بتن ضروری‌ترین و یکی از مواد پرکاربرد در صنعت ساخت و ساز است. انتخاب بتن به عوامل مختلفی مانند محیط، مصرف انرژی، بودجه و جنبه‌های فنی بستگی دارد. از این‌رو، فناوری بتن به سمت توسعه مصالح ساختمانی جایگزین گام برداشته است که می‌تواند این جنبه ها را برآورده کند و به‌صورت محلی در دسترس باشد تا هزینه ساخت و ساز را کاهش دهد. مواد زیادی برای این منظور استفاده می‌شود مانند سرباره کوره بلند دانه‌بندی شده ( سرباره کوره سیمان -GGBS)، خاکستر پوسته برنج (RHA)، دوده سیلیس، خاکستر بادی و غیره. همه این مواد به‌عنوان افزودنی‌های پوزولانی یا مواد افزودنی معدنی طبقه‌بندی می‌شوند. همچنین به‌عنوان مواد سیمانی مکمل نیز شناخته می‌شوند.
در این مقاله خاکستر پوسته برنج، روش ساخت آن، خواص، مزایا و معایب، کاربردها و اثرات آن بر خواص بتن بررسی شده است.
خاکستر پوسته برنج محصول جانبی کشاورزی است و در کارخانه‌های برنج تولید می‌شود. پوسته برنج پوشش دانه‌های برنج است. این پوشش از دانه یا دانه‌های برنج در طول فصل رشد محافظت می‌کند. پوسته به مواد سخت از جمله سیلیس اوپالین و لیگنین تبدیل می‌شود. وقتی پوست برنج به‌درستی سوزانده شود، حاوی مقادیر زیادی سیلیس (SiO2) خواهد بود.
از این رو می‌توان از آن به‌عنوان ماده سیمانی مکمل در ترکیب با سیمان برای ساخت محصولات بتنی استفاده کرد. وقتی شلتوک آسیاب می‌شود، 80 درصد وزن برنج و 20 درصد وزن به‌دست آمده را پوسته تشکیل می‌دهد. این پوسته همچنین می‌تواند به‌عنوان سوخت برای تولید بخار یا برق و موارد دیگر مورد استفاده قرار گیرد.
طبق تحقیقات، جهان هر سال حدود 649/7 میلیون تن برنج تولید می‌کند. به ازای هر 1000 کیلوگرم (1 تن) شلتوک، حدود 200 کیلوگرم (20%) پوسته تولید می‌شود و زمانی که این پوسته در دیگ‌ها می‌سوزد، حدود 40 کیلوگرم (20%) خاکستر پوسته برنج تولید می‌شود. RHA یک ماده پوزولانی عالی می‌سازد زیرا تقریباً همان خواص دوده سیلیس یا میکرو سیلیس را دارد. بنابراین، پتانسیل زیادی در استفاده از RHA به‌عنوان یک مخلوط بتن وجود دارد.
مراحل ساخت خاکستر پوسته برنج
پوسته برنج حاوی حدود 75 درصد مواد آلی ناپایدار است. 25 درصد دیگر وزن این پوسته در طی فرآیند پخت به خاکستر تبدیل می‌شود. این خاکستر به خاکستر پوسته برنج (RHA) معروف است. همچنین به‌عنوان خاکستر پوسته برنج نیز شناخته می‌شود. بنابراین بالاترین سیلیس آمورف را می‌توان با سوزاندن پوسته برنج در دمای 500 تا 700 درجه سانتی‌گراد به‌دست آورد.
خاکستر پوسته برنج یک پوزولان فعال است و کاربردهای متعددی در صنعت سیمان و بتن دارد. استفاده از RHA هزینه کمتری دارد زیرا نیاز به سیمان را کاهش می‌دهد و در نتیجه هزینه کلی تولید بتن را کاهش می‌دهد. کاهش نیاز به سیمان منجر به آلودگی زیست محیطی کمتر توسط کارخانه‌های سیمان می‌شود و مزایای اقتصادی و زیست محیطی همراه با ارائه روشی سودمند برای دفع این ضایعات کشاورزی که کاربرد کمی به‌عنوان جایگزین دارد، فراهم می‌کند.
با استفاده از خاکستر پوسته برنج، بتن به‌تدریج غیر قابل اجرا می‌شود. از این رو باید از افزودنی‌های کاهنده آب برای به دست آوردن بتن قابل اجرا برای سهولت در بتن‌ریزی و تراکم بتن استفاده شود.
خاکستر پوسته برنج در موارد زیر نیز استفاده می شود:
بتن سبز سازگار با محیط زیست است و با استفاده از محصولات جانبی به‌عنوان اجزای سازنده آن، محیط زیست را نجات می‌دهد. این محصولات جانبی توسط صنایع به اشکال مختلف مانند خاکستر بادی، خاکستر پوسته برنج، میکرو سیلیس، GGBS و غیره تولید می‌شوند. علاوه بر این، بتن سبز دارای ساختار صرفه‌جویی در منابع، استحکام و دوام بیشتری نسبت به بتن معمولی دارد.
مقاله مرتبط: بتن سبز
خواص شیمیایی خاکستر پوسته برنج به‌شرح زیر است:
مشخصات شیمیایی:
78-86 | SiO2 |
2-1 | Al2O3 |
1/16-85 | Fe2O3 |
4/55-81 | CaO |
4/35-5 | MgO |
1/24-18 | SO3 |
1-1/14 | Na2O |
3/54-68 | K2O |
8-4/55 | اتلاف حرارتی |
مشخصات فیزیکی:
خواص فیزیکی خاکستر پوسته برنج بسته به دمای سوختن و آسیاب پوسته برنج متفاوت است.
رنگ: | خاکستری |
وزن مخصوص: | 2/5-53 |
سطح ویژه: | 100-40 متر مربع بر گرم |
چگالی ظاهری: | 300-200 کیلوگرم بر متر مکعب |
طبق نتایج آزمایشات انجام شده برای بررسی رفتار بتن حاوی RHA برای زمان گیرش اولیه و نهایی، زمان گیرش اولیه بتن RHA افزایش و زمان گیرش نهایی با افزایش محتوای RHA کاهش می‌یابد. این رفتار ممکن است به‌دلیل سرعت کم هیدراتاسیون در خمیر حاوی RHA باشد.
مقاله مرتبط: هیدراتاسیون سیمان
درصد جایگزینی سیمان با RHA بالاتر، کارایی مخلوط بتن تازه کمتر است. با این‌حال، کارایی بتن را می‌توان با استفاده از افزودنی‌های کاهنده آب یا فوق روان کننده‌ها بهبود بخشید.
بتن با خاکستر پوسته برنج مقاومت فشاری بتن را بهبود می‌بخشد. آزمایشاتی برای یافتن سطح جایگزینی ایده‌آل RHA با سیمان پرتلند معمولی برای دستیابی به حداکثر مقاومت فشاری بتن انجام شده است. در این آزمایشات مکعب‌های بتنی را با جایگزینی RHA در 5٪، 10٪ و 15٪ با OPC – Ordinary Portland Cement – سیمان پرتلند معمولی- مخلوط کرده‌اند و به این نتیجه رسیدند که بتن حاوی 10٪ خاکستر پوسته برنج حداکثر مقاومت فشاری را نشان می‌دهد. این به‌دلیل سیلیس آمورف و اندازه ذرات ریز خاکستر پوسته برنج است.
مقاومت در برابر نفوذ کلریدها و سایر مواد شیمیایی مهمترین عاملی است که دوام بتن را تعیین می‌کند. افزودن خاکستر پوسته برنج در بتن باعث ایجاد اثر پوزولانی می‌شود. مقدار زیادی هیدروکسید کلسیم را کاهش می‌دهد و ژل سیلیکات کلسیم هیدرات – C-S-H اضافی می‌سازد. از این رو ماتریس بتن را بهبود می‌بخشد، آن را متراکم می‌کند و در نتیجه نفوذپذیری بتن کمتر و مقاومت بالایی در برابر نفوذ کلریدها و سایر مواد شیمیایی ایجاد می‌کند.
دو روش برای استفاده از خاکستر پوسته برنج در بتن وجود دارد:
تحقیقات تجربی مختلف نشان داد که ترکیب خاکستر پوسته برنج به‌عنوان جایگزین جزئی سیمان، مقاومت فشاری بتن را بهبود می‌بخشد. درصد جایگزینی خاکستر پوسته برنج از 5 تا 30 درصد وزن سیمان متغیر است.
در نکته پایانی، استفاده از محصولات جانبی مانند خاکستر پوسته برنج در بتن باعث بهبود کیفیت بتن و کاهش آلودگی و همچنین کاهش هزینه‌ها می‌شود. همچنین ثابت شده است که این روش دوستدار محیط زیست برای دفع مقادیر زیادی از مواد زائد است که در غیر این صورت زمین، هوا و آب را آلوده می‌کند. برای افزایش مقاومت بتن می‌توان آن را با سیمان 30-5 درصد وزنی به مخلوط اضافه کرد. بنابراین، این محصول سبز است و باعث صرفه‌جویی در هزینه نیز می‌شود.
