بتن کم کربن ؛ تحلیل کمی راه حل‌ های پایدار برای صنعت ساخت و ساز

چکیده:
صنعت ساخت و ساز تقریباً ۸ درصد از انتشار CO2 جهانی را تشکیل می دهد که در این بین سیمان پرتلند معمولی یک عامل اصلی است. این مقاله به تشریح روش های توسعه و اجرای بتن کم کربن می پردازد و استفاده از مواد سیمانی مکمل (SCMs) مانند خاکستر بادی، سرباره کوره بلند و دوده سیلیس را برای کاهش انتشار کربن مورد بررسی قرار می دهد. همچنین در این مطالعه از طریق تجزیه و تحلیل دقیق طرح های مخلوط، روش های تولید و بازده انرژی، ارزیابی کمی از مزایای زیست محیطی بتن کم کربن ارائه می شود. ما همچنین خواص مواد، دوام و مقرون به صرفه بودن بتن کم کربن را ارزیابی می کنیم که توسط داده های عددی و مطالعات موردی پروژه های زیرساختی اخیر پشتیبانی می شود. یافته ها نشان می دهد که با اجرای صحیح، بتن کم کربن می تواند ردپای کربن صنعت ساختمان را تا ۵۰ درصد کاهش داد، بدون اینکه به یکپارچگی یا دوام سازه آسیبی وارد شود.

بتن کم کربن (LCC)؛ مصالح ساختمانی پایدار؛ مواد سیمانی تکمیلی (SCMs)؛ انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG)
مقدمه
صنعت ساخت و ساز که عمدتاً به سیمان پرتلند متکی است، به میزان قابل توجهی موجب انتشار جهانی CO2 می شود. در فرآیند تولید یک تن سیمان پرتلند، حدود ۰.۹ تن دی اکسید کربن منتشر می شود. (Xiaodong et al., 2019) این بیشتر به دلیل تکلیس سنگ آهک (CaCO3) و سوزاندن سوخت های فسیلی است. تا سال ۲۰۲۳، تولید سیمان در سراسر جهان به رقم خیره کننده ۴.۲ میلیارد تن رسید که منجر به انتشار تقریباً ۳.۷۸ میلیارد تن دی اکسید کربن در جو شد. (Ognjen & Joseph, n.d.) تقاضا برای جایگزین های پایدار در حال حاضر با توجه به تلاش جهانی برای دستیابی به اهداف تعیین شده توسط توافق نامه پاریس از اهمیت بالایی برخوردار است.
استفاده از بتن را می توان تا دوران باستان ردیابی کرد. رومی ها معمولاً از opus caementicium، شکل اولیه بتن، در تلاش های ساخت خود استفاده می کردند. (ert, 2001) این نوع بتن از آهک و خاکستر آتشفشانی که معمولاً پوزولانا نامیده می شود برای افزایش طول عمر آن ترکیب می شود. یا در ایران از ساروج استفاده می شد.
اختراع سیمان پرتلند توسط جوزف آسپدین در سال ۱۸۲۴ تأثیر قابل توجه و ماندگاری بر صنعت ساختمان داشت که تا به امروز ادامه دارد. سیمان پرتلند به عنوان چسب غالب مواد در بتن در طول قرن بیستم ظاهر و رایج شد. (F., 1929)
برای چندین دهه، آگاهی زیست محیطی رو به رشد منجر به توسعه بتن کم کربن شده است. این نوع بتن شامل مواد سیمانی تکمیلی (SCM) و سایر نوآوری ها برای کاهش انتشار دی اکسید کربن است.
تقاضای فزاینده ای برای بررسی روش های پایدار وجود دارد که ممکن است اثرات زیست محیطی ساختمان های بتنی را کاهش دهد. گزینه ای که می تواند در نظر گرفته شود، پیشرفت تولیدات بتن کم کربن است که به دنبال کاهش اثرات زیست محیطی در روند تولید و استفاده از بتن است. این را می توان با استفاده از مواد خام جایگزین، مانند زباله های صنعتی، و اجرای فن آوری های تولید بهبود یافته که مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد، انجام داد.
یک تحقیق مقایسه ای که تأثیر گرمایش جهانی ناشی از استفاده از محصولات بتن کم کربن را بررسی می کند، نشان می دهد که زباله های صنعتی به عنوان یک جزء اصلی ممکن است بتواند به طور قابل توجهی انتشار کربن را در طول فرآیند تولید کاهش دهد (Chang-U.، ۲۰۱۵). علاوه بر این، مطالعات متعدد نیاز به طراحی بتن پایدار را با تمرکز بر نیاز به انرژی ذاتی کم، حداقل خروجی زباله و استفاده از منابع طبیعی فراوان برجسته کرده‌اند.
به منظور پرداختن موثر به اثرات زیست محیطی و کمک به هدف گسترده تر توسعه پایدار، بخش ساخت و ساز باید استفاده از راه حل های بتن کم کربن را در اولویت قرار دهد.
از طریق فرآیند کمی کردن مزایای این راه حل های پایدار، محققان می توانند داده ها و دانش ضروری مورد نیاز برای ترویج استفاده گسترده از بتن کم کربن را ارائه دهند. این در نهایت منجر به توسعه یک صنعت ساختمانی می شود که از نظر زیست محیطی آگاه تر و مسئولیت پذیرتر است.

روش
این مطالعه از یک تکنیک دقیق برای ارزیابی خواص محیطی و مکانیکی بتن کم کربن، به ویژه مساله انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) و توسعه مقاومت فشاری آن تمرکز کرد. این مطالعه شامل بررسی بتن مبتنی بر سیمان پرتلند و مخلوط‌های بتن کم کربن است که از مقادیر مختلفی از مواد سیمانی مکمل (SCMs) مانند خاکستر بادی، سرباره و دوده سیلیس استفاده می‌کنند.
انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط با هر نوع بتن، همراه با مقاومت فشاری در روزهای ۷، ۲۸ و ۹۰ ارزیابی شده است. (Kamel و همکاران، ۲۰۱۹)
با توجه به تغییرات فزاینده آب و هوایی جهانی ، تقاضای فزاینده ای برای صنعت ساخت و ساز برای اجرای تکنیک های سازگار با محیط زیست وجود دارد. نیاز به کاهش انتشار CO2 منجر به توسعه جایگزین های کم کربن برای بتن سنتی شده است که می تواند ضمن ارائه عملکرد مشابه در عین حال ردپای کربن بالای آن را به شدت کاهش دهد. هدف، نمایش مطالعات موردی است که اجرای واقعی بتن کم کربن را به منظور کاهش انتشار کربن تولید شده توسط بخش ساختمان نشان می دهد. قبل از استفاده از چنین فناوری هایی، درک نکات زیر ضروری است:
ابتدا بتن کم کربن را به صورت جامع و قابل اندازه گیری به طور دقیق تعریف می کنیم.
ارزیابی تکنیک های مختلف تولید و تاثیر آنها بر کاهش انتشار دی اکسید کربن را در نظر می گیریم.

ارزیابی ویژگی های فیزیکی و پیامدهای مالی بتن کم کربن.
بتن کم کربن به نوعی از بتن اطلاق می شود که به طور خاص طراحی شده است تا نسبت به بتن معمولی ساخته شده با سیمان پرتلند، دی اکسید کربن (CO2) به میزان قابل توجهی کمتر آزاد کند. این کاهش معمولاً با جایگزینی بخشی از سیمان پرتلند با مواد سیمانی تکمیلی (SCMs) مانند خاکستر بادی، سرباره کوره بلند و دوده سیلیس انجام می شود. میانگین کاهش در انتشار CO2 ممکن است از ۳۰٪ تا ۵۰٪ بر اساس ترکیبی از تکنیک های طراحی و تولید استفاده شده متفاوت باشد. (جدول ۱)
بتن کم کربن نقش مهمی در تلاش های جهانی برای کاهش انتشار CO2 ایفا می کند، به ویژه هدف قرار دادن سهم عمده در گازهای گلخانه ای صنعتی. توسعه فناوری تولید بتن عمدتاً با هدف افزایش استحکام، دوام و به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی صورت گرفته است. ظهور بتن کم کربن یک پیشرفت منطقی در این فرآیند است که انگیزه آن لزوم هماهنگ کردن کارایی سازه با پایداری محیطی است.
محصولات جانبی صنعتی از جمله خاکستر بادی، سرباره کوره بلند و دوده سیلیس می توانند به عنوان مواد سیمانی تکمیلی (SCMs) برای جایگزینی جزئی سیمان پرتلند در مخلوط های بتن استفاده شوند. SCM ها می توانند به میزان قابل توجهی انتشار دی اکسید کربن (CO2) را تا ۶۰ درصد در هر متر مکعب بتن کاهش دهند.
i خاکستر بادی محصول جانبی احتراق زغال سنگ در نیروگاه ها است. این ماده پوزولانی است که کارایی و دوام بتن را بهبود می بخشد. با جایگزینی ۳۰ درصد از سیمان پرتلند با خاکستر بادی، می توان به کاهش انتشار CO2 حدود ۲۷ درصد دست یافت.
ii سرباره کوره بلند محصول جانبی فرآیند تولید فولاد است. به عنوان ماده چسبناک هیدرولیکی است که قابلیت جایگزینی تا ۷۰ درصد سیمان پرتلند را دارد. این جایگزینی می تواند منجر به کاهش انتشار CO2 تا ۴۵٪ شود.
III. دوده سیلیسی: دود سیلیس، محصول ثانویه ای است که از فلز سیلیکون یا آلیاژهای فروسیلیکون به دست می آید، به نسبت های کوچک (۱۰-۵%) به بتن اضافه می شود تا مقاومت و دوام آن را افزایش دهد. این افزایش منجر به کاهش ۵-۱۰٪ در انتشار دی اکسید کربن (CO2) می شود. (رزا و همکاران، ۲۰۲۰)
جدول ۱. کاهش انتشار CO2 بر اساس نوع SCM
نوع SCM جایگزینی سیمان (%) کاهش انتشار CO2 (%)
Fly Ash 30% 27%
سرباره کوره بلند ۵۰% ۴۰%
دود سیلیس ۱۰% ۷%

بهینه سازی نسبت آب به سیمان و مخلوط سنگدانه ها در حین تولید بتن کم کربن ضروری است. کاهش نسبت آب به سیمان نیاز به سیمان را کاهش می دهد و در نتیجه انتشار CO2 را همانطور که در جدول ۲ نشان داده شده است به حداقل می رساند. کاهش نسبت آب به سیمان از ۰.۵ به ۰.۴ می تواند منجر به کاهش انتشار CO2 تقریباً ۱۰٪ در هر مکعب شود. متر بتن (استفان و همکاران، ۲۰۱۳)
استفاده از سنگدانه های بازیافتی یا محلی می تواند با حذف انتشار گازهای گلخانه ای حمل و نقل و استفاده از منابع ضایعات، ردپای کربن را بیشتر کاهش دهد.

جدول ۲. تأثیر نسبت آب به سیمان بر انتشار CO2
نسبت آب به سیمان انتشار CO2 (کیلوگرم CO2/m³) کاهش (%)
۰.۵ ۴۵۰ –
۰.۴۵ ۴۲۰ ۷%
۰.۴ ۴۰۵ ۱۰%

با اجرای به روز رسانی در کوره های سیمان که آنها را قادر می سازد در دماهای پایین تر کار کنند، می توان به کاهش قابل توجهی در مصرف انرژی دست یافت که منجر به کاهش مستقیم انتشار CO2 تا ۲۰٪ می شود. ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند انرژی خورشیدی یا بادی، در فرآیند تولید سیمان می تواند منجر به کاهش قابل توجهی تا ۳۰ درصد در انتشار دی اکسید کربن (CO2) مرتبط با انرژی شود. (لین و همکاران، ۲۰۰۱)

شکل ۱ مقایسه ای از مقاومت فشاری بتن معمولی و مخلوط بتن کم کربن شامل ۳۰ درصد خاکستر بادی و ۵۰ درصد سرباره در فواصل ۷ روزه، ۲۸ روزه و ۹۰ روزه را نشان می دهد. نمودار تکامل زمانی مقاومت فشاری بتن کم کربن را در مقایسه با بتن معمولی نشان می دهد.
جذب و ذخیره کربن (CCS) مانند جدول ۳ تکنیک موثری است که در خروجی کربن کم استفاده می شود. با ترکیب مواد جاذب کربن مانند بیوچار در مخلوط بتن، جذب و ذخیره CO2 امکان پذیر می شود و در نتیجه بتنی تولید می شود که در تمام مدت وجودش از کربن خنثی است. این روش علاوه بر این مستلزم جذب دی اکسید کربن (CO2) و تبدیل بعدی آن به کربنات های معدنی پایدار است که سپس به بتن وارد می شود. اجرای این امر می تواند بر اساس فناوری های به کار رفته، ردپای کربن را ۲۰ تا ۳۰ درصد بیشتر کاهش دهد. (ریچارد، ۲۰۰۴)

جدول ۳. پتانسیل کاهش CO2 از تکنیک های جذب و ذخیره کربن (CCS)
تکنیک CCS کاهش CO2 (%)
روش ادغام بیوچار ۱۵-۲۰%
کانی سازی CO2 20-30%

همانطور که قبلا ارایه شد بتن کم کربن معمولاً از مخلوطی از سیمان پرتلند با محتوای کاهش یافته، مواد سیمانی مکمل (SCM)، سنگدانه ها و آب تشکیل شده است. مخلوط دقیق با توجه به ویژگی های مورد نظر و اهداف در مورد اثر محیطی متفاوت است. بتن کم کربن دارای مواد زیر است:
محتوای سیمان: به ۵۰-۷۰ درصد از بتن معمولی کاهش می یابد.
ii محتوای SCM بسته به نوع خاصی از SCM مورد استفاده بین ۲۰ تا ۵۰ درصد متغیر است.
III. سنگدانه های ترجیحی: سنگدانه های بازیافتی یا کم کربن.
اگرچه بتن کم کربن ممکن است مقاومت فشاری اولیه کمتری داشته باشد، اما به طور کلی با گذشت زمان به مقاومت قابل مقایسه یا حتی بالاتری دست می یابد. به عنوان مثال، مخلوط بتن حاوی ۳۰ درصد خاکستر بادی پس از ۷ روز به ۸۵ درصد مقاومت بتن معمولی می رسد و پس از ۲۸ روز به مقاومت ۱۰۰ درصد می رسد. واکنش پوزولانی مواد سیمانی تکمیلی (SCMs) طول عمر مواد را افزایش می دهد و آن را در برابر حمله سولفات، واکنش قلیایی- سیلیس (ASR) و نفوذ کلرید مقاوم تر می کند. علاوه بر این، بتن کم کربن معمولاً گرمای هیدراتاسیون را کاهش می دهد، بنابراین پتانسیل ایجاد ترک حرارتی در مکان های گسترده را کاهش می دهد.

III. نتایج و بحث
بررسی ویژگی های زیست محیطی بتن کم کربن تأثیر قابل توجهی بر استفاده گسترده از آن دارد. شکل ۲ مقایسه انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) مرتبط با ساخت بتن معمولی و مخلوط بتن کم کربن حاوی مقادیر متفاوتی از مواد سیمانی تکمیلی (SCM) را نشان می دهد.

شکل ۲ انتشار گازهای گلخانه ای را نشان می دهد که به چندین فاز تولید بتن، از جمله تهیه، پردازش و بچینگ مواد خام مرتبط است. جدول مقایسه ای بین بتن معمولی و بتن کم کربن را با در نظر گرفتن سطوح مختلف محتوای SCM (مواد سیمانی تکمیلی) ارائه می دهد. ؛
محور افقی : انواع مختلف بتن (سنتی، ۳۰% خاکستر بادی، ۵۰% سرباره)
محور عمودی نشان دهنده میزان انتشار گازهای گلخانه ای است که بر حسب کیلوگرم معادل دی اکسید کربن در هر متر مکعب اندازه گیری می شود.
. میله‌ها: هر نوار به بخش‌هایی تقسیم می‌شود که نشان‌دهنده انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از تهیه مواد خام، پردازش آنها و فرآیند بچینگ است.

شکل ۳ مقایسه ای از معیارهای اثر چرخه عمر برای بتن سنتی و کم کربن را نشان می دهد. این معیارها شامل مصرف انرژی (MJ/m³)، کاهش منابع (kg/m³) و مصرف آب (L/m³) است.

نتایج این مطالعه ظرفیت قابل‌توجه راه‌حل‌های بتن کم کربن را برای کاهش پیامدهای زیست‌محیطی بخش ساختمان، به‌ویژه در رابطه با انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) نشان می‌دهد. مخلوط‌های بتن کم کربن با گنجاندن مواد سیمانی تکمیلی (SCM) مانند خاکستر بادی و سرباره، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) را نشان می‌دهند بدون اینکه تأثیر قابل‌توجهی بر استحکام فشاری در یک دوره زمانی معین داشته باشند.

استفاده از بتن کم کربن در حال افزایش است و پیش بینی می شود بازار با نرخ رشد ترکیبی سالانه (CAGR) 10 درصد بین سال های ۲۰۲۴ تا ۲۰۳۰ گسترش یابد. تلاش های زیرساختی مهمی مانند پروژه کراس ریل در لندن و احداث ساختمان های بلند ساختمان‌های نیویورک به طور موثری از بتن کم کربن استفاده کرده‌اند که امکان‌سنجی آن را در حوزه‌های عمومی و خصوصی نشان می‌دهد.
مطالعات موردی موثر متعددی برای استقرار بتن کم کربن انجام شده است. نمونه ای از این پروژه Crossrail در لندن است که از ترکیبی از ۴۰ درصد خاکستر بادی استفاده می کند. این منجر به کاهش ۳۵٪ در انتشار CO2 و صرفه جویی در هزینه ۱۰٪ شد. نمونه دیگری در Vanderbilt، نیویورک رخ داد، که در آن از سرباره کوره بلند برای جایگزینی ۵۰٪ از ترکیب سیمان استفاده شد که منجر به کاهش قابل توجه ۴۵٪ از انتشار CO2 شد.

خلاصه یافته های کلیدی:
تولید متعارف بتن در مجموع حدود ۴۰۰ کیلوگرم CO2e/m3 در انتشار گازهای گلخانه ای تولید می کند. علاوه بر این، استفاده از مخلوط‌های بتن کم کربن شامل ۳۰% خاکستر بادی و ۵۰% سرباره منجر به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به ۳۱۰ کیلوگرم CO2e/m3 و ۲۶۵ کیلوگرم CO2e/m³ می‌شود. (جدول ۴)

جدول ۴. دستاوردهای کاهش CO2 در پروژه های زیرساختی کلیدی
نام پروژه محل SCM استفاده شده کاهش CO2 (%) صرفه جویی در هزینه (%)
کراس ریل لندن، بریتانیا خاکستر بادی ۳۵% ۱۰%
واندربیلت نیویورک، ایالات متحده آمریکا سرباره کوره بلند ۴۵% ۱۲%

استفاده از مواد تکمیلی سیمانی (SCMs) در تولید بتن با کاهش انتشار گازهای گلخانه ای مربوط به تولید، فرآوری و بچینگ مواد خام، اثرات کلی زیست محیطی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

IV. نتیجه گیری
بتن کم کربن یک راه حل بالقوه برای مشکل فوری صنعت ساختمان در کاهش انتشار کربن قابل توجه آن ارائه می دهد. با استفاده از مصالح ساختمانی پایدار (SCM)، اجرای تکنیک‌های تولید کارآمد، و استفاده از فن‌آوری‌های پیشرفته جذب کربن، کاهش قابل توجهی در انتشار CO2 بدون به خطر انداختن عملکرد یا دوام مواد حاصل می‌شود. علیرغم وجود موانع، برای صنعت ضروری است که پیشرفت مداوم و پذیرش بتن کم کربن را در اولویت قرار دهد تا حرکت به سمت اقدامات سازگارتر با محیط زیست تسهیل شود.
این مطالعه تأیید می‌کند که مخلوط‌های بتن کم کربن، جایگزینی امکان‌پذیر و پایدار برای بتن معمولی است که منجر به صرفه‌جویی قابل‌توجه در انتشار گازهای گلخانه‌ای و مقاومت فشاری طولانی‌مدت قابل مقایسه می‌شود. بخش ساخت و ساز ممکن است با استفاده از بتن کم کربن در پروژه های خود، بدون به خطر انداختن یکپارچگی و عملکرد سازه، ردپای کربن خود را به طور موثر کاهش دهد.

V. چالش ها و مسیرهای آینده
تنوع و استاندارد مواد سیمانی تکمیلی (SCMs) می تواند نامنظم باشد و بر پتانسیل گسترش استفاده از بتن کم کربن تأثیر بگذارد.
علاوه بر این، تغییرات در ترکیب شیمیایی مواد سیمانی تکمیلی (SCMs) ممکن است منجر به ناسازگاری در عملکرد بتن شود. این امر نیاز به طراحی و آزمایش دقیق مخلوط را برجسته می کند.
موضوع دیگر مربوط به در نظر گرفتن هزینه ها است. اگرچه بتن کم کربن ممکن است در درازمدت مزایای هزینه ای داشته باشد، اما ممکن است به دلیل نیاز به روش ها و مواد خاص تولید، هزینه های اولیه بالاتری داشته باشد.

VI. تحقیق و توسعه آینده
ایجاد مصالح بتن سازه ای پیچیده (SCM) با ویژگی های پیشرفته و ثابت برای تضمین عملکرد ثابت در دسته های مختلف بتن. علاوه بر این، پیشرفت‌هایی در جذب و ذخیره‌سازی CO2 در زمینه بتن برای ایجاد مصالح ساختمانی که تأثیر کربن منفی دارند، انجام می‌شود. در نهایت، انجام ارزیابی‌های چرخه حیات گسترده (LCAs) برای داشتن درک کامل از پیامدهای زیست‌محیطی بلندمدت و مزایای مرتبط با بتن کم کربن بسیار مهم است.

مراجع:
Chang, (2015, on the environmental impact assessment of construction material through the application of carbon reducing element-focused on global warming potential of concrete . . .. https://koreascience.kr/article/JAKO201509058575839.page
Kamel, Ricardo, & Luís. (2019). Comparative sustainability assessment of binary blended concretes using Supplementary Cementitious Materials (SCMs) and Ordinary Portland Cement (OPC). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652619303890
Lynn, Nathan, Chris, & Leticia. (2001). Carbon dioxide emissions from the global cement industry. https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev.energy.26.1.303
Norbert, (2001). Lessons from Roman cement and concrete. https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)1052-3928(2001)127:3(109)
Ognjen, & Joseph. (n.d.). Introduction to energy and sustainability. John Wiley Sons. https://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=zZ1EEAAAQBAJ&oi=fnd&pg=PR15&dq=By+2023,+the+worldwide+production+of+cement+had+reached+a+staggering+4.2+billion+tons,+resulting+in+the+release+of+approximately+3.78+billion+tons+of+carbon+dioxide+(CO%E2%82%82)+into+the+atmosphere.&ots=F1laYwrVA5&sig=fZ_ilMAhgx7Wlf-XBUMLRxt6aiA
Richard. (2004). Prospects for carbon capture and storage technologies. https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev.energy.29.082703.145619
Rosa, Miguel, & Domingo. (2020). Granulated blast-furnace slag and coal fly ash ternary portland cements optimization. https://www.mdpi.com/2071-1050/12/14/5783
Ryan J. (1929). The story of Portland cement. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ed006p1854
Stefan, Moien, & Carl-Alexander. (2013). Eco-friendly concretes with reduced water and cement contents—Mix design principles and laboratory tests. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S000888461300094X
Xiaodong, Junjie, Mulan, & Yuli. (2019). Comparison of CO2 emissions from OPC and recycled cement production. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061819307895