علی‌اکبر کفاش بازاری؛ رئیس مرکز تحقیق و توسعه کارخانه سیمان تهران
چکیده:
طی سال‌های اخیر، واژه سیمان سبز غالباً به محصولات سیمانی حاوی افزودنی اطلاق شده است؛ حال‌آنکه سیمان سبز محصولی سازگار با محیط‌زیست می‌باشد که آلایندگی دی‌اکسیدکربن حین تولید سیمان را به حداقل می‌رساند. این سیمان‌ها در کشورمان کمتر موردتوجه هستند، ازاین‌رو در این مقاله مهمترین انواع سیمان‌های سبز، کاربرد و مزایای مصرف آن به طور مختصر معرفی می‌گردد.
کلمات کلیدی: سیمان سبز، CO2، انرژی.
۱-مقدمه:
طراحان سازه‌ها اغلب نوع سیمان را بر اساس عملکرد موردنیاز بتن یا شرایط آن مشخص می‌کنند. از طرفی سیمان‌های رایج (پرتلند) با صرف انرژی بالا و انتشار نسبتاً زیاد CO2 تولید می‌شوند [۱]. به‌طورکلی ده‌ها نوع سیمان وجود دارد که در صنعت ساختمان استفاده می‌گردند و برای مصارف مختلف تولید می‌شوند [۲] که سیمان زود سخت شونده ( RHC)، سیمان زودگیر ( QSC)، سیمان با حرارت کم (LHC )، سیمان مقاوم در برابر سولفات (SRC )، سیمان سرباره کوره بلند ( BFSC)، سیمان با آلومینای بالا ( HAC)، سیمان سفید (WC )، سیمان رنگی (CC )، سیمان پوزولانی (PzC )، سیمان جذب‌کننده هوا (AEC ) و سیمان آبگریز ( (HpC از مهمترین آنها هستند [۵-۳]. نانو سیمان نیز سیمان جدیدی است که در اثر فعال‌شدن مکانیکی هسته ذرات سیمان در محدوده اندازه ۲-۳ میکرومتر با پوشاندن غشاهای ضخامت ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر از مواد اصلاح‌کننده تولید می‌شود. در این سیمان بیش از ۶۵% مکمل‌های معدنی مانند ماسه، خاکستر، سرباره، توف و افزودنی‌های پلیمری به‌عنوان مواد اصلاح‌کننده استفاده می‌شود [۶].
نقشه راه جهانی سیمان سند بسیار مهمی برای تولیدکنندگان سیمان سراسر جهان می‌باشد که توسط شورای جهانی تجارت برای توسعه پایدار ( WBCSD) پایه‌گذاری شده است. بر اساس نقشه راه جهانی صنعت سیمان، راهکارهای اصلی ارائه شده برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و حفظ محیط‌زیست شامل: ۱- مصرف مؤثر انرژی؛ ۲- سوخت‌های جایگزین (سبز یا با آلایندگی کم)؛ ۳- جایگزینی کلینکر؛ ۴-CCS (بازیافت و ذخیره کربن) می‌باشند [۹-۷] که هم‌راستا به موضوع سیمان سبز و بتن سبز می‌باشد (شکل ۱).
سیمان‌های سبز سازگار با محیط‌زیست هستند که اثر CO2 حین تولید سیمان را به حداقل می‌رسانند (شکل ۱). تلاش‌های زیادی برای تولید سیمان سبز انجام‌گرفته و البته چندین نوع سیمان سبز تولید شده است. اکثر این موارد بر اساس پیشرفتهای تکنولوژیکی است که شامل روش‌های انرژی مؤثر، تولید کربن کم، فرمول‌های جدید سیمان، ژئو پلیمرها، سیمان‌های منهای کربن و محصولات جدید بتنی است. علاوه بر این، سیمان سبز، مصرف سیمان را کاهش می‌دهد و مواد اولیه اصلی آن شامل ضایعات صنایع مانند سرباره کوره بلند و خاکستر بادی می‌باشند [۱۰]. برخی از این محصولات تجاری شده و در پروژه‌های مختلف مورداستفاده قرار گرفته‌اند، درحالی‌که تعدادی از این سیمان‌ها به طور گسترده در پروژه‌های ساختمانی استفاده نشده‌اند، اما پتانسیل زیادی برای استفاده دارند. در ادامه مهمترین آنها معرفی می‌گردند.
۲-مهمترین انواع سیمان سبز:
۲-۱- سیمان اکوماکسکس :
این یک نوع سیمان سبز تولید شده توسط شرکت کراتک در ایالات متحده است که از ۹۵% خاکستر بادی و ۵% افزودنی‌های مایع تجدیدپذیر تشکیل شده است. بر اساس استانداردهایی مانند شورای بین‌المللی کد و شورای ساختمان سبز ایالات متحده ، این سیمان که توسط شرکت کراتک تولید می‌شود، تقریباً هیچ اثری از کربن ندارد. طی فرایند تولید سیمان، نه‌تنها ۹۵% استفاده از مواد اولیه کاهش‌یافته، بلکه نیاز آب به نصف کاهش‌یافته است. ویژگی‌های اصلی سیمان اکوماکسس عبارت‌اند از مقاومت اولیه بالا، انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر ترک‌خوردگی، نفوذپذیری کم یون کلرید، مقاومت در برابر حمله سولفات، دوام، مقاومت در برابر خوردگی که بیش از سه برابر سیمان معمولی است و مقاومت در برابر ذوب و انجماد این سیمان از سیمان معمولی بیشتر است.
۲-۲- سیمان اکسی کلرید منیزیم:
سیمان اکسی کلرید منیزیم (MOC ) یک سیمان سازگار با محیط‌زیست و خنثی از کربن است که از دو ماده اصلی یعنی پودر اکسید منیزیم (MgO) و محلول غلیظ کلرید منیزیم (MgCl) تولید می‌شود. اینها محصولات جانبی استخراج منیزیم هستند. MOC دارای مقاومت فشاری زیادی است، گیرش سریعی دارد، اکسید منیزیم آن (MgO)، دی‌اکسیدکربن (CO2) هوا را جذب می‌کند، اما آب می‌تواند مقاومت (استحکام) آن را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد. بااین‌حال، این ضعف MOC را می‌توان با استفاده از ۱۵% خاکستر بادی و همین مقدار دوده سیلیسی تا حدودی برطرف کرد. این مواد افزودنی، ساختار منافذ را در MOC پر می‌کنند که باعث متراکم شدن بتن می‌شود. در نتیجه، مقاومت و دوام بتن به طور قابل‌توجهی بهبودیافته است. علاوه بر این، برای افزایش مقاومت این نوع سیمان سبز در برابر آب گرم، افزودن اسید فسفریک و فسفات‌های محلول ضروری است. سرانجام، سیمان اکسی کلرید منیزیم منجر به خوردگی فولاد می‌شود، بنابراین از این نوع سیمان نمی‌توان برای ساخت سازه‌های بتنی مسلح استفاده کرد، مگر اینکه اقدامات پیشگیرانه دیگری اتخاذ شود.
۲-۳- سیمان ژئو پلیمری:
ژئو پلیمر که به سیمان فعال شده با قلیا نیز معروف است، به‌جای اکسید کلسیم آسیب‌رسان به محیط‌زیست، از آلومینوسیلیکات‌ها تولید می‌شود. آلومینوسیلیکات‌ها از محصولات جانبی صنعتی مانند خاکستر بادی به دست می‌آیند. سیمان ژئو پلیمری از نظر عملکرد و هزینه با سیمان معمولی پرتلند قابل‌رقابت است و در، ریند تولید، ۹۵% کمتر از سیمان معمولی پرتلند، CO2 تولید می‌کند.
۲-۴- سیمان آهنی یا مسلح :
دانشمندان دانشگاه آریزونا، سیمان آهنی یا فروکریت را اختراع کردند. سیمان آهنی مخلوط سیلیس و آهن است که از محصولات زائد صنایع فولاد و شیشه هستند، تولید می‌شود. این مخلوط مواد سپس با CO2 پخت می‌شود و در نتیجه، به طور بالقوه به ماده منفی کربن تبدیل می‌شود.
۲-۵- سیمان سولفوآلومینات کلسیم:
سیمان سولفوآلومینات کلسیم از کوره‌ای تولید می‌شود که به دمای ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد نیاز دارد (نسبت به دمای ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد برای سیمان معمولی)، در نتیجه CO2 کمتری در جو منتشر می‌شود. سیمان سولفوآلومینات کلسیم گیرش سریعی دارد. این سیمان مقاومت ۲۸ روزه بتن معمولی را طی ۲۴ ساعت کسب می‌نماید. به همین دلیل در پروژه‌هایی که گیرش سریع بتن بسیار مهم است مانند عرشه پل و باند فرودگاه، این سیمان مورداستفاده قرار می‌گیرد. سیمان سولفوآلومینات کلسیم می‌تواند به‌عنوان سیمان جبران‌کننده انقباض (shrinkage) با افزودن مقدار بیشتری گچ استفاده شود. این نوع سیمان می‌تواند تا ۲۵% در مصرف انرژی صرفه‌جویی کند و با کاهش انتشار CO2 در حدود ۲۰% در مقایسه با سیمان پرتلن، مزایای زیست‌محیطی را به همراه داشته باشد.
۲-۶- سیمان کربنی تجزیه شده:
کارخانه سیمان کالرا کراپ . در کالیفرنیا از آب دریا یا آب‌نمک مخلوط با CO2 سیمان تولید می‌کند که ممکن است به‌عنوان جایگزین سیمان پرتلند استفاده شود. در این فرایند تولید سیمان، گازهای غنی از CO2 از طریق آب دریا فیلتر می‌شوند. کلسیم و منیزیم از آب دریا جدا شده و با CO2 واکنش می‌دهند و سیمان با کیفیتی تولید می‌کنند که سفید، نفوذپذیر و مقاوم‌تر از سیمان پرتلند معمولی است [۱۱].
۲-۷- سیمان تولید شده با استفاده از بخار فوق گرم شده:
می‌توان از فرایند بخار بسیار گرم برای تغییر ذرات سیمان به‌منظور واکنش‌پذیری بیشتر آنها استفاده کرد. در این فرایند، CO2 تولید شده می‌تواند پس از جداشدن جذب شود.
۲-۸- سیمان تولید شده با تراکم فاز مایع هیدروترمال واکنشی:
این نوع سیمان با استفاده از مواد اولیه مشابه سیمان پرتلند معمولی تولید می‌شود، اما در دمای پایین‌تر و از طریق واکنش شیمیایی متفاوت که CO2 کمتری در مقایسه با فرآیند تولید سیمان پرتلند سنتی تولید می‌کند. این سیمان با آب و CO2 مخلوط شده، با CO2 واکنش داده، کربنات کلسیم و سیلیس تولید نموده که در نهایت سخت شده و بتن می‌سازد. این نوع سیمان سبز توسط شرکت سولیدا تکنولوژی مستقر در ایالات متحده تولید می‌شود و برای تجاری‌سازی فناوری تولید سیمان با لافارژ همکاری می‌کند.
۲-۹-سیمان جاذب دی‌اکسیدکربن:
تحقیقات منتشر شده در نیچرژئوساینس طی سال ۲۰۱۶ نشان داد که حداکثر تا یک‌چهارم CO2 منتشر شده در تولید سیمان را می‌توان در طول مراحل ساخت و بازیابی ساختمان مجدداً جذب نمود [۹]. یک تیم تحقیقاتی دانشگاه کالیفرنیا واقع در لاس‌وگاس (UCLA ) در حال تولید محصولی با عنوان “CO2NCRETE” هستند. در این فرایند از انتشار گازهای CO2 حاصل از فعالیت‌های صنعتی برای تولید مواد ساختمانی شبیه سیمان استفاده می‌شود. طبق مطالعه تنجیم خان و همکاران (۲۰۱۸) بر روی بتن عمل‌آوری شده با دی‌اکسیدکربن جمع‌آوری‌شده از کوره سیمان، مزایایی همچون کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن، تسریع در مقاومت اولیه و بهبود دوام محصولات بتنی می‌توان در نظر گرفت [۱۴-۱۲].
۲-۱۰-سیمان LC3:
سیمان LC3 نوعی سیمان سه‌جزئی است که خاصیت پوزولانی رس کلسینه شده و پودر سنگ آهک منتهی به بهبود واکنش‌های شیمیایی و فیزیکی بتن و عملکرد بهتر این سیمان در مقایسه با سیمان پرتلند می‌شود. کاهش مصرف کلینکر، کاهش حدود ۴۰% تولید CO2، افزایش مقاومت در برابر حملات قلیایی – سیلسی و افزایش دوام بتن از دیگر مزایای این سیمان است [۱۵].
۳-مزایای مصرف سیمان‌های سبز:
۳-۱- انتشار کمتر کربن:
سیمان سبز با تکنیک‌های پیشرفتهای تولید می‌شود که میزان انتشار کربن را به حداقل می‌رساند. انتشار دی‌اکسیدکربن را تا ۸۰ % کاهش و در نتیجه آلودگی هوا را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.
۳-۲- مصرف انرژی:
تولید سیمان سبز از نظر انرژی کارآمد است، یعنی انرژی کمتری مصرف می‌کند؛ بنابراین، مصرف منابع تجدیدناپذیر مانند زغال‌سنگ برای تولید سیمان بسیار کاهش می‌یابد. ازآنجاکه محصولات جانبی صنعتی موجود در سیمان سبز، انرژی موردنیاز در تولید تا حد زیادی کاهش می‌دهد، این سیمان‌ها به انرژی کمتری نیاز دارد [۱۶].
۳-۳- استفاده از محصولات و ضایعات صنعتی:
سیمان سبز از انواع مواد زائد صنعتی مانند خاکستر بادی (محصول فرایند احتراق زغال‌سنگ)، دوده سیلیسی و سرباره کوره بلند (محصول جانبی فرایند تولید آهن) استفاده می‌کند که ممکن است چندین هکتار زمین برای دفع آن نیاز داشته باشد. در نتیجه، زمین را از تبدیل‌شدن به محل دفن و در نهایت نابودی محافظت می‌نماید؛
۳-۴- مزایای پیمانکار:
سیمان سبز نیازی به ابزار و تجهیزات اضافی ندارد. همچنین خاصیت خشک‌شدن سریع‌تری دارد و بنابراین می‌توان زمان عمل‌آوری ۷۲ ساعت را به‌جای ۹۶ ساعت اعمال نمود و در زمان صرفه‌جویی کرد؛ بنابراین سیمان سبز برای پیمانکاران مفیدتر از انواع سنتی سیمان است.
۳-۵- طول عمر بیشتر:
سیمان سبز در مقایسه با سیمان سنتی عمر طولانی‌تری دارد زیرا دارای ویژگی‌های مقاوم در برابر آتش بهتر و همچنین مقاومت بهتر در برابر عوامل خراب مانند باران اسیدی است.
۴-نتیجه‌گیری:
سیمان‌های تولید شده با استفاده از بخار فوق گرم شده، کربنی تجزیه شده اکومکس، اکسی کلرید منیزیم، ژئو پلیمر، آهنی، سولفوآلومینات کلسیم، جاذب CO2 و LC3 نمونه‌هایی از سیمان سبز هستند که ضمن استفاده مؤثر از انرژی و تولید کم دی‌اکسیدکربن، مصرف سیمان را کاهش داده و مواد اولیه اصلی آن شامل ضایعات صنعتی یا محصولات جانبی مانند سرباره کوره بلند و خاکستر بادی می‌باشند که کاملاً در راستای حفظ محیط‌زیست است. علاوه بر مزایای یاد شده، می‌توان به افزایش دوام و حتی کاهش برخی هزینه‌های اجرائی اشاره کرد.
۵-تشکر:
از مدیران، کارشناسان و تکنسین‌های محترم شرکت سیمان تهران بسیار سپاسگزارم.
۶-منابع:
[۱] ”Cement Types”. From www.cement.org
[۲] کفاش بازاری، ع. (۱۳۹۹). “تنوع در محصولات سیمانی “. ماهنامه علمی، فنی، اقتصادی، سال بیست و ششم، شماره ۲۵۷، اردیبهشت ۱۳۹۹، صفحات ۹۹-۷۷.
[۳] R. Medeiros-Junior and M. G. Lima, “Electrical resistivity of unsaturated concrete using different types of cement,” Construction and Building Materials, vol. 107, pp. 11–۱۶, ۲۰۱۶.
[۴] S. P. Dunuweera and R. M. G. Rajapakse (2017). “Cement Types, Composition, Uses and Advantages of Nanocement, Environmental Impact on Cement Production, and Possible Solutions”. Advances in Materials Science and Engineering, Apr 2018.
[۵] M. Korsch and W. Walther, “Peri-implantitis associated with type of cement: a retrospective analysis of different types of cement and their clinical correlation to the peri-implant tissue,” Clinical Implant Dentistry and Related Research, vol. 17, no. S2, pp. e434–e443, 2015.
[۶] F. Merlin, H. Lombois, S. Joly, N. Lequeux, J. L. Halarya, and H. V. Damme, “Cement-polymer and clay-polymer nano- and meso-composites: spotting the difference,” Journal of Materials Chemistry, vol. 12, no. 11, pp. 3308–۳۳۱۵, ۲۰۰۲
[۷] -Avier Farfan & Mahdi Fasihi & Christian Breyer. (2019) “Trends in the global cement industry and opportunities for long-term sustainable CCU potential for Power-to-X”. Journal of Cleaner Production, Volume 217, 20 April 2019, Pages 821-835.
[۸] کفاش بازاری علی اکبر، سرخان‌پور مهدی. (۱۳۹۸). “نقشه راه جهانی سیمان-بخش اول”. ماهنامه علمی تخصصی فناوری سیمان، ۱۲۵، صفحات ۶-۲.
[۹] کفاش بازاری علی اکبر، سرخان‌پور مهدی. (۱۳۹۸). ” نقشه راه جهانی صنعت سیمان و بتن تا سال ۲۰۵۰ و لزوم تهیه نقشه راه ایران”. نشریه انجمن بتن ایران، شماره ۷۷، صفحات ۳۲-۲۲.
[۱۰] Mohammed S. Imbabi & Collette Carrigan & Sean Mc Kenna. (2012). “Trends and developments in green cement and concrete technology”. International Journal of Sustainable Built Environment, Volume 1, Issue 2, December 2012, Pages 194-216.
[۱۱] ”Green Cement , 6 Types of Green Cement, Benefits of Green Cement”. From: www.dreamcivil.com
۱۲ .“The cement that absorbs carbon dioxide”. CEMBUREAU The European Cement Association.
[۱۳] Mohd Tanjeem Khan & Khan Rahim Saud & Karadia Ashraf M.Irfan & Shaikh Ibrahim. (2018). “Curing of Concrete by Carbon Dioxide”. International Research Journal of Engineeringand Technology(IRJET). Volume 5, Issue 4, Apr-2018. P
۴۴۱۰-۴۴۱۴. کفاش بازاری، ع. (۱۳۹۹). ” سیمان و بتن جاذب دی‌اکسیدکربن “. ماهنامه علمی، فنی، اقتصادی، سال بیست و ششم، شماره ۲۵۸، خرداد ۱۳۹۹، صفحات ۱۱۱-۱۰۹.
[۱۴] مک – شهمرادزاده، گلرخ. امینی، داود. انصاری، فروغ. (۱۳۹۷). ” استفاده از سیمان حاوی سنگ رس کلسینه شده (LC3)به‌عنوان راه‌حل کاهش هزینه تولید سیمان باتوجه‌به افزایش تقاضا در کشورهای درحال‌توسعه “. همایش صنعت سیمان و افق پیش رو، تهران، ۱۳ آبان‌ماه ۱۳۹۷.
[۱۵] Madeh Izat Hamakareem, (2021). “Green cement: Definition, Types, Advantages, and Applications”. From: www.theconstructor.org
