High-value reuse of coal gangue through fiber- reinforced pavement-base composites: Mechanical performance and model-based feasibility

हर साल, वैश्विक कोयला उद्योग भारी मात्रा में बचा हुआ पत्थर और मिट्टी पैदा करता है, जो एक अपशिष्ट उत्पाद है जिसे 'कोयला गैंग (coal gangue)' के रूप में जाना जाता है। यह सामग्री, जो पृथ्वी से खोदे गए कच्चे कोयले का एक चौथाई हिस्सा होती है, आमतौर पर विशाल, बदसूरत पहाड़ों के रूप में जमा कर दी जाती है जो जमीन पर कब्जा कर लेती है, मिट्टी को प्रदूषित करती है, और यहाँ तक कि इसमें अपने आप आग भी लग सकती है। दशकों से, इंजीनियर इस कचरे को उपयोगी चीज़ में बदलने के तरीके खोज रहे हैं, अक्सर इसे पीसकर सड़क निर्माण में उपयोग किया जाता है। हालाँकि, इस कुचले हुए पत्थर को सीमेंट के साथ मिलाकर सड़क का आधार बनाने में एक खामी है: परिणामी सामग्री भंगुर (brittle) हो सकती है, जिसका अर्थ है कि यह ट्रकों के भारी, बार-बार पड़ने वाले भार के नीचे आसानी से टूट सकती है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इस मिश्रण में सूक्ष्म रेशों (fibers) को जोड़ने का प्रयोग करना शुरू कर दिया है, ठीक वैसे ही जैसे कंक्रीट में स्टील की छड़ों (rebar) को जोड़ा जाता है, ताकि सामग्री को अधिक मजबूत और टूटने के प्रति प्रतिरोधी बनाया जा सके।

चीन और ऑस्ट्रेलिया के शोधकर्ताओं की एक टीम इस नए प्रकार की सड़क सामग्री के लिए सही संतुलन खोजने के उद्देश्य से निकली। उन्होंने कोयला गैंग, फ्लाई ऐश (बिजली संयंत्रों से प्राप्त एक महीन पाउडर), सीमेंट और कटे हुए बेसाल्ट फाइबर का उपयोग करके एक मिश्रित मिश्रण तैयार किया। उनका लक्ष्य यह निर्धारित करना था कि सामग्री को बहुत अधिक नरम या बहुत अधिक सख्त बनाए बिना मजबूत बनाने के लिए कितने फाइबर की आवश्यकता है। उन्होंने विभिन्न मात्रा में फाइबर वाले मिश्रणों का परीक्षण किया, जो बहुत कम मात्रा से लेकर उच्च सांद्रता तक थे, और उन्हें कठोर प्रयोगशाला परीक्षणों के अधीन किया। उन्होंने सामग्री को दबाकर देखा कि टूटने से पहले यह कितना भार सह सकती है, दरारें झेलने की प्रतिरोधक क्षमता का परीक्षण करने के लिए इसे खींचकर देखा, और संकुचन के बाद यह कितनी वापस उछलती है, इसे मापा। उन्होंने सूक्ष्म संरचनाओं को देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का भी उपयोग किया और कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से यह देखा कि इस मिश्रण से बनी सड़क वास्तविक दुनिया के यातायात के तहत कैसा व्यवहार करेगी।

प्रयोगों ने फाइबर के उपयोग के लिए एक स्पष्ट 'स्वीट स्पॉट' (इष्टतम स्तर) का खुलासा किया। जब शोधकर्ताओं ने थोड़ी मात्रा में बेसाल्ट फाइबर मिलाया, तो सामग्री मजबूत हो गई, लेकिन केवल एक सीमा तक। वजन के हिसाब से 0.6 प्रतिशत फाइबर वाला मिश्रण विजेता साबित हुआ, जिसने संपीड़न (compression) और तनाव (tension) दोनों परीक्षणों में उच्चतम शक्ति प्राप्त की। इस स्तर पर, सामग्री 28 दिनों के उपचार (curing) के बाद लगभग 14.5 मेगापास्कल का दबाव सह सकती थी, जो कम या अधिक फाइबर वाले मिश्रणों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है। दिलचस्प बात यह है कि इस इष्टतम मात्रा से अधिक फाइबर मिलाने से वास्तव में सामग्री कमजोर हो गई, संभवतः इसलिए क्योंकि फाइबर समान रूप से फैलने के बजाय आपस में गुच्छे बनाने लगे। हालांकि 0.6 प्रतिशत वाला मिश्रण सबसे मजबूत था, शोधकर्ताओं ने एक अन्य तथ्य भी पाया: जैसे-जैसे वे अधिक फाइबर जोड़ते गए, सामग्री थोड़ी कम सख्त होती गई, जिसका अर्थ है कि यह कठोर रहने के बजाय भार के तहत थोड़ा लचीला व्यवहार करेगी। यह सुझाव देता है कि जबकि फाइबर सामग्री को दरारों के प्रति अधिक मजबूत बनाते हैं, वे इसे थोड़ा अधिक लचीला भी बनाते हैं।

एक वास्तविक राजमार्ग में यह सामग्री कैसा प्रदर्शन करेगी, इसे समझने के लिए टीम ने सड़क के एक खंड का विस्तृत त्रि-आयामी (3D) कंप्यूटर मॉडल बनाया। उन्होंने एक चार-लेन राजमार्ग का अनुकरण किया जिसका आधार परत उनके सबसे अच्छे प्रदर्शन करने वाले मिश्रण से बनी थी और देखा कि सड़क कैसे बैठती है और चलते वाहनों के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है। सिमुलेशन ने दिखाया कि आधार परत में फाइबर की मात्रा का सड़क के धंसने (settlement) पर आश्चर्यजनक रूप से बहुत कम प्रभाव पड़ता है। चाहे फाइबर की मात्रा 0.2 प्रतिशत हो या 0.8 प्रतिशत, सड़क के बैठने में अंतर न्यूनतम था। इसके बजाय, सिमुलेशन से पता चला कि वाहनों की गति और यातायात का भार कहीं अधिक महत्वपूर्ण कारक थे। जब वाहन धीरे चलते थे, तो सड़क काफी अधिक धंसती थी क्योंकि भारी भार एक ही स्थान पर लंबे समय तक रहता था, जिससे वह अधिक दबाव डालता था। इसके विपरीत, तेज़ चलते वाहनों के कारण कम धंसाव होता था। इसी तरह, भारी ट्रकों के कारण हल्के ट्रकों की तुलना में बहुत अधिक धंसाव हुआ। यह इंगित करता है कि हालांकि सामग्री स्वयं मजबूत है, लेकिन सड़क का व्यवहार इस बात से अधिक संचालित होता है कि यातायात उस पर कैसे चलता है, न कि फाइबर की सूक्ष्म विविधताओं से।

सूक्ष्मदर्शी के नीचे सामग्री को करीब से देखते हुए, शोधकर्ताओं ने देखा कि इस मिश्रण का जादू वास्तव में कैसे काम करता है। कोयला गैंग के कण, जो स्वाभाविक रूप से खुरदरे और अनियमित होते हैं, सीमेंट को पकड़ बनाने के लिए एक अच्छी सतह प्रदान करते हैं। जैसे-जैसे मिश्रण पुराना होता गया, सीमेंट और फ्लाई ऐश ने प्रतिक्रिया करके एक घना, गोंद जैसा पदार्थ बनाया जिसने चट्टान के कणों के बीच के अंतराल को भर दिया। यह पाया गया कि बेसाल्ट फाइबर इस कठोर मैट्रिक्स में समाहित थे, जो छोटे पुलों की तरह काम करते थे ताकि यदि कोई दरार शुरू हो, तो वे सामग्री को थामे रख सकें। छवियों ने पुष्टि की कि केवल एक सप्ताह के बजाय 28 दिनों के बाद, सामग्री बहुत अधिक घनी और ठोस हो गई थी, जिसमें खाली स्थान कम थे और सभी सामग्रियों के बीच बेहतर जुड़ाव था। इस सूक्ष्म प्रमाण ने पुष्टि की कि फाइबर केवल वहां पड़े नहीं थे, बल्कि वे संरचना को सुदृढ़ करने के लिए सीमेंट पेस्ट के साथ सक्रिय रूप से क्रिया कर रहे थे।

अंततः, यह अध्ययन कोयला गैंग का उच्च-मूल्यवान तरीके से उपयोग करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। फाइबर की सटीक मात्रा का पता लगाकर, इंजीनियर ऐसे सड़क आधार बना सकते हैं जो मजबूत, टिकाऊ और भारी यातायात को संभालने में सक्षम हों, बिना पारंपरिक सामग्रियों की भंगुरता के। शोध यह सुझाव देता है कि हालांकि मिश्रण के घटकों का विशिष्ट संयोजन मायने रखता है, लेकिन जिस तरह से हम इन सड़कों पर चलते हैं—विशेष रूप से हमारी गति और हमारे वाहनों का भार—वह समय के साथ सड़क के टिके रहने में और भी बड़ी भूमिका निभाता है। यह कार्य एक विशाल पर्यावरणीय समस्या को एक व्यावहारिक समाधान में बदल देता है, जो एक ऐसा टिकाऊ बुनियादी ढांचा बनाने का तरीका प्रदान करता है जो मजबूत होने के साथ-साथ लंबे समय तक चलने के लिए पर्याप्त लचीला भी है।