Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

हमारे पैरों के नीचे की जमीन हमेशा एक ठोस, अडिग आधार नहीं होती है। दुनिया के कई हिस्सों में, मिट्टी क्ले (मिट्टी का एक महीन प्रकार) से प्रधान होती है, जो एक महीन कणों वाली सामग्री है और स्पंज की तरह व्यवहार करती है। जब बारिश होती है या मौसम बदलता है, तो यह क्ले पानी सोख लेती है और फूल जाती है, जिससे ऊपर की ओर महत्वपूर्ण बल के साथ दबाव बढ़ता है। जब हवा शुष्क होती है, तो यह सिकुड़ जाती है और दरारें पड़ जाती हैं, जिससे उस पर टिकी किसी भी चीज़ से दूर खिंच जाती है। विस्तार और संकुचन का यह निरंतर चक्र इंजीनियरों और घर मालिकों दोनों के लिए एक दुस्वप्न है, जिससे सड़कें उखड़ जाती हैं, नींव में दरारें आ जाती हैं और संरचनाएं असमान रूप से धंस जाती हैं। इस मिट्टी को निर्माण के लिए सुरक्षित बनाने के लिए, इंजीनियर पारंपरिक रूप से साधारण सीमेंट या चूना मिलाते हैं। ये बाइंडर्स कणों को आपस में जोड़कर सख्त कर देते हैं, जिससे एक स्थिर आधार बनता है। हालांकि, इन पारंपरिक बाइंडर्स का उत्पादन कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन का एक प्रमुख स्रोत है, जो वैश्विक जलवायु संकट में महत्वपूर्ण योगदान देता है। इसने ऐसे विकल्पों की खोज को प्रेरित किया है जो भारी पर्यावरणीय लागत के बिना पृथ्वी को स्थिर कर सकें।

शोधकर्ताओं ने औद्योगिक अपशिष्ट उत्पादों, विशेष रूप से फ्लाई ऐश (fly ash) और ग्राउंड ग्रेनुलेटेड ब्लास्ट-फर्नेस स्लैग (slag) की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया है। फ्लाई ऐश वह महीन पाउडर है जो बिजली संयंत्रों में कोयला जलने के बाद बच जाता है, जबकि स्लैग लोहा बनाने का एक उप-उत्पाद है। दोनों सामग्रियां उन रासायनिक अवयवों से समृद्ध हैं जिनकी आवश्यकता एक विशिष्ट क्षारीय घोल के साथ मिलकर एक मजबूत, चट्टान जैसी पदार्थ बनाने के लिए होती है। जियोपॉलिमरनाइजेशन (geopolymerization) नामक यह प्रक्रिया, इन अपशिष्ट सामग्रियों को एक बाइंडर में बदल देती है जो पारंपरिक सीमेंट की जगह ले सकता है। भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान मद्रास और त्यागराजर इंजीनियरिंग कॉलेज की शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करने के लिए प्रयास किया कि ये औद्योगिक उप-उत्पाद मदुरै, भारत में पाए जाने वाले एक विशिष्ट समस्याग्रस्त क्ले को कितनी अच्छी तरह नियंत्रित कर सकते हैं। उनका लक्ष्य केवल यह देखना नहीं था कि मिट्टी कितनी मजबूत हुई है, बल्कि यह समझना भी था कि इस उपचार ने वजन के तहत मिट्टी के बैठने (settling) के तरीके और सूखने पर इसके सिकुड़ने की मात्रा को कैसे बदला है।

टीम ने एक स्थानीय बस स्टैंड के पास दो मीटर की गहराई से क्ले का एक नमूना चुना। इस मिट्टी को 'इंटरमीडिएट कंप्रेसिबिलिटी' (मध्यवर्ती संपीड्यता) के रूप में वर्गीकृत किया गया था, जिसका अर्थ है कि यह दबाव में आसानी से दब जाती है, और यह 'मॉडरेटली एक्सपेंसिव' (मध्यम विस्तारशील) थी, जिसमें गीला होने पर फूलने की उच्च प्रवृत्ति थी। इस मिट्टी का उपचार करने के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न मात्रा में फ्लाई ऐश और स्लैग को मिलाया, जिससे प्रत्येक सामग्री के लिए तीन अलग-अलग सांद्रताएँ बनाई गईं: कुल शुष्क वजन का 25%, 35%, और 45%। उन्होंने इन मिश्रणों को सोडियम हाइड्रॉक्साइड और सोडियम सिलिकेट के घोल के साथ सक्रिय किया, जो कठोर होने की प्रक्रिया शुरू करने के लिए एक रासायनिक ट्रिगर के रूप में कार्य करता है। उन्होंने स्लैग मिश्रणों में एक छोटा सा रासायनिक रिटार्डर (विलंबक) भी जोड़ा ताकि वे बहुत जल्दी न जम जाएं। उपचारित मिट्टी को फिर सिलेंडरों में संकुचित किया गया और 0 दिनों से लेकर 28 दिनों तक की विभिन्न अवधियों के लिए सुखाया गया, इससे पहले कि उनका परीक्षण किया जा सके।

परिणामों ने परिवर्तन की एक स्पष्ट कहानी प्रकट की। अनुपचारित क्ले की मजबूती बहुत कम थी, जो केवल 3.63 किलोग्राम प्रति वर्ग सेंटीमीटर थी। जब शोधकर्ताओं ने फ्लाई ऐश से उपचारित मिट्टी का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि समय के साथ मिट्टी के पकने (cure होने) के साथ मजबूती बढ़ती गई। सबसे अच्छा प्रदर्शन 35% फ्लाई ऐश वाले मिश्रण से आया, जिसने 28 दिनों के बाद 17.19 किलोग्राम प्रति वर्ग सेंटीमीटर की मजबूती प्राप्त की। यह एक विशाल सुधार था, जिसने मिट्टी को उसकी प्राकृतिक अवस्था की तुलना में लगभग चार गुना अधिक मजबूत बना दिया। हालांकि, जब उन्होंने फ्लाई ऐश की मात्रा बढ़ाकर 45% कर दी, तो मजबूती वास्तव में गिर गई, जिससे पता चलता कि बहुत अधिक बाइंडर ने मिट्टी की संरचना को मजबूत करने के बजाय उसे पतला कर दिया।

स्लैग-आधारित मिश्रणों के साथ कहानी थोड़ी अलग थी। स्लैग के लिए, जैसे-जैसे उन्होंने अधिक सामग्री मिलाई, मजबूती बढ़ती गई। पूरे अध्ययन में दर्ज की गई उच्चतम मजबूती 45% स्लैग वाले मिश्रण से आई, जिसने 28 दिनों के बाद 18.84 किलोग्राम प्रति वर्ग सेंटीमीटर की मजबूती प्राप्त की। यह अनुपचारित क्ले की तुलना में 419% की वृद्धि थी। चूंकि उच्चतम मात्रा में भी मजबूती बढ़ रही थी, इसलिए शोधकर्ताओं ने नोट किया कि आदर्श मात्रा 45% से भी अधिक हो सकती है, जबकि फ्लाई ऐश अपने 'स्वीट स्पॉट' (इष्टतम बिंदु) 35% को पार कर चुका था।

मिट्टी को कठोर बनाने के अलावा, उपचार ने दबाव के तहत इसके व्यवहार को नाटकीय रूप से बदल दिया। जब नरम क्ले पर भारी भार डाला जाता है, तो मिट्टी दब जाती है और पानी बाहर निकल जाता है, जिससे समय के साथ जमीन धंस जाती है। शोधकर्ताओं ने इस व्यवहार को मापा और पाया कि उपचारित मिट्टी के दबने की प्रवृत्ति बहुत कम थी। 35% फ्लाई ऐश वाले मिश्रण ने मिट्टी के दबने की प्रवृत्ति को लगभग 70% कम कर दिया, जबकि 45% स्लैग मिश्रण ने इसे लगभग 84% कम कर दिया। इसके अलावा, उपचारित मिट्टी अनुपचारित क्ले की तुलना में तेजी से जमी, जिसका अर्थ है कि कोई भी शेष धंसाव अधिक तेजी से होगा और संरचनाओं के ऊपर निर्माण के लिए कम दीर्घकालिक चिंता का विषय होगा।

शायद सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष सूखा और भारी बारिश वाले क्षेत्रों के लिए आया, जो संकुचन (shrinkage) में बदलाव था। अनुपचारित क्ले सूखने पर काफी सिकुड़ जाती है, जिससे गहरी दरारें पैदा होती हैं जो नींव को नुकसान पहुंचा सकती हैं। जियोपॉलिमर उपचार ने इस व्यवहार को काफी हदक कम कर दिया। 35% फ्लाई ऐश वाले मिश्रण ने आयतन संकुचन को लगभग आधा कर दिया, जबकि 45% स्लैग मिश्रण ने इसे लगभग 63% कम कर दिया। इसका मतलब है कि उपचारित मिट्टी शुष्क मौसम के दौरान बहुत अधिक स्थिर रहेगी, और उन दरारों और सूजन का विरोध करेगी जो आमतौर पर क्ले वाली मिट्टी पर बनी इमारतों को परेशान करती हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि मिट्टी कम प्लास्टिक (कम लचीली) हो गई, जिसका अर्थ है कि गीला होने पर इसके स्थायी रूप से विकृत होने की संभावना कम है, जिससे इसकी स्थिरता और बढ़ गई।

ये निष्कर्ष बताते हैं कि फ्लाई ऐश और स्लैग जैसे औद्योगिक उप-उत्पादों का उपयोग पारंपरिक सीमेंट के लिए एक शक्तिशाली, कम-कार्बन विकल्प प्रदान करता है। अध्ययन ने 35% फ्लाई ऐश और 45% स्लैग को उनके द्वारा परीक्षण किए गए दायरे के भीतर सबसे प्रभावी अनुपात के रूप में पहचाना, जो मूल मिट्टी की तुलना में लगभग पांच गुना मजबूती प्रदान करते हुए सूजन और संकुचन के जोखिमों को नाटकीय रूप से कम करते हैं। अपशिष्ट सामग्रियों को एक उच्च-प्रदर्शन वाले बाइंडर में बदलकर, यह दृष्टिकोण न केवल एक भू-तकनीकी (geotechnical) समस्या को हल करता है, बल्कि एक पर्यावरणीय समस्या को भी संबोधित करता है, जो पारंपरिक सीमेंट के भारी कार्बन पदचिह्न के बिना निर्माण करने का एक तरीका प्रदान करता है। यह कार्य पुष्टि करता है कि ये जियोपॉलिमर बाइंडर्स कठिन मिट्टी को स्थिर करने के लिए प्रभावी रूप से काम कर सकते हैं, जिससे समस्याग्रस्त क्ले को एक विश्वसनीय आधार सामग्री में बदला जा सकता है, जो भविष्य के बुनियादी ढांचे को सहारा देने के लिए तैयार है।