มีความแข็งแรงมากกว่าคอนกรีตทั่วไปถึง 42%! โดยคอนกรีตนี้จะมีความน่าสนใจอย่างไรตามมาอ่านกันได้เลย
ปัจจุบัน “ปูนซีเมนต์” เกือบทุกโครงการก่อสร้างทั่วโลก จะถูกนำไปใช้ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง แต่มีปัญหาอยู่ข้อหนึ่ง และเป็นปัญหาใหญ่มาก นั่นก็คือ การผลิตส่วนประกอบหลักอย่างหนึ่งของปูนซีเมนต์นั้น ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมอยู่ไม่น้อย
เนื่องจากกระบวนการให้ความร้อนและแปรรูปหินปูนเพื่อผลิตปูนซีเมนต์ เป็นหนึ่งในแหล่งปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่สำคัญของโลก ดังนั้น จึงเป็นเรื่องที่เข้าใจได้ว่า นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามหาวิธีลดปัญหานี้นั่นเอง
Raghuvesh Tiwari วิศวกรโยธา และเป็นนักวิจัยหลักในครั้งนี้ จาก Manipal University Jaipur ประเทศอินเดีย ได้เปิดเผยว่า ทีมวิจัยอาจค้นพบวิธีแก้ปัญหาอันชาญฉลาด ที่สามารถแก้ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมได้สองอย่างในคราวเดียว
การผสม “ไบโอชาร์” (ถ่านชีวภาพ โดยเป็นวัสดุคาร์บอนเสถียรที่ได้จากการนำวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรหรือชีวมวล มาผ่านกระบวนการให้ความร้อนในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจนหรือมีจำกัด เรียกว่า ไพโรไลซิส “Pyrolysis”) ที่ทำจากกากอุจจาระของมนุษย์ ซึ่งผ่านกระบวนการในโรงบำบัดกากตะกอนอุจจาระลงในปูนซีเมนต์ โดยส่งผลให้คุณสมบัติของคอนกรีตดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด
โดยทั่วไปแล้ว ปูนซีเมนต์มักจะทำจากส่วนผสมไม่กี่อย่างในปริมาณที่กำหนด เช่น ทราย กรวด น้ำ และตัวปูนซีเมนต์เอง (ส่วนใหญ่ทำจากหินปูน) แม้จะเป็นที่น่าเสียดายที่ส่วนผสมนั้นค่อนข้างละเอียดอ่อน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสัดส่วน หรือการแทนที่ซีเมนต์บางส่วนด้วยวัสดุอื่น อาจทำให้คอนกรีตที่ได้ไม่แข็งแรงและทนทาน และอาจแตกหักง่ายเมื่อรับแรงกดดัน จึงไม่สามารถนำมาใช้เป็นวัสดุก่อสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ
วัสดุทดแทนซีเมนต์ที่ดูมีแนวโน้มดีขึ้นเรื่อย ๆ ก็คือ “ไบโอชาร์” ซึ่งเป็นวัสดุที่อุดมไปด้วยคาร์บอน ผลิตโดยการให้ความร้อนแก่สารอินทรีย์ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจน
ขณะที่ โดยทั่วไปมนุษย์เราแต่ละคนขับถ่ายออกมาในปริมาณมากทีเดียว ประมาณ400 กรัมต่อคนต่อวัน ซึ่งอาจดูไม่มากนักในระดับบุคคล แต่เมื่อมีจำนวนคนหลายล้านคน ปริมาณก็มากมายจนจินตนาการภาพไม่ออก และอย่างไรก็ตาม อุจจาระจำนวนมหาศาลที่ขับถ่ายออกมาทุกวัน ย่อมต้องไปอยู่ที่ไหนสักแห่ง ซึ่งนี่จึงเป็นจุดเริ่มต้นของการเชื่อมโยงเรื่องราวต่าง ๆ เข้าด้วยกัน
ที่ประเทศอินเดีย มีการจัดตั้งโรงงานบำบัดกากตะกอนอุจจาระ เพื่อจัดการกับของเสียจากมนุษย์อย่างปลอดภัย ซึ่งสามารถนำไปแปรรูปเป็น “ไบโอชาร์” ผ่านกระบวนการไพโรไลซิสได้ ดังนั้น ทีมวิจัยจึงคิดว่า ถ้าขี้เลื่อย ไม้ แกลบ และไบโอชาร์อื่น ๆ มีประสิทธิภาพในการทำคอนกรีต แล้วทำไม “อุจจาระมนุษย์” จะใช้ไม่ได้ล่ะ?
เพื่อทดสอบประสิทธิภาพ Tiwari และทีมวิจัยจึงได้นำไบโอชาร์จากกากตะกอนอุจจาระ จากโรงบำบัดน้ำเสียมาทำการทดสอบ โดยในการผลิตไบโอชาร์ จะนำกากตะกอนอุจจาระมาทำให้แห้ง จากนั้นให้ความร้อนในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนต่ำที่อุณหภูมิระหว่าง 350-450 องศาเซลเซียส (662-842 องศาฟาเรนไฮต์) เพื่อให้ได้ไบโอชาร์ จากนั้นจะนำไบโอชาร์มาบดและร่อนให้เป็นผงละเอียด
จากนั้นทีมวิจัย จะใช้ผงนี้แทนซีเมนต์ในปริมาณที่แตกต่างกัน คือ 5, 10 และ 15 เปอร์เซ็นต์ ในคอนกรีตทั่วไป ก่อนนำไปทดสอบความแข็งแรงทนทาน โดยที่น่าเหลือเชื่อก็คือ อุจจาระเพียงเล็กน้อยกลับทำให้คอนกรีตดีขึ้น
ทีมวิจัยได้ทำการวัดการหดตัว ความแข็งแรงในการรับแรงอัด ความแข็งแรงในการรับแรงดัด การดูดซับน้ำ และความพรุนของส่วนผสมต่าง ๆ และนี่คือจุดที่น่าสนใจอย่างแท้จริง เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว คอนกรีตที่แข็งแรงที่สุด มักได้มาจากการใช้ไบโอชาร์จากมูลสัตว์มาแทนที่ซีเมนต์ประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์
โดยคอนกรีตที่ทำจากมูลสัตว์ก็มีที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งก็คือ มันยังคงเพิ่มความแข็งแรงขึ้นอย่างมากในระหว่างการแข็งตัว ทีมวิจัยรายงานว่า หลังจาก 91 วัน ส่วนผสม 5 เปอร์เซ็นต์ มีค่าความแข็งแรงในการรับแรงอัดเพิ่มขึ้นโดยเฉลี่ย 20 เปอร์เซ็นต์ และความแข็งแรงในการรับแรงดัดเพิ่มขึ้น 36 เปอร์เซ็นต์
เมื่อแทนที่ซีเมนต์ด้วยวัสดุอื่น 10 เปอร์เซ็นต์ การเพิ่มขึ้นนั้นยิ่งมากขึ้นไปอีก โดยเพิ่มขึ้น 21 เปอร์เซ็นต์ สำหรับกำลังรับแรงอัด และเพิ่มขึ้นถึง 42 เปอร์เซ็นต์สำหรับกำลังรับแรงดัด
ที่ความเข้มข้น 5 เปอร์เซ็นต์ โดยทั่วไปแล้วจะดูดซับน้ำน้อยกว่าและมีรูพรุนน้อยกว่าคอนกรีตทั่วไป ขณะที่ การหดตัวเมื่อแห้งก็ต่ำกว่าเช่นกัน ส่วนที่ความเข้มข้น 10 เปอร์เซ็นต์ ประสิทธิภาพโดยรวมยังคงเทียบเคียงได้กับคอนกรีตธรรมดา
แต่เมื่อใช้คอนกรีตที่มีการแทนที่ซีเมนต์ 15 เปอร์เซ็นต์ คอนกรีตก็ยังคงแข็งแรง แต่ความแข็งแรงโดยรวมนั้นต่ำกว่าคอนกรีตที่มีการแทนที่ซีเมนต์ 5 และ 10 เปอร์เซ็นต์
สู่ประเด็นชวนสงสัย? แล้วทำไมการเติมอุจจาระลงไปเล็กน้อย จึงทำให้คอนกรีตแข็งแรงขึ้นมากกว่า
ทีมวิจัยคิดว่า มีหลายปัจจัยที่ทำงานร่วมกัน ประการแรก ไบโอชาร์จากอุจจาระมีรูพรุนสูง เต็มไปด้วยโพรงเล็ก ๆ ที่สามารถดูดซับน้ำและค่อย ๆ ปล่อยออกมาเมื่อคอนกรีตแข็งตัว กระบวนการนี้จะเปลี่ยนอนุภาคไบโอชาร์ให้กลายเป็นแหล่งกักเก็บน้ำภายในขนาดเล็ก ทำให้มีน้ำพร้อมสำหรับการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้ซีเมนต์แข็งตัวและแข็งแรงขึ้น แต่ก้อนอุจจาระไม่ได้แค่กักเก็บน้ำไว้เฉย ๆ
เนื่องจาก “ไบโอชาร์” มีซิลิกา (Silica) เป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งสามารถทำปฏิกิริยากับสารประกอบที่เกิดขึ้นระหว่างการแข็งตัวของซีเมนต์ เพื่อสร้างแคลเซียมซิลิเกต (Calcium Silicates) เพิ่มเติม ซึ่งเป็นส่วนสำคัญที่ช่วยให้คอนกรีตมีความแข็งแรง
อธิบายให้เข้าใจเห็นภาพง่าย ๆ ก็คือ “ไบโอชาร์” จากอุจจาระมนุษย์มี “สารปอซโซลานิก” (Pozzolanic วัสดุที่มีส่วนประกอบของซิลิกาหรือซิลิโกอะลูมิเนียม ซึ่งไม่มีคุณสมบัติในการยึดประสานด้วยตัวเองเมื่อผสมน้ำ แต่เมื่อนำมาบดให้ละเอียดและอยู่ในที่มีความชื้น จะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับแคลเซียมไฮดรอกไซด์ที่ได้จากกระบวนการไฮเดรชันของปูนซีเมนต์ กลายเป็นสารประกอบที่มีคุณสมบัติช่วยยึดประสานและเพิ่มความแข็งแรง) ซึ่งเป็นกลุ่มปฏิกิริยาเคมีเดียวกันกับที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างมากในคอนกรีตสมัยโรมันโบราณ เพียงแต่ใช้อุจจาระมนุษย์แทนวัสดุภูเขาไฟที่ชาวโรมันใช้
ผลการศึกษาครั้งนี้พบว่า อนุภาคไบโอชาร์ละเอียดสามารถเติมเต็มช่องว่างในคอนกรีต และปรับปรุงวิธีการจัดเรียงตัวและการยึดเกาะของส่วนผสมต่าง ๆ ได้ดียิ่งขึ้น โดยทีมวิจัยสามารถมองเห็นผลลัพธ์ได้จริงภายใต้กล้องจุลทรรศน์ คอนกรีตที่มีส่วนผสมของไบโอชาร์ 5 เปอร์เซ็นต์ มีโครงสร้างที่หนาแน่นและยึดเกาะกันแน่นกว่าคอนกรีตทั่วไป
แต่เมื่อถึงระดับ 15 เปอร์เซ็นต์ โครงสร้างนั้นก็เริ่มเสื่อมสภาพ โดยมีรูพรุน รอยแตก และบริเวณที่ยึดติดกันไม่แน่นปรากฏมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยระบุว่า จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติม เพื่อประเมินประสิทธิภาพของคอนกรีตนี้ภายใต้สภาวะจริง เช่น วัฏจักรการแข็งตัวและการละลาย ความเค็ม และอุณหภูมิที่สูงจัด
นอกจากนี้ ยังมีปัญหาการสะสมของโลหะหนัก ซึ่งเป็นปัญหาที่พบได้ทั่วไป ในกากตะกอนจากระบบบำบัดน้ำเสีย การกักเก็บโลหะหนักที่เป็นอันตรายไว้ในคอนกรีตอาจเป็นข้อดี แต่ยังไม่ทราบแน่ชัดว่า จะสามารถกักเก็บไว้ได้ดีแค่ไหน หรือว่าจะรั่วไหลออกมาเมื่อเวลาผ่านไปหรือไม่
นี่ถือเป็นอีกหนึ่งไอเดียที่น่าสนใจ ในการแทนที่ซีเมนต์ในคอนกรีตเพียงบางส่วน ด้วยวัสดุที่ทำจากของเสียที่มนุษย์สร้างขึ้นในปริมาณมหาศาล เพื่อหาทางช่วยแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมได้สองอย่างพร้อมกัน
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
ที่มาข้อมูล: Scientific Reports
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
