بتن پرکاربردترین ماده ی دست ساز در سراسر جهان است که حدود 25-20 گیگاتن از تولید سالانه را به خود اختصاص داده است (1). خصوصیات معماری،انعطاف پذیری شکل،خصوصیات مکانیکی،پایداری و قیمت نسبتا پایین دلایل اصلی برای کاربرد گسترده آن می باشند. برای تولید مقادیر بالای بتن، میزان بسیار بالایی از عناصر ان مورد نیاز است مخصوصا توده های ریز و درشت که در بیشتر موارد بالغ بر 60 درصد از حجم بتن می باشند.قوانین محیطی به طور فزاینده ای طی دهه گذشته سخت شده اند و مفاهیم و فناوری های جدید مواد پس از عمر کار اولیه شان به طور مدام توسعه یافته اند و مورد استفاده مجدد قرار گرفته اند (مانند بتن بازیافت شده [2,3]).
بنابراین، به کار گیری مواد ضایعاتی یا بازیافت شده مانند عناصر بتن بسیار ترویج یافته است. ضایعات شیشه را می توان به عنوان یکی از موارد ممکن برشمرد. در واقع،ضایعات شیشه را نمی توان برای تولید شیشه مجددا مورد استفاده قرار داد که بدلیل آلودگی شیمیایی بالای ان و آلودگی با فلز، کاغذ، پلاستیک، ظروف چینی و غیره می باشد. در نتیجه، ضایعات شیشه اغلب در زمین دفن یا در زمین های زباله ی شهرداری ها انداخته می شوند.علاوه بر این، در بیشتر بخش های جهان، جمع آوری و بازیافت شیشه به خوبی توسعه نیافته است. در مکانهایی که هیچ گونه تجهیزات بازیافت شیشه وجود ندارد (مانند هنگ کنگ [4])، تمام شیشه های جمع آوری شده به عنوان مواد ضایعاتی در نظر گرفته میشوند.
کشورهای مختلفی وجود دارند که در انها جمع اوری بسته بندی های شیشه توسط مشتری بیش از 80 درصد شیشه های تولیدی می باشد (مانند آلمان، فنلاند،سوئیس، بلژیک، هلند، دانمارک، اتریش، سوئد و نروژ[5]) و قسمت اعظمی از این شیشه ها بازیافت می شود. با این وجود، حتی در این کشورها، ضایعات شیشه ی و غیر قابل بازیافت تبدیل به یک مشکل رو به گسترش شده است که نیاز به راه حل های ابتکاری و پایدار دارد. بنابراین، در بین احتمالات مطرح شده از سوی بخش های صنعتی مختلف، استفاده از ضایعات شیشه در مصالح ساختمانی به عنوان یک راه حل پایدار معرفی شده است.
علاوه بر این، چنین راه حلی از لحاظ اقتصادی نیز جذاب است زیرا می تواند تقاضا برای مواد خام سنتی را کاهش دهد.بررسی ها در مورد کاربردهای متفاوت ضایعات شیشه در مصالح ساختمانی در ادبیات به طور گسترده ای ارائه شده اند،مانند آجرهای سفالی افروخته[6]، بلوک های سنگفرش[7]، کاربردهای جاده ای [8] و توده های سبک وزن شیشه ای توسعه یافته در بتن [12-9] به عنوان تثبیت کننده ای که با سیمان (شیشه ی خرد شده)[16-13] یا یک ماده ی خام جدید در تولید سیمان[13،17].با این وجود،ضایعات شیشه در بیشتر موارد در بتن مورد استفاده قرار می گیرند.
ذکر این نکته در اینجا ضروری است که اکثریت پژوهش موجود تنها ضایعات شیشه را مورد بررسی قرار می دهد که متاسفانه نیاز به مرحله فناورانه ی اضافی در فرایند تولید بتن دارد. ضایعات شیشه در اندازه های مختلفی وجود دارند،از میکرومتر گرفته (پودر) تا چندین سانتی متر که امکان جایگزینی آن را با توده ها و مواد بتنی سنتی، معدنی (ریز،شن،سنگ ریزه) در بتن فراهم می سازد. همانطور که در [18-19] شرح داده شده است، شیشه شکسته را می توان به عنوان جایگزین شن در سنگ فرش بتنی،افزودنی آسفالت و پرکننده ی جاده مورد استفاده قرار داد.
علاوه بر این، توده شیشه برای تولید بتن های تزئینی و هنری [20] نیز مورد استفاده قرار گرفته است زیرا ذرات شیشه ی موجود در سطوح جلا داده شده برای برخی کاربردهای تزئینی و معماری جذاب هستند. علاوه بر به کار گیری توده های شیشه ای در بتن سنتی،پژوهش روی توسعه ی بتن خود متراکم (SCC) با استفاده از توده های شیشه ی ریز و درشت نیز انجام شده است [4]. در نتیجه، یک بتن تزئینی (با ذرات شیشه ی روباز) با جایگزینی کامل توده های سنتی توسط شیشه تولید شده است که مقاومت فشاری 28 روزه 40 مگاپاسکال دارد.
در هر حال، موضوعات مهمی در ارتباط با استفاده از شیشه در بتن وجود دارد. شیشه قرار داده شده در یک ترکیب منفذی بتن بسیار قلیایی مشکوک به واکنش توده قلیایی (ARR) یا واکنش قلیایی-سیلیکا (ASR) می باشد که منجر به محصولات قلیایی-سیلیکای با تمایل به توسعه ی مضر می شود [20-22]. آسیب قلیایی-سیلیکا چند مرحله ای و فرایندی طولانی مدت است که در آن در ابتدا قلیا با منشا سیمان با آب واکنش میدهد و سدیم و پتاسیم هیدروکسید تولید می کند.
سپس، سیلیکای واکنش دار موجود در شیشه، به آرامی در محلول منفذی قلیایی حل می شود در نتیجه، سیلیکای حل شده با هیدروکسیدهای قلیایی واکنش می دهد و یک ژل قلیایی-سیلیکای چسبناک و ناپایدار تولید می کند که قادر است تا آب و برجستگی را جذب کند [22-24]. آب اضافی توسعه ژل را بهبود می بخشد و واکنش های کششی را تحریک می کند که منجر به زوال آرام بتن می شوند. یک راه برای به حداقل رساندن خطر واکنش قلیایی-سیلیکا، محدود ساختن مقدار قلیایی در محلول منفذی بتن با استفاده از سیمان های دارای خاصیت قلیایی کم است. جلوگیری و خنثی سازی واکنش می تواند از طریق استفاده از پوزولانها در بتن نیز حاصل شود [21،23-31]. مواد پوزولانی دارای پایگاه قلیایی بالا و ناحیه ی سطح بسیار خاص می باشند.
پوزولان ها از محتوای قلیایی برای شکل دهی قلیایی-سیلیکات بهره می برند،بنابراین هیچ پایگاه قلیایی در مراحل بعدی برای واکنش دهی و تولید محصولات واکنش قلیایی-سیلیکای توسعه ای وجود نخواهد داشت. در نبود افزودنی های پوزولانی، سیلیکای واکنش دهنده ی موجود در ذرات شیشه ممکن است به آرامی در محلول منفذی قلیایی حل شود،با پایگاه قلیایی واکنش دهد و آسیب واکنش قلیایی-سیلیکا را تحریک کند. تاکید بر این موضوع مهم است که اندازه خرده شیشه برای واکنش قلیایی-سیلیکا بسیار حیاتی است همانطور که پودر شیشه (<300 µm) واکنش قلیایی-سیلیکا را به همراه نخواهد داشت و به عنوان یک پوزولان در نظر گرفته می شود [16،20،21،32-35] در حالی که ذرات بزرگتر از قابلیت واکنش بالایی در بتن برخوردارند [36-38].
علاوه بر خطر واکنش قلیایی-سیلیکا، ویژگی های دیگر بتن نیز تحت تاثیر ذرات شیشه قرار می گیرند. تراکم ویژه شیشه کمتر از توده های سنتی است و منجر به تراکم کاهش یافته ی بتن می شود خصوصیات عملی و مکانیکی بتن نیز تحت تاثیر قرار می گیرند [21،32،33،38-44]. بافت نرم توده های شیشه امر عملی را تغییر می دهد (کمتر از تقاضای اب) و قدرت بتن را کم می کند همانطور که چسبندگی و اثرات بهم پیوسته ی میان قالب سیمان و توده های شیشه ضعیف تر از توده های سنتی می باشد. این موضوع نیز آشکار شده است که جایگزینی بیش از 20 درصد از توده های سنتی با شیشه تغییر قابل توجهی در قدرت بتن بر جای نمی گذارد [41-43] در حالی که در سطح جایگزینی بالاتر از 30درصد، کاهش قابل توجه می باشد.
فناوری اکسیداسیون فتوکاتالیستی بطور فزاینده ای در مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد تا خصوصیات تصفیه ی هوا و/یا خود تمیزی را برای انها فراهم کند. پرکاربردترین فتوکاتالسیت، تیتانیوم دی اکسید، عملکرد مطلوبی در بتن ارائه شده در محیط بیرونی داشته است. اخیرا، یک پروژه ی تشریح تمام مقیاس در هنگ لو، هلند، نشان داده است که حذف آلوده کننده های شدید هوا (مانند اکسید نیتریک و دی اکسید نیتروژن که در ادامه آن را با آلاینده های NOx نشان می دهیم) در محیط شهری می تواند با بتن فتوکاتالیستی فعال حاصل شود [45]. نتایج گزارش شده حاکی از ان هستند که کاهش تراکم میانگین NOx به بیش از 19 درصد در کل روز و بیش از 28 درصد در زمان بررسی عصرها،زمانی که شدت اشعه ی یو وی در بالاترین میزان خود قرار دارد، رسیده است. در شرایط آب و هوایی ایده آل، تراکم NOx می تواند تا بیش از 45 درصد در مقایسه با خیابان کنترلی سنگفرش شده با سنگ های بتنی استاندارد کاهش یابد.
علاوه بر تیتانیوم دی اکسید با یو وی فعال مورد استفاده در برنامه های بیرونی، نمونه های جدیدی از تیتانیوم دی اکسید اصلاح شده (مثلا با تغلیظ) که قابل فعال سازی با نور قابل رویت هستند نیز کاربرد گسترده ای یافته اند. از این رو،این نوع از فتوکاتالیست را می توان در کاربردهای داخلی نیز مورد استفاده قرار داد. با این وجود، همانطور که تیتانیوم دی اکسید همچنان به عنوان یک افزودنی نسبتا گران در مقایسه با مصالح ساختمانی سنتی مانند بتن شناخته می شود، تمایل به استفاده از آن به گونه ای بهینه و کارآمد وجود دارد.
همانطور که در [46،47] شرح داده شده است، یکی از راه ها برای به حداقل رساندن میزان فتوکاتالیست تیتانیوم دی اکسید افزوده در بتن و بهبود توانایی تصفیه ی هوای آن، به کار گیری ترکیبی از تیتانیوم دی اکسید و توده های شیشه است. خصوصیات انتقال و انعکاس نور خرده های شیشه به عنوان عوامل اصلی برای بهبود کارایی PCO شناخته می شوند همانطور که نور منتقل شده را می توان در سراسر قالب بتن پخش کرد و ذرات تیتانیوم دی اکسید را با کارایی بهتری فعال نمود. بنابراین،سطح بالاتری از بتن که در ان اکسیداسیون PCO رخ می دهد نیز می تواند نقش فعالی در فرایند ایفا کند [47].
با ترکیب پایداری کاربرد ضایعات شیشه همراه با خصوصیات کاربردی و هنری،هدف مطالعه ی کنونی توسعه ی یک بتن بر اساس ضایعات شیشه،پایدار و محکمی است که خصوصیات منحصر بفردی مانند فراتابی و پاکسازی هوای تقویت شده ای دارد. این کار با بهره گیری از ضایعات شیشه در بخش های مختلف و فتوکاتالیست تیتانیوم دی اکسید برای تولید کاشی های بتنی با ضخامت های متفاوت بدست می آید. همانطور که ادبیات کنونی اساسا کاربرد شیشه شسته را در بتن مورد بررسی قرار می دهد، این مقاله نیز بتن اماده شده با ضایعات شیشه ی شسته نشده را مد نظر قرار می دهد.