เถ้าชีวมวลสู่คอนกรีต

ปัจจุบันเถ้าชีวมวลจากการเผาเพื่อนำความร้อนไปใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรมของไทยมีปริมาณรวมกันประมาณ 3 ล้านตันต่อปี กลายเป็นขยะที่ถูกกองทิ้งทำให้เกิดเป็นมลภาวะตามมา จึงต้องเร่งหาวิธีการกำจัด เพื่อไม่ให้ปัญหาเถ้าจากโรงงานต่างๆ ทั้งเถ้าแกลบจากอุตสาหกรรมโรงสีข้าว เถ้าชานอ้อยจากอุตสาหกรรมน้ำตาล และเถ้าปาล์มน้ำมันจากอุตสาหกรรมผลิตปาล์มน้ำมัน กลายเป็นปัญหาที่สร้างผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมต่อประเทศในอนาคต

ศ.ดร.ชัย จาตุรพิทักษ์กุล อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) หัวหน้าโครงการการเพิ่มความทนทานของคอนเสริมเหล็กภายใต้ภาวะการกัดกร่อนสูงโดยใช้เถ้าจากโรงงานอุตสาหกรรม กล่าวว่าที่ผ่านมา วิธีการกำจัดของเหลือทิ้งจากโรงงานดังกล่าวส่วนใหญ่คือการนำไปทิ้ง ทำให้เกิดปัญหาตามมาทั้งเรื่องของสถานที่ทิ้ง สิ่งแวดล้อม และค่าใช้จ่ายที่สูง หากไม่เร่งหาทางแก้ไขอาจส่งผลในระยะยาวได้ ทางทีมวิจัยจึงได้ดำเนินการศึกษาวิจัยคุณสมบัติเบื้องต้นของเถ้าชีวมวลแต่ละชนิด พบว่าเถ้าทั้ง 3 ชนิดนี้มีศักยภาพที่จะนำไปใช้เป็นส่วนผสมในคอนกรีตแทนปูนซีเมนต์ได้และยังได้พัฒนาเพิ่มคุณสมบัติของเถ้าแต่ละชนิดเพื่อให้สามารถนำไปใช้จริงโดยมีผลงานวิจัยทั้งในและต่างประเทศรองรับ

“เถ้าเหล่านี้ เมื่อนำไปหาองค์ประกอบทางเคมีแล้วพบว่า มีส่วนผสมของซิลิกา (silica) กับ อลูมินา(alumina) ค่อนข้างสูง โดยธาตุเหล่านี้เมื่อไปทำปฏิกิริยากับด่างที่มีอยู่ในปูนซีเมนต์จะทำให้เกิดการยึดประสาน เราเรียกปฏิกิริยานี้ว่า “ปฏิกิริยาปอซโซลาน” และเรียกวัสดุประเภทนี้ว่า “วัสดุปอซโซลาน” ซึ่งเป็นคำเรียกเฉพาะ จากนั้นจึงได้ทดลองนำเถ้าชีวมวลมาใช้เป็นส่วนผสมในคอนกรีตโดยแทนที่ปูนซีเมนต์ในสัดส่วน 15 – 25 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งโดยปกติในกระบวนการผลิตคอนกรีตต้องใช้ปูนซีเมนต์เป็นส่วนผสมหลักถึง 300 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ลดลงเหลือเพียง 230 กิโลกรัม ที่เหลืออีก 70 กิโลกรัมเป็นเถ้าชีวมวล หลังการทดลองทิ้งไว้ประมาณ 30 - 60 วันผ่านไป ผลปรากฏว่า คอนกรีตที่มีส่วนผสมของเถ้าชีวมวลสามารถรับแรงได้ใกล้เคียงหรือเทียบเท่ากับคอนกรีตปกติ

ถือได้ว่าเถ้าเหล่านี้มีศักยภาพในการนำไปใช้เป็นส่วนผสมในคอนกรีตแทนที่ปูนซีเมนต์บางส่วนได้ในอนาคต ซึ่งจะช่วยลดการใช้ปูนซีเมนต์ ลดการระเบิดภูเขาเพื่อนำมาผลิตปูนฯ ลดต้นทุนการผลิตคอนกรีต ลดปัญหามลพิษและมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ยังเป็นการแก้ปัญหาของเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมโดยนำกลับมาใช้ประโยชน์ เพราะปัจจุบันโรงงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่พยายามหาวิธีกำจัดของเหลือทิ้งที่แต่ละปีจะมีวัสดุเหลือทิ้งเหล่านี้รวมกันมากกว่า 3 ล้านตัน จากเดิมที่ต้องนำไปทิ้ง ทำให้มีข้อจำกัดเรื่องพื้นที่ และหากเราสามารถนำมาใช้แทนปูนฯ ในการผลิตคอนกรีตซึ่งถือเป็นอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่ปีๆหนึ่งมีการผลิตปูนซีเมนต์มากกว่า 30 ล้านตันได้ ก็จะช่วยลดปัญหาขยะที่จะกลายเป็นปัญหาต่อสังคมได้ในอนาคต ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงช่วยตอบโจทย์ให้กับภาคอุตสาหกรรม และยังก่อให้เกิดประโยชน์ต่อประเทศชาติโดยรวม” ศ.ดร.ชัย กล่าว

หัวหน้าโครงการวิจัยฯ กล่าวอีกว่า ในส่วนของโครงสร้างคอนกรีตนั้นปกติจะมีเหล็กเสริมอยู่ภายในคอนกรีต แม้เหล็กเสริมจะทำให้โครงสร้างมีความแข็งแรงขึ้น แต่มีจุดอ่อน คือ ตัวคอนกรีตเป็นวัสดุที่มีความพรุน หากอยู่ใกล้ทะเล น้ำทะเลจะซึมผ่านตัวคอนกรีตอย่างช้าๆเข้าไปถึงตัวเหล็กได้ ทำให้เหล็กเป็นสนิม เกิดรอยแตกร้าวของคอนกรีต สังเกตได้จากรอยน้ำสีน้ำตาลซึ่งเป็นคราบสนิมเหล็กที่ไหลออกมา ส่งผลต่อโครงสร้างคอนกรีตดังกล่าวเกิดความเสียหายตามมา และอาจพังลงได้ในที่สุด ก่อให้เกิดอันตรายต่อชีวิตและทรัพย์สินอย่างมาก ทางทีมวิจัยจึงได้นำงานวิจัยข้างต้นมาต่อยอด โดยการทดลองนำเอาเถ้าชีวมวลดังกล่าวมาบดให้ละเอียดมากขึ้น แล้วนำไปผสมกับปูนซีเมนต์ ผลปรากฏว่า ด้วยความละเอียดของเถ้าจะเข้าไปอุดและเติมเต็มช่องว่างที่อยู่ภายในเนื้อคอนกรีตได้ ทำให้อากาศหรือน้ำทะเลแทรกซึมเข้าสู่เนื้อคอนกรีตยากขึ้น ทำให้การเกิดสนิมเหล็กช้าลง และยืดอายุของคอนกรีตเสริมเหล็กให้ยาวนานขึ้น

นอกจากนี้ยังได้ทดลองนำคอนกรีตที่ทุบทิ้งแล้วจากโครงสร้างเก่า นำมาบดหรือย่อยให้มีขนาดเล็กลงขนาดเท่ากับหินที่ผสมคอนกรีตทั่วไป เรียกว่าหินรีไซเคิลหรือมวลรวมที่ได้จากการย่อยเศษคอนกรีต และเมื่อนำมาทำการบดหรือย่อยให้ละเอียดมากขึ้นอีกจนมีขนาดเท่ากับทราย เรียกว่า ทรายรีไซเคิล หรือ มวลรวมละเอียดจากการย่อยเศษคอนกรีต จากนั้นทดลองนำทั้งสองส่วนดังกล่าวมาผสมกับปูนซีเมนต์และเถ้าชีวมวล ผลทดลองในห้องปฏิบัติการพบว่า คอนกรีตที่ได้จากการนำเศษคอนกรีตเก่ามาเป็นหินผสมคอนกรีต ยังมีกำลังต่ำกว่าคอนกรีตคอนกรีตปกติ ซึ่งจะต้องทำการศึกษาวิจัยเพิ่มเติมต่อไปเพื่อเพิ่มกำลังให้เท่ากับคอนกรีตปกติต่อไป

ศ.ดร.ชัย กล่าวว่านอกจากการนำเถ้าชีวมวล มาใช้ในส่วนผสมคอนกรีตได้แล้ว ยังช่วยในเรื่องการเกิดสนิมของเหล็กในโครงสร้างทำให้เกิดสนิมยากขึ้นหรือเป็นสนิมน้อยลง แต่งานวิจัยนี้ยังคงต้องมีการศึกษาวิจัยเพิ่มเติมเพื่อให้การนำของเหลือทิ้งเหล่านี้มาใช้เกิดความน่าเชื่อถือมากขึ้น และต้องทำความเข้าใจให้กับคนทั่วไปก่อนนำไปใช้เพราะต้องยอมรับว่าเรื่องนี้ถือเป็นเรื่องใหม่ของโลก ที่ผ่านมายังไม่มีงานวิจัยเกี่ยวกับเรื่องดังกล่าวแม้แต่สหรัฐอเมริกา ยุโรป หรือ ญี่ปุ่น เพราะประเทศเหล่านี้ไม่มีเถ้าจากชีวมวล ขณะที่ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรมที่มีผลผลิตจากข้าว อ้อย และปาล์มน้ำมันอยู่เป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะปาล์มน้ำมัน มจธ. ถือเป็นแห่งแรกของไทยที่ทำงานวิจัยเถ้าจากปาล์มน้ำมันมาอย่างต่อเนื่องและยาวนาน จนสามารถผลักดันให้มีการร่างเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม เถ้าปาล์มน้ำมันใช้เป็นวัสดุผสมคอนกรีต และเตรียมจะประกาศเป็นมาตรฐาน มอก. ซึ่งจะออกโดยสำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม (สมอ.) เพื่อให้การนำเถ้าปาล์มน้ำมันไปใช้ในงานคอนกรีตเป็นไปอย่างถูกต้อง เหมาะสม และนำไปใช้จริงต่อไป นอกจากนี้ยังคาดหวังว่าจะมีการนำเถ้าจากชีวมวลอื่นๆ มาใช้ประโยชน์มากขึ้นในอนาคตโดยใช้โมเดลของเถ้าปาล์มน้ำมัน เป็นต้นแบบ

ด้วยผลงานวิจัยดังกล่าวที่ได้ดำเนินการศึกษาวิจัยอย่างต่อเนื่องและก่อให้เกิดประโยชน์ต่อส่วนรวม ทำให้สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ (วช.) ได้คัดเลือกให้ ศ.ดร.ชัย จาตุรพิทักษ์กุล เป็นนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติประจำปี 2556 สาขาวิศวกรรมศาสตร์และอุตสาหกรรมวิจัย ซึ่งถือเป็นสาขาที่ มจธ.ได้รับรางวัลดังกล่าวติดต่อกันถึง 5 ปีตั้งแต่ พ.ศ. 2552 ถึง 2556 โดย ศ.ดร.ชัย นับเป็นคนที่ 5 และยังเป็นสาขาที่มีผลงานวิจัยที่โดดเด่นของมหาวิทยาลัยฯ ในฐานะ 1 ในมหาวิทยาลัยวิจัยแห่งชาติ (NRU) ที่ได้รับทุนวิจัยจากสำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา (สกอ.) เพื่อต่อยอดผลงานวิจัยในกลุ่มวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ ระยะที่ 1 (พ.ศ.2554-2557)