پایداری و بتن
سنگِ ساخت بشر در تلاطم سبز شدن
نوشته ی مینا حنیفی  واحد (از دفتر هنر معماری)

پایداری
ممکن است دور از ذهن به نظر آید اما امروزه با فعالیت‌های گسترده‌ی بشر، آلودگی روزافزون محیط زیست، افزایش گازها‌ی گلخانه‌ای و در نتیجه، گرمایش کر‌ه‌ی زمین، حتا سنگِ ساخت بشر، یعنی بتن نیز ناگزیر است سبز شود! در این مقاله کوشش شده تا بیشتر به مقوله‌ی پایداری بتن بپردازیم و با ارائه‌ی برخی از راهکارها جهت نیل به این مهم، مزیت‌های بکارگیری آن فنون را نیز برشماریم؛ بنابراین ابتدا بهتر است به این سؤال کلیدی پاسخ دهیم که اساساً پایداری چیست؟ اخیراً از این واژه نه تنها در مسائل مربوط به معماری و ساخت‌وساز بلکه در بسیاری از رشته‌ها به طور گسترده استفاده می‌شود، اما به طور کلی می‌توان گفت که پایداری یعنی مضر نبودن و تأثیر منفی نداشتن امری بر محیط زیست. به طور خاص، پایداری در ساخت‌وساز دلالت بر بهبود روند زندگی دارد که بنا بر تعریف کمیسیون توسعه‌ی پایدار سازمان ملل متحد: «پایداری یعنی برآوردن نیازهای امروزمان بدون به خطر انداختن منابع برای نسل‌های آینده». سه مؤلفه‌ی پایداری عبارت‌اند از: محیط، اقتصاد و جامعه که رسیدن به پایداری منوط به برقراری تعادل و توازن بین این سه عنصر مهم در کل جهان است. اکنون از آنجایی‌ که عامل محیط از دیگر عوامل مهم‌تر می‌نماید، معماران و مهندسین موظف‌اند تا به جنبه‌ی پایداری محیط در کارهایشان پایبند باشند. حال به دلیل استفاده ی بسیار گسترده‌ی جهانی از بتن، در صنایع سیمان و بتن نیز پایبندی به اصول پایداری امری ضروری برای بقای محیط زیست و تداوم حیات می‌باشد.
بتن و ترکیبات اصلی
حال که به زبانی ساده بحث پایداری را مطرح نمودیم ممکن است پرسشی دیگر برای مخاطب تیزبین مطرح شود و آن این است که آیا بتن پایدار است و یا قابلیت پایداری دارد؟ اگر برای پایدار دانستن بتن این سه فاکتور مهم و کلی را در نظر بگیریم که 1) ماده‌ای که برای ساختش از منابع کمیاب زمین استفاده نکند 2) حداقل تأثیر منفی را بر محیط زیست بگذارد 3) قابلیت استفاده مجدد را پس از اتمام کارایی سابقش داشته باشد؛ باید پاسخ داد، بله، بتن هر سه فاکتورهای ذکر شده را دارد زیرا برای تولیدش از موادی نظیر سیمان، سنگ، ماسه و آب استفاده می‌شود که در اکثر نقاط دنیا در دسترس می‌باشند؛ همچنین، بسته به تلاش تولیدکنندگان، می‌توان گفت که تأثیر چندان مخربی بر محیط ندارد و پس از تخریب همچنان قابلیت استفاده دارد. به طور مثال، برای راه‌سازی می‌توان مجدد از بتن‌های خرد شده به جای استفاده از منابع طبیعی نظیر سنگ استفاده کرد.
اما دانستن این نکات به معنای کم توجه شدن نسبت به جنبه‌ی پایداری در بتن نیست بلکه به دلیل استفاده‌ی بسیار گسترده‌ی جهان از بتن، باید در نظر داشته باشیم که سالانه 5 درصد از دی‌اکسیدکربن حاصل از فعالیت‌های انسانی به تولید بتن اختصاص دارد که بیشتر آن به دلیل استفاده از سیمان می‌باشد. به همین جهت، معماران و مهندسین موظف‌اند تا برای کاهش دی‌اکسیدکربن و گازهای گلخانه‌ای در پی یافتن جایگزین‌های مناسب‌تری به جای سیمان در بتن باشند و مسأله از اینجا آغاز می گردد! به عنوان مثال، استفاده از سیمان پرتلند در بتن، به عنوان یکی از اجزاء اصلی که متأسفانه بسیار رواج یافته است، برای محیط زیست مضر بوده زیرا به طور چشمگیری موجب افزایش دی‌اکسیدکربن و گازهای گلخانه‌ای می‌شود. بعد از آلومینیوم و استیل، ساخت سیمان پرتلند بیشترین انرژی را مصرف می‌کند. همچنین یکی از نکات مهمی که باید در تولید سیمان به آن توجه کرد، کمبود ذخایر آهک در برخی نقاط جهان است که نهایتاً منجر به کاهش تولید سیمان خواهد شد. از اینرو، تولیدکنندگان باید به دنبال فنونی دیگر برای تولید بتن باشند تا استفاده از آهک را به حداقل برسانند؛ زیرا با اتمام منابع آهک، دیگر قادر به تولید سیمان پرتلند نخواهیم بود و در نتیجه، بتنی تولید نخواهیم کرد و نهایتاً کارگران و تولیدکنندگان بتن از کار بیکار خواهند شد.
در برخی کشورها مواد پوزولانی به خصوص خاکستر زغال، به عنوان جایگزین برای سیمان پرتلند استفاده می‌شود و اگر هوشمندانه از آن بهره‌برداری شود، می‌تواند سطح عملکرد بتن را در طولانی مدت ارتقا بخشد و به صرفه‌جویی در مصرف انرژی کمک کند. علاوه بر مصرف خاکستر، اگر بخواهیم پا فراتر نهیم و با محیط سازگاری بیشتری داشته باشیم، می‌توان به گزینه‌ای دیگر یعنی، سیمان مخلوط، اشاره‌ کرد. استفاده‌ از سیمان مخلوط چندین دهه می‌گذرد و ترکیبات این ماده متشکل از مقداری جوش سیمان ترکیب شده با دیگر مواد افزودنی از جمله خاکستر زغال، پوزولان‌های طبیعی، سرباره، میکروسیلیس و دیگر مواد پوزولانی می‌باشد که به کاهش مصرف انرژی، سوخت‌های فسیلی و کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای، به‌علاوه، افزایش ماندگاری کمک می‌کنند؛ بنابراین، تمامی دست اندرکاران و فعالین در این حوزه موظف‌اند تا در راستای حرکت به سوی پایداری و سازگاری بیشتر محیط زیست تا آنجایی که می‌توانند با جایگزینی مواد پوزولانی، میزان مصرف سیمان پرتلند در بتن را کاهش دهند.
طبق برآوردهای صورت گرفته، اگر میزان مصرف سیمان را با بکارگیری جایگزین‌های دیگر تا 50 درصد کاهش دهیم، به همان نسبت تا 800 میلیون تن میزان دی‌اکسید کربن را نیز کاهش داده‌ایم و این رقم برابر است با حذف یک چهارم اتومبیل‌های کل دنیا!

نقش الیاف در بتن
یکی دیگر از انواع بتن، بتن‌های الیافی هستند که به‌طور معمول از مخلوط سیمان هیدرولیکِ ضد آب، شن و ماسه، آب و الیاف تهیه می‌شود. الیاف استفاده شده در این نوع بتن معمولاً از استیل و یا الیاف‌های مصنوعی از قبیل پلی پروپیلن، نایلون و الیاف شیشه تهیه می‌شوند که در واقع این نوع بتن را، مقاوم، بادوام و دارای قابلیت کششی می‌نمایند.
در واقع استفاده از الیاف در بتن‌آرمه برای نخستین بار به سال 1870 برمی‌گردد که از آن وقت تا به حال، محققان را به پژوهش درباره‌ی‌ خاصیت کششی این نوع بتن واداشته است. البته مطالعات تنها در خصوص الیاف مصنوعی نبوده بلکه بکارگیری الیاف طبیعی و معدنی را نظیر الیاف کنف، چوب، چتایی، بامبو، نارگیل، پنبه‌ی‌ نسوز و پشم سنگ را نیز مورد بررسی قرار داده‌اند.
امروزه یکی از مواد پایداری که در جهان طرفداران زیادی پیدا کرده است و به طور وسیعی به‌کاربرده می‌شود، استفاده از الیاف کنف صنعتی است زیرا از ویژگی‌های بارز الیاف کنف، مقاومت، دوام و استقامت آن در برابر اشعه‌‌‌‌ی ماورای بنفش است. به همین جهت، از این مواد در چین و اروپا برای استحکام سیمان، ایجاد فضای آکوستیک، عایق گذاری و همچنین دیگر ترکیبات بکار برده شده در ساختمان‌سازی، استفاده می‌شود.
با بکارگیری این شیوه و افزودن موادی از این دست به ترکیبات بتن، می‌توان میزان مصرف شن و ماسه را کاهش داد و در نتیجه بتن مستحکم‌تری به عمل آورد. به علاوه، از آنجایی که الیاف طبیعی مانند برگ درخت موز، نخل و دیگر الیاف‌های محلی به مقدار کافی در دسترس و به طور محلی قابل برداشت می‌باشند، از اینرو هم مقرون به صرفه بوده و هم به استحکام بتن کمک می‌کنند. در واقع استفاده از کنف، به عنوان مثال، نه تنها برای استحکام بتن مفید می‌باشد بلکه کاشت آن بدون نیاز به سمپاشی، برای خاک نیز مفید بوده، زیرا با فراهم کردن مواد غذایی لازم (نیتروژن و اکسیژن) از فرسایش خاک جلوگیری کرده و برای کشاورزان هم سودمند است. نتایج به دست آمده از آزمایش‌ها نشان می‌دهد که از آنجایی که الیاف موز و نخل ضخامت بیشتر و تراکم کمتری نسبت به الیاف کنف صنعتی دارند و فرایند آماده‌سازی‌ آنها پیچیده‌تر از الیاف کنف می‌باشد، از اینرو انتخاب الیاف کنف صنعتی هوشمندانه‌تر خواهد بود.

فناوری نانو و بتن سبز
همان‌طور که می‌دانید، یکی از دست آوردهای مهم بشر فناوری نانو می‌باشد که در زمینه‌های گوناگون علمی به انسان برای حل مسائلش کمک فراوانی کرده است. پس بی‌شک جای تعجب نیست اگر بگوییم که با مهندسی نانو می‌توان قدم‌های مثبتی جهت ساخت بتن‌ پایدار برداشت. در حقیقت استقامت و دوام بتن در گرو ساختار نانو ذرات کروی، یا به عبارتی کلسیم سیلیکات هیدرات، می‌باشد و در مستحکم‌ترین بتن، این ذرات با تراکم بسیار بالا به شکل هرمی روی هم انباشته می‌شوند و به تراکم 74 درصدی می‌رسند. حال مسئله‌ی اساسی اینجاست که ما باید به جای استفاده از کلسیم سیلیکات هیدرات، ماده‌ی دیگری را با همین تراکم و بدون سوخت به عنوان جایگزین برای ساخت بتن سبز ابداع کنیم.
برخی دانشمندان معتقدند که منیزیم می‌تواند به عنوان جایگزینی برای کلسیم سیلیکات هیدرات مورد استفاده قرار گیرد زیرا در این زمینه ساختار استخوان انسان می‌تواند به ما نشان دهد که چگونه میزان کربن ‌دی‌اکسید را در بتن کاهش دهیم. در واقع، ساختار متراکم ذرات در استخوان انسان (در مقیاس نانو) مشابه ساختار ذرات بتن می‌باشد و این روند بدون تولید کربن دی‌اکسید در بدن انسان صورت می‌گیرد، اما تفاوت عمده در این است که این تراکم جهت استحکام استخوان انسان در دمای طبیعی بدن و در طولانی مدت شکل می‌گیرد و از اینرو بار دیگر مهندسی نانو چاره‌ساز مسئله می‌شود زیرا با هدف شبیه‌سازی فرایند شکل‌گیری استخوان و تسریع آن، چگونگی ساخت بتن را با راهکارهای مختلف شرح می‌دهد که در اینجا به دو مورد از آنها به اختصار اشاره خواهیم نمود.
نانو بتن با نانو لوله‌های کربنی
با ادغام نانو لوله‌های کربنی با ترکیبات بتنی، نانو بتن به وجود می‌آید که به عنوان یک فناوری نوین و قدمی بزرگ در فناوری نانو، پژوهش‌ها همچنان در زمینه‌ی پی بردن به ویژگی‌های این نوع بتن ادامه دارد. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که با افزایش فشار، پتانسیل الکتریکی این ماده نیز تغییر می‌کند و این نوع سیمان نسبت به آنهایی که فاقد نانولوله‌های کربنی هستند از استحکام بیشتری برخوردار است تا جایی که استحکامش از فولاد نیز بیشتر می‌باشد.
نانو سیلیکا
با استفاده از این فناوری، یعنی پودر کردن سنگ‌ریزه‌های سیلیکا در مقیاس نانو، تراکم ذرات بیشتر شده و با واکنشی پوزولانی، به شکل‌گیری مواد، استحکام و دوام آن و همچنین ارتقای سطح عملکرد بتن کمک می‌کند.

سیمان ژئوپلیمر
ژئوپلیمر متشکل از مواد قلیایی، آلومینا و سیلیکات است و به عنوان یکی از منابع طبیعی و سازگار با محیط زیست شناخته شده است که به سختی گرانیت بوده و در برابر حرارت مقاوم است و همچنین با افزایش دما قدرتش نیز افزایش می‌یابد.
از اینرو، با افزودن ژئوپلیمر به بتن، ساختاری مستحکم و مقاوم به دست خواهد آمد. در واقع، تفاوت اصلی میان سیمان ژئوپلیمر و سیمان پرتلند در این است که مکانیسم این نوع سیمان از طریق آب‌رسانی صورت‌ نمی‌گیرد بلکه در مدت زمانی کوتاه از طریق واکنش پلیمریزاسیون صورت می‌پذیرد که این مکانیسم در سیمان پرتلند با آب دهی تا یک ماه زمان می‌برد و پس از یک سال فرایندش کامل می‌شود. علاوه براین، استفاده از سیمان ژئوپلیمر به‌مراتب دی‌اکسیدکربن کمتری نسبت به سیمان پرتلند منتشر می‌کند.
بتن پیش‌ساخته:
مزایای استفاده از بتن پیش‌ساخته بسیار گسترده است و از هر لحاظ استفاده از آن کاملاً هوشمندانه به نظر می‌رسد. به‌عنوان مثال، از پنل‌های بتن‌ پیش‌ساخته می‌توان در بازسازی بناها استفاده کرد که هم دوام بیشتری دارند و هم کمتر به مراقبت و نگهداری نیازمندند. در حقیقت با استفاده از این نوع بتن دیگر نیازی نیست که برای بازسازی یک ساختمان، آن را خرد کنیم و اجزایش را از بین ببریم بلکه تنها با جدا کردن پنل‌های بتن از یکدیگر و جابجا کردنشان می‌توانیم هر تغییری را در ساختمان ایجاد کنیم که این امر دو مزیت دارد: یکی اینکه موجب جلوگیری از تولید مواد زائد جامد می‌شود و دیگری آنکه باعث کاهش مصرف بی‌رویه‌ی منابع طبیعی و نهایتاً آلودگی محیط ‌زیست می‌شود و همچنین از بتن کمتری استفاده ‌شده و این امکان را به ما می‌دهد تا از مواد بازیافتی در ساخت آن بهره‌مند شویم.
یکی از مشکلات عمده برای استفاده از بتن‌آرمه، زنگ‌زدگی فولادهای بکار رفته در آن است و دلیل به وجود آمدن این مشکل با کیفیت نبودن پوسته‌ی بتنی‌ ست. ازاینرو، در ساخت قطعات بتن پیش‌ساخته‌ای که در کارخانه آماده‌شده‌اند، دقت بیشتری نسبت به ساخت در محل بنا صورت گرفته است. به همین جهت این نوع بتن علاوه بر مقاومت در برابر زنگ‌زدگی، در برابر نفوذ حشرات (به دلیل بافت بسیار مستحکم، بی منفذ و یکپارچه‌اش)، آتش، سیل و طوفان، زلزله، رطوبت شدید و باران و اشعه‌ی ماورای بنفش مقاوم می‌باشد.
یکی دیگر از مزیت‌های بکارگیری این نوع بتن، جلوگیری از گرم شدن بیش از حد در نقاط حرارتی می‌باشد.
همان‌طور که می‌دانید، سطوح افقی مانند سقف‌ بناها و کف خیابان‌ها به دلیل آنکه در معرض تابش مستقیم نور خورشید می‌باشند، زودتر از قسمت‌های دیگر گرم می‌شوند و بر گرم شدن محیط تأثیر می‌گذارند و از‌ اینرو، نیاز به سیستم تهویه‌ی هوا را نیز بیشتر کرده و موجب مصرف بیش‌ از حد انرژی می‌شوند، اما بتن پیش‌ساخته، با خاصیت بازتابندگی بالایی که دارد، میزان جذب نور و حرارت را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد و موجب صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود. به‌علاوه، جرم گرماییِ بتن سبب می‌شود تا در هنگام روز دیرتر از سطوح دیگر گرم و درعین‌حال، در طول شب دیرتر سرد شود تا هوای مطبوعی را برای محیط داخلی فراهم آورد.

چشم‌انداز
در کشور‌های پیشرفته با هدف کاهش چشمگیر سطح کربن‌ دی‌اکسید موجود در مصالح بتن روند پایداری و سبزشدن بتن تا جایی پیش خواهد رفت که نهایتاً با یافتن جایگزین‌های سبز و کاملاً سازگار با طبیعت، استفاده از سیمان پرتلند برچیده شود. البته از آنجایی که از آغاز حرکت به سوی پایداری بتن در کشورهای صنعتی چندی می‌گذرد، ساختمان‌های شاخصی با این ویژگی‌ها بنا شده‌اند. به عنوان مثال، گروه معماری دیوید واکر + اسوانک هایدن کُنل (David Walker Architects + Swanke Hayden Connell) در سال 2007، ساختمان اداری مورگیت (Moorgate) در لندن را با استفاده از بتن بازیافتی و پیش‌ساخته، گرانیت‌، استیل و آهن بازیافتی و همچنین شیوه‌ی نوین استفاده از نرمه خاکستر به جای سیمان پرتلند، بنا کردند و موفق شدند تا سطح استفاده از مواد بازیافتی را از 5 درصد به 50 درصد برسانند (تصویر 1).
یکی دیگر از بنا‌هایی که با همین رویکرد بنا شده است، خانه‌ی استمپ (Stamp House) در گرینزلندِ استرالیا، توسط شرکت معماری چارلز رایت (Charles Wright) در سال 2013 می‌باشد. برای ساخت این بنا با تکیه بر سوخت‌های طبیعی به‌جای استفاده از سوخت‌های فسیلی و همچنین ترکیبی از بتن پیش‌ساخته، اصول و جوانب پایداری در نظر گرفته شده‌است (تصویر 2).
در نهایت جای دارد به ساختمان اِستُرمی کاسِل (Stormy Castle) در ویلز اشاره کنیم که توسط شرکت معماری لوین و کو (Loyn & Co) بنا شده‌است. در این سازه از بتن پایدار برای دیوارها و کف استفاده شده است که با جایگزینی سرباره کوره ی آهنگری (Regen) به جای سیمان پرتلند موفق به کاهش چشمگیر سطح کربن دی‌اکسید شده‌اند و نهایتاً ویژگی‌های منحصر به فرد این بنا موجب کسب مدال طلای مانسِر و عنوان بهترین معماری ویلز در سال 2014 ‌شد (تصویر 3).
حال با توجه به روند رو به رشد و قدم‌های سریع کشورهای مختلف در راه رسیدن به معماری پایدار، امید است تا با بهره‌گیری از راهکارهای موجود، هم به سازگاری بیشتر با محیط زیست توجه نماییم و هم به نوآوری برای ابداع و خلق شیوه‌هایی نوین بپردازیم تا سهم خود را برای رسیدن به این مهم در معماری میهن عزیزمان ایفا کنیم.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Sources
• Awaad, Elie, et al. (2011). “Preliminary Studies on the Use of Natural Fibers in Sustainable Concrete”. Beirut: Lebanese Science Journal, Vol.12, No.1
• Chun, Y.M. et al. (2007). Sustainable Construction Materials and Technologies. London: Taylor & Francis Group
• Crow, M. James (2008). “The Concrete Conundrum”. UK: Chemistry World
• Moriconi, Giacomo; Naik, T. R. 2015. “Environmental-Friendly Durable Concrete Made with Recycled Materials for Sustainable Concrete Construction”. Berlin: Researchgate
• Naik, R. Tarun (2008). “Sustainability of Concrete Construction”. Wisconsin: Practice Periodical on Structural Design and Construction
• Schokker, J. Andrea (2010). The Sustainable Concrete Guide Applications. USA: U.S. Green Concrete Council
• Struble, Leslie; Godfrey, Jonathan (2004). “How Sustainable is Concrete?”. Illinois: International Workshop on Sustainable Development and Concrete Technology
• Suhendro, Bambang (2014). “Toward Green Concrete for Better Sustainable Environment”. Pennsylvania: Elsevier
• VanGeem, Martha (2006). “Achieving Sustainability with Precast Concrete”. Chicago: PCI Journal