ساخت بتن با قابلیت جذب CO2
همزمان با افزایش آلاینده های کربنی در سراسر جهان که به گرمایش زمین دامن زده است دانشمندان به دنبال راههای مؤثر برای کاستن از حجم این دسته از گازهای گلخانه ای هستند. در این میان جذب کربن آن هم در مبدأ تولید یکی از راه حلهای مؤثر محسوب می شود اما همچنان چالش به خارج کشیدن کربن از اتمسفر و ذخیره سازی آن احساس می شود.
آمارها نشان می دهد سهم تولید بتن در آزادسازی کربن در سراسر جهان ۵ درصد است .
در ایده جدیدی که محققان دانشگاه کالیفرنیا دنبال می کنند کربن موجود در اتمسفر جذب و به ماده خامی جهت تولید چیزی به نام co2concrete (بتن تولید شده از کربن) می شود . این فرآیند با استفاده از چاپگر های سه بعدی صورت می گیرد .محققان این ایده را در قالب یک فرآیند پیچیده و چند مرحله ای دنبال می کنند.
برای ساخت این نوع سیمان در حدود ۰٫۸ تن کربن دی اکسید به ازای هر ۱ تن از سیمان در هوا آزاد میشود .
البته در زمان ترکیب سیمان با آب برای استفاده در ساخت و ساز هر تن سیمان در حدود ۰٫۴ تن کربن دی اکسید را جذب میکند . که در نتیجه هنوز ۰٫۴ تن کربن دی اکسید به ازای مصرف هر تن سیمان در اتمسفر آزاد میشود .
پیش بینی می شود در سال ۲۰۰۹ در حدود ۲۰۰۰ میلیون تن کربن دی اکسید به دلیل مصرف سیمان در جو آزاد شد .
مشکل مطرح شده در بالا توسط Nikolas Vlasopoulos و همکارانش در دانشگاه امپریال لندن حل شد. و آنها سیمانی با سیلیکات منیزیم ساخته اند که باعث جذب بیشتر کربن دی اکسید در زمان گیرش سیمان میشود .
در زمان ساخت این سیمان حدود ۰٫۵ تن کربن دی اکسید تولید میشود و در زمان گیرش آن حدود ۰٫۶ تن کربن دی اکسید جذب میشود! یعنی در کل مصرف این بتن باعث جذب کربن دی اکسید از هوا میشود.
استفاده نانوذرات در نمای ساختمان سازی
نمای ساختمان ها عموما از مواد معدنی( بتن، آجر یا سنگ)، چوب، فلز و شیشه ساخته می شود. پوشش های نما علاوه بر زیبایی باید قابلیت های دیگری همچون مقاومت به خراش، آلودگی، ترک، تشعشع نور ماورای بنفش و آتش سوزی داشته باشند.
یکی از کاربردهای نانوذرات مهندسی شده به کارگیری در پوشش نمای ساختمان ها است که خواصی متفاوت و بهبود یافته به نمای ساختمان می بخشد
دی اکسیدتیتانیوم دارای خاصیت ذاتی فوتوکاتالیستی است. با تابش نور خورشید بر سطوح حاوی نانوذرات TiO2 ، الکترون-حفره ایجاد شده که در صورت واکنش با آب رادیکال های آزاد هیدروکسیل تولید کرده و آلودگی و چربی های سطح را از بین می برد.
نانوذرات دی اکسید تیتانیوم علاوه بر خاصیت فوتوکاتالیستی، توانایی ایجاد سطوح آبدوست را دارند.
در این حالت تنها بارش باران کافی است تا گرد وغبار و آلودگی های روی سطح با آب حمل شده و سطح را تمیز کند.
ساخت دیوار خنک کنندهبا آجر سه بعدی
محققان آمریکایی با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی، آجرهای متخلخلی طراحی کرده‌اند که با استفاده از آب اقدام به خنک‌سازی محیط میکند. خلل و فرج‌های موجود در آجر چاپ سه‌بعدی Cool Bricks با آب پر شده و از طریق فرآیند تبخیر، دمای اتاق کاهش پیدا میکند.
در حال حاضر در دنیای مدرن امروز صرفه جویی در مصرف انرژی موضوعی بسیار مهم است که معماران و سازندگان بدان توجه ویژه دارند. هزینه ای که صرف نصب و راه اندازی سیستم های سرمایشی و گرمایشی می شود تقریباً بالاست اما بازده ایده آل این سیستم ها در طول زمان از نظر اقتصادی مقرون بصرفه بوده و هزینه های انرژی سرمایشی و گرمایشی را کاهش می دهد. سیستم های تهویه عضو جدانشدنی ساختمان های امروزی هستند که نمی توان از آن ها اجتناب نمود اما پیشرفت ها و فناوری هایی که اخیراً صورت گرفته، محصول جدیدی را به بازار عرضه نموده که نقش بسزایی در خنک کردن ساختمان ایفا می کنند.
آجر خنک کننده یکی از جدیدترین آجرهایی است که دارای طراحی منحصر بفرد بوده و به دلیل تو خالی بودن، نقش مهمی در تنظیم دمای محیط دارد. طراحی آجر خنک کننده توسط محققان آمریکایی و با استفاده از تکنولوژی چاپ سه بعدی صورت گرفت. این نوع آجرها به شکل متخلخل و در ابعاد گوناگون تولید خواهد شد. آجر خنک کننده همان آجر رسی است با این تفاوت که شکل آن نامنظم بوده و هوا را از سطح مقطع نامنظم خود عبور می دهد. شکل نامنظم این محصول ترکیبی از اشکال مثلث و مستطیل است و امکان گردش هوا را فراهم می نماید. اگر بر روی این آجرها آب بریزید، هوای خنک در بین منافذ به جریان در می آید و دمای خانه تا حد زیادی افت پیدا می کند.
آجرهای خنک کننده به دلیل شکل ترکیبی و نامنظم خود از نظر زیبایی بی نظیر هستند و نیاز به زیباسازی نخواهند داشت، از این رو می توان از صرف هزینه های جهت سفید کاری و گچکاری در ساختمان اجتناب کرد.
این آجر ها عایق صوت نیز هستند و در فصل سرما می توان با جلوگیری از رطوبت آجرها آن ها را به عایق حرارتی مناسبی تبدیل کرد.
تولید انرژی خورشیدی از پنجره ها
محققان در دانشگاه ایالت میشیگان (MSU) سلول های جذب کننده ی نور خورشید را به صورتی ساخته اند که کاملا شفاف است. این شفافیت تا حدی است که انسان در نگاه اول فکر می کند که این یک تکه شیشه است، به همین دلیل این جذب کننده های نور را می توان به جای شیشه های معمولی در پنجره ها مورد استفاده قرار داد.
این صفحه های مخصوص متمرکز کننده ی نور خورشید بوده و می توانند آن را جمع کنند، این شیشه ها پتانسیل بالایی دارند و می توان از آنها بر روی پنجره ها به عنوان یک ژنراتور خورشیدی استفاده کرد.
البته طبق گفته سازندگان این دستگاه هنوز توان جذب توسط این جاذب های انرژی خورشیدی در حدود 1 درصد می باشد اما گروه سعی دارند این توان را به 5 درصد برسانند و با ایجاد رنگ های مناسب حتی این جذب را به 7 درصد برسانند، یعنی حدود هفت برابر مقدار فعلی.
حذف کامل ترک های بتن تنها با استفاده از تایر های فرسوده
محققان دانشگاه بریتیش کلمبیا از فیبرهای پلیمری به دست آمده از تایرهای فرسوده برای تولید بتنی استفاده می کنند که ساختار مستحکم تری دارد.
آنها توانسته اند با افزودن فیبرهای انعطاف کشسان مورد نظر به ترکیب سیمان، ماسه و آب، ریزشکافهای موجود در بتنهای معمولی را پر کرده و در نتیجه محصولی به مراتب مستحکم تر از قبل را به دست دهند.
بررسی های آزمایشگاهی نشان داده که این بتن تا ۹۰ درصد بیشتر از نمونه های رایج در برابر شکافهای مشکل آفرین از خود مقاومت نشان می دهد.
برای تهیه فرمول این بتن جدید تنها کافی است این نکته در نظر گرفته شود که ۳۵ صدم درصد از کل بتن مورد نظر از این فیبرها باشد.
این نوآوری مزایای چشمگیر زیادی به همراه دارد زیرا نه تنها مشکل ناشی از انباشت انبوهی از تایرهای فرسوده را برطرف می کند بلکه جان تازه ای به صنعت ساخت و ساز داده تا جایی که کمتر به تعویض بلوکهای بتنی نیاز خواهد بود.
از آن گذشته نیاز کمتری به استفاده از سیمان خواهد بود و با توجه به اینکه فرآیند تولید سیمان یک چالش بزرگ زیست محیطی محسوب می شود، این نوآوری در زمره فناوریهای دوست دار محیط زیست هم به شمار می آید.
ورود ربات های مکانیکی با سرعت بالا به صنعت ساختمان
یک شرکتی فناوری در غرب استرالیا موفق به ساخت رباتی شده است که می تواند 1000 آجر را در یک ساعت جابه جا و هدایت کرده و چارچوب یک خانه را به طور متوسط در کمتر از دو روز بسازد.
به گفته ی Mike pivac مدیر عامل این شرکت این ربات هنوز در مرحله ی نمونه ی اولیه است و امیدوار است بتواند این ربات را به عنوان یک ماشین تجاری تا چند سال آینده به بازار عرضه کند.
این ربات اولین ربات آجرچین خودکار در جهان است که بعد از 10سال تحقیق و تلاش ساخته شده است. در قلب هادریان یک بازوی تلسکوپی مفصل‌دار 28 متری قرار دارد. نسخه نهایی این ربات بر روی یک واگن باری قرار خواهد گرفت تا براحتی قابل انتقال باشد. همچنین آجرها با استفاده از ملات یا چسبی که تحت فشار اعمال میشود، روی هم قرار میگیرند. این ربات 1000 بار در ثانیه خود را برای اجتناب از تداخل ناشی از ارتعاشات یا نوسان، تصحیح میکند. این مفهوم شباهت زیادی به فرآیند ساخت افزودنی مورد استفاده در چاپگرهای سه‌بعدی دارد.
به کمک این ربات می توان به طور چشمگیری زمان و هزینه های ساخت و ساز را کاهش داد . به طور مثال برای ساخت و تکمیل خانه ای استاندارد به صورت سنتی که حدود 15000 آجر نیاز دارد پنج یا شش هفته و یا بیشتر زمان نیاز خواهد بود . اما با این ربات می توان یک خانه را تنها در دو روز ساخت.
ساخت آسانسور های افقی و بدون کابل در آلمان
شرکت مهندسی آلمانی تیسن‌کروپ (ThyssenKrupp) برای اولین بار ایده‌ی آسانسور بدون کابل را در سال ۲۰۱۴ مطرح کرد که در آن موقع غیر عملی به نظر می‌رسید. اما اکنون و پس از سه سال، اولین تست این تکنولوژی را در برج آزمایش آسانسور در رتوایل (Rottweil) آلمان با موفقیت انجام داده است.
آسانسور Multi براساس سیستم رانش مغناطیسی حرکت داده میشود و مشابه فناوری به کار رفته در قطار سریع‌السیر مغناطیسی می‌باشد. به این ترتیب که هر آسانسور دارای یک موتور برای حرکت در جهت عمودی و افقی است و فقط حول یک محور یکسان حرکت میکند. ساختمانهای مرتفعی که این آسانسورها در آنها به کار رفته باشند مجهز به سیستمی پیچیده از محورها خواهند بود که هر 15 تا 30 ثانیه به مسافران این امکان را می‌دهد به آسانسورها دسترسی داشته باشند.
شرکت ThyssenKrupp اعلام کرده است به دلیل اینکه آسانسورMulti نیازمند محورهای کوچکتری به نسبت محورهای معمول به کار رفته در آسانسور های امروزی است فضای مفید آسانسورها می تواند تا 25 درصد افزایش یابد. همچنین با استفاده از آلیاژهای سبک برای کابین ها و درهای آسانسور، وزن آن 50 درصد به نسبت آسانسور های معمولی کاهش پیدا می کند.
تولید بتن قدرتمند سازگار با محیط زیست با گرافن
گرافن نامِ یکی از آلوتروپ‌هایِ کربن است. این ماده در سال ۲۰۰۴ و در دانشگاه منچستر تولید شد و سازندگان آن جایزهٔ نوبلِ فیزیکِ۲۰۱۰ را به خاطرِ ساختِ اولین ماده‌ای دوبعدی جهان دریافت کردند.
این ماده ی دو بعدی به علت داشتن خواص فوق العاده، به ماده ای منحصر به فرد تبدیل شده است که در طول عمر کوتاهی که از کشف و تولید آن می گذرد، توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده‌است.
محققان برای ساخت بتن تقویت شده با صفحات گرافنی، ابتدا صفحات نازک گرافین را با آب مخلوط کرده و سپس آن را با مواد مورد استفاده برای ساخت بتن ادغام کردند. این شیوه تولید، ارزان قیمت و کاملا سازگار با روش های متداول تولید عمده بتن است.
مقاومت بتونی که با استفاده از این شیوه تولید می شود در برابر فشار 146 درصد بیش از بتن های عادی است و نفوذپذیری آن در برابر آب 400 درصد کاهش می یابد. این ویژگی ها موجب افزایش پایداری و طول عمر بتن می شود. بنابر این میزان کمتری بتن تولید می شود و مقدار کمتری سیمان مورد استفاده قرار می گیرد. بدین ترتیب میزان دی اکسید کربن تولید شده در فرآیند ساخت بتن کاهش می یابد.
علاوه بر این استفاده از گرافین در بتن موجب کاهش 50 درصدی سایر مواد اولیه مورد استفاده برای ساخت آن می شود. به گفته محققان این کاهش مواد اولیه مورد استفاده منجر به کاهش 446 کیلوگرم از دی اکسید کربن تولید شده در جریان ساخت هر تن بتن می شود.
از نظر مکانیکی، مقاومت کششی نهایی گرافین برابر ۱۳۰ گیگاپاسکال است که در مقایسه با مثلاً ۴۰۰مگاپاسکال مقاومت کششی فولاد، و همچنین خاصیت نفوذ ناپذیری آن، نشان از پتانسیل بالای این ماده برای استفاده در قسمت های مختلف صنعت ساختمان دارد.
افزایش استحکام بتن با استفاده از بطری‌های پلاستیکی
محققان همواره به دنبال راهکارهای کاهش تولید کربن در محیط زیست در صنعت بتن هستند. حدود 4.5 درصد از دی اکسید کربن تولید شده به دست بشر، حاصل فعالیت صنایع تولید بتن است.
پیش از این مطالعات دیگری در خصوص ادغام پلاستیک و بتن انجام گرفته است که موفقیت آمیز نبوده‌اند. اما محققان MIT دریافتن قرارگرفتن پلاستیک در برابر تشعشعات گاما موجب افزایش استحکام آن میشود. سپس این پلاستیک به صورت پودر درآمده و با سیمان مخلوط میشود. استحکام بتنی که با استفاده از این شیوه به دست می‌آید، در مقایسه با بتن عادی 20 درصد بیشتر است.
محققان با بررسی بتن به دست آمده از این شیوه با استفاده از میکروسکوپ های الکترونی و اشعه X دریافتند با استفاده از پودر پلاستیک ساختار کریستالی بتن اساسا دستخوش تغییر شده و چگالی آن افزایش یافته است. همچنین در این بررسی‌ها معلوم شد پودر پلاستیک مورد استفاده در این فرآیند فاقد هرگونه خاصیت رادیواکتیو است.
در این تحقیقات معلوم شد هرچه میزان پودر پلاستیک بیشتر باشد، استحکام بتن نیز بیشتر است. با وجود این برای تعیین مناسب‌ترین نسبت پلاستیک و سیمان برای دستیابی به حداکثر استحکام، مطالعات بیشتری لازم است.
با وجود این که پودر پلاستیک مورد استفاده در تولید بتن در حدود 1.5 درصد از مواد اولیه مورد نیاز را تشکیل می‌دهد، استفاده از این شیوه در مقیاس جهانی می‌تواند تاثیر چشمگیری در میزان تولید کربن و کاهش زباله‌دانی‌های پلاستیک برجای بگذارد.
تولید بتن سبک از پسمانده های هسته ای برای کاهش تشعشعات
با توجه به حرکت کشور های جهان برای دستیابی به تکنولوژی صلح آمیز هسته ای برای تولید انرژی مفید، پسمانده های هسته ای حاصل از فعالیت های هسته ای نیز افزایش می یابد.
حمیدرضا وثوقی فر ، عضو انجمن مهندسان عمران امریکا به عنوان سرپرست گروه تحقیقات تولید این نوع بتن اظهار داشت: محققان و پژوهشگران ایرانی تحقیقات خودشان را بر روی کاهش اثرات منفی پسمانده های هسته ای متمرکز کرده و موفق شدند با همکاری یکی از دانشگاه های صنعتی انگلستان بتن های سبک را از پسماند ه های هسته ای تولید کنند.
وی اظهار داشت: گروه محققان ایرانی با کاربرد پسمانده های هسته ای در ساخت بتن خاص با مقاومت های مناسب دریافتند ترکیبات هیدراتاسیون وسایر واکنش های شیمیایی بتن تا حدود قابل توجهی از تشعشعات این مواد می کاهد و راهکار بسیار مناسبی برای استفاده مجدد از پسمانده های هسته ای است.
دبیر اولین همایش زلزله وسبک سازی ساختمان گفت: نتایج تحقیقات موید این مطلب است که این مطلب می تواند تشعشعات را تا حدود 60 درصد کاهش دهد که برآیند این تحقیق می توان در ارتباط با کاهش خطر آفرینی پسماند ه های دیگر حاصل از فعالیت های شیمیایی مواد وغیره استفاده کرد.
وی کاربرد بتن سبک تولیدی از پسمانده های هسته ای را با توجه به ویژگی های خاص آن در ساخت دیوار های برثی و تیر های فرعی در بخش های مختلف سازه های عمرانی عنوان کرد.
مهندس وثوقی فر اشاره کرد: با این حال با وجود محقق شدن تمامی تحقیقات صورت گرفته در این زمینه می توان امیدوار بود که محیط زیستی عاری از هر نوع آلودگی هسته ای را در کنار توسعه این صنایع داشته باشیم
استحکام سیمان با نانو پلاکت هایی با ریشه سبزیجات
محققان دانشگاه لنکستر انگلیس با اضافه کردن نانو پلاکت های ریشه سبزیجات سیمان را تقویت کرده اند.این تحقیق به رهبری پروفسور محمد صافی انجام شد. به گفته او این پلاکت های سلولزی(که با همکاری شرکت اسکاتلندی CelluComp تولید شده اند) در حقیقت ورقه های نانویی هستند که از ریشه هویج و چغندر قند ساخته شده اند.
این بخش سبزیجات در صنعت مواد غذایی دور ریز به حساب می آیند. هنگامی که ریشه این سبزیجات به ترکیب سیمان اضافه می شود، پلاکت ها مقدار هیدرات سیلیکات کلسیم را می افزایند. این ماده محصول اصلی هیدراسیون سیمان «پورتلند» است و در اصل عامل تقویت سیمان به حساب می آید.
در آزمایشگاه، افزودن پلاکت ها سبب شد سیمان به شدت قدرتمندتر شود، به طوری که برای دستیابی به میزان معینی استحکام، به ۴۰ کیلوگرم سیمان پرتلند کمتری نیاز بود.این بدان معناست که سیمان کمتری برای ساخت یک سازه نیاز است. چنین روندی به حفظ محیط زیست کمک می کند زیرا تولید سیمان یکی از منابع اصلی ایجاد گاز دی اکسید کربن است.
علاوه بر تمام این موارد افزایش پلاکت ها، تراکم میکروساختار سیمان را نیز می افزاید و در نتیجه مقاوم سازی سازه های بتنی در برابر خوردگی بتن بیشتر می شود.
