Synergistic enhancement of grinding efficiency, hydration kinetics, and mechanical properties of Portland cement by ethaline

कंक्रीट आधुनिक दुनिया की मौन रीढ़ है, एक ऐसी सामग्री जो इतनी व्यापक है कि हम शायद ही कभी यह विचार करने के लिए रुकते हैं कि इसे कैसे बनाया जाता है। इसके केंद्र में पोर्टलैंड सीमेंट है, जो एक महीन पाउडर है जिसे विशाल औद्योगिक मिलों में चट्टानों और खनिजों को पीसकर बनाया जाता है। यह पाउडर वह मुख्य घटक है जो, पानी के साथ मिलने पर, उन संरचनाओं में कठोर हो जाता है जो हमें आश्रय देती हैं और हमारे शहरों को सहारा देती हैं। हालाँकि, कच्चे पत्थर से तैयार सीमेंट तक का सफर ऊर्जा-गहन है और एक महत्वपूर्ण मात्रा में ऊष्मा उत्पन्न करता है। जब पाउडर को बहुत अधिक दरदरा पीसा जाता है, तो यह धीरे-धीरे और असमान रूप से प्रतिक्रिया करता है; जब इसे बिना किसी सहायता के बहुत महीन पीसा जाता है, तो इस प्रक्रिया में बिजली की भारी मात्रा बर्बाद होती है। इसके अलावा, एक बार पानी मिला दिए जाने के बाद, मिश्रण को पत्थर में बदलने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया ऊष्मा छोड़ती है। यदि यह ऊष्मा बहुत तेज़ी से बढ़ती है, तो यह कंक्रीट को जमने से पहले ही उसमें दरारें पैदा कर सकती है, जिससे अंतिम संरचना कमजोर हो जाती है। दशकों से, इंजीनियर इस प्रक्रिया को अधिक सुचारू, तेज़ और कुशल बनाने के तरीके खोज रहे हैं, जिसमें अक्सर प्रतिक्रिया को निर्देशित करने के लिए रासायनिक योजकों (additives) का उपयोग किया जाता है।

मुंबई में एचएसएनसी (HSNC) विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए मार्ग की खोज की है, जिसमें उन्होंने 'डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट्स' (deep eutectic solvents) नामक तरल पदार्थों के एक वर्ग की ओर रुख किया है। ये अतीत के कठोर, संक्षारक अम्लों की तरह नहीं हैं, बल्कि दो सामान्य, सुरक्षित सामग्रियों को मिलाकर बनाए गए सौम्य मिश्रण हैं: कोलीन से प्राप्त एक नमक, जो कई खाद्य पदार्थों में पाया जाने वाला पोषक तत्व है, और एथिलीन ग्लाइकॉल, जो अक्सर एंटीफ्रीज में उपयोग किया जाने वाला पदार्थ है। जब इन्हें एक विशिष्ट अनुपात में मिलाया जाता है और गर्म किया जाता है, तो ये दोनों तरल पदार्थ एक नया, स्थिर तरल बनाते हैं जो अपने अकेले के घटकों से भिन्न व्यवहार करता है। शोधकर्ताओं, कुलदीप राजपुरोहित, अशोक पांडे और हेमलता बागला ने यह परीक्षण करने का निर्णय लिया कि क्या यह हरा तरल, जिसे उन्होंने 'एथलाइन' (ethaline) नाम दिया है, सीमेंट के लिए एक सहायक मार्गदर्शक के रूप में कार्य कर सकता है। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या पीसने की प्रक्रिया और मिश्रण की प्रक्रिया के दौरान इस तरल की थोड़ी सी मात्रा जोड़ने से सीमेंट के निर्माण, इसके प्रवाह और इसकी मजबूती में सुधार किया जा सकता है।

अध्ययन की शुरुआत एथलाइन मिश्रण बनाकर और इसके बुनियादी व्यवहार को समझकर हुई। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह तरल पानी की तरह सुचारू रूप से और अनुमानित रूप से बहता है, लेकिन इसकी मोटाई इस बात पर निर्भर करती है कि यह कितना गर्म है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, तरल पतला होता जाता है और आसानी से बहता है। यह गुण महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि तरल तेजी से फैल सकता है और सीमेंट के कणों को समान रूप से कोट कर सकता है, यहाँ तक कि पीसने वाली मिल की तीव्र गर्मी और घर्षण के बीच भी। यह पुष्टि करने के लिए कि दोनों घटकों ने वास्तव में एक नए पदार्थ के रूप में संयोजन किया है, टीम ने एक ऐसी तकनीक का उपयोग किया जो यह मापती है कि प्रकाश किसी सामग्री के माध्यम से कैसे कंपन करता है। परिणामों ने दिखाया कि अणुओं ने वास्तव में अदृश्य बलों के माध्यम से एक-दूसरे से जुड़कर हाइड्रोजन बॉन्ड बनाए हैं, जिससे एक अनूठी संरचना बनी जो अलग-अलग नमक और ग्लाइकॉल से भिन्न थी।

तरल तैयार होने के बाद, टीम सीमेंट मिल की ओर बढ़ी। उन्होंने साधारण पोर्टलैंड सीमेंट लिया और उसे एक बॉल मिल में पीसा, जो एक ऐसी मशीन है जो भारी स्टील की गेंदों का उपयोग करके चट्टानों को कुचलती है, और इसमें एथलाइन की विभिन्न मात्रा डाली ताकि यह देखा जा सके कि यह प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करता है। बिना किसी योज्य (additive) के, सीमेंट के कण आपस में चिपकने लगते हैं, जिससे उन्हें तोड़ना कठिन हो जाता है। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने एथलाइन मिलाया, तो कण अलग-अलग रहे। तरल ने एक ढाल की तरह काम किया, जिससे सीमेंट के सूक्ष्म कण एक-दूसरे से दोबारा चिपक नहीं पाए। इसने पीसने वाली मशीन को अधिक कुशलता से काम करने की अनुमति दी। परीक्षण किए गए उच्चतम स्तर पर, जो सीमेंट के वजन का दो प्रतिशत था, परिणामी पाउडर ने अध्ययन में दर्ज की गई उच्चतम 'ब्लेन सूक्ष्मता' (Blaine fineness) प्राप्त की, भले ही मशीन ने बिल्कुल उतनी ही ऊर्जा का उपयोग किया था। महीन पाउडर का अर्थ है कि पानी के संपर्क में आने वाला सतह क्षेत्र अधिक है, जो एक मजबूत अंतिम उत्पाद बनाने की दिशा में पहला कदम है।

एक बार सीमेंट पीस लिए जाने के बाद, शोधकर्ताओं ने इसे पानी और रेत के साथ मिलाकर मोर्टार बनाया, और यह परीक्षण किया कि यह तरल सामग्री के व्यवहार को उसके डाले जाने के क्षण से लेकर उसके सख्त होने तक कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि एथलाइन ने गीले मोर्टार को अधिक आसानी से बहने में मदद की, जिससे अतिरिक्त पानी की आवश्यकता के बिना यह एक परीक्षण मेज पर और अधिक फैल सका। यह बेहतर प्रवाह निर्माण के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह श्रमिकों को सामग्री को तंग स्थानों में रखने और जटिल आकारों में ढालने की अनुमति देता है बिना इसके कि वह बहुत जल्दी सख्त हो जाए। तरल ने जमने की प्रक्रिया को बस इतना धीमा कर दिया कि वह सहायक सिद्ध हुआ। उच्च खुराक पर, सीमेंट के सख्त होने में लगने वाला समय लगभग 170 मिनट से बढ़कर लगभग 200 मिनट हो गया। इस देरी ने श्रमिकों को कंक्रीट के बहुत कठोर होने से पहले उसे मिलाने, ले जाने और फिनिश करने के लिए एक लंबा समय दिया।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि एथलाइन ने सीमेंट की रासायनिक प्रतिक्रिया के तरीके को बदल दिया। जब सीमेंट सख्त होता है, तो वह ऊष्मा छोड़ता है। यदि यह ऊष्मा बहुत तेज़ी से निकलती है, तो यह कंक्रीट में आंतरिक दरारें पैदा कर सकती है। शोधकर्ताओं ने समय के साथ उत्पन्न ऊष्मा को मापा और पाया कि एथलाइन ने उत्सर्जित होने वाली कुल ऊष्मा को ग्यारह प्रतिशत तक कम कर दिया। ऊर्जा का यह धीमा और नियंत्रित उत्सर्जन बताता है कि रासायनिक प्रतिक्रिया अधिक व्यवस्थित तरीके से हो रही थी। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे कठोर सीमेंट को देखा, तो अंतर स्पष्ट था। नियंत्रण नमूने (control samples), जो बिना किसी योज्य के बनाए गए थे, उनमें कुछ अंतराल और छोटी दरारें दिखाई दीं। इसके विपरीत, सही मात्रा में एथलाइन से उपचारित नमूने बहुत अधिक सघन और सघन (compact) दिखाई दिए, जहाँ कण आपस में कसकर जुड़े हुए थे और रिक्त स्थान बहुत कम थे। यह सघन संरचना ही भौतिक कारण है जिससे सामग्री मजबूत बनती है।

शक्ति परीक्षणों ने पुष्टि की कि यह सघन संरचना वास्तविक दुनिया के प्रदर्शन में परिवर्तित हुई। शोधकर्ताओं ने तीन दिन से लेकर दो महीने तक की विभिन्न आयु के कठोर मोर्टार के क्यूब्स का परीक्षण किया। एक और आधा प्रतिशत एथलाइन की इष्टतम खुराक पर, सीमेंट ने 28 दिनों के बाद 62 मेगापास्कल की संपीड़न शक्ति (compressive strength) प्राप्त की, जो बिना उपचारित नियंत्रण नमूने द्वारा प्राप्त 56 मेगापास्कल की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है। सामग्री खिंचाव बलों (pulling forces) के प्रति भी अधिक प्रतिरोधी हो गई, जो स्थायित्व का एक प्रमुख पैमाना है। हालाँकि, अध्ययन ने एक महत्वपूर्ण संतुलन का खुलासा किया: तरल की अधिक मात्रा, विशेष रूप से दो प्रतिशत, वास्तव में मजबूती को कम कर देती है। जबकि इस उच्च खुराक ने उच्चतम 'ब्लेन सूक्ष्मता' उत्पन्न की, इसने रासायनिक प्रतिक्रिया को इतना धीमा कर दिया कि सामग्री प्रभावी ढंग से सख्त नहीं हो सकी। यह निष्कर्ष रेखांकित करता है कि लक्ष्य केवल पाउडर को यथासंभव महीन बनाना नहीं है, बल्कि उस सटीक मात्रा को खोजना है जो पीसने की दक्षता और सीमेंट की रासायनिक आवश्यकताओं के बीच संतुलन बनाए।

राजपुरोहित और उनके सहयोगियों का कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक सरल, हरा तरल दुनिया के सबसे महत्वपूर्ण निर्माण सामग्रियों में से एक को बेहतर बनाने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण के रूप में कार्य कर सकता है। सीमेंट को पीसने के लिए आवश्यक ऊर्जा को कम करके, इसके प्रवाह में सुधार करके, दरारें रोकने के लिए इसके जमने के समय को धीमा करके, और अंततः अंतिम संरचना को मजबूत बनाकर, एथलाइन एक बहुआयामी समाधान प्रदान करता है। अनुसंधान सुझाव देता है कि इस दृष्टिकोण के लिए जटिल मशीनरी या विदेशी रसायनों की आवश्यकता नहीं है, बल्कि इन अणुओं की परस्पर क्रिया की एक सावधानीपूर्ण समझ की आवश्यकता है। जबकि अध्ययन ने एक विशिष्ट प्रकार के सीमेंट और एक विशिष्ट योज्य पर ध्यान केंद्रित किया, परिणाम सीमेंट योजकों के बारे में सोचने के एक नए तरीके का द्वार खोलते हैं, जो कठोर रसायनों से हटकर टिकाऊ, ट्यूनेबल (समायोज्य) तरल पदार्थों की ओर बढ़ते हैं जिन्हें बेहतर प्रदर्शन के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि सही मात्रा में इस हरित विलायक (green solvent) के साथ, भविष्य के कंक्रीट को अधिक कुशलता से बनाया जा सकता है, यह लंबे समय तक चल सकता है और अधिक मजबूत खड़ा रह सकता है।