Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सीमेंट मोर्टार में 20 wt% तेल रिफाइनरी अपशिष्ट उत्प्रेरक (ECAT) को शामिल करने से यांत्रिक शक्ति और घर्षण प्रतिरोध में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है, साथ ही टिकाऊ निर्माण प्रथाओं का समर्थन करने के लिए सीमेंट और क्षार-सक्रिय सामग्री मिश्रण दोनों के लिए सटीक अर्ध-अनुभवजन्य भविष्य कहने वाले मॉडल विकसित किए गए हैं।
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कारखानों, गोदामों और व्यस्त सार्वजनिक स्थानों के कंक्रीट फर्श निरंतर घिसावट की लड़ाई झेलते हैं। हर कदम, हर घूमती हुई गाड़ी और हर वाहन का टायर सतह पर रगड़ता है, जिससे धीरे-धीरे सामग्री निकल जाती है और समय के साथ संरचना कमजोर हो जाती है। टिकाऊ फर्श बनाने के लिए, इंजीनियर सीमेंट पर भरोसा करते हैं, जो वह बंधन एजेंट है जो कंक्रीट को एक साथ जोड़कर रखता है। हालांकि, इस सीमेंट के उत्पादन की एक भारी कीमत चुकानी पड़ती है: प्रत्येक एक टन सीमेंट बनाने के लिए, लगभग 0.85 टन कार्बन डाइऑक्साइड वातावरण में छोड़ी जाती है, जो जलवायु परिवर्तन में महत्वपूर्ण योगदान देती है। इस वास्तविकता ने शोधकर्ताओं को औद्योगिक कचरे के साथ कुछ सीमेंट को बदलने के तरीके खोजने के लिए प्रेरित किया है, जिससे प्रदूषण की समस्या को निर्माण समाधान में बदला जा सके। ऐसा ही एक अपशिष्ट उत्पाद तेल रिफाइनरियों से आता है, जहाँ कच्चे तेल को ईंधन में बदलने में मदद करने के लिए उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) नामक सूक्ष्म कणों का उपयोग किया जाता है। एक बार जब ये कण अपना काम कर लेते हैं, तो उन्हें "स्पेंट कैटलिस्ट" (खर्च किए गए उत्प्रेरक) के रूप में त्याग दिया जाता है। ये कण एल्युमीनियम और सिलिका से भरपूर होते हैं, जो वही सामग्रियां हैं जो उन चट्टानों और रेत में पाई जाती हैं जिनसे कंक्रीट बनता है, जिससे संकेत मिलता है कि वे एक नए जीवन में उपयोगी हो सकते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करने के लिए हाथ में लिया कि क्या इन फेंके गए तेल रिफाइनरी कणों को कंक्रीट में मिलाया जा सकता है ताकि अधिक मजबूत, अधिक टिकाऊ फर्श बनाए जा सकें जो पर्यावरण की मदद भी करें। उन्होंने दो अलग-अलग प्रकार के कंक्रीट मिश्रणों पर ध्यान केंद्रित किया। पहला एक मानक सीमेंट मिश्रण था, जहाँ अपशिष्ट कणों का उपयोग सीमेंट के कुछ हिस्से को भरने वाले (फिलर) के रूप में किया जाएगा। दूसरा एक "अल्कली-एक्टिवेटेड" मिश्रण था, जो एक अधिक उन्नत प्रकार का कंक्रीट है जो पारंपरिक सीमेंट के बिना ही अपशिष्ट कणों को एक साथ बांधने के लिए एक रासायनिक घोल का उपयोग करता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि अपशिष्ट कणों का आकार और मिश्रण का प्रकार कंक्रीट की कुचलने, झुकने और घर्षण के निरंतर रगड़ का प्रतिरोध करने की क्षमता को कैसे प्रभावित करता है। उनका लक्ष्य एक सेट नियम बनाना भी था जिसका उपयोग इंजीनियर कंक्रीट डालने से पहले ही यह अनुमान लगाने के लिए कर सकें कि फर्श कितना मजबूत होगा, जो केवल इस बात पर आधारित होगा कि कितना कचरा डाला गया है और कण कितने महीन हैं।
टीम ने अपनी सामग्री एकत्र करके शुरुआत की: मानक पोर्टलैंड सीमेंट, नदी की रेत, पानी और पोलैंड की एक रिफाइनरी से प्राप्त स्पेंट कैटलिस्ट कण। उन्होंने सावधानीपूर्वक उत्प्रेरक कणों को दो आकारों में छाँटा, एक बारीक और एक मोटा, यह देखने के लिए कि क्या आकार मायने रखता है। फिर उन्होंने परीक्षण बैचों की एक श्रृंखला बनाई। कुछ बैचों में अपशिष्ट कणों के साथ सीमेंट के 20 प्रतिशत तक को बदला गया, जबकि अन्य में कणों का उपयोग मुख्य घटक के रूप में अल्कली-एक्टिवेटेड मिश्रण में किया गया। मिश्रण को काम करने योग्य सुनिश्चित करने के लिए, उन्होंने एक तरल प्लास्टिसाइज़र जोड़ा ताकि गीला कंक्रीट आसानी से सांचों में बह सके। कंक्रीट के सख्त होने के बाद, शोधकर्ताओं ने नमूनों को कठोर परीक्षणों की एक श्रृंखला से गुजारा। उन्होंने सामग्री के घनत्व को मापने के लिए क्यूब्स को कुचला, झुकने की शक्ति का परीक्षण करने के लिए लंबे बीम को मोड़ा, और एक विशेष मशीन का उपयोग किया जिसने सतह पर एक भारी, अपघर्षक पहिया रगड़ा ताकि यह मापा जा सके कि समय के साथ सामग्री का कितना वजन कम होता है। यह घर्षण परीक्षण (एब्रेशन टेस्ट) महत्वपूर्ण है क्योंकि यह कुछ ही घंटों में वर्षों के पैदल यातायात और वाहन के घिसावट का अनुकरण करता है।
परिणामों ने स्पष्ट विभाजन दिखाया कि किस प्रकार के कंक्रीट का उपयोग किया जा रहा है। मानक सीमेंट मिश्रणों में, अपशिष्ट कणों को जोड़ने से उल्लेखनीय लाभ हुआ। जब शोधकर्ताओं ने स्पेंट कैटलिस्ट के साथ 20 प्रतिशत सीमेंट को बदला, तो परिणामी कंक्रीट अधिक मजबूत और घिसावट के प्रति अधिक प्रतिरोधी हो गया। सबसे महीन कणों वाले मिश्रण ने 52 मेगापास्कल की संपीड़न शक्ति (कंप्रेसिव स्ट्रेंथ) और 8 मेगापास्कल की फ्लेक्सरल स्ट्रेंथ हासिल की, और साथ ही साधारण सीमेंट की तुलना में घिसावट के प्रतिरोध में 18 प्रतिशत का सुधार दिखाया। अपशिष्ट कणों ने एक स्पंज की तरह काम किया, पानी को सोखा और सीमेंट के साथ प्रतिक्रिया करके सूक्ष्म अंतराल को भर दिया, जिससे एक सघन और अधिक मजबूत सामग्री बनी। हालांकि, कहानी अल्कली-एक्टिवेटेड मिश्रणों के लिए अलग थी। इन मिश्रणों में, अपशिष्ट कण रासायनिक बाइंडर के साथ पूरी तरह से प्रतिक्रिया नहीं कर पाए। परिणामी सामग्री काफी कमजोर थी और इसमें बहुत अधिक घिसावट हुई, जिसमें 28 दिनों के बाद सीमेंट मिश्रणों की तुलना में नौ गुना अधिक वजन का नुकसान हुआ। शोधकर्ताओं ने पाया कि रासायनिक सक्रियण प्रक्रिया अधूरी थी, जिससे कई अपशिष्ट कण अप्रतिक्रियाशील और संरचना के भीतर ढीले रह गए, जिससे सतह घर्षण के कारण आसानी से टूट गई।
इन जटिल परिणामों को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने गणितीय मॉडल विकसित किए जो हर एक परीक्षण किए बिना कंक्रीट के प्रदर्शन की भविष्यवाणी कर सकते थे। ये मॉडल केवल अनुमान नहीं थे; इन्हें भौतिक सिद्धांतों पर बनाया गया था जो कचरे की मात्रा, कणों के आकार, उपयोग किए गए बाइंडर के प्रकार और कंक्रीट की आयु को इसकी अंतिम मजबूती और स्थायित्व से जोड़ते थे। मॉडल अत्यधिक सटीक साबित हुए, जिन्होंने 7 प्रतिशत से कम के त्रुटि मार्जिन के साथ संपीड़न शक्ति, झुकने की शक्ति और घिसावट के नुकसान की भविष्यवाणी की। इसका अर्थ यह है कि यदि किसी इंजीनियर को पता है कि वे कौन सा विशिष्ट मिश्रण बनाने जा रहे हैं, तो वे इन सूत्रों का उपयोग करके आत्मविश्वास के साथ भविष्यवाणी कर सकते हैं कि भारी यातायात के तहत फर्श कैसा प्रदर्शन करेगा। मॉडलों ने पुष्टि की कि मानक सीमेंट के लिए, कचरा जोड़ना एक दोतरफा फायदा (विन-विन) था, जिससे मजबूती और स्थायित्व दोनों बढ़े। अल्कली-एक्टिवेटेड मिश्रणों के लिए, मॉडलों ने रेखांकित किया कि वर्तमान रासायनिक रेसिपी अभी इस विशिष्ट कचरे का पूरी तरह से उपयोग करने के लिए तैयार नहीं है, क्योंकि कण आवश्यक बंधन शक्ति प्रदान करने के लिए बहुत निष्क्रिय बने हुए हैं।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि कंक्रीट में तेल रिफाइनरी के कचरे का उपयोग करना एक व्यवहार्य मार्ग है, लेकिन इसके लिए सही दृष्टिकोण की आवश्यकता है। सीमेंट के एक हिस्से को इन कणों से बदलने से एक उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्री बनती है जो घिसावट के प्रति अधिक कठोर होती है और निर्माण के कार्बन फुटप्रिंट को कम करती है। शोधकर्ता अनुमान लगाते हैं कि 20 प्रतिशत सीमेंट को बदलने से उपयोग किए गए प्रत्येक टन बाइंडर के लिए लगभग 170 किलोग्राम कार्बन उत्सर्जन कम किया जा सकता है। हालांकि, यह लाभ केवल तभी प्राप्त होता है जब कचरे का उपयोग पारंपरिक सीमेंट मिश्रणों में किया जाता है, जहाँ यह एक प्रतिक्रियाशील फिलर के रूप में कार्य करता है। अधिक प्रयोगात्मक अल्कली-एक्टिवेटेड प्रणालियों में, तकनीक अभी इस विशिष्ट कचरे को प्रभावी ढंग से संभालने के लिए परिपक्व नहीं हुई है। यह कार्य निर्माण उद्योग के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है: कंक्रीट के प्रकार और कचरे के कणों के आकार को सावधानीपूर्वक चुनकर, निर्माता ऐसे फर्श बना सकते हैं जो न केवल अधिक टिकाऊ हैं बल्कि अधिक लंबे समय तक चलने वाले भी हैं, जिससे एक औद्योगिक उप-उत्पाद को भविष्य की नींव में बदला जा सकता है।
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