تاثیر کربن تولید سیمان بزرگ است: به برآورد Chatham House (۲۰۱۸)، حدود ۸ درصد دی‌اکسید کربن جهان از تولید سیمان می‌آید. حدود نیمی از این کربن از تجزیهٔ سنگ آهک در کوره و حدود ۴۰ درصد از سوخت کوره است. راه کاهشش جایگزینی بخشی از کلینکر، سوخت و انرژی پاک‌تر، و در کارگاه‌ها مصرف دقیق‌تر سیمان و ضایعات کمتر است.
این موضوع فقط بحث محیط‌زیستی نیست. برای کسی که بلوک، جدول یا کفپوش تولید می‌کند، سیمان معمولاً گران‌ترین مادهٔ مصرفی است. هر کیلو سیمانی که بی‌دلیل در ملات ریخته می‌شود یا با یک بلوک شکسته دور ریخته می‌شود، هم پول است و هم کربن. برای همین بخش آخر این راهنما به کارهای عملی کارگاه اختصاص دارد.
چرا سیمان یکی از بزرگ‌ترین منابع کربن جهان است؟
سیمان چسب بتن است و بتن همه‌جای ساختمان و زیرساخت دیده می‌شود: فونداسیون، سقف، جاده، پل، کانال، بلوک دیوار و جدول خیابان. طبق اعلام انجمن جهانی سیمان و بتن (GCCA)، بتن بعد از آب پرمصرف‌ترین ماده روی زمین است. وقتی ماده‌ای در این مقیاس مصرف شود، حتی اگر کربن هر تن آن متوسط باشد، جمع آن بزرگ می‌شود.
به برآورد آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، تولید سالانهٔ سیمان در جهان در سال‌های اخیر حدود ۴ میلیارد تن بوده است. بخش بزرگی از این تولید در کشورهای در حال توسعه مصرف می‌شود که هنوز مسکن، جاده و شبکهٔ آب و فاضلاب می‌سازند. یعنی تقاضا به این زودی پایین نمی‌آید و راه‌حل باید از کم‌کردن کربن هر تن سیمان و هر متر مکعب بتن بگذرد، نه از کنار گذاشتن بتن.
نکتهٔ مهم این است که خود بتن مادهٔ پرکربنی نیست. سنگ‌دانه، یعنی شن و ماسه، بیشترین حجم بتن را می‌سازد و کربن کمی دارد. سهم اصلی کربن بتن از سیمانی است که داخلش می‌رود؛ به همین دلیل هر راهکاری که سیمان کمتری در هر قطعه مصرف کند، مستقیم روی کربن آن قطعه اثر دارد.
سیمان چطور ساخته می‌شود و کربن در کدام مرحله آزاد می‌شود؟
تولید سیمان پرتلند چند مرحلهٔ اصلی دارد:
- استخراج و آماده‌سازی مواد خام: سنگ آهک و خاک رس (یا مواد مشابه) استخراج، خرد و با نسبت مشخص مخلوط می‌شوند.
- آسیاب و همگن‌سازی: مواد خام به پودر نرم تبدیل می‌شود تا در کوره یکنواخت واکنش بدهد.
- پیش‌گرمکن و کورهٔ دوار: پودر از برج پیش‌گرمکن پایین می‌آید و وارد کورهٔ دوار می‌شود. دمای ناحیهٔ داغ کوره معمولاً حدود ۱۴۵۰ درجهٔ سانتی‌گراد است. در این مرحله سنگ آهک تجزیه می‌شود و مواد به گلوله‌های سختی به نام کلینکر تبدیل می‌شوند.
- سرد کردن کلینکر: کلینکر داغ سریع خنک می‌شود.
- آسیاب نهایی: کلینکر همراه مقداری گچ (و در سیمان‌های آمیخته، مواد افزودنی دیگر) آسیاب و به سیمان تبدیل می‌شود.
کربن تقریباً در همه‌جای این زنجیره هست، اما وزن اصلی آن در مرحلهٔ کوره است. همین مرحله است که صنعت سیمان را از بیشتر صنایع دیگر متفاوت می‌کند.
منابع اصلی انتشار دی‌اکسید کربن در تولید سیمان
بر پایهٔ گزارش Chatham House (۲۰۱۸) با عنوان «Making Concrete Change» و جمع‌بندی سایت Carbon Brief (۲۰۱۸)، کربن تولید سیمان را می‌شود به سه سهم اصلی تقسیم کرد. اعداد زیر تقریبی و میانگین جهانی‌اند و از کارخانه‌ای به کارخانهٔ دیگر فرق می‌کنند.
۱. تکلیس سنگ آهک (حدود نیمی از کربن)
سنگ آهک از کربنات کلسیم ساخته شده است. وقتی در کوره داغ می‌شود، به اکسید کلسیم (آهک) و دی‌اکسید کربن تجزیه می‌شود. به این واکنش «تکلیس» می‌گویند. این کربن از خود سنگ می‌آید، نه از سوخت؛ یعنی حتی اگر کوره با برق صددرصد پاک هم کار کند، این کربن آزاد می‌شود. همین سهم سخت‌ترین قسمت ماجراست و دلیل اصلی این است که راه‌حل‌ها بیشتر روی کم‌کردن کلینکر تمرکز دارند.
۲. سوخت کوره (حدود ۴۰ درصد)
رساندن کوره به دمای حدود ۱۴۵۰ درجه انرژی حرارتی زیادی می‌خواهد. سوخت کوره بسته به کشور زغال‌سنگ، کک نفتی، مازوت یا گاز طبیعی است. نوع سوخت و راندمان حرارتی کوره روی این سهم اثر مستقیم دارد؛ کوره‌های قدیمی و فرایند تر انرژی بیشتری مصرف می‌کنند تا کوره‌های جدیدتر با پیش‌گرمکن چندمرحله‌ای.
۳. استخراج، حمل‌ونقل و برق (باقی‌مانده، حدود ۱۰ درصد)
استخراج و حمل مواد خام و سیمان سوخت می‌خواهد و آسیاب‌ها، فن‌ها و نوار نقاله‌ها هم برق زیادی مصرف می‌کنند. سهم این بخش کمتر است، ولی به منبع برق شبکه بستگی دارد.
تاثیر کربن تولید سیمان بر اقلیم چیست؟
دی‌اکسید کربن مهم‌ترین گاز گلخانه‌ای حاصل از فعالیت انسان است و مدت زیادی در جو می‌ماند. صنعت سیمان به این دلیل در بحث اقلیم پررنگ است که هم بزرگ است و هم کربن آن «سخت‌کاهش» است: بخش تکلیس با عوض کردن سوخت از بین نمی‌رود. به همین دلیل نقشه‌های راهی که IEA و GCCA برای این صنعت منتشر کرده‌اند، ترکیبی از چند ابزار را با هم پیشنهاد می‌کنند و روی یک فناوری واحد حساب باز نمی‌کنند.
یک نکتهٔ کمتر گفته‌شده هم هست: بتن در طول عمرش به‌آرامی مقداری دی‌اکسید کربن هوا را جذب می‌کند (پدیدهٔ کربناته شدن). این جذب واقعی است، اما فقط بخشی از کربن تولید را جبران می‌کند و جای کاهش در مرحلهٔ تولید را نمی‌گیرد.
راهکارهای جهانی کاهش کربن سیمان و بتن
کاهش نسبت کلینکر در سیمان (سیمان‌های آمیخته)
مؤثرترین و دردسترس‌ترین راه این است که بخشی از کلینکر با مواد دیگر جایگزین شود: سربارهٔ کورهٔ آهن‌گدازی، خاکستر بادی نیروگاه، پوزولان‌های طبیعی، پودر سنگ آهک و رس کلسینه‌شده. سیمان‌هایی که این مواد را دارند «سیمان آمیخته» نامیده می‌شوند؛ سیمان پوزولانی و سرباره‌ای نمونه‌های آشنای آن‌اند. این سیمان‌ها معمولاً دیرتر به مقاومت نهایی می‌رسند و عمل‌آوری دقیق‌تری می‌خواهند، پس پیش از استفاده در تولید باید با چند نمونهٔ آزمایشی سنجیده شوند.
بهره‌وری انرژی و سوخت جایگزین
کوره‌های کارآمدتر، بازیافت گرمای هدررفته و استفاده از سوخت‌های جایگزین (مثل زباله‌های صنعتی و زیست‌توده) سهم سوخت را کم می‌کنند. این‌ها کار کارخانه‌های سیمان‌اند و تولیدکنندهٔ قطعات بتنی نقش مستقیمی در آن ندارد.
جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCUS)
در این روش دی‌اکسید کربن از دودکش کارخانه گرفته و ذخیره یا مصرف می‌شود. چون بخش تکلیس با روش دیگری حذف نمی‌شود، این فناوری در نقشه‌های راه بلندمدت جای مهمی دارد؛ اما هنوز پرهزینه است و در مقیاس محدود اجرا می‌شود.
تزریق کربن به بتن: CarbonCure
شرکت کانادایی CarbonCure فناوری‌ای عرضه کرده که در آن مقدار کمی دی‌اکسید کربن جذب‌شده، هنگام اختلاط به بتن تازه تزریق می‌شود. این گاز با ترکیبات سیمان واکنش می‌دهد و به ذرات ریز کربنات کلسیم تبدیل می‌شود که در بتن قفل می‌مانند. به گفتهٔ سازنده، این کار به تولیدکننده اجازه می‌دهد بدون افت مقاومت، کمی سیمان کمتر مصرف کند. این سیستم برای کارخانه‌های بتن آماده و قطعات پیش‌ساخته طراحی شده و به تأمین گاز و تجهیزات اختصاصی نیاز دارد.
عمل‌آوری با کربن: Solidia
رویکرد شرکت Solidia متفاوت است: سیمانی با آهک کمتر که در دمای پایین‌تری پخته می‌شود و قطعات ساخته‌شده با آن به‌جای آب، در محفظه‌ای با دی‌اکسید کربن عمل‌آوری می‌شوند. این روش بیشتر برای قطعات پیش‌ساختهٔ کارخانه‌ای مثل بلوک و کفپوش مطرح شده، چون محفظهٔ عمل‌آوری کنترل‌شده لازم دارد.
هر دو فناوری جالب‌اند، اما برای یک کارگاه کوچک ایرانی در حال حاضر گزینهٔ عملی روز نیستند. کار واقعی کارگاه جای دیگری است.
صاحب کارگاه بلوک، جدول و کفپوش چه کاری می‌تواند بکند؟
تولیدکنندهٔ قطعات بتنی کوره و سوخت سیمان را کنترل نمی‌کند، ولی کنترل کامل دارد که در هر بلوک چقدر سیمان می‌رود و چه سهمی از تولیدش سالم به مشتری می‌رسد. خوشبختانه بیشتر کارهایی که سیمان کمتر مصرف می‌کنند، همان کارهایی‌اند که کیفیت را بالا و ضایعات را پایین می‌آورند.
۱. طرح اختلاط را وزنی و ثابت کنید
در خیلی از کارگاه‌ها سیمان با «یک کیسهٔ اضافه برای اطمینان» ریخته می‌شود؛ چون اپراتور به مقاومت محصول اطمینان ندارد. این سیمان اضافه معمولاً جای ضعف اختلاط، تراکم یا عمل‌آوری را می‌پوشاند. بهتر است یک طرح اختلاط مشخص داشته باشید، مواد را وزنی (نه با پیمانهٔ چشمی) بریزید و با چند نمونهٔ آزمایشی به کمترین مقدار سیمانی برسید که مقاومت لازم را می‌دهد. استفاده از باسکول سیمان همین دقت را به هر نوبت می‌آورد. نسبت‌های پایه و نقش هر ماده را در مقالهٔ طرز تهیهٔ ملات بلوک سیمانی توضیح داده‌ایم.
۲. آب را کنترل کنید، نه فقط سیمان را
نسبت آب به سیمان یکی از عوامل اصلی مقاومت است. در مقالهٔ ملات بلوک سایت طراحان، بازهٔ حدود ۰/۴ تا ۰/۵ برای ملات بلوک آمده است. آب اضافه بعد از خشک شدن تبخیر می‌شود و حفره‌های ریز می‌گذارد؛ نتیجه بلوکی ضعیف‌تر است که تولیدکننده را وسوسه می‌کند دفعهٔ بعد سیمان بیشتری بریزد. با آب کنترل‌شده، همان مقدار سیمان مقاومت بیشتری می‌دهد. سنگ‌دانهٔ متخلخل مثل پوکه را هم پیش از اختلاط کمی مرطوب کنید تا آب ملات را نمکد.
۳. اختلاط یکنواخت
اگر سیمان دور همهٔ دانه‌ها را نپوشاند، بخشی از آن عملاً هدر می‌رود و بخشی از بلوک کم‌سیمان می‌ماند. میکسر مناسب برای ملات خشک بلوک‌زنی، شرط استفادهٔ مؤثر از هر کیلو سیمان است. معیارهای انتخاب میکسر را در راهنمای انتخاب میکسر بلوک‌زنی ببینید.
۴. ویبره و پرس قوی: تراکم بیشتر با سیمان کمتر
ملات بلوک‌زنی خشک است و مقاومتش بیش از هر چیز به تراکم بستگی دارد. وقتی دستگاه با ویبره و پرس کافی، دانه‌ها را خوب در هم قفل کند، فضای خالی کمتری می‌ماند و برای رسیدن به همان مقاومت به سیمان کمتری نیاز دارید. برعکس، دستگاه ضعیف یا ویبرهٔ نامیزان کارگاه را مجبور می‌کند کمبود تراکم را با سیمان جبران کند. برای نمونه، دستگاه بلوک‌زن ثابت TM-104 طبق مشخصات اعلام‌شدهٔ طراحان، فشار هیدرولیکی ۱۲۰ بار و ویبرهٔ دوبل دارد. اگر از قبل دستگاه دارید، تنظیم درست آن را در مقالهٔ تنظیم ویبره دستگاه بلوک‌زن دنبال کنید، و برای مقایسهٔ مدل‌ها صفحهٔ دستگاه بلوک‌زن را ببینید.
۵. سنگ‌دانهٔ سبک طبیعی برای دیوارهای غیرباربر
پوکهٔ معدنی سنگی آتشفشانی و طبیعی است که بدون پخت در کوره به‌عنوان سنگ‌دانه مصرف می‌شود. بلوک پوکه‌ای سبک‌تر است و بار مردهٔ کمتری به اسکلت ساختمان می‌دهد؛ یعنی در مقیاس ساختمان، اسکلت و فونداسیون سبک‌تری لازم می‌شود. البته پوکه به رطوبت و تراکم حساس‌تر است و اگر درست تولید نشود، ضایعات بالا می‌رود. مراحل درست کار را در راهنمای تولید بلوک پوکه‌ای نوشته‌ایم.
۶. فوم بتن و بلوک CLC برای کارهای غیرسازه‌ای
در فوم بتن بخش بزرگی از حجم را حباب هوا پر می‌کند و شن حذف می‌شود؛ پس در هر متر مکعب، مصالح کمتری مصرف می‌شود. فوم بتن جای بتن سازه‌ای را نمی‌گیرد، اما برای شیب‌بندی بام، کف‌سازی، لایهٔ عایق و پرکردن فضاهای خالی گزینهٔ سبکی است. دستگاه فوم بتن طراحان در شش مدل FM 20 تا FM 50 با ظرفیت ۲۰ تا ۵۰ متر مکعب در یک شیفت ۸ ساعته ساخته می‌شود و روی نیسان یا کامیون نصب می‌شود. اگر می‌خواهید بلوک سبک دیواری در کارگاه تولید کنید، خط تولید بلوک سبک CLC برای همین کار است. فرق فوم بتن با بتن معمولی و کاربردهایش را در مقالهٔ فوم بتن چیست بخوانید.
۷. عمل‌آوری درست
سیمان برای گرفتن و رسیدن به مقاومت به رطوبت و زمان نیاز دارد. بلوکی که زیر آفتاب و باد زود خشک شود، بخشی از سیمانش هیچ‌وقت کامل واکنش نمی‌دهد؛ یعنی پول آن سیمان را داده‌اید ولی مقاومتش را نگرفته‌اید. طبق مقاله‌های فنی طراحان، عمل‌آوری با آب‌پاشی معمولاً حدود یک هفته و با اتاق بخار حدود یک روز زمان می‌برد. روش‌ها و استانداردهای این مرحله در مقالهٔ اصول تولید بلوک سیمانی آمده است.
۸. ضایعات را به حداقل برسانید؛ بلوک شکسته یعنی سیمان دورریخته
هر بلوکی که در جمع‌آوری، دپو یا بارگیری لب‌پر می‌شود یا می‌شکند، تمام سیمان، انرژی و دستمزد ساختنش را هدر می‌دهد. کم کردن ضایعات شاید ساده‌ترین راه کاهش کربن کارگاه باشد، چون هیچ تغییری در مواد نمی‌خواهد. دلایل رایج شکستن بلوک و راهکارهای افزایش تراکم را در مقالهٔ دلیل خرد شدن بلوک پوکه‌ای بررسی کرده‌ایم.
مقایسهٔ روش‌های کاهش کربن: کدام برای کارگاه کوچک مناسب است؟
| روش | کجا اجرا می‌شود | چه چیزی لازم دارد | مناسب کارگاه کوچک؟ |
|---|---|---|---|
| سیمان آمیخته (پوزولانی، سرباره‌ای) | کارخانهٔ سیمان؛ انتخاب در کارگاه | دسترسی محلی، نمونهٔ آزمایشی، عمل‌آوری دقیق‌تر | بله، با آزمایش پیش از تولید انبوه |
| سوخت جایگزین و کورهٔ کارآمد | کارخانهٔ سیمان | سرمایه‌گذاری صنعتی | خیر؛ خارج از کنترل کارگاه |
| جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCUS) | کارخانهٔ سیمان | فناوری و زیرساخت پرهزینه | خیر |
| CarbonCure | کارخانهٔ بتن آماده و پیش‌ساخته | تجهیزات اختصاصی و تأمین گاز | فعلاً نه |
| Solidia | کارخانهٔ قطعات پیش‌ساخته | سیمان ویژه و محفظهٔ عمل‌آوری با کربن | فعلاً نه |
| طرح اختلاط وزنی و کنترل آب | کارگاه | باسکول، نظم در نوبت‌ها، نمونه‌گیری | بله؛ کم‌هزینه و فوری |
| ویبره و پرس قوی | کارگاه | دستگاه سالم و تنظیم‌شده | بله؛ در خرید یا تعمیر دستگاه |
| پوکهٔ معدنی، فوم بتن و CLC | کارگاه و پروژه (فقط غیرسازه‌ای) | کنترل رطوبت؛ برای فوم، دستگاه فوم بتن یا خط CLC | بله، برای دیوار و لایه‌های غیرباربر |
| عمل‌آوری درست و کاهش ضایعات | کارگاه | جای سایه، آب یا اتاق بخار، جابه‌جایی دقیق | بله؛ بیشترین اثر با کمترین هزینه |
چالش‌های کاهش کربن در صنعت سیمان
- شیمی تکلیس: تا وقتی کلینکر از سنگ آهک ساخته شود، بخشی از کربن ناگزیر آزاد می‌شود.
- هزینه و سرمایه: فناوری‌هایی مثل CCUS گران‌اند و بازگشت سرمایه‌شان به سیاست‌گذاری و قیمت کربن بستگی دارد.
- در دسترس بودن مواد جایگزین: سرباره و خاکستر بادی همه‌جا به اندازهٔ کافی پیدا نمی‌شوند.
- استاندارد و اعتماد بازار: سازنده‌ها به سیمان و بتن آشنا اعتماد دارند و تغییر مشخصات زمان می‌برد.
- کیفیت اجرا: سیمان کم‌کربن‌تر در کارگاهی با ویبرهٔ ضعیف و عمل‌آوری بد، نتیجهٔ خوبی نمی‌دهد؛ کیفیت تولید شرط هر راهکار است.
آیندهٔ سیمان و بتن کم‌کربن
مسیری که نقشه‌های راه بین‌المللی ترسیم می‌کنند، یک راه‌حل جادویی نیست؛ ترکیبی است از کلینکر کمتر در سیمان، سیمان کمتر در بتن، بتن کمتر در سازه با طراحی بهتر، انرژی پاک‌تر و در نهایت جذب کربن. حلقهٔ «سیمان کمتر در بتن» دقیقاً همان جایی است که تولیدکنندهٔ قطعات بتنی سهم دارد. کارگاهی که امروز طرح اختلاط دقیق، تراکم خوب و ضایعات کم دارد، هم هزینهٔ تمام‌شده‌اش پایین‌تر است و هم برای هر سخت‌گیری بعدی بازار آماده‌تر است.
سؤالات متداول
تولید سیمان چند درصد کربن جهان را تولید می‌کند؟
به برآورد Chatham House (۲۰۱۸)، حدود ۸ درصد دی‌اکسید کربن جهان از تولید سیمان می‌آید.
بیشترین کربن سیمان از کجا می‌آید؟
حدود نیمی از تجزیهٔ سنگ آهک در کوره (تکلیس) و حدود ۴۰ درصد از سوختی که کوره را داغ می‌کند. بقیه سهم استخراج، حمل‌ونقل و برق است.
آیا بیشتر ریختن سیمان در ملات بلوک همیشه مقاومت را بالا می‌برد؟
نه لزوماً. اگر آب زیاد، اختلاط ناقص، ویبرهٔ ضعیف یا عمل‌آوری بد مشکل اصلی باشد، سیمان اضافه فقط هزینه را بالا می‌برد. اول این عوامل را درست کنید، بعد کمترین سیمان لازم را با نمونهٔ آزمایشی پیدا کنید.
آیا بلوک پوکه‌ای یا فوم بتن کربن کمتری دارد؟
این مصالح سبک‌اند و بار مردهٔ کمتری به سازه می‌دهند. پوکه سنگی طبیعی است که بدون پخت در کوره مصرف می‌شود. مقدار دقیق کربن به طرح اختلاط و مقدار سیمان هر محصول بستگی دارد، پس عدد کلی برای آن نمی‌شود داد.
آیا با فوم بتن می‌شود اسکلت ساختمان را اجرا کرد؟
نه. فوم بتن برای لایه‌های غیرسازه‌ای مثل شیب‌بندی بام، کف‌سازی و عایق به کار می‌رود. ستون، تیر، سقف و فونداسیون با بتن معمولی و مسلح اجرا می‌شوند.
CarbonCure و Solidia در کارگاه‌های کوچک قابل استفاده‌اند؟
در حال حاضر نه. هر دو برای کارخانه‌های بتن آماده یا قطعات پیش‌ساخته با تجهیزات اختصاصی طراحی شده‌اند. برای کارگاه کوچک، کنترل طرح اختلاط، تراکم، عمل‌آوری و ضایعات اثر فوری‌تری دارد.
جمع‌بندی
تاثیر کربن تولید سیمان واقعی و بزرگ است و ریشه‌اش در شیمی سنگ آهک و انرژی کوره است. کارخانه‌های سیمان با کلینکر کمتر، سوخت بهتر و در آینده جذب کربن این سهم را کم می‌کنند. سهم کارگاه بلوک، جدول و کفپوش ساده‌تر و نزدیک‌تر است: سیمان را وزنی بریزید، آب را کنترل کنید، با دستگاه سالم تراکم بگیرید، برای کارهای غیرباربر سراغ پوکه و فوم بتن بروید، درست عمل‌آوری کنید و نگذارید بلوک بشکند. اگر برای انتخاب دستگاه بلوک‌زن، دستگاه فوم بتن یا خط CLC مشاوره می‌خواهید، با کارشناسان ماشین‌سازی طراحان به شمارهٔ ۰۹۱۴۵۸۴۱۹۱۴ تماس بگیرید.
ارسال دیدگاه: