مشتقات زغال سنگ می تواند جایگزین ماسه در بتن شود

مطالعه محققان دانشگاه رایس نشان داد که گرافن به دست آمده از کک متالورژیکی، محصولی مبتنی بر زغال سنگ، می تواند به تنهایی به عنوان یک افزودنی تقویت کننده در سیمان بلکه به عنوان جایگزینی برای ماسه در بتن نیز عمل کند.

جیمز تور، پروفسور چائو دانشگاه رایس و استاد شیمی مواد و مهندسی نانو، می‌گوید: «این کشف می‌تواند تأثیر عمده‌ای بر یکی از بزرگترین صنایع جهان داشته باشد». ما بتن ساخته شده با استفاده از جایگزین سنگدانه گرافن را با بتن ساخته شده با سنگدانه های شن و ماسه را مقایسه کردیم و متوجه شدیم که بتن ما 25 درصد سبک تر است اما به همان اندازه سخت است.

بتن، مخلوطی از سنگدانه‌هایی مانند شن و ماسه است که با سیمان و آب ترکیب میشود و برای توسعه ساخت و ساز های شهری ضروری است. با توجه به اینکه انتظار می رود 68 درصد از جمعیت جهان تا سال 2050 در مناطق شهری زندگی کنند، پیش بینی می شود که تقاضا برای بتن و در نتیجه استخراج شن و ماسه رشد قابل توجهی داشته باشد. این میزان در دو دهه گذشته سه برابر شده و به حدود 50 میلیارد تن در سال رسیده است. با این حال، این هزینه زیست محیطی قابل توجه و غیر قابل جبران دارد.

تولید سیمان که یکی از اجزای اصلی تشکیل دهنده بتن است 8 درصد از انتشار دی اکسید کربن در سراسر جهان را تشکیل می دهد. علاوه بر این، استخراج شن و ماسه، عمدتاً غیرقانونی، تهدیدی جدی برای اکوسیستم‌های رودخانه و ساحلی است. بر اساس گزارش سال 2022 سازمان ملل متحد، این تقاضای فزاینده برای شن و ماسه، همراه با رشد جمعیت و گسترش شهرها، می تواند به زودی باعث ایجاد یک “بحران شن” شود.

آزمایشگاه تور با استفاده از روش گرمایش ژول برای کک متالورژیکی، نوعی گرافن ایجاد کرده است که می‌تواند به عنوان جایگزینی برای ماسه در بتن عمل کند.

پل آدوینکولا، دانش آموخته دکترای دانشگاه رایس که نویسنده اصلی این مطالعه است، گفت: آزمایش‌های اولیه که در آن کک متالورژیکی به گرافن تبدیل می‌شد، منجر به تولید ماده‌ای شد که از نظر اندازه شبیه به ماسه بود. ما تصمیم گرفتیم استفاده از گرافن مشتق شده از کک متالورژیکی را به عنوان جایگزینی کامل برای شن و ماسه در بتن بررسی کنیم و یافته های ما نشان می دهد که این گرافن واقعاً خوب عمل می کند.

آزمایش‌هایی که بتن معمولی را با بتن ساخته شده از سنگدانه‌های گرافن مقایسه می‌کنند، نتایج امیدوارکننده‌ای را نشان می‌دهند. بتن مبتنی بر گرافن نه تنها با خواص مکانیکی بتن استاندارد مطابقت دارد، بلکه نسبت مقاومت به وزن بالاتری را نیز ارائه می دهد.

آزمایشگاه تور از گرمایش دستگاه فلش جول (Flash Joule) برای کاربردهای مختلفی از جمله سنتز نانومواد کربن هیبریدی، بازیافت قطعات باتری و حذف فلزات سنگین از خاکستر زغال سنگ استفاده کرده است.

آدوینکولا گفت: «این تکنیک گرافن را سریع‌تر و در مقیاس بزرگ‌تر از روش‌های قبلی تولید می‌کند.

با پتانسیل کاهش اتکا به شن و ماسه طبیعی و انتشار کربن کمتر از صنعت بتن، این فناوری جدید می‌تواند به شیوه‌های توسعه شهری پایدارتر منجر شود.

تور گفت: «مدتی طول می کشد تا قیمت گرافن به اندازه کافی پایین بیاید تا این مورد قابل دوام باشد. اما این فقط نشان می‌دهد که امکان وجود جایگزین‌های دیگری نیز وجود دارد که می‌توانیم دنبال کنیم.»

ساتیش ناگاراجایاه، استاد مهندسی عمران و محیط زیست و مهندسی مکانیک که مسئول نویسنده این مطالعه است، تاکید کرد که 30 درصد بتن از ماسه تشکیل شده که بخش قابل توجهی است این واقعیت نشان دهنده آن است که ما در آستانه یک “بحران شن” هستیم و این امیر ما را تشویق می کند که به دنبال جایگزین بگردیم، و کک متالورژیکی که تقریباً به اندازه شن و ماسه با حدود 10 درصد هزینه بتن هزینه دارد، نه تنها می تواند به بهتر شدن کمک کند بلکه بتن با کیفیت و ارزان تری در اختیار ما میگذراد. شود.