیمان به بازار، در حدی که پاسخگوی نیازهای ساخت و ساز کشور باشد، باعث می شود کهمناطق شهری و روستایی دور افتاده کشور خصوصاً در مناطق با امکانات پایین(فاقدکارخانه های تولید سیمان) که در حال ساخت یا بازسازی هستند، براحتی و در اسرع وقتبه مصالح مورد نظر خود از جمله سیمان دسترسی پیدا کنند.
از سوختن موادزایدکشاورزی که متشکل از فیبر، مواد معدنی مثل اکسید آهن(fe2o3)، اکسیدآلومینیوم(al2o3) و مواد دیگری مثل سلولز، سیلیس، پروتئین و چربی و ... هستند،خاکستری تولید می شود که حاوی سیلیس است که بسته به درجه حرارت سوختن، به صورتکوارتز، کرسیتو بالیت(crystobalite) و تردیمیت(tridymite) تولید می شود. که درواکنش با آهک یک ترکیب چسبنده بنام سیلیکات کلسیم تولید می کند که این محصول دربهبود مشخصات و مقاومت بتن ساخته شده تاثیر عمده ای دارد. در بین محصولات کشاورزینامبرده بالا، پوسته برنج و باگاس یا همان تفاله ساقه نیشکر و ساقه برنج، باسوزاندن مقدار یکسان از آنهادر شرایط یکسان به ترتیب بیشترین مقدار خاکستر را تولیدمی کنند که برای پوسته برنج حدود 22 درصد، باگاس حدود 15درصد و ساقه آن5/14 درصدوزن اولیه خاکستر تولید می کنند. با سوزاندن هر تن پوسته برنج حدود 220 کیلو خاکسترتولید می شود که حدود 94 کیلو از این مقدار خاکستر، سیلیس است. البته ناگفته نماندکه مقدار سیلیس تولید شده به دمای سوختن و طول مدت سوزاندن پوسته برنج بستگی دارد.
از طرف دیگر پوسته برنج بر خلاف ساقه برنج و باگاس برای خوراک دام آنچنان مناسبنیست. این در حالی است که ساقه و پوسته برنج و باگاس از نظر تولید حرارت بعنوانسوخت در کارخانه های تولید شکر، تولید آجر و حتی پوسته برنج در پخت وپز خانگی و درکارخانجات برنج کوبی کاربرد زیادی دارند. گرمای حاصل از سوختن هر تن پوسته برنجمعادل گرمای آزاد شده از سوختن حدود 360 کیلو نفت سیاه یا 480 کیلو گرم زغال است.
عمده کاربرد علمی و مهندسی خاکستر پوسته برنج در صنعت ساخت وساز این است که،بصورت ماده پوزولانی در سیمان های ترکیبی و هیدرولیکی حداکثرتا حدود 40 درصد وزنیجایگزین سیمان می شود و با هیدراتاسیون آرام و حرارت هیدراته پایین، خصوصاً در بتنریزی های حجیم که نیاز به کنترل درجه حرارت هیدراتاسیون می باشد، کاربرد داشته و ازهمه مهمترکارایی و مقاومت بتن یا ملات سیمانی را افزایش داده و هزینه تولید واجرایبتن ریزی را کاهش می دهد. از طرف دیگر وزن مخصوص کمتر پوزولانها، در نهایت موجبافزایش حجم ماتریس سیمانی می شود. در سیمانهای پوزولانی ابتدا سیمان و پوزولان رابا هم ترکیب کرده و آسیاب می کنند ولی در مورد بتنهای حاوی rha بهتر است ابتداخاکستر آسیاب شده و بعد با سیمان ترکیب گرددو در بتن بکار رود.
رفتار پوزولانیخاکستر پوسته برنج و واکنش شیمیایی آن به ویژه در ترکیب باآهک بستگی به شکل سیلیس وکربن موجود در آن و نیز درجه حرارت سوختن و زمان نگهداری در آن دما دارد. با افزایشدمای سوزاندن و زمان نگهداری بیش از حد استاندارد ( حدود 700 درجه سانتی گراد) نتیجه افزایش دما بر عکس می شود. یعنی افزایش دما باعث تاثیرات منفی در عملکرد rha می شود. نباید فراموش کرد که خاصیت پوزولانی ماده ذاتی است و در درجه اول بستگی بهترکیبات شیمیایی و ساختمان کریستالی آنها دارد و عوامل فوق در مراتب بعدی از نظرتاثیر گذاری در خواص پوزولانی مواد قرار دارند.
پیشینه استفاده از پوسته برنجدر بتن به سال 1924 م در آلمان بر می گردد. در سالهای 1955 و 1956 آقایان mc daniel و hough و barr در زمینه کاربرد این مواد تحقیقات بیشتری انجام دادند و علی الخصوصعملکرد بلوکهای ساخته شده با ترکیب سیمان و rha را مورد بررسی قرار دادند. که نتایجآزمایشات انجام شده حاکی از افزایش تاب فشاری نمونه نسبت به حالت بدون استفاده از rha بود. البته مقاومت نمونه در برابر سایش و قدرت رسانایی حرارتی آنها نیز موردبررسی قرار گرفت که نتایج بدست آمده بسیار مثبت و امیدوارکننده بود. شایان ذکر استکه از آن زمان به بعد همواره در کشورهای مختلف جهان، در زمینه بکار گیری این گونهمواد در تولید ترکیبات سیمانی تحقیقات زیادی صورت گرفته و همایشها وگردهمایی هایمختلفی در سراسر دنیا هم برگزار شده است. و نتیجه این گونه فعالیتها و تحقیقات،یعنی حرکت بسوی تولید بتن و ماتریس های سیمانی ارزان و در عین حال مقاوم.
شرایطسوزاندن پوسته برنج برای تولید خاکستر ایده ال:
تعیین دمای بهینه سوزاندن پوستهبرنج، با استفاده از نتایج آزمایش پراش سنجی اشعه ایکس و نیز آزمایش سنجش فعالیتدربرابر آهک صورت می گیرد. بهترین و درعین حال اقتصادی ترین حالت برای تولید خاکسترمناسب، همگن،دارای حداکثر فعالیت پوزولانی و با کیفیت بالا از پوسته برنج، حالتیاست که عمل سوزاندن آن در دمای بین 500 تا 650 درجه سانتی گراد و در مدت زمان حدوددو ساعت صورت گیرد. بر اساس آزمایشها و تحقیقات صورت گرفته مشخص شده است که اگردمای سوختن زیر 500 یا بالای 650 درجه سانتی گراد باشد، باعث بوجود آمدن سیلیسهایبیشکل و غیر بلوری می شود. و از طرفی در دماهای بالاتر هوا(اکسیژن) کافی برای سوختنکامل پوسته و تولید خاکستر با کارایی مناسب در محیط وجود نخواهد داشت. ونیز تخلیهگازهای مزاحم تولید شده در شرایط سخت تری انجام می شود. بلوری یا غیر بلوری بودنخاکستر تولید شده نیز به کمک اشعه ایکس و شیوه پراش سنجی مشخص می شود. نکته دیگراینکه متناسب با افزایش دمای سوختن رنگِ خاکسترِ تولید شده سفید تر و روشنتر خواهدبود. البته اگر در زمان سوختن هوای کافی در محل وجود نداشته باشد، رنگ خاکستر تیرهتر می شود. تا جاییکه در دمای 900 درجه اگر سرعت سوختن بالا باشد و پوسته به درستینسوزد، خاکستر حاصل، سیاهرنگ است.
در سوزاندن پوسته برنج، لازم است که هوایتازه حاوی اکسیژن بجای دی اکسید کربن تولید شده از سوختنِ rh وارد کوره شود، تا تهنشینی سیلیس و بلوری شدن آنرا تنظیم نماید. کوره های باریک که دارای مجاریتهویه(ورود اکسیژن و خروج دی اکسید کربن و سایر گازهای اضافی) باشند، که سرد شدنآرام و اصولی خاکستر را در پی داشته باشند، برای تولید خاکستر از پوسته برنجمناسبند. استفاده از کوره های غیر استاندارد، بدلیل عدم کنترل دمای سوختن و سرد شدنغیر نرمال خاکستر تولیدی و در نتیجه تشکیل بلورهای با کارایی پایین، کاری غیر فنی وغیر اصولی است. خارج کردن دی اکسید کربن و دسترسی به هوای اکسیژن دار، باعث جداییبهتر مواد معدنی پوسته از مواد سلولزی و لیگنین می شود. و همین مساله کربن زداییخاکستر را کنترل می کند.
خاکستر تولیدی از پوسته برنج را قبل از بکار گیری آنآسیاب می کنند. این کار باید قبل از مخلوط کردن خاکستر با سیمان صورت گیرد. زیرااگر سیمان نیز آسیاب شود، نرمتر می شود و در نتیجه مصرف آب بیشتر شده و نهایتاًترکیب سیمانی یا بتن حاصل کیفیت مطلوب و مورد نظر را نخواهد داشت. ولی در مورد rha برعکسِ سیمان، هر چه نرمتر باشد، آب مصرفی کمتر خواهد بود و چسبندگی ملات بیشترخواهد بود. هر چه نسبت آب به مخلوط سیمان و خاکستر در محدوده استاندارد کمتر باشد( نزدیک به حداقل مقدار مجاز) تاب فشاری ترکیب سیمانی حاصل، بیشتر خواهد بود.
ازمهم ترین محاسن بکار گیری خاکسترِ پوسته برنج در تولید بتن، افزایش دوام بتن ومقاومت آن در برابر حملات مواد مخربِ شیمیایی است. مزیت دیگر اینکه ملات یا بتنساخته شده با rha نسبت به انواع ساخته شده با سیمان پرتلند تنها(بدون خاکستر) دارایمقاومت بالاتری در برابر شرایط محیطی اسیدی است. بر اساس آزمایشات صورت گرفته، افتوزنی بتن ساخته شده با rha در محلول اسید سولفوریک و اسید کلریدریک به ترتیب 13 و 8درصد است در حالی که بتن ساخته شده با سیمان پرتلند، در برابر اسیدهای فوق به ترتیبدر حدود 27 و 35 درصد کاهش وزن دارد. شایان ذکر است که اسید کلریدریک باعث حفره ایشدن و خوردگی بتن معمولی( بدون خاکستر) می شود در حالی بر روی بتن حاوی خاکستر پساز رسیدن به مقاومت 72 روزه بی تاثیر است.
بتنی را که در تولید آن از خاکسترپوسته برنج استفاده شده، به روشهای مختلف عمل آوری می کنند._ عمل آوری به روشکاریبین(carbbean): که در اتاق با دمای بین 29 تا 31 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبیبین 77 تا 83 درصد انجام می شود. _ عمل آوری به روش استاندارد: در اتاق با دمای 20تا 21 درجه و رطوبت نسبی 92 تا 98 درصد._ روش تسریع شده که بیشتر برای قطعات پیشساخته بکار می رود. _ عمل آوری در محیط خارجی حفاظت شده( اتاق داغ): با دما و درصدرطوبت متفاوت و افزایش تدریجی دما و رطوبت نسبی محل محافظت شده. _ عمل آوری داخلیدر شرایط نسبتاً ثابت با دمای حدود 19 درجه و رطوبت نسبی 55 تا 65 درصد. که از میانروشهای یاد شده، روش کاریبین، مناسبتر است و موجب افزایش دوام بتن شده و مصرف انرژیپایینی داردو نیز تاب فشاری را تا حدود 30درصد افزایش می دهد. در واقع روشهایی کهرطوبت نسبی بالاتری داشته باشند مناسبترند.
استفاده از rha در تولید بتنهایعایق: بتنی می تواند عایق باشد که وزن مخصوص آن کمتر از 800 کیلوگرم بر مترمکعب وتاب فشاری بین 10 تا 70 کیلوگرم بر سانتی متر مربع داشته باشد. برای ساخت این گروهبتن، از خاکستر عمل آوری شده با آهک یا خاکستر عمل آوری نشده استفاده می شود. البتهپایداری و تاب فشاری گروه اول بیشتر است.و نیز استفاده از خاکستر عمل آوری شده مانعاز شوره زدگی بتن می شود. مهمتر از همه باعث سبکی و کاهش وزن مخصوص بتن شده و خواصعایق بودن آنرا افزایش می دهد.
در پایان لازم به ذکر است که، علاوه بر تولیدبتن، از خاکستر پوسته برنج(rha) در تولید آجرهای سبک و نسوز و بلوکهای بتنی نیزبهره برداری می شود. این آجرها دارای خواص ویژه بسیار ارزشمندی هستند. از جمله: - تحمل گرمای حدود 1250 درجه بدون ترک خوردگی یا حداکثر با ترک خوردگی ها بسیار ریز ومویی - مقاومت فشاری 30 کیلو گرم بر سانتی متر مربع – دوام طولانی مدت – چسبندگیکافی و موثر با ملاتهای بنایی و اندودهای گچی و سیمانی – وزن کم در حدود یک تن برمتر مکعب – رنگ خاکستری روشن. در آجرهایی که با خاک لاتریتی(lateritic )، خاک رس وخاکستر ساخته می شوند، با افزایش مقدار خاکستر، تاب فشاری و حدود اتربرگ شامل حدحالت روانی(ll )، حد حالت خمیری(pl )، میزان آب لازم نیز افزایش می یابد ولی نشانهحالتِ خمیری(pi ) کاهش پیدا می کند.
