به سایت پارسمان شیمی خوش آمدید

زیر مجموعه گروه پارسمان
کربناته شدن یا کربناسیون بتن چیست؟

کربناته شدن یا کربناسیون بتن چیست؟

کربناته شدن یا کربناسیون بتن واکنش شیمیایی بین دی‌اکسید کربن موجود در هوا و هیدروکسید کلسیم و سیلیکات کلسیم هیدراته شده در بتن است که عمدتاً به تشکیل کربنات‌ها منجر می‌شود. تشکیل کربنات‌ها در این واکنش‌های شیمیایی باعث تثبیت دائمی این CO2 می‌شود. کربناته شدن از سطوح در معرض CO2 سازه‌های بتنی به داخل بتن رخ می‌دهد، همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است.

کربناته شدن از یک سطح در معرض CO2 یک سازه بتنی.

این فرآیند به طور آهسته pH بتن را از لایه‌های بیرونی، از حدود 13 به بین 8-9 تغییر می‌دهد. در سازه‌های بتنی مسلح، این تغییر pH می‌تواند حالت محافظتی خوردگی فولاد تقویتی را مختل کند و اگر رطوبت و اکسیژن موجود باشند، فولاد تقویتی می‌تواند شروع به خوردگی کند. این موضوع می‌تواند به پوسته شدن سطح بتن و کاهش مقاومت مکانیکی منجر شود. برای جلوگیری از خوردگی فولاد تقویتی، قواعد طراحی، پوشش مناسب بتن، معمولاً بیش از 30 میلی‌متر، با استفاده از بتن با مقاومت بالا (بنابراین کم‌تخلخل‌تر) را تجویز می‌کنند. نمونه‌ای از این وضعیت در شکل زیر نشان داده شده است.

کربناته شدن باعث کاهش مقدار pH بتن می‌شود. یک pH بالا برای حفاظت از میلگرد در برابر خوردگی لازم است. این مشکل با طراحی استفاده از بتن با مقاومت بالا و لایه پوششی، معمولاً 30 میلی‌متر یا بیشتر، حل می‌شود.

با این حال، کربناته شدن می‌تواند هر دو مقاومت فشاری و کششی بتن را افزایش دهد، بدون در نظر گرفتن میلگرد فولادی. این اثر می‌تواند مثلاً برای بهبود مقاومت بتن خرد شده هنگام استفاده به عنوان سنگدانه بازیافتی در جاده‌ها و پی‌ها با اجازه دادن به کربناته شدن ماده مورد استفاده قرار گیرد. این فرآیند کربناته شدن می‌تواند با ذخیره کردن بتن خرد شده و استفاده از آن به گونه‌ای که سطح بتن‌ها در طول زمان ذخیره و استفاده حداکثر در معرض CO2/هوا باشند، تسریع شود.

اختلاط ذرات درشت و ریز در بتن خرد شده منجر به منسجم شدن ذرات و جلوگیری از گردش هوا می‌شود، همانطور که لایه‌های پوششی متراکم نیز این کار را انجام می‌دهند. مدیریت و ذخیره‌سازی بتن خرد شده برای جذب CO2 یک عامل مهم برای به حداکثر رساندن تثبیت CO2 است. یک نمونه از این در شکل‌های زیر نشان داده شده است.

یک محدوده وسیع از اندازه‌های ذرات بتن خرد شده منجر به ساختارمنسجم سازی فشرده با حرکت محدود هوا می‌شود.

محدوده کاهش یافته‌ای از اندازه‌های بتن خرد شده، بصورت منسجم کارآمد کمتری دارد و در نتیجه اجازه می‌دهد هوا و CO2راحت‌تر از طریق ساختار حرکت کنند و نرخ کربناته شدن را افزایش دهند. به‌طور متناوب، مخلوط کردن دوره‌ای ذرات نیز ممکن است سطح ذرات را در معرض CO2 قرار دهد تا کربناته شدن را تسهیل کند.

جنبه‌های اقلیمی کربناته شدن بتن

موضوع اقلیم هم از منظر بین‌المللی و هم در سطح ملی اهمیت دارد. بسیاری از سازمان‌ها و شرکت‌ها به طور فعال بر روی مسائل اقلیمی کار می‌کنند و کاهش گازهای گلخانه‌ای اغلب یک هدف مهم است، همچنین نقشه‌برداری و پایش گازهای گلخانه‌ای از اهداف مهم دیگر می‌باشد.

در سطح بین‌المللی، کشورهای مختلف انتشار گازهای گلخانه‌ای خود را به کنوانسیون چارچوب سازمان ملل متحد در مورد تغییرات اقلیمی (UNFCCC) گزارش می‌دهند. پایش بین‌المللی انتشار خالص گازهای گلخانه‌ای به اتمسفر، بخش مهمی از نقشه‌برداری و پایش تلاش‌های جهانی در زمینه اقلیم است. دستورالعمل‌هایی برای چگونگی انجام محاسبات انتشار در چارچوب هیئت بین‌دولتی تغییرات اقلیمی (IPCC) ارائه شده است و در اسنادی مانند «دستورالعمل‌های 2006 IPCC برای محاسبات ملی گازهای گلخانه‌ای» تنظیم می‌شود.

برای اینکه محاسبات انتشار خالص گازهای گلخانه‌ای به اتمسفر تا حد ممکن دقیق باشد، مهم است که دستورالعمل‌ها و سایر اسناد توسط IPCC به‌روزرسانی و بهبود یابند. به همین دلیل، بهبود روش‌شناسی و به‌روزرسانی «دستورالعمل‌های 2006 IPCC برای محاسبات ملی گازهای گلخانه‌ای» اهمیت دارد. این دستورالعمل در حال حاضر به‌روزرسانی نشده تا شامل کربناته شدن بتن باشد. بنابراین، هنگام انجام چنین محاسباتی باید از منابع دیگر استفاده شود. این محاسبات نیز نسبتاً پیچیده هستند و نیاز به پایه علمی و فنی قابل توجهی برای انجام صحیح دارند. علاوه بر این، مدل‌های کامپیوتری نیز ممکن است برای بهبود محاسبات و افزایش دقت مورد نیاز باشند. یکی از اهداف مهم این وب‌سایت ارائه چنین مطالب حمایتی و مدل‌های محاسباتی کامپیوتری است.

کربناته شدن یا کربناسیون بتن چیست؟
کربناته شدن یا کربناسیون بتن چیست؟

کربناته شدن – چگونه عمل می‌کند؟

معمول‌ترین نوع سیمان، سیمان پرتلند، از مخلوط کردن سنگ آهک با مواد دیگر مانند آهن، آلومینیوم و مواد معدنی حاوی سیلیکون، اغلب به شکل خاک رس، ساخته می‌شود. مواد دیگری نیز ممکن است در ساخت سیمان حضور داشته باشند مانند سرباره کوره بلند و خاکستر بادی. این مواد نمونه‌هایی از استفاده از مواد بازیافتی در ساخت سیمان هستند. مواد آسیاب، مخلوط و در دمای بالا (1400-1450 درجه سانتی‌گراد) در یک کوره دوار پخته می‌شوند تا کلینکر سیمان تشکیل شود.

تولید کلینکر نیاز به دمای بالا دارد و بنابراین انرژی‌بر است. سوخت‌های مورد استفاده در جهان عمدتاً زغال‌سنگ، نفت و کک نفتی (از پالایش نفت) هستند، اما همچنین سوخت‌های ساخته شده از زیست‌توده و ضایعات مانند روغن ضایعاتی، حلال‌ها، پلاستیک و لاستیک‌های ضایعاتی به طور فزاینده‌ای استفاده می‌شوند. سوخت‌های فسیلی مورد استفاده در کوره سیمان باعث تولید گازهای CO2 (گازهای گلخانه‌ای) می‌شوند. انتشار دیگر گازهای گلخانه‌ای مانند متان (CH4) و اکسید نیتروژن (N2O) تنها به مقدار کمی وجود دارد زیرا دمای احتراق بالا است و شرایط احتراق در کوره‌های سیمان به خوبی کنترل می‌شود.

در تولید سیمان، بخش عمده‌ای از دی‌اکسید کربن، هم از احتراق سوخت‌های مورد نیاز در تولید کلینکر (کوره سیمان) و هم از تکلیس سنگ آهک در مواد اولیه به کوره سیمان، تشکیل می‌شود. به عنوان مثال، طبق واکنش زیر: CaCO3 → CaO + CO2

تکلیس معکوس – کربناته شدن

این واکنش‌های تکلیسی دائمی نیستند بلکه معکوس‌پذیر هستند. این بدان معنی است که CO2 توسط فرآیندی که به آن کربناته شدن گفته می‌شود به بتن جذب می‌شود. به طور اصولی، همان مقدار CO2 که از مواد اولیه در کوره سیمان خارج می‌شود می‌تواند توسط بتن از طریق کربناته شدن جذب شود. با این حال، مقدار CO2 که در یک بازه زمانی معقول توسط کربناته شدن جذب می‌شود به چندین عامل بستگی دارد. فرآیند کربناته شدن یک فرآیند آهسته است که می‌تواند برای سال‌ها ادامه داشته باشد. بنابراین، مسئله زمان یک مسئله مهم است. دسترسی CO2 به بتن نیز حیاتی است. بتن باید در معرض CO2 قرار بگیرد تا بتواند کربناته شود. حمل و نقل مولکول‌های CO2 به داخل بتن نیز یک عامل مهم است. برای مثال، اگر بتن پس از استفاده خرد شود، نرخ کربناته شدن به طور قابل توجهی به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم افزایش می‌یابد.

جنبه‌های مهمی که باید در نظر گرفته شوند

کربناته شدن به عنوان یک جنبه مهم در محاسبات اقلیمی و انتشارات برای سیمان و بتن باید مورد توجه قرار گیرد. امروزه، انتشار گازهای گلخانه‌ای از کشورهای مختلف گزارش می‌شود که به نوبه خود برای حمایت از استراتژی‌های مختلف اقلیمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این گزارش‌ها به طور ملی به مقامات ملی (مثل گزارش ملی موجودی، NIR) و بین‌المللی به UNFCCC ارسال می‌شوند. دستورالعمل‌های مربوط به محاسبات انتشار توسط IPCC تدوین و به‌روزرسانی می‌شوند. نسخه فعلی، «دستورالعمل‌های 2006 IPCC برای موجودی ملی گازهای گلخانه‌ای»، شامل انتشار گازهای گلخانه‌ای از فرآیندهای سیمان و بتن است. هر دو انتشار CO2 از احتراق سوخت‌های فسیلی و انتشار از مواد اولیه (تکلیس) در این دستورالعمل گنجانده شده‌اند.

با این حال، هیچ توجهی به کربناته شدن بتن نشده است (اگرچه به عنوان یک حوزه برای کارهای آینده ذکر شده است). این ممکن است به عنوان یک نقص در این محاسبات تلقی شود که می‌تواند منجر به نتایج کمتر دقیق شود. برآورد می‌شود که استفاده از بتن امروز حدود 5-8 درصد از انتشار دی‌اکسید کربن جهان را تشکیل می‌دهد. حدود 50-60 درصد از این انتشارات از مواد اولیه ناشی می‌شود و بنابراین پتانسیل جذب مجدد توسط کربناته شدن بتن را دارد، هم در طول فاز استفاده از محصولات بتنی و هم در مرحله انتهای عمر و استفاده ثانویه. ما معتقدیم که این بخش مهمی از محاسبات اقلیمی است و بنابراین می‌خواهیم محاسبات را بهبود بخشیم تا بهتر واقعیت را منعکس کنند. این صفحه وب روش‌ها و مدل‌هایی برای محاسبه جذب CO2 (کربناته شدن) در محصولات مختلف حاوی سیمان پیشنهاد می‌دهد.

سوالات متداول در حوزه بتن
سوالات متداول در حوزه بتن

سوال 1: کربناته شدن بتن چیست؟

پاسخ: کربناته شدن بتن یک واکنش شیمیایی بین دی‌اکسید کربن موجود در هوا و هیدروکسید کلسیم و سیلیکات کلسیم هیدراته شده در بتن است که منجر به تشکیل کربنات‌ها می‌شود. این فرآیند باعث کاهش pH بتن می‌شود و می‌تواند تاثیرات مختلفی بر خواص فیزیکی و شیمیایی بتن داشته باشد.

سوال 2: چرا کربناته شدن بتن اهمیت دارد؟

پاسخ: کربناته شدن بتن اهمیت دارد زیرا می‌تواند به کاهش pH بتن منجر شود که این کاهش می‌تواند حفاظت فولاد تقویتی در برابر خوردگی را مختل کند. همچنین، کربناته شدن می‌تواند مقاومت فشاری و کششی بتن را افزایش دهد که می‌تواند در استفاده از بتن خرد شده به عنوان مصالح بازیافتی در جاده‌ها و پی‌ها مفید باشد.

سوال 3: چه عواملی بر نرخ کربناته شدن بتن تاثیر می‌گذارند؟

پاسخ: عواملی که بر نرخ کربناته شدن بتن تاثیر می‌گذارند شامل دما، رطوبت، غلظت دی‌اکسید کربن، تخلخل و سطح در معرض قرار گرفته بتن است. خرد شدن بتن پس از استفاده و افزایش نسبت سطح به حجم نیز می‌تواند نرخ کربناته شدن را افزایش دهد.

سوال 4: چگونه می‌توان کربناته شدن بتن را در محاسبات اقلیمی و انتشاراتی لحاظ کرد؟

پاسخ: برای لحاظ کردن کربناته شدن بتن در محاسبات اقلیمی و انتشاراتی، لازم است که مدل‌ها و روش‌های دقیق برای محاسبه جذب CO2 توسط بتن تدوین شود. این شامل بررسی میزان CO2 جذب شده در طول دوره استفاده از بتن و در مراحل انتهای عمر و استفاده ثانویه است.

سوال 5: چگونه می‌توان از خوردگی فولاد تقویتی در بتن جلوگیری کرد؟

پاسخ: برای جلوگیری از خوردگی فولاد تقویتی در بتن، می‌توان از بتن با مقاومت بالا و تخلخل کم استفاده کرد و پوشش مناسب برای بتن، معمولاً بیش از 30 میلی‌متر، را در طراحی سازه‌ها لحاظ کرد. این اقدامات به کاهش نفوذ CO2 و محافظت از فولاد در برابر خوردگی کمک می‌کنند.

سوال 6: چه تاثیرات مثبتی می‌تواند کربناته شدن بتن داشته باشد؟

پاسخ: کربناته شدن بتن می‌تواند تاثیرات مثبتی نیز داشته باشد، مانند افزایش مقاومت فشاری و کششی بتن. این تاثیرات می‌تواند در بهبود استفاده از بتن خرد شده به عنوان سنگدانه بازیافتی در ساخت و سازهای جدید مفید باشد.

سوال 7: چگونه می‌توان نرخ کربناته شدن بتن خرد شده را افزایش داد؟

پاسخ: برای افزایش نرخ کربناته شدن بتن خرد شده، می‌توان بتن را در شرایطی ذخیره و استفاده کرد که سطح بتن حداکثر در معرض CO2 و هوا باشد. همچنین، مخلوط کردن دوره‌ای ذرات و استفاده از محدوده کاهش یافته‌ای از اندازه‌های ذرات بتن خرد شده می‌تواند به افزایش نرخ کربناته شدن کمک کند.

سوال 8 جنبه‌های مهمی که باید در نظر گرفته شوند چیست؟

کربناته شدن بتن یک فرآیند حیاتی است که بر دوام و عمر مفید سازه‌های بتنی تأثیر می‌گذارد. در اینجا جنبه‌های مهمی که باید در نظر گرفته شوند آورده شده است:

  1. نفوذ CO2: دی‌اکسید کربن از جو به سطح بتن نفوذ کرده و فرآیند کربناته شدن را آغاز می‌کند.
  2. واکنش شیمیایی: CO2 با هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2) در بتن واکنش داده و کربنات کلسیم (CaCO3) تشکیل می‌دهد. این واکنش باعث کاهش pH بتن می‌شود.
  3. جبهه کربناته شدن: منطقه‌ای که کربناته شدن در آن پیشرفت کرده است. این فرآیند معمولاً از سطح شروع شده و به مرور زمان به داخل بتن نفوذ می‌کند.
  4. کاهش pH: این فرآیند pH بتن را از حدود 12.6 به زیر 9 کاهش می‌دهد که می‌تواند منجر به از بین رفتن لایه محافظ فولاد تقویتی شود.
  5. زنگ‌زدگی فولاد: با کاهش pH، لایه اکسید محافظ روی فولاد تقویتی می‌تواند شکسته شده و منجر به زنگ‌زدگی شود. فولاد زنگ‌زده منبسط شده و می‌تواند باعث ترک‌خوردگی و فروپاشی بتن شود.
  6. رطوبت و تخلخل: سرعت کربناته شدن تحت تأثیر محتوای رطوبت و تخلخل بتن قرار دارد. پخت مناسب و نفوذپذیری کم می‌تواند سرعت کربناته شدن را کاهش دهد.
  7. اقدامات حفاظتی: استفاده از پوشش‌ها، درزگیرها یا افزودنی‌های بتن می‌تواند به محافظت در برابر کربناته شدن کمک کند. طراحی و نگهداری صحیح می‌تواند عمر مفید سازه را افزایش دهد.
  8. آزمایش و نظارت: آزمایش و نظارت منظم بر pH بتن، محتوای رطوبت و عمق کربناته شدن برای ارزیابی وضعیت سازه مهم است.

درک این جنبه‌ها به طراحی سازه‌های بتنی بادوام و اجرای استراتژی‌های نگهداری موثر برای کاهش اثرات کربناته شدن کمک می‌کند.