Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

कंक्रीट पृथ्वी पर सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली निर्माण सामग्री है, जो रेत, पानी और सीमेंट नामक एक बंधनकारी पाउडर का मिश्रण है। जब पानी सीमेंट से मिलता है, तो एक रासायनिक प्रतिक्रिया शुरू होती है जो इस नरम मिश्रण को एक कठोर, पत्थर जैसे ठोस पदार्थ में बदल देती है। यह प्रक्रिया, जिसे हाइड्रेशन (hydration) कहा जाता है, गर्मी छोड़ती है। बांधों या ऊंची इमारतों की नींव जैसी विशाल संरचनाओं में, यह गर्मी खतरनाक स्तर तक बढ़ सकती है, जिससे ठंडा होने के दौरान कंक्रीट में दरारें आ सकती हैं। इसे प्रबंधित करने के लिए, इंजीनियर अक्सर इस प्रतिक्रिया को धीमा करने या उत्पन्न होने वाली कुल गर्मी को कम करने के तरीकों की तलाश करते हैं। साथ ही, निर्माण उद्योग भारी मात्रा में कचरा पैदा करता है, जिसमें कुचली हुई ईंटें, पुरानी टाइलें और ध्वस्त किए गए कंक्रीट के टुकड़े शामिल हैं। जबकि इस मलबे के बड़े टुकड़ों को अक्सर नए बजरी के रूप में पुनर्चक्रित किया जाता है, कुचलने से प्राप्त महीन, धूल भरे पाउडर को अक्सर फेंक दिया जाता है। शोधकर्ता अब इस बात की जांच कर रहे हैं कि क्या इस महीन अपशिष्ट पाउडर को नए कंक्रीट में कुछ सीमेंट के स्थान पर उपयोग किया जा सकता है, जिससे एक निपटान समस्या को एक उपयोगी संसाधन में बदला जा सके जो रासायनिक प्रतिक्रिया को भी ठंडा करता है।

अल्जीरिया में वैज्ञानिकों की एक टीम ने तीन विशिष्ट प्रकार के निर्माण कचरे का उपयोग करके इस विचार का परीक्षण करने के लिए हाथ बढ़ाया: पुनर्चक्रित सिरेमिक टाइलों से बना पाउडर, पुनर्चक्रित ईंटों का पाउडर, और पुनर्चक्रित कंक्रीट का पाउडर। उन्होंने मोर्टार (mortar) के मिश्रणों की एक श्रृंखला बनाई, जो कंक्रीट के समान होते हैं लेकिन उनमें केवल महीन रेत का उपयोग किया जाता है। अपने प्रयोगों में, उन्होंने प्रत्येक मिश्रण में मानक सीमेंट के 10%, 20%, और 30% हिस्से को इन अपशिष्ट पाउडरों से बदल दिया। इसके बाद उन्होंने इन मिश्रणों को एक विशेष इंसुलेटेड कंटेनर में रखा, जिसे सामग्रियों के सख्त होने के दौरान तापमान परिवर्तन को मापने के लिए डिज़ाइन किया गया था। यह ट्रैक करके कि कितनी गर्मी निकल रही थी और वह कितनी तेजी से बाहर आ रही थी, शोधकर्ता पानी मिलाने के क्षण से लेकर रासायनिक प्रतिक्रिया के पूरे जीवन चक्र का मानचित्रण कर सके।

परिणामों ने दिखाया कि अपशिष्ट पाउडर मिलाने से सीमेंट के व्यवहार में महत्वपूर्ण बदलाव आया। हर उस मामले में जहाँ सीमेंट को बदला गया था, पांच दिनों में निकलने वाली कुल गर्मी कम हो गई। जितना अधिक पाउडर मिलाया गया, उतनी ही कम गर्मी उत्पन्न हुई। जब उन्होंने 30% सीमेंट को पुनर्चक्रित कंक्रीट पाउडर से बदला, तो निकलने वाली कुल गर्मी एक मानक मिश्रण की तुलना में केवल लगभग 70% थी। यह कमी गर्म जलवायु में निर्माण के लिए विशेष रूप से मूल्यवान है, जहाँ अत्यधिक गर्मी संरचना को पूरी तरह से जमने से पहले ही उसे नुकसान पहुँचा सकती है। केवल कुल गर्मी को कम करने के अलावा, अपशिष्ट पाउडरों ने प्रतिक्रिया की गति को भी धीमा कर दिया। वह क्षण जब गर्मी का उत्सर्जन चरम पर था—सबसे तीव्र रासायनिक गतिविधि का बिंदु—साधारण सीमेंट की तुलना में दो से तीन घंटे की देरी से आया। यह देरी श्रमिकों को कंक्रीट को डालने और आकार देने के लिए अधिक समय देती है इससे पहले कि वह सख्त होना शुरू हो जाए।

शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए रासायनिक प्रतिक्रिया के विभिन्न चरणों का बारीकी से अध्ययन किया कि ये परिवर्तन क्यों हुए। उन्होंने पाया कि अपशिष्ट पाउडर का प्रकार मायने रखता है। पुनर्चक्रित सिरेमिक पाउडर, जो बहुत महीन होता है, प्रतिक्रिया के प्रारंभिक न्यूक्लिएशन (nucleation) और विकास चरण को छोटा कर देता है, जबकि ईंट और कंक्रीट के पाउडर इस चरण को लंबा कर देते हैं। हालाँकि, पाउडर के प्रकार के बावजूद, सभी मिश्रणों के लिए चरम ताप प्रवाह (peak heat flux) 2 से 3 घंटे की देरी से हुआ। अध्ययन से पता चला कि इस प्रतिक्रिया में घटनाओं का एक क्रम शामिल है: पहले, नए क्रिस्टल बनते हैं और बढ़ते हैं; फिर, ये क्रिस्टल शेष सीमेंट के दानों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं; और अंत में, प्रतिक्रिया धीमी हो जाती है क्योंकि आयनों को नई जगहों को खोजने के लिए ठोस होते हुए पदार्थ के माध्यम से यात्रा करनी पड़ती है। अपशिष्ट पाउडरों ने इन चरणों के समय को बदल दिया। उदाहरण के लिए, ईंट और कंक्रीट के पाउडरों ने प्रारंभिक क्रिस्टल विकास चरण को बढ़ा दिया, जबकि सिरेमिक पाउडर ने अंतिम, धीमी विसरण (diffusion) चरण को बहुत अधिक प्रभावी बना दिया।

अंततः, यह अध्ययन पुष्टि करता है कि निर्माण कचरे के ये महीन अंश केवल निष्क्रिय भराव नहीं हैं बल्कि सक्रिय सामग्रियां हैं जो सीमेंट के व्यवहार को बदल देती हैं। इन अपशिष्ट पाउडरों में ऐसे गुण हैं जो उन्हें सख्त होने की प्रक्रिया में भाग लेने की अनुमति देते हैं, जिससे एक ऐसी सामग्री बनती है जो रासायनिक रूप से सक्रिय है फिर भी कम गर्मी पैदा करती है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन पुनर्चक्रित पाउडरों का 30% तक उपयोग करना अधिक टिकाऊ निर्माण सामग्री बनाने के लिए एक व्यवहार्य रणनीति है। निर्माण के दौरान उत्पन्न होने वाली गर्मी को कम करके, ये मिश्रण बड़ी संरचनाओं में दरारें आने से रोकने में मदद कर सकते हैं, और साथ ही, टन कचरे को लैंडफिल से दूर करने में भी सहायक हो सकते हैं। यह शोध इन सामग्रियों के काम करने के तरीके की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है, जो निर्माण उद्योग को अधिक कुशल और कम पर्यावरणीय रूप से हानिकारक बनाने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रस्तुत करता है।