صنعت بتن به‌طور مداوم در حال نوآوری است. گسترش پتانسیل متریال ساختمانی برای مقابله با چالش‌های پیش روی جامعه مدرن، سرمایه‌گذاری قابل توجهی در تحقیق و توسعه را به خود جذب کرده است. این امر به بتن کمک کرده تا قوی‌تر و سازگارتر شود، اثرات کربن تولیدی خود را کاهش دهد و از فناوری دیجیتالی برای تحول در روش ساخت سازه‌ها استقبال کند. تحقیق و توسعه گسترده سبب شده تا زمینه برای ظهور بسیاری از محصولات و منابع اولیه بتنی جدید با پتانسیل تغییر یا افزایش چشم‌گیر خواص و کاربردهای بتن فراهم شود. تاریخچه هزاران ساله بتن و تکامل تدریجی آن سبب شده تا مباحث «نوآوری در بتن» و «بتن نوآورانه» فراگیر شده و طرح‌های ترکیبی جدید با استفاده از مواد تشکیل‌دهنده جایگزین برای تغییر یا افزایش عملکرد و پایداری آن در دستور کار قرار گرفته است. در این مقاله از مجله ساختمانی کیان برنا قرار است شما را با بتن‌های نوآورانه و نوآوری در صنعت بتن در سال 2024 آشنا کنیم.
ژورنال‌ها و رویدادهای صنعت بتن
نتایج تحقیق و توسعه صنایع و دانشگاه‌ها و همچنین نوآوری‌های انجام شده در فرایند تولید، استفاده و بازیافت بتن در مراجع معتبری منتشر می‌شود که در این بخش به‌طور مختصر به معرفی آنها می‌پردازیم.
- Concrete Futures: مجموعه‌ای از مجلات و سخنرانی‌ها است که بررسی نوآوری، تحقیق و پیشرفت‌های جدید در بتن اختصاص دارد. جدیدترین مجلات آن با نام‌های Decarb Nation و Remixed به موضوعاتی مانند کربن‌زدایی، بتن کم‌کربن، عمر مفید بتن، استفاده مجدد و تنوع زیستی می‌پردازد.
- Fresh Concrete: بستری برای اشتراک‌گذاری دانش همه متخصصان ساخت‌وساز است تا رویکرد و تفکری تازه را برای بتن به ارمغان بیاورد. سری اول این رویداد که در سال 2022 اجرا شد، برخی از شیوه‌های نوآورانه و انواع جدیدی از بتن در حال ظهور برای مقابله با کاهش اثرات منفی آب‌وهوایی این متریال را به نمایش گذاشت.
- فصلنامه بتن (Concrete Quarterly): هر شماره از فصلنامه بتن، مقاله‌ای در مورد نوآوری‌های این حوزه از طریق مصاحبه با محقق یا مبتکر آن ارائه می‌دهد (مجموعه این مقالات در ادامه آورده شده است).
آخرین نوآوری‌های صنعت بتن در جهان
آنچه در ادامه می‌خوانید، خلاصه‌ای از آخرین نوآوری‌های صنعت بتن جهان می‌باشد. گرچه بسیاری از آنها در مراحل آزمایشگاهی قرار دارند اما به نظر می‌رسد می‌توان به زودی شاهد تحولی انقلابی در این حوزه باشیم (اطلاعات کامل‌تر مطالب زیر را می‌توانید در وبسایت concretecentre.com مطالعه کنید).
بتن نفوذپذیر دایره‌ای (Circle Permeable Concrete)
صنعت غذاهای دریایی مقادیر زیادی از پوسته‌های زائد آبزیان تولید می‌کند. سالانه چیزی حدود 30000 تن أنواع صدف و پوسته‌های صدفی ماهی فقط در بریتانیا تولید و دور انداخته می‌شود؛ گرچه اخیراً حجمی از آن در کارخانه‌های فرآوری برای تحقیق و تولید بتن‌های جدید به کار گرفته می‌شوند. درحالی که می‌توان از این پوسته‌های دریایی برای جایگزینی تا 20 درصد سنگدانه در بتن استفاده کرد. این پوسته‌ها از کربنات کلسیم هستند و وقتی خرد می‌شوند و در مخلوط بتن قرار می‌گیرند، بسیار شبیه به سنگ آهک عمل می‌کنند و به خوبی به سیمان متصل می‌شوند.
همچنین شکل منحنی این صدف‌ها حفره‌های کوچکی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود بتن قابل نفوذ ایجاد گردد. از این بتن‌های آزمایشی می‌توان برای استفاده در سطوح کم‌بار مانند مسیرهای پیاده‌روی، مسیرهای دوچرخه‌سواری و پارکینگ‌ها استفاده کرد. همچنین کاربردهای طبیعت نفوذپذیر آن می‌تواند خطر ایجاد چاله و سیل را بدون سیستم‌های زهکشی گران‌قیمت کاهش دهد.
برای کمک به ایجاد حفره‌هایی که اجازه می‌دهند آب از آن خارج شود، هیچ شن و ماسه‌ای در مخلوط وجود ندارد و 20 درصد از سنگدانه‌ها با پوسته‌های خرد و الک شده ماهی و گوش‌ماهی جایگزین شده است. استفاده از این روش باعث می‌شود حمل و دپوی زباله‌ها در محل دفن زباله کاهش یافته و نیاز به سنگدانه‌های بکر برای تولید بتن نیز کمتر شود. همچنین کاهش تولید کربن نیز وجود دارد که ناشی از کاهش استخراج سنگدانه و همچنین کاهش حمل و نقل به محل دفن زباله است. این راه‌حل مبتکرانه برای مناطق ساحلی مستعد سیل بسیار مناسب است.
خانه‌های ضروری (Essential Homes)
پروژه Essential Homes که در پاسخ به بحران جهانی پناهندگان طراحی شده است، جایگزینی مستحکم‌تر و ماندگارتر برای چادرهای اسکان موقت هستند. این خانه‌های مقاوم و ضد آب، به راحتی با ترکیب کردن آب به سیمانی مخصوص ساخته می‌شوند؛ خانه‌های بتنی کوچک با شکلی غیرمعمول که در دوسالانه معماری ونیز در سال 2023 توجهات را به خود جلب کرده است.
ساخت این خانه‌ها ارزان، سریع و آسان است و نسبت به چادر یا سایر سرپناه‌های پناهندگان داوم بالایی دارند. برای ساخت این خانه‌های بتنی از ماده‌ای آغشته به سیمان به نام CCX استفاده می‌شود که توسط شرکتی در بریتانیا ساخته شده است. این متریال به صورت رولی عرضه می‌شود و می‌توان آن را روی هر چارچوب و قالبی قرار داد و با پاشش آب بر روی آن، یک پوسته بتنی سخت ایجاد نمود. در این تکنولوژی، از پلیمرهای جاذب آب (مانند موادی که در پوشک بچه استفاده می‌شود) استفاده می‌شود تا آب را درون خود نگه داشته و همیشه به صورت هیدراته باقی بمانند. هر یک از این خانه‌ها در چند روز با نیروی کار غیر ماهر ساخته می‌شوند و کل ساختار آن نیز قابل بازیافت است.
بتن پرینت سه‌بُعدی (3D printed concrete)
گرچه به نظر می‌رسد که هنوز پنج تا ده سال طول بکشد تا پرینت سه‌بُعدی به یک راه‌حل رایج برای سازه‌های بتنی سفارشی‌سازی شده تبدیل شود اما هم‌اکنون دستگاه‌های پرینت سه‌بُعدی بتنی از مرحله آزمایشی عبور کرده و در فاز بهینه‌سازی و توسعه قرار دارند.
پروژه اولیه شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی (EPSRC) در سال 2011 تکمیل شد اما تازه‌ترین نسخه آن، با یک بازوی رباتیک دقیق‌تر جایگزین شده که می‌تواند با سرعت 50 سانتی‌متر در ثانیه بتن‌ریزی کند. با استفاده از این بازوی رباتیک، امکان چاپ انوع منحنی، برآمدگی و حفره‌های بتنی ممکن خواهد بود.
خانه دو طبقه پرینت سه‌بُعدی (3D printing a two-storey home)
ساخت اولین خانه بتنی چاپ شده دو طبقه اروپا با موفقیت انجام شده است. این نوع چاپ به صورت تکه‌تکه‌ای انجام نمی‌شود بلکه تمام ساختار ساختمان را به صورت یک‌تکه و در محل، تنها در سه هفته چاپ شده است. این خانه 8 متری با استفاده از بزرگترین چاپگر بتنی اروپا – یک دستگاه سیستم دروازه‌ای ثابت ساخته شده توسط COBOD – ساخته شده است (راه‌اندازی این دستگاه یک روز طول می‌کشد).
چاپگر، بتن را دقیقاً در جایی که شما می‌خواهید و زمانی که شما بخواهید قرار می‌دهد؛ اما یکی از چالش‌های آن، بازاندیشی طرح متناسب با چاپگر است، چراکه دیدگاه معمار باید به‌گونه‌ای ترجمه شود که چاپگر بتواند آن را درک و اجرا کند.
در این روش، کمترین هدررفت مصالح ساختمانی رخ می‌دهد و از قالب‌ها نیز استفاده نمی‌شود. گرچه این پروژه عمدتاً با هدف نمایش و نمونه ایجاد شده است اما در گام بعدی، یک چاپگر COBOD دیگر در حال ایجاد یک خانه سه‌طبقه در آلمان است؛ این یعنی به نظر می‌رسد به تدریج فناوری بتن چاپی از آزمایشگاه خارج شده و به سایت پروژه خواهد رفت.
بلوک‌های زیستی بتنی (Bio blocks)
پنج مکعب بتنی در ساحل که کمی شبیه تاس‌های غول‌پیکر به نظر می‌رسند، آزمایشی در حال انجام در مورد چگونگی تشویق حیات دریایی برای سکونت در محیط‌های ساحلی ساخته دست بشر هستند. هر وجه از این بلوک‌های زیستی دارای ویژگی‌های مختلفی است که می‌توان به سوراخ ها، برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های اعماق مختلف در هر وجه اشاره کرد. این بلوک‌ها که مخصوص آبزیان ساخته شده می‌تواند به عنوان محل زندگی انواع خرچنگ، حلزون دریایی و … در نظر گرفته شوند.
این بلوک‌ها به‌گونه‌ای قالب‌گیری شدند تا اشکال و سطوح پیچیده‌ای را که طبیعت ترجیح می‌دهد، بازسازی کنند. هر بلوک زیستی حاوی چندین زیستگاه است؛ برآمدگی‌ها سایه ایجاد می‌کنند، گونه‌های با اندازه‌های مختلف سوراخ‌هایی با اندازه‌های متفاوت را اشغال می‌کنند و فرورفتگی‌های سنگ‌مانند، پناهگاهی برای موجوداتی خواهد بود که باید در هنگام بیرون آمدن جزر و مد خیس بمانند. این رویکرد می‌تواند تأثیر زیست‌محیطی توسعه ساحلی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد؛ به عبارت دیگر مناطق ساحلی که از توسعه انسانی دور نمی‌مانند می‌توانند با این بلوک‌های زیستی، زیستگاه‌های طبیعی پیچیده از نظر فیزیکی – از جنگل‌های حرا گرفته تا ساحل سنگی – را با ساختارهای سخت و مهندسی شده جایگزین کنند.
این بلوک‌های زیستی یک متر مکعبی و وزن 2.4 تنی به صورت مکعب‌های توخالی و که از سنگدانه‌های بازیافتی و بتن کم‌کربن ساخته شده‌اند. البته اندازه آنها از 150 میلی‌متر مربع تا غول‌های 12 تنیِ 2 متر مربعی متغیر است و می‌توانند به عنوان محافظی برای تاسیسات زیر آب مانند کابل‌ها یا ایجاد موج‌شکن‌های دریایی نیز استفاده شوند. تکنیک‌های ریخته‌گری پیشرفته سطح ناهمواری روی بلوک‌ها ایجاد می‌کند و جانداران دریایی را دعوت می‌کند تا به آن بچسبند؛ در حالی که اشکال توخالی درهم‌تنیده، ساختارهای صخره‌مانندی را ایجاد می‌کنند که ماهی‌ها و سخت‌پوستان می‌توانند در آن زاد و ولد کنند.
پیشنهاد مطالعه: بتن سبز چیست؟
بتن زیست‌گیرنده (Bioreceptive concrete)
بتن می‌تواند از زندگی گیاهان و حیوانات به روش هایی شگفت‌انگیز و اغلب زیبا حمایت کند. محققان از این متریال به عنوان بستری بادوام، سرپناهی قوی و حتی منبعی از مواد مغذی برای بسیاری از موجودات مختلف اعم از کوچک‌ترین، مفیدترین و یا در معرض خطرترین موجودات استفاده می‌کنند. در ادامه به چند مورد آن اشاره می‌شود.
بتن زیستی بیوکریت (Biocrete)
این بتن نوآورانه به‌گونه‌ای ساخته شده که دارای تخلخل بیش از حد است و آب را مانند یک اسفنج در خود نگه می‌دارد. این بتن شامل 90٪ مواد بازیافتی و همچنین مواد مغذی برای گیاهان است. پانل‌های بتنی سازگار با گیاه به نام Biocrete، با ساختار سلولی باز شناخته می‌شود تا امکان نفوذ گیاهان و آب را فراهم کرده و در عین حال از غشاهای ضد آب و عایق پشت آن محافظت کند. پانل‌ها دارای فرورفتگی‌های عمیقی هستند که گیاهان می‌توانند در آنها ریشه بزنند. الیاف الاستیک بازیافت شده در مخلوط به بتن کمک می‌کند تا در صورت شروع به ترک خوردن، تحت تأثیر ریشه‌ها دوباره به هم گره بخورند.
دیوارهای زندگی پوکیلوهیدریک (Poikilohydric Living Walls)
این بتن گیرنده زیستی به‌طور ویژه برای تشویق رشد کریپتوگام‌ها، موجودات پوکیلوهیدریک مانند خزه، جلبک‌ها و گلسنگ‌ها طراحی شده است، ظرفیت تحمل کم‌آبی را دارد و بنابراین نیازی به آبیاری نخواهد داشت. سطح این دیواره‌ها را می‌توان با هاگ بذرپاشی کرد یا از رشد پیوندی استفاده نمود. گیاهان این دیواره CO2 را جذب و هوا را تصفیه می‌کنند؛ همچنین زیستگاهی برای جانوران و حشرات کوچک فراهم می‌کنند که پرندگان می‌توانند از آنها تغذیه کنند.
بتن میکروبی BioZeroc
یک استارت‌آپ در دانشگاه کمبریج به نام BioZeroc از باکتری‌ها برای تولید بتن بدون سیمان استفاده می‌کنند و در تلاش‌اند تا امکان تولید انبوه بتن با این روش محقق شود. برخی از میکروارگانیسم‌ها می‌توانند سنگدانه‌های مورد استفاده در بتن را با رسوب کلسیت (شکل طبیعی کربنات کلسیم) متصل کنند. اگر برای چسباندن سنگدانه‌ها از میکروب‌ها به جای سیمان استفاده شود، ردپای کربن بتن حدود 85 درصد کاهش خواهد یافت.
سرعت تولید کلسیت به عوامل زیادی بستگی دارد؛ از جمله غذایی که به باکتری‌ها داده می‌شود و نیز شرایطی که در آن رشد می‌کنند. کنترل فرآیند این استارت‌آپ در تسریع تولید کلسیت بسیار موفق بوده است. مواد اولیه این روش، ارزان و به‌طور گسترده در دسترس است. اگر BioZeroc موفق به تامین مواد شیمیایی اولیه از منابع ضایعاتی شود، بتن حاصل می‌تواند کربن‌منفی باشد.
بتن BioZeroc سفیدتر از نمونه سیمانی خود است و بافت ظریفی دارد و از برخی جهات مانند سنگ مرمر است؛ صاف‌تر و متخلخل‌تر از بتن استاندارد.
سیمان الکتریکی کمبریج (Cambridge Electric Cement)
محققان دانشگاه کمبریج راهی برای تولید سیمان جدید و بدون آلایندگی از بتن بازیافتی ایجاد کرده‌اند. در صورت موفقیت این فناوری، بتن ضایعاتی را قادر می‌سازد تا به سیمان جدید با کربن صفر تبدیل شود.
این فرآیند شامل جایگزینی شار آهک مورد استفاده در بازیافت فولاد با خمیر سیمان بازیافت شده (RCP) است. اکثر فولادها در کوره‌های قوس الکتریکی (EAFs) بازیافت می‌شوند، اما آهکی که به‌طور سنتی برای حذف ناخالصی‌ها از ضایعات فولاد استفاده می‌شود، منجر به تولید سرباره‌ای می‌شود که سیمانی نیست و ارزش کمی دارد. اما اگر RCP به جای آهک استفاده شود، سیمان توسط گرما در EAF دوباره فعال می‌شود. بنابراین سرباره‌ای که خارج می‌شود بسیار شبیه به کلینکر سیمان پورتلند (PC) است. درنهایت هم گچ اضافه می‌شود و PC به دست خواهد آمد.
RCP را می‌توان در کوره سیمان مجدداً فعال کرد، اما ناخالصی‌های گوگردی به جا می‌گذارد که می‌تواند کیفیت سیمان را از بین ببرد؛ بنابراین فقط در مقادیر کم می‌توان از آن استفاده کرد. این روش همچنین به مقادیر قابل توجهی انرژی برای گرم کردن کوره نیاز دارد. با این فرآیند، از مشکل گوگرد جلوگیری می‌شود (به هر حال باید گرما به عنوان بخشی از فرآیند بازیافت فولاد استفاده شود). علاوه‌بر این، از آنجایی که فولاد در EAFها بازیافت می‌شود، الکتریسیته برای تامین انرژی آنها می‌تواند به‌طور بالقوه از منابع سبز و تجدیدپذیر تامین گردد.
در این روش، مکمل یا جایگزین سیمان تولید نمی‌شود؛ بلکه سیمان غیرفعال شده دوباره فعال می‌شود تا سیمان واقعی تولید گردد. تا همین اواخر، بازیافت بتن صرفاً به خرد کردن بتن قدیمی و استفاده از آن به عنوان قلوه‌سنگ در کاربردهای کم‌ارزش مانند زیرسازی جاده محدود می‌شد. با این حال، اکنون تکنیک‌هایی برای «بازسازی» بتن، بازگرداندن آن به قسمت‌های تشکیل‌دهنده آن از شن، سنگدانه و پودر سیمان غیرفعال در حال توسعه است.
جلبک جاذب کربن (Carbon capture algae)
در مجاورت کارخانه سیمان در مراکش، ردیف‌های متعددی از لوله‌های پلاستیکی بلند و پر شده با کوکتل‌هایی از جلبک و آب‌نمک وجود دارد. ضایعات CO2 از کارخانه سیمان از طریق آب، حباب می‌شود و جلبک‌ها روی آن رشد می‌کنند و در حین رشد و تولید مثل تا دو برابر وزن خود گاز جذب می‌کنند.
جلبک‌ها آب‌وهوای معتدل دریایی و ساعات آفتابی را دوست دارند. هنگامی که جلبک‌ها CO2 را جذب کردند از لوله‌ها پمپ و از آب‌نمک فیلتر می‌شود. سپس در خشک‌کن خورشیدی خشک می‌شود. این فرآیند جریان هوای گرم شده توسط خورشید را روی جلبک‌ها هدایت می‌کند. نتیجه، تکه‌های جلبک خشک، غنی از مواد مغذی مانند اسیدهای چرب امگا 3 و 6 خواهد بود که می‌توان آنها را به عنوان غذای ماهی یا غذای مرغ فروخت تا هزینه‌های پروژه جبران شود.
سیمان حاصل از ضایعات تخریب بتن (Cement from concrete demolition aste)
تکنیک ساخت جدید بتن، ترکیبی از فرآیندهای بازیافت فولاد و سیمان است و توسط سه مهندس مستقر در دانشگاه کمبریج به ثبت رسیده است. سیمان جدید می‌تواند در یک حلقه بازیافت ساخته شود و با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر برای تولید، می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای را تقریباً به‌طور کامل حذف کند. این فرآیند همچنین باعث صرفه‌جویی در مواد خام و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مورد نیاز در ساخت شار آهک برای بازیافت فولاد می‌شود. پروژه Cement 2 Zero هر دو جنبه فنی و تجاری ارتقاء تولید سیمان الکتریکی کمبریج را برای تولید 20 تن سیمان بدون آلایندگی بررسی خواهد کرد.
باتری‌های سیمانی (Cement based batteries)
دانشمندان سوئدی اولین باتری قابل شارژ مبتنی بر سیمان را در جهان ساخته‌اند. اختراع آنها نوید می‌دهد که ساختمان‌ها و سازه‌های بتنی روزی بتوانند برای ذخیره مقادیر زیادی انرژی تجدیدپذیر استفاده شوند.
در فازهای قبلی پروژه، برای ساخت باتری سیمانی، از صفحات فلزی ساده استفاده می‌کردند و تنها جریان ناچیزی تولید می‌شد که غیر قابل شارژ بود. در ادامه تلاش‌های این محققان، یک شبکه فیبر کربنی ظریف با پوشش آهن برای آند و نیکل برای کاتد ایجاد شد و سپس در یک مخلوط سیمانی حاوی الیاف کربن خرد شده کوتاه جاسازی گردید. الیاف، رسانایی سیمان را افزایش می‌دهند تا بتواند به عنوان یک الکترولیت عمل کند. این الیاف‌ها حدود 3 میلی‌متر طول دارند و 0.5٪ از مخلوط را تشکیل می‌دهند که در صورت استفاده در بتن، محصولی قوی ایجاد می‌کند.
الیافِ بیشتر، کارایی باتری را افزایش می‌دهد اما ممکن است بر کارایی بتن تأثیر بگذارد، بنابراین تحقیقات آینده بر دستیابی به تعادل بهینه تمرکز خواهد کرد. باتری‌های تولید شده هنوز برای استفاده‌های بزرگ آماده نیستند اما در کل فناوری این باتری، بتن را قادر می‌سازد تا انرژی الکتریکی را ذخیره کند و منبع انرژی مفیدی برای سازه‌های فراساحلی یا ساختمان‌هایی در مناطق دورافتاده که به شبکه برق دسترسی ندارند، فراهم کند.
پیشنهاد مطالعه: بتن الیافی (بتن مسلح الیافی) چیست؟
بتن زغالی (Charcoal concrete)
در حال حاضر پروژه‌ای تحقیقاتی در ایرلند شمالی در حال بررسی چگونگی افزودن کربن بازیافتی (در خالص‌ترین شکل آن) به بتن است تا بتوان بتن بهتری ایجاد کرد. هر نوع ضایعات چوبی را می‌توان در تحقیقات این گروه به بتن اضافه کرد. برای این کار، با تبدیل ضایعات چوبی به زغال و در غیاب اکسیژن، این ضایعات به موادی خالص‌تر تبدیل می‌شود و عمدتاً کربن را باقی می‌گذارد.
این گروه در حال بررسی استفاده از زغال چوب به عنوان جایگزین سیمان، کنترل‌کننده هیدراتاسیون و به عنوان ماده جایگزین حجم بتن است. استفاده از زغال چوب راهی برای ذخیره کربن در طولانی‌مدت و کاهش ردپای کربن بتن می‌باشد.
اساساً زغال چوب به عنوان یک میکرو اسفنج عمل می‌کند چرا که رطوبت را جذب می‌کند و به سرعت بخشیدن به فرآیند پخت تمایل دارد. به‌طور متناقض، خواص اسفنج‌مانند زغال چوب نیز می‌تواند انقباض بتن را کاهش دهد. اگرچه زغال چوب در ابتدا رطوبت را جذب می‌کند اما به نظر می‌رسد آب بیشتری برای مراحل بعدی پخت در دسترس خواهد بود زیرا در سطح بالایی زغال چوب ذخیره می‌شود. درنهایت، زغال چوب می‌تواند بتن را ضدآب‌تر کند.
بتن گرافنی (Graphene concrete)
گرافن، نسخه‌ای با ضخامت یک اتمی و فوق‌قوی کربن که با قوی‌تر، سبک‌تر و کارآمدتر کردن همه‌چیز از هر نظر، علم مواد را متحول خواهد کرد. این ماده 200 برابر قوی‌تر از فولاد و یک میلیون بار رساناتر از مس، یکی از شگفتی‌های علم مواد محسوب می‌شو؛ اما استفاده از فناوری گرافن اغلب دشوار است و استفاده از آن برای تولید بتن با کارایی بالا، به دلیل هزینه و دشواری توزیع یکنواخت گرافن با مشکلاتی مواجه شده است.
تاد مک گورگان، مدیر تجاری شرکت استرالیایی First Graphene در این باره می‌گوید: «برای دریافت بهترین گرافن، ابتدا به یک محصول با کیفیت بالا و سازگار نیاز دارید. زمانی که قبلاً گرافن را به بتن اضافه کرده بودند، نتایج ناامیدکننده می‌شد زیرا یا کیفیت مطلوب آن وجود نداشت یا گرافن به درستی پراکنده نشده بود».
گرافن فرست تا کنون توانسته افزایش مقاومت فشاری، خمشی و کششی قابل توجهی در حدود 30 درصد همراه با کاهش نفوذپذیری را محقق کند. آزمایشات آنها با افزودن سولفات و کلرید، بهبودهایی در انقباض خشک شدن، مدول الاستیسیته و مقاومت در برابر سایش را نشان می‌دهد.
با افزودن گرافن می‌توان با سیمان کمتر، بتنی با استحکام بیشتر به‌دست آورد. گرچه هزینه‌های تولید گرافن زیاد به نظر می‌رسد (350 دلار در هر کیلوگرم) اما برای تولید بتن به مقادیر بسیار کمی از آن نیاز است (در حدود 0.05٪ از مخلوط، یا فقط چند گرم در یک دسته بتن). به‌طور کلی گرافن جایگزین سیمان نیست، بلکه یک ماده افزودنی قوی برای مخلوط‌های با کارایی بالا به‌شمار می‌رود.
سنگفرش نفوذپذیر کیاکرت (Kiacrete)
نوعی بتن نفوذپذیر معمولی که از یک مخلوط سبک بدون سنگریزه برای دستیابی به ساختار باز استفاده می‌کند؛ این سیستم که Kiacrete نام دارد، شامل یک ماده سیمانی خودمتراکم است که در اطراف قالب دائمی لوله‌های پلاستیکی عمودی ریخته می‌شود.
قالب‌های دائمی سبک‌وزن ساخته شده از پلاستیک بازیافتی، مانند لگو به هم متصل می‌شوند تا ناحیه مورد نیاز را پوشش دهند. سپس مواد خودمتراکم به عمق مورد نیاز ریخته شده و پس از آنکه سفت شد، سطح به آرامی آسیاب می‌شود تا منافذ باز و مسیر مستقیمی برای جریان آب باران به زیرپایه ایجاد شود. استفاده از بتن متراکم‌تر با سوراخ به کیاکرت استحکام بالاتری بین 50 تا 60 مگاپاسکال می‌دهد. اندازه لوله‌ها با قطر 6 میلی‌متر، آن را قادر می‌سازد تا در شرایط چالش‌برانگیز هم عملکرد خوبی داشته باشد. در این روش می‌توان قطر و فاصله لوله‌ها و همچنین مواد سیمانی را متناسب با کاربردهای مختلف تنظیم کرد و ظرفیت زهکشی را تغییر داد. همچنین می‌توان از میلگرد بین لوله‌ها برای مقاوم‌تر کردن آن استفاده نمود.
پروژه کندو دریایی Mumbles
نوعی بتن کم‌کربن با عملکرد فوق‌العاده بالا برای تقویت زندگی طبیعی در ساحل و حمایت از تنوع زیستی دریایی ساخته شده است. Mumbles Sea-Hive با 13 بافت قالب انعطاف‌پذیر، برای بتن‌ریزی 50% GGBS (نوعی ماده سیمانی در بتن که محصول جانبی کوره‌های بلند ساخت آهن است) از جمله دو بافت پوسته صدف سفارشی استفاده می‌شود.
خمیر بتن بازیافتی (Recycled concrete paste)
شرکت مصالح ساختمانی Heidelberg فرآیندی را برای شکستن بتن قدیمی ایجاد کرده تا بتواند انتشار کربن حاصل از تولید سیمان را با استفاده از انرژی کمتر جذب کند.
فناوری جدید قابل توجه که توسط مواد هایدلبرگ توسعه یافته است، این پتانسیل را دارد که ارزش بتن بازیافتی را تا حد زیادی افزایش دهد، در حالی‌که به‌طور هم‌زمان مقادیر قابل توجهی CO2 را جذب می‌کند. در یک آزمایش، این شرکت از 15 تن خمیر بتن بازیافتی (RCP) برای جذب 1.5 تن CO2 تنها در 20 دقیقه استفاده کرد.
گرچه این فناوری تنها می‌تواند حدود 10 درصد از CO2 گازها را جذب کند، اما ارزان و کارآمد است، بنابراین می‌تواند به بخشی مفید از هر سیستم جذب کربن تبدیل شود. این فرآیند با یک فناوری مکانیکی جدید آغاز می‌شود که می‌تواند بتن را «بازسازی» کند و تا حدی آن را به اجزای تشکیل‌دهنده‌اش از جمله شن، سیمان و سنگدانه بازگرداند.
در این فرآیند، از حرکات مالشی و برشی برای جداسازی بتن قدیمی استفاده می‌شود که نتیجه آن یک پودر ریز شامل 60٪ سیمان و 40٪ ماسه و سنگدانه بسیار ریز خواهد بود. ذرات بزرگ‌تر باقی‌مانده از ماسه و سنگدانه‌ها را می‌توان همچون ماده‌ای جدید به راحتی استفاده کرد.
قالب رباتیک (Robotic formwork)
متخصصان طراحی دیجیتال در حال ایجاد ابزارهای نرم‌افزاری هستند که برای نیرو دادن به یک قالب پینی غول‌پیکر 8 متر در 4 متری استفاده می‌شود تا با لمس یک کلید، به قالب‌های سفارشی تبدیل شود.
قالب‌های پین در گذشته برای ساخت پانل‌های پیش‌ساخته نما استفاده می‌شدند اما محققان به دنبال این ایده هستند که بتوانند با قرار دادن بازوهای رباتیک تقویت‌کننده در داخل قالب‌های انعطاف‌پذیر، از آنها برای ساخت عناصر ساختاری با طراحی کارآمدتر (تولید هوشمندانه‌تر ستون‌ها و تیرها) استفاده کنند.
مزیت کلیدی این نوآوری در مقایسه با قالب‌های مسطح استاندارد، هدررفت کمتر منابع و به تبع آن، کاهش قابل توجه کربن موجود در ساخت‌وساز می‌باشد. این رویکرد مزایای دیگری مانند ساخت‌وساز سریع‌تر و کار ایمن‌تر نیز ارائه می‌دهد. اگر این نوآوری به درستی عمل کند، ساختمان‌ها به متریال کمتری نیاز خواهند داشت و ردپای کربن آنها کاهش خواهد یافت.
پیشنهاد مطالعه: انواع ربات ساختمانی در ساخت‌وساز
پیشرفت در کاهش کربن
سرمایه‌گذاری قابل توجه در تحقیق و توسعه صنعت بتن انگلستان سبب شده تا بتن‌هایی قوی‌تر و سازگارتر تولید شده، ردپای کربن آنها را کاهش داده و از فناوری دیجیتالی برای تحول در روش ساخت سازه‌ها استقبال کند. انواع بتن حاصله، برای رسیدگی به چالش‌های خاص، از پایداری و مقاومت فوق‌العاده گرفته تا بتن‌های رنگی طراحی می‌شوند. در ادامه به چند مورد از این نوآوری‌ها اشاره شده است.
نوآوری در جذب کربن
کربناسیون فرآیندی است که در آن بتن، دی‌اکسید کربن را از جو جذب می‌کند. فرآیند طبیعی جذب کربن بتن اساساً معکوس فرآیندی است که هنگام ساخت سیمان رخ می‌دهد. کربناته شدن فرآیندی آهسته و پیوسته است که از سطح بیرونی به سمت داخل پیش می‌رود. خرد شدن بتن در پایان عمر آن، علاوه‌بر افزایش سرعت کربناته شدن، باعث ایجاد سنگدانه بتن کم‌کربن نیز می‌شود. این امر می‌تواند رد پای کربن را تا حدود یک‌سوم کاهش دهد و عمر بتن را در چارچوب اصول اقتصاد چرخه‌ای قرار دهد.
در زمینه جذب کربن، نوآوری‌های دیگری نیز در جریان است. به عنوان مثال، کار بر روی ایجاد سیستم‌های جذب، استفاده و ذخیره کربن (CCUS) در حال انجام است. برای کربن‌زدایی صنایع تولیدی بریتانیا و رسیدن به هدف نهایی یعنی صفر خالص، به فناوری‌های دگرگون‌کننده نیاز است. CCUS یک نوآوری ضروری کاهش انتشار کربن است که می‌تواند از ورود دی‌اکسید کربن به جو جلوگیری کند. این سیستم جدید، CO2 خالص را قادر می‌سازد تا از فرآیند کلسینه‌سازی (Calcination) که هنگام گرم شدن سنگ آهک رخ می‌دهد، آزاد شود.
نوآوری در کاهش کربن
کربن‌زدایی سیمان و بتن بیش از 30 سال است که مورد توجه جهان قرار گرفته و در حال حاضر صنعت بتن بریتانیا انتشار دی‌اکسید کربن در هر تن بتن را 30 درصد کاهش داده است. این کاهش به دلیل طیف وسیعی از اقدامات از جمله سرمایه‌گذاری در تغییر سوخت، با زیست‌توده (Biomass ) و ضایعات و تولید فرمولاسیون سیمان کم‌کربن حاصل شده است.
در حال حاضر کار برای روی آوردن به سوخت‌های بدون کربن نیز انجام می‌شود. در سال 2019، یک مطالعه امکان‌سنجی نشان داد که ترکیبی از زیست‌توده، هیدروژن و انرژی پلاسما می‌تواند انتشار CO2 سوخت فسیلی را از تولید سیمان حذف کند. در سال 2020، یک پروژه جدید آزمایشات مختلفی بر انرژی پلاسمای الکتریکی با زیست‌توده و نیز هیدروژن با زیست‌توده انجام شده است.
بتن خودترمیم‌شونده (Self-healing concrete)
اگر بتن خودترمیم‌شونده ترک بخورد، باکتری‌های درون آن آزاد شده، در معرض اکسیژن و آب قرار می‌گیرند و سنگ آهک تشکیل می‌دهند تا درنهایت سبب ترمیم بتن و بسته شدن شکاف آن شود. این باکتری‌ها از مخمر تغذیه می‌کنند، تکثیر می‌شوند و در نتیجه فعالیت‌های متابولیکی، کربنات کلسیم – یا سنگ آهک – تشکیل می‌شود تا شکاف را قبل از بزرگ شدن، ببندد. اطلاعات کامل‌تر در این زمینه را در مقاله بتن خودترمیم‌شونده چیست؟ مطالعه کنید.
سیمان کربن‌منفی (Carbon negative cement)
جایگزینی مواد سیمانی با یک ماده کربن‌منفی می‌تواند بتن کربن‌خنثی را بدون هیچ تغییری در روند ساخت‌وساز و خاصیت بتن ایجاد کند. برای این منظور، محصول آزمایشی شرکت Seratech باید با حدود 35 درصد از سیمان پرتلند جایگزین شود تا به بتن خنثی از کربن دست پیدا شود.
اساساً این فرآیند شامل خرد کردن و پردازش الیوین (Olivine) است؛ نوعی ماده معدنی فراوان که در خالص‌ترین شکل کریستالی آن به عنوان پریدوت (Peridot) شناخته می‌شود. الیوین عمدتاً سیلیکات منیزیم است اما با افزودن CO2 – که به‌طور بالقوه می‌تواند مستقیماً از منابع صنعتی به دست آید – فناوری این شرکت دو ترکیب تولید می‌کند؛ یکی از آنها پودر سیلیس یا پوزولان مهندسی شده است که می‌تواند به سیمان اضافه گردد، در حالی‌که CO2 به‌طور دائم در یک محصول جانبی (کربنات منیزیم) جمع می‌شود.
این فرآیند یک تغییر قابل توجه در سایر فناوری‌های جدید است که CO2 را در طول فرآیند پخت بتن جذب می‌کند و در نتیجه می‌توان از آن همچون یک سیمان معمولی در مخلوط‌های بتن پیش‌ساخته یا به‌صورت درجا استفاده کرد. محصول Seratech به شدت کربن‌منفی است و می‌تواند بتن خنثی‌کربن یا حتی به‌طوز بالقوه کربن‌منفی تولید کند.
بتن هوشمند (Smart concrete)
دانشمندان نوع جدیدی از بتن ابداع کرده‌اند که با یون‌های پتاسیم تزریق می‌شود و به آن اجازه می‌دهد الکتریسیته را برای مدت طولانی در خورد ذخیره کند. هنگامی که سطح تولید انرژی کاهش می‌یابد، بتن با استفاده از انرژی ذخیره شده در خود، به تامین انرژی ساختمان کمک خواهد کرد؛ این بدان معناست که دیوارهای خانه‌ها به زودی می‌توانند به عنوان یک باتری ایفای نقش کرده و انرژی را در بلوک‌های خود ذخیره و ارائه کنند. ایده این است که الکتریسیته در خود سازه ذخیره شود و در زمان اوج تقاضا آزاد شود.
از آنجایی که خازن‌ها نسبت به باتری‌ها انرژی کمتری را از نظر حجمی نگه می‌دارند، اگر شکل جدید بتن به‌طور گسترده به‌عنوان مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار گیرد، حجم بسیار بیشتری از انرژی در دسترس خواهد بود.
بتن چاپی سه‌بُعدی استریاتوس (Striatus)
اصل کار استریاتوس بر فشرده‌سازی استورا است؛ یک پل عابر قوسی متشکل از 53 بلوک بتنی چاپ شده و بدون ملات یا آرماتور مونتاژ شده است. پل عابر 16 متر در 12 متر با ترکیب تکنیک‌های سنتی با طراحی محاسباتی پیشرفته و ساخت رباتیک که در زوریخ انجام شده است.
این پل از بلوک‌های بتنی چاپ شده ساخته شده که تا حدی توخالی هستند و بین 200 تا 700 کیلوگرم وزن دارند. آنها بر روی یک ساختار پشتیبانی تخته مجسمه‌سازی شده موقت مونتاژ شدند و به‌گونه‌ای چیده شدند که با وزن خودشان به سمت یکدیگر رانده شوند. با برداشتن تکیه‌گاه موقت، سازه فقط از فشرده‌سازی برای نگه داشتن خود (بدون نیاز به ملات یا اتصالات فولادی) استفاده می‌کند.
اصول فشرده‌سازی نیز در خود بلوک‌ها به‌کار گرفته شده است تا کارایی فرآیند تولید بتن با چاپ سه‌بُعدی را به حداکثر برساند. هر یک از 500 لایه بتن چاپ شده با استفاده از یک مخلوط دو قسمتی تشکیل شده که در آن یک مهره «جوهر» بتن همراه با یک شتاب‌دهنده که باعث می‌شود تقریباً بلافاصله آماده گردد، چاپ می‌شود.
علاوه‌بر به حداقل رساندن مواد، این بلوک‌ها عاری از تقویت‌کننده و اتصالات فولادی هستند و شامل تقویت‌کننده الیافی نیز نمی‌باشند. بنابراین علاوه‌بر استفاده از فولاد کمتر در سازه و بتن، جدا کردن و مونتاژ مجدد آن در یک مکان جدید آسان خواهد بود. از طرف دیگر، بازیافت خود بتن ساده‌تر خواهد شد زیرا نیازی به جداسازی فولاد نخواهد بود.
