یکی از معضلات بزرگ عمران شهری کنترل آلودگی های صوتی و گازی موجود در تونل ها می باشد. محیط بسته تونل ها باعث می شود تا غلظت و شدت آلایندگی های گازی (گاز NO) و آلایندگی های صوتی ناشی از خودرو ها نسبت به محیط های باز بیشتر بوده و تاثیرات مخرب آنها نیز بیشتر است.
محققین کره موفق شده اند با ساخت بتن متخلخل تقویت شده با نانو ذرات اکسید تیتانیوم قابلیت جذب صدا و گاز NO را در بتن بهبود دهند. به کمک این دستاورد می توان میزان آلایندگی های صوتی و گازی تونل ها را کنترل کرده و از اثرات مخرب آنها پیشگیری کرد. در این مقاله به یررسی دقیق تاثیر نانو ذرات اکسید تیتانیوم و تخلخل ها در خواص جذب صدا و گاز بتن می پردازیم.
کنترل آلایندگی ها
امواج صوتی ساتع شده از خودرو ها که تحت عنوان آلایندگی صوتی شناخته می شوند یکی از معضلات عمران شهری می باشند. برای کنترل این مشکل، در جاده ها و مسیر هاب روباز از دیوار های صوتی استفاده می گردد. دیوار های صوتی بصورت مانعی عمل می کند که امواج صوت زمان برخورد با آن منکسر و یا منعکس می گردد و بدین ترتیب از انتشار آنها جلوگیری می گردد.
دیگر معضل مهم، الایندگی های گازی نظیر اکسید های کربن (COx)، اکسید های سولفور (SOx) و اکسید های نیتروژن (NOx) می باشند که از میان آنها گاز اکسید نیتروژن مهم ترین عامل تاثیرگذار بر آلودگی هوا و تشکیل باران های اسیدی است.
یکی از روش هایی که اخیرا برای جذب و حذف گاز NO مورد توجه قرتر گرفته است روش فوتوکاتالیست می باشد که در آن با استفاده از ماده کاتالیست و امواج فرابنفش گاز NO اکسید شده و تصفیه می گردد. در یکی از مقالات پیشین خود روش فوتوکاتالیست را به تفصیل شرح داده ایم.
در رابطه با تونل کنترل این دو معضل دشوار می باشد چرا که محیط تونل بسته است. به عنوان مثال انعکاس امواج صوتی از دیواره های کناری و سقف تونل موجب می شود تا شدت آلودگی صوتی داخل تونل بیشتر از مسیر های آزاد باشد. آلودگی های گازی تونل نیز به علت بسته بودن محیط و عدم سهولت تهویه بیشتر می باشد چرا که این آلایندگی ها در محیط بسته داخل تونل حبس می شوند.
با توجه به این موضوع، محققین به این نتیجه رسیدند که برای حل مساله آلودگی صوتی باید شدت امواج صوتی را کاهش داد و مطلوب ترین راه حل استفاده از بتن متخلخل در ساخت دیوار های تونل می باشد. زمانی که بتن متخلخل باشد امواج صوتی حین عبور از تخلخل های دیوار تونل برگشت داده شده و از شدت آنها کاسته می شود که در نتیجه این امر میزان آلودگی صوتی داخل تونل کاهش می یابد. اما استفاده از بتن متخلخل به تنهایی حلال مساله آلودگی های گازی داخل تونل نمی باشد و نیاز است تا بتن متخلخل با ماده ای فوتوکاتالیست ترکیب شده تا بوسیله روش فوتوکاتالیست بتوان گاز NO را جذب و تصفیه کرده و میزان آلایندگی داخل تونل را کاهش داد. از این رو، ایده ای مطرح گردید که طی آن نانو ذرات اکسید تیتانیوم در ساخت بتن متخلخل استفاده گردد. از آنجایی که وجود تخلخل در بتن باعث می گردد تا سطح زیادی از بتن در معرض محیط قرار گیرد بنابراین حضور نانو ذرات اکسید تیتانیوم در لایه های نزدیک به سطح بتن عملیاتی شدن روش فوتوکاتالیست را امکان پذیر می نماید.
لازم به ذکر است که ایده پوشش دهی سطح بتن متخلخل با نانو ذرات اکسید تیاتنیوم نیز مطرح گردید اما مشخص شد که امکان جدا شدن نانو ذرات از سطح به علت چسبندگی ضعیف آنها به بتن وجود دارد و این موضوع باعث می شود تا روش فوتوکاتالیست در درازمدت عملکرد نامطلوبی داشته باشد.
ساخت بتن متخلخل تقویت شده با نانو ذرات اکسید تیتانیوم
برای ساخت بتن متخلخل از ماده ای به نام خاکستر رسوبی (Bottom Ash) استفاده گردید. این ماده خاکستر ناشی از فرآیند احتراق در نیروگاه های برق، کوره ها و … می باشد که بصورت ذرات درشت در قسمت انتهایی کوره رسوب می کند. خاکستر رسوبی استفاده شده در ساخت بتن با ابعاد متخلف (1-10 میلی متر) استفاده گردد تا میزان تخلخل قابل کنترل باشد.
در فرآیند ساخت بتن از نانو ذرات اکسید تیانیوم به مقدار 3% وزنی استفاده شد و این نانو ذرات دارای اندازه ذره 30 – 20 نانومتر بودند. فرآیند تولید بتن متخلخل تقویت شده با نانو ذرات اکسید تیتانیوم به شرح زیر است. ابتدا سیمان، خاکستر رسوبی و نانو ذرات اکسید تیتانیوم بصورت خشک توسط میکسر مخصوص بتن به مدت 5 دقیقه همزده شدند تا به خوبی با یکدیگر مخلوط شوند. سپس آب به مخلوط آماده شده اضافه شده و توسط میکسر به مدت 5 دقیقه همزده شد. پس از اتمام فرآیند ترکیب کردن، مخلوط بتن آماده شده در قالب های مخصوص ریخته شد و نگهداری شدند تا خشک شود. در نهایت بتن های قالب ریزی شده تحت آنالیز های جذب صدا و فوتوکاتالیست قرار گرفتند تا عملکرد بتن متخلخل بررسی گردد. در تصویر زیر خاکستر رسوبی و بتن متخلخل نشان داده شده است.
الف) خاکستر رسوبی در ابعاد مختلف ب) بتن متخلخل
نانو ذرات و بهبود عملکرد بتن متخلخل در جذب صدا و گاز NO
بتن های تولید شده مورد ازمایش قرار گرفتند تا میزان و نوع تخلخل های آنها در حضور نانو ذرات اکسید تیتانیوم بررسی شود. دو نوع تخلخل در بتن وجود دارد:
1. تخلخل بسته و
2. تخلخل باز
نتایج به دست آمده نشان دادند که حضور نانو ذرات در ساختار بتن و نیز نسبت مقدار خاکستر رسوبی به سیمان عوامل تاثیر گذار بر میزان تخلخل بتن می باشد. حضور نانو ذرات اکسید تیتانیوم در کنار نسبت خاکستر به سیمان بالا باعث می شود تا میزان تخلخل های باز افزایش یابد. افزایش تخلخل های باز در بتن علاوه بر اینکه سطح بیشتری از بتن را در تماس با محیط قرار می دهد مسیری برای عبور امواج صوت از درون بتن ایجاد می کند که این دو ویژگی تاثیر بسزایی در جذب صوت و گاز NO دارند.
پس از بررسی های اولیه، نمونه های تولید شده تحت آنالیز جذب صدا قرار گرفتند. در این آنالیز نمونه بتن داخل دستگاهی بنام لوله امپدانس (Impedance Tube) قرار گرفته، از یک طرف امواج صوت با فرکانس مشخص و یا متغیر به سمت آن ساتع می گردد و در نهایت میزان جذب امواج صوت توسط بتن اندازه گیری می گردد. بررسی های صورت گرفته نشان دادند که خاصیت جذب صدای بتن تولید شده تحت تاثیر تخلخل های باز می باشد بطوریکه نمونه های با میزان تخلخل باز زیاد بیشترین میزان جذب صدا را نشان دادند.
زمانیکه مقدار تخلخل های باز در بتن افزایش می یابد امواج صوت می توانند درون بتن از طریق تخلخل های باز حرکت کنند و در نتیجه امواج حین عبور دچار برخورد با دیواره های تخلخل ها شده و از شدت آنها کم می گردد؛ بعبارت دیگر موج صدا توسط بتن جذب می شود. در آزمایش بعدی، نمونه های بتن تحت آنالیز فوتوکاتالیست قرار گرفتند. در این آزمایش نمونه درون یک محفظه قرار می گیرد که درون آن لامپ UV (منبع تولید امواج فرابنفش) تعبیه شده است. سپس از یک طرف محفظه گاز NO منتشر شده، از درون بتن متخلخل عبور کرده، از طرف دیگر محفظه خارج شده و وارد سنسور اندازه گیری میزان غلظت گاز NO می گردد.
زمانیکه گاز از طریق تخلخل ها به سطح بتن دسترسی یافته و با نانو ذرات اکسید تیتانیوم موجود در سطح تماس پیدا می کند تحت فرآیند فوتوکاتالیستی قرار می گیرد. در این فرآیند با تابش امواج فرابنفش نانو ذرات اکسید تیتانیوم تهییج شده و درنتیجه آن رادیکال های آزاد که اکسید کننده های قوی می باشند تولید می شوند. رادیکال های ازاد تولید شده با گاز NO وارد واکنش شده و منجر به اکسایش آن به NO2 و در نهایت NO3 (نیترات) می شود. نیترات تولید شده ماده ای قابل حل در آب می باشد که به راحتی توسط رطوبت محیط جذب شده و حل می گردد. بدین ترتیب و توسط فرآیند فوتوکاتالیستی گاز NO در حین عبور و تماس با بتن متخلخل جذب می گردد.
علاوه بر حضور نانو ذرات اکسید تیتانیوم، میزان تخلخل های باز بتن در رفتار فوتوکاتالیستی آن تاثیر گذار است بطوریکه اگر مقدار نانو ذرات اکسید تیتانیوم در بتن ثابت باشد افزایش میزان تخلخل های باز در بتن باعث افزایش جذب گاز NO می گردد. به عبارت دیگر افزایش تخلخل های باز منجر به ایجاد سطح بیشتر و درنتیجه حضور بیشتر نانو ذرات اکسید تیتانیوم در سطح بتن می شود که در نهایت میزان جذب و تصفیه گاز NO را تقویت می کند.
منابع:
- https://doi.org/10.12989/acc.2021.12.1.001
