Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

तकनीकी सारांश: नैनो टाइटेनियम डाइऑक्साइड और कोल बॉटम ऐश युक्त कंक्रीट का प्रदर्शन मूल्यांकन

समस्या विवरण
निर्माण उद्योग एक दोहरी चुनौती का सामना कर रहा है: सीमेंट निर्माण का उच्च पर्यावरणीय पदचिह्न (कार्बन फुटप्रिंट), जो महत्वपूर्ण कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन के लिए उत्तरदायी है, और प्राकृतिक महीन समुच्चय (नदी की रेत) की बढ़ती कमी और लागत। साधारण पोर्टलैंड सीमेंट (OPC) और प्राकृतिक रेत पर पारंपरिक निर्भरता संसाधनों की कमी और उत्खनन एवं ड्रेजिंग से होने वाले पारिस्थितिक नुकसान के कारण अस्थिर है। इसके अलावा, औद्योगिक उपोत्पादों जैसे कोल बॉटम ऐश (CBA) का निपटान एक अपशिष्ट प्रबंधन मुद्दा बना हुआ है। हालांकि पूरक सीमेंट सामग्री (SCMs) का अन्वेषण किया गया है, लेकिन ऐसे मिश्रण डिजाइनों को अनुकूलित करने की आवश्यकता है जो कार्यक्षमता (workability) या दीर्घकालिक स्थायित्व से समझौता किए बिना सूक्ष्म संरचनात्मक गुणों को बढ़ाने के लिए नैनोमटेरियल्स को शामिल करते हुए, औद्योगिक कचरे का महीन समुच्चय प्रतिस्थापन के रूप में उपयोग कर सकें।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन M35 ग्रेड कंक्रीट पर केंद्रित था, जिसे IS 10262:2009 और IS 456:2000 मानकों के अनुसार डिजाइन किया गया था। प्रयोगात्मक कार्यक्रम में तीन प्राथमिक चर (variables) शामिल थे:

1. महीन समुच्चय प्रतिस्थापन: प्राकृतिक महीन समुच्चय को 10% से 100% के बढ़ते क्रम में कोल बॉटम ऐश (CBA) के साथ आंशिक या पूर्ण रूप से प्रतिस्थापित किया गया।
2. नैनोमटेरियल का संयोजन: हाइड्रेशन और सूक्ष्म संरचना पर इसके प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए सीमेंट मैट्रिक्स में विभिन्न मात्राओं (वजन के आधार पर 1% से 7%) में नैनो टाइटेनियम डाइऑक्साइड (NTi) मिलाया गया।
3. नियंत्रण मिश्रण (Control Mix): तुलना के लिए एक पारंपरिक M35 मिश्रण को आधार के रूप में उपयोग किया गया।

शोध में एक व्यापक परीक्षण व्यवस्था का उपयोग किया गया:

• ताजा गुण (Fresh Properties): कार्यक्षमता का आकलन स्लम कोन, कॉम्पैक्शन फैक्टर और फ्लो टेबल परीक्षणों के माध्यम से किया गया।
• यांत्रिक गुण (Mechanical Properties): संपीड़न शक्ति (Compressive strength) को 3, 7, 28, 56 और 90 दिनों में मापा गया। स्प्लिट-टेन्साइल और फ्लेक्सुरल स्ट्रेंथ का मूल्यांकन 28, 56 और 90 दिनों पर किया गया।
• स्थायता (Durability): एसिड हमले (5% HCl इमर्शन) के प्रति प्रतिरोध का परीक्षण समय के साथ द्रव्यमान हानि और शक्ति में कमी को मापकर किया गया। पारगम्यता का आकलन करने के लिए 90 दिनों पर रैपिड क्लोराइड पेनिट्रेशन टेस्ट (RCPT) आयोजित किए गए।
• गैर-विनाशकारी परीक्षण (NDT): आंतरिक गुणवत्ता और घनत्व का मूल्यांकन करने के लिए रिबाउंड हैमर परीक्षण और अल्ट्रासोनिक पल्स वेलोसिटी (UPV) माप का उपयोग किया गया।
• सूक्ष्म संरचनात्मक विश्लेषण: क्रिस्टलीय चरणों, हाइड्रेशन उत्पादों और छिद्र संरचना के शोधन की पहचान करने के लिए एक्स-रे विवर्तन (XRD) और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) का उपयोग किया गया।

प्रमुख योगदान और परिणाम

• कार्यक्षमता (Workability): 60% CBA और 40% प्राकृतिक महीन समुच्चय के समावेश ने आम तौर पर मध्यम कार्यक्षमता बनाए रखी। NTi के जुड़ने से कार्यक्षमता में सुधार हुआ, जिसमें 5% की खुराक ने उच्चतम स्लम (128 मिमी) और फ्लो (93%) दिया, जिसे "उच्च" कार्यक्षमता के रूप में वर्गीकृत किया गया। हालांकि, 5% से अधिक की खुराक ने घटते लाभ या कम प्रदर्शन को दिखाया।
• यांत्रिक शक्ति (Mechanical Strength):
  • CBA प्रतिस्थापन: 60% CBA और 40% प्राकृतिक महीन समुच्चय वाले मिश्रण ने नियंत्रण मिश्रण से बेहतर प्रदर्शन किया। 90 दिनों में, इस मिश्रण ने 47.1 N/mm² की संपीड़न शक्ति प्राप्त की (नियंत्रण के 46.3 N/mm² की तुलना में), साथ ही बेहतर स्प्लिट-टेन्साइल (3.04 N/mm²) और फ्लेक्सुरल (3.54 N/mm²) शक्ति भी प्राप्त की। महीन समुच्चय के पूर्ण प्रतिस्थापन के परिणामस्वरूप शक्ति में कमी आई।
  • NTi अनुकूलन: 60% CBA मिश्रण में 5% NTi के जुड़ने से इष्टतम यांत्रिक प्रदर्शन प्राप्त हुआ। इस संयोजन ने 90 दिनों में 47.9 N/mm² की चरम संपीड़न शक्ति प्राप्त की, जो नियंत्रण और केवल CBA-संशोधित मिश्रणों दोनों से अधिक थी। NTi की कम खुराक (1-2%) के परिणामस्वरूप शुरू में CBA-केवल मिश्रण की तुलना में कम शक्ति प्राप्त हुई।
• स्थायता (Durability):
  • एसिड प्रतिरोध: 5% NTi मिश्रण ने 5% HCl एक्सपोजर के प्रति उत्कृष्ट प्रतिरोध प्रदर्शित किया। 28 दिनों में, इसमें केवल 12.07% शक्ति की कमी देखी गई, जो नियंत्रण (27.01%) और 60% CBA मिश्रण (23.50%) की तुलना में काफी कम थी। हालांकि समय के साथ शक्ति का नुकसान बढ़ा, लेकिन NTi-संशोधित मिश्रण अन्य वेरिएंट की तुलना में अधिक प्रतिरोधी रहा।
  • क्लोराइड पारगम्यता: RCPT परिणामों ने संकेत दिया कि 5% NTi मिश्रण में क्लोराइड पारगम्यता सबसे कम (379 कौल्म्ब्स) थी, जिसे "बहुत कम" के रूप में वर्गीकृत किया गया, जबकि 60% CBA मिश्रण के लिए यह 756 कौल्म्ब्स और नियंत्रण के लिए 886 कौल्म्ब्स था।
  • NDT परिणाम: UPV परीक्षण ने NTi-संशोधित मिश्रण की उन्नत गुणवत्ता की पुष्टि की, जिसने 5.36 किमी/सेकंड का पल्स वेलोसिटी रिकॉर्ड किया ("उत्कृष्ट"), जबकि CBA मिश्रण के लिए यह 3.85 किमी/सेकंड और नियंत्रण के लिए 3.66 किमी/सेकंड था।
• सूक्ष्म संरचनात्मक अंतर्दृष्टि:
  • XRD विश्लेषण: NTi (एनाटेस चरण) की उपस्थिति की पुष्टि की गई। 5% NTi मिश्रण ने कैल्शियम हाइड्रोक्साइड (पोर्टलैंडाइट) शिखरों (peaks) में कमी और कैल्शियम सिलिकेट हाइड्रेट (C-S-H) क्षेत्र की तीव्रता दिखाई, जो यह सुझाव देता है कि NTi ने एक न्यूक्लिएशन साइट के रूप में कार्य किया, जिससे सघन हाइड्रेशन को बढ़ावा मिला।
  • SEM विश्लेषण: माइक्रोग्राफ ने दर्शाया कि NTi-संशोधित मिश्रण में रिक्तियों (voids) के कम होने के साथ एक परिष्कृत छिद्र संरचना थी। CBA कणों ने सूक्ष्म-एग्रीगेट्स के रूप में कार्य किया, जिससे रिक्त स्थान भर गए, जबकि NTi ने इंटरफेशियल ट्रांजिशन ज़ोन को बढ़ाया, जिससे एक सघन मैट्रिक्स प्राप्त हुआ।

महत्ता और दावे
यह शोध निष्कर्ष निकालता है कि टिकाऊ महीन समुच्चय प्रतिस्थापन के रूप में कोल बॉटम ऐश और प्रदर्शन बढ़ाने वाले एडिटिव के रूप में नैनो टाइटेनियम डाइऑक्साइड का सहक्रियात्मक उपयोग सतत कंक्रीट विकास के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है। अध्ययन का दावा है कि 60% CBA और 5% NTi का विशिष्ट मिश्रण एक इष्टतम समझौता प्रस्तुत करता है, जो निम्नलिखित प्रदान करता है:

1. उन्नत यांत्रिक प्रदर्शन: पारंपरिक कंक्रीट की तुलना में उच्च संपीड़न, तन्यता और फ्लेक्सरल शक्ति।
2. बेहतर स्थायता: क्लोराइड पारगम्यता में उल्लेखनीय कमी और एसिड हमले के प्रति बेहतर प्रतिरोध, जो विशेष रूप से आक्रामक वातावरणों में लंबे सेवा जीवन का सुझाव देता है।
3. सूक्ष्म संरचनात्मक शोधन: कम सरंध्रता (porosity) और अनुकूलित हाइड्रेशन उत्पादों के साथ एक सघन मैट्रिक्स।
4. व्यावहारिक व्यवहार्यता: मिश्रणों ने कार्यक्षमता को बनाए रखा या उसमें सुधार किया, जो यह दर्शाता है कि इन टिकाऊ संशोधनों के लिए साइट पर जटिल हैंडलिंग प्रक्रियाओं की आवश्यकता नहीं है।

लेखक इस दृष्टिकोण को केवल एक "सिल्वर बुलेट" के रूप में नहीं, बल्कि उन अनुप्रयोगों के लिए एक मजबूत उम्मीदवार के रूप में देखते हैं जहाँ दीर्घकालिक संरचनात्मक अखंडता और पर्यावरणीय स्थिरता को प्राथमिकता दी जाती है। यह शोध प्रमाणित करता है कि पारंपरिक कंक्रीट की सीमाओं को दूर करने के लिए उन्नत नैनोमटेरियल्स के साथ मिलकर औद्योगिक कचरे का प्रभावी ढंग से मूल्यवर्धन किया जा सकता है।