Experimental Investigation of Strength and Durability Characteristics of Alkaline Activated Slag Concrete Replacing the Fine Aggregate with Bottom Ash

तकनीकी सारांश: महीन समुच्चय के स्थान पर बॉटम ऐश (Bottom Ash) का उपयोग करते हुए एल्केलाइन सक्रियित स्लैग कंक्रीट के मजबूती और स्थायित्व गुणों का प्रयोगात्मक अन्वेषण

समस्या विवरण
वैश्विक निर्माण उद्योग साधारण पोर्टलैंड सीमेंट (OPC) और प्राकृतिक नदी रेत पर अपनी निर्भरता के कारण महत्वपूर्ण पर्यावरणीय चुनौतियों का सामना कर रहा है। सीमेंट उत्पादन वैश्विक CO₂ उत्सर्जन (लगभग 4-8%) में एक प्रमुख योगदानकर्ता है, जहाँ 1 टन सीमेंट 1 टन CO₂ उत्सर्जित करता है। इसके साथ ही, औद्योगिक उपोत्पादों, विशेष रूप से कोयला दहन बॉटम ऐश (Bottom Ash) का निपटान, भूमि क्षरण और संभावित भारी धातु रिसाव के माध्यम से पर्यावरणीय जोखिम पैदा करता है। यह अध्ययन एक टिकाऊ जियोपॉलिमर कंक्रीट (GPC) विकसित करके कार्बन फुटप्रिंट को कम करने और औद्योगिक कचरे के प्रबंधन की दोहरी आवश्यकता को संबोधित करता है, जिसमें सीमेंट के विकल्प के रूप में ग्राउंड ग्रैनुलेटेड ब्लास्ट फर्नेस स्लैग (GGBFS) और प्राकृतिक महीन समुच्चय (नदी रेत) के आंशिक प्रतिस्थापन के रूप में बॉटम ऐश का उपयोग किया गया है।

कार्यप्रणाली
शोध में एक व्यवस्थित प्रयोगात्मक दृष्टिकोण अपनाया गया जिसे तीन चरणों में विभाजित किया गया है:

1. मिश्रण तैयार करना: GGBFS को बाइंडर के रूप में उपयोग करके GPC नमूनों को तैयार किया गया। बॉटम ऐश का उपयोग प्राकृतिक नदी रेत को विभिन्न स्तरों पर बदलने के लिए किया गया: 0% (नियंत्रण), 10%, 20%, 30%, 40%, और 50%। मिश्रणों को सोडियम हाइड्रोक्साइड (NaOH) और सोडियम सिलिकेट (Na₂SiO₃) के एल्केलाइन समाधानों का उपयोग करके सक्रिय किया गया।
2. इंजीनियरिंग गुणों का मूल्यांकन: ताजे कंक्रीट की कार्यशीलता का आकलन स्लम टेस्ट (IS 1199) के माध्यम से किया गया। कठोर गुणों का मूल्यांकन परिवेशी (ambient) और रासायनिक क्यूरिंग दोनों स्थितियों में विभिन्न क्यूरिंग आयु (3, 7, 28, और 90 दिन) पर संपीड़न शक्ति (compressive strength) और स्प्लिट टेंसाइल स्ट्रेंथ परीक्षणों के माध्यम से किया गया।
3. स्थायित्व मूल्यांकन: आक्रामक वातावरण के प्रति नमूनों के प्रतिरोध का परीक्षण 5% सल्फ्यूरिक एसिड (H₂SO₄) और 5% मैग्नीशियम सल्फेट (MgSO₄) समाधानों के संपर्क में रखकर किया गया। एक्सपोजर के बाद 28, 56, और 90 दिनों में अवशिष्ट संपीड़न शक्ति और द्रव्यमान हानि को मापा गया।

जांचे गए प्रमुख चर में एल्केलाइन एक्टिवेटर-टू-बाइंडर अनुपात (0.35 से 0.55 तक) और NaOH मोलरिटी (8M से 16M) शामिल थे।

मुख्य परिणाम

• कार्यशीलता (Workability): नियंत्रण मिश्रण (0% बॉटम ऐश) ने 108 मिमी का स्लम प्रदर्शित किया। जैसे-जैसे बॉटम ऐश की मात्रा बढ़ी, राख के कणों की छिद्रपूर्ण और असमान बनावट के कारण कार्यशीलता कम हो गई। 50% प्रतिस्थापन मिश्रण ने 76 मिमी का स्लंप दिखाया, जो 29.63% की कमी दर्शाता है। हालांकि, एल्केलाइन/बाइंडर अनुपात को 0.35 से बढ़ाकर 0.55 करने से कार्यशीलता में सुधार हुआ, जिससे स्लम मान 65 मिमी से बढ़कर 145 मिमी हो गया।
• संपीडन शक्ति (Compressive Strength):
  • इष्टतम अनुपात: 0.45 के एल्केलाइन/बाइंडर अनुपात ने सबसे अच्छा संतुलन प्रदान किया, जिससे 28 दिनों में 42.5 MPa और 90 दिनों में 49.2 MPa प्राप्त हुआ।
  • NaOH सांद्रता: उच्च मोलरिटी ने शक्ति को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाया। 16M NaOH मिश्रण ने 7 दिनों में 32.9 MPa, 28 दिनों में 44.6 MPa, और 90 दिनों में 51.8 MPa प्राप्त किया, जबकि 8M मिश्रण में कम ताकत देखी गई।
  • बॉटम ऐश का प्रभाव: बॉटम ऐश की मात्रा बढ़ने से सामान्यतः संपीड़न शक्ति कम हुई। हालांकि, 40% तक प्रतिस्थापन वाले मिश्रणों ने संरचनात्मक रूप से संतोषजनक शक्ति (परिवेशी क्यूरिंग के तहत 28 दिनों में 35.7–42.5 MPa; 90 दिनों में 43.1–49.1 MPa) बनाए रखी। सभी मिश्रणों ने 90 दिनों में 40 MPa के लक्ष्य डिजाइन स्ट्रेंथ को पार कर लिया।
• स्प्लिट टेंसाइल स्ट्रेंथ: बॉटम ऐश की उच्च मात्रा के साथ टेंसाइल स्ट्रेंथ कम हो गई, जो 28 दिनों में 4.75 MPa (नियंत्रण) से घटकर 4.23 MPa (50% प्रतिस्थापन) रह गई। इस कमी के बावजूद, सभी मिश्रण संरचनात्मक रूप से सुरक्षित सीमाओं के भीतर रहे।
• स्थायित्व (Durability):
  • अम्ल प्रतिरोध: 5% H₂SO₄ में 90 दिनों के बाद, सभी मिश्रणों ने अपनी मूल संपीड़न शक्ति का 69% से अधिक बरकरार रखा। नियंत्रण मिश्रण ने 76.5% बरकरार रखा, जबकि 50% बॉटम ऐश मिश्रण ने 69.2% बरकरार रखा।
  • सल्फेट प्रतिरोध: 90 दिनों के लिए 5% MgSO₄ के संपर्क में रहने के बाद सभी मिश्रणों ने अपनी संपीड़न शक्ति का 82% से अधिक बरकरार रखा (नियंत्रण: 88.5%; 50% प्रतिस्थापन: 82.1%)।

प्रमुख योगदान
अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि बॉटम ऐश, संरचनात्मक अखंडता या स्थायित्व से समझौता किए बिना, प्राकृतिक महीन समुच्चय के रूप में 40% तक प्रभावी रूप से प्रतिस्थापित किया जा सकता है। यह इस टिकाऊ कंक्रीट के लिए इष्टतम मिश्रण मापदंडों की पहचान करता है: 0.45 का एल्केलाइन/बाइंडर अनुपात और 16M की NaOH सांद्रता। शोध पुष्टि करता है कि GGBFS सक्रियण द्वारा निर्मित सघन जियोपॉलिमेरिक मैट्रिक्स, छिद्रपूर्ण औद्योगिक कचरे के समावेश के बावजूद, एसिड और सल्फेट हमलों के प्रति उच्च प्रतिरोध प्रदान करता है।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि यह दृष्टिकोण प्राकृतिक संसाधनों (नदी रेत) के उपभोग को कम करने और औद्योगिक कचरे (बॉटम ऐश) तथा सीमेंट उत्पादन के पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने के माध्यम से सतत निर्माण के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता। निष्कर्ष बताते हैं कि बॉटम ऐश का उपयोग करने वाला जियोपॉलिमर कंक्रीट मानक इंजीनियरिंग आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है, जो निर्माण क्षेत्र में पर्यावरण के अनुकूल निर्माण सामग्री को बढ़ावा देने में सहायक है।