کاربرد آلومینیوم در بتن

بتن پرکاربردترین مصالح در دنیاست. به گزارش انجمن جهانی سیمان و بتن، در سال 2020 تولید جهانی بتن 14 میلیارد متر مکعب بود. بتن بیشتر از جنس سنگ است اما 80-90% از آلایندگی مربوط به سیمان است (ماده‌ای که بتن را به هم می‌چسباند). تولید بتن هم به صورت مستقیم (از طریق فرایند تکلیس سنگ آهنگ) و هم به صورت غیر مستقیم (از طریق انرژی مورد نیاز برای انجام فرایند) باعث انتشار کربن می‌شود. در نتیجه، 5 الی 8% از آلایندگی کربن در دنیا ناشی از تولید سیمان است.

دوام و ردپای کربنی دو مورد از بزرگ‌ترین چالش‌های استفاده از بتن است. پروژه تحقیقاتی ساخت بتن آلومینیومی بادوام و دوستدار محیط زیست (که به اختصار DARE2C نامیده می‌شود) در سال 2017 آغاز شد و بر پایه این ایده شکل گرفت که استفاده از آلومینیوم منجر به دوام بتن می‌شود و امکان استفاده از مواد دوستدار محیط زیست را فراهم می‌کند که ردپای کربنی بتن را نسبت به بتن‌های کم کربن فعلی به طرز قابل توجهی پایین می‌آورد.

بتن کم کربن و سازگار با آلومینیوم

همانطور که قبلا اشاره شد، در پرتو چالش اقلیمی، صنعت ساخت و ساز باید به دنبال کاهش انتشار کربن باشد. روش اصلی برای رسیدن به این مهم، کاهش مصرف سیمان استاندارد پورتلند است. اما از آنجا که خاصیت قلیایی سیمان‌های رسی پایین است، تلاش‌های صنعت در تولید سیمان‌های سازگار با محیط زیست نافرجام مانده است.

از طرف دیگر، آلومینیوم تحمل pH بالای بتن‌های تجاری امروز را ندارد. بنابراین هدف از DARE2C جایگزین کردن بخش زیادی (بیش از 50%) از سیمان داخل بتن با رس مکلس و کاهش pH به کمتر از 10 بود تا آلومینیوم به ثبات برسد‌.

بعد از پنج سال تحقیق و توسعه، کارشناسان موفق به تولید بتن کم کربن شدند که دارای خواص مکانیکی محکم است و با آلومینیوم سازگاری دارد. دیدیم که چند آلیاژ آلومینیوم برای محکم‌سازی بتن مناسب است. ترکیب به دست‌آمده به طرز فوق‌العاده‌ای حاوی مقادیر کم کربن است. این ترکیب هنوز وارد بازار نشده اما طبق نظریه، محاسبات نشان می‌دهد که بتن جدید ما در مقایسه با بتن حاوی 100% سیمان صنعتی پورتلند (CEM 1) تا 70% از میزان انتشار کربن می‌کاهد.

مزایای استفاده از آلومینیوم به جای فولاد

اگر به مرور زمان از فولاد محافظت نکنید، در محیط‌های خشن می‌پوسد. در این شرایط، سازه‌های بتنی که با فولاد محکم شده‌اند، مقدار سیمان مصرف‌شده در بتن را بیشتر می‌کنند تا کیفیت و ضخامت بتن افزایش پیدا کند و فولاد فرسوده نشود. یعنی مصرف مواد و سیمان بیشتر می‌شود و میزان انتشار کربن از این هم بالاتر می‌رود.

 آلومینیوم به طور طبیعی یک لایه سطحی از اکسید دارد و به همین خاطر، نسبت به محیط مقاوم است. بنابراین، می‌توان روکش بتن را (تا حدود 20 mm) کاهش داد تا فقط انتقال فشار تضمین شود یا هیچ روکشی وجود نداشته باشد. با این کار، حجم، مصرف مصالح و وزن بتن کاهش می‌یابد. تمام این موارد منجر به کاهش رد پای کربنی سازه می‌شود.

فولاد سه برابر آلومینیوم محکم است اما به همین اندازه سنگین‌تر است. اما شکل دادن به آلومینیوم راحت است و می‌توان با قالب‌گیری یا گچ‌گیری آن را به اشکالی درآورد که علی رغم ماژول کشسانی کمتر، استحکام و سفتی کافی را فراهم می‌کند.

در شرایطی که استفاده از آلومینیوم انتخاب درستی است، ساختار بتنی سبک، ظریف و زیبا به دست می‌آید. به علاوه می‌توان از آلومینیوم به عنوان ترکیبی از عناصر سازه‌ای و طراحی استفاده کرد (ترجیحا فلز آلومینیوم کم کربن یا بازیافتی). توانایی امتحان کردن الگوهای مختلف سازه‌ای و زیبایی‌شناختی و به کارگیری سایر ویژگی‌ها نظیر خارج شدن از مرزهای ساختاری بدون نیاز به روش‌های قدیمی ترمیم سطح، ابزار و امکانات جدید را در اختیار طراحان می‌گذارد.

علی رغم مزیت‌های بارز، لازم است در طراحی این سازه‌ها چند چالش فنی را در نظر بگیریم. تفاوت در ضریب انبساط حرارتی طولی بین آلومینیوم و بتن یکی از این چالش‌هاست. با اینکه پروژه ما موفق عمل می‌کند، می‌توان دید که نیروهای ناشی از انبساط حرارتی از طریق مهاربندی و چسبندگی قابل کنترل است.

مصالح ساختمانی بادوام و بدون نیاز به نگهداری

بتن‌های آلومینیومی جزو مصالح ساختمانی بادوام هستند و مقاومت بالایی در برابر ترکیب با کربن، کلر، سولفات و واکنش قلیایی سنگدانه‌ها دارند. این مصالح شامل دو ماده بادوام است. به همین خاطر نیاز به نگهداری ندارد و نسبت به سازه‌های بتنی امروزی طول عمر بالایی دارد. چند نکته:

فرصت‌های ساختمان‌سازی سبز

وجود نمک در ترکیب آب و شن مورد استفادا در بتن به شدت دوام و طول عمر تمام ساختمان‌ها و سازه‌های ساخته‌شده از بتن معمولی و فولاد را کاهش می‌دهد.

ما در تحقیقات خود به این نتیجه رسیدیم که می‌توان در تهیه DARE2C از آب دریا و سنگدانه با روکش نمک استفاده کرد. این نتیجه زمینه‌ساز فرصت‌های جدید “ساختمان‌سازی سبز” در کشورهایی است که با کمبود سنگدانه و آب تازه روبه‌رو هستند.

نتایج مثبت از آزمایشات گسترده

تا اینجا، طی چند مورد به قابلیت‌ها و کاربردهای این محصول اشاره شد. پیاده‌رو از جنس بتن آلومینیومی یک نمونه است. در این مورد از آلومینیوم برای اتصال عناصر و عنصر طراحی سطح استفاده می‌شود تا ظاهر پیاده‌رو معمارگونه شود.

به علاوه، در سکوی بارگیری کارخانه آلومینیوم هیدرو در ساندال نروژ از عنصر کامپوزیت بتن/ آلومینیوم استفاده شد. در اینجا، کاربرد محصول را در یک ساختمان نشان می‌دهیم که کاملا در معرض محیط فرسایشی قرار دارد.

بتن آینده

آزمایشات و نمونه‌های آزمایشی DARE2C ادامه دارد. کم‌کم صنایع از این محصول باخبر می‌شوند. متخصصان صنعت بتن در توصیف محصول جدید ما از اصطلاحاتی نظیر “بتن آینده” استفاده می‌کنند. اما می‌دانیم هنوز راه زیادی در پیش داریم. در اینجا باید اشاره کنیم که انجمن بتن نروژ (Norsk Betongforening) در زمینه شروع پروژه و استانداردسازی بتن DARE2C حامی و پشتیبان ما بود.

صنعت ساخت و ساز طی چند سال باید میزان انتشار کربن را به طرز قابل توجهی کاهش دهد. فرمول ما برای پرکاربردترین مصالح دنیا، شرایط مهم مربوط به حفظ محیط زیست (مثل ردپای کربنی کمتر، قابلیت بازیافت، طول عمر بیشتر و استفاده کمتر از منابع) را دارد.