بتن ژئوپلیمری
بتن به عنوان یکی از پرمصرفترین مصالح ساختمانی، در پروژه های عمرانی جهان شناخته شده است. با توجه به میزان مصرف بالای بتن و نیاز روزافزون به تولید سیمان، توجه به اثرات مخرب زیست محیطی این ماده، از جمله سهم حدود 7 درصدی انتشار گاز دی اکسید کربن در جو و مصرف قابل مالاحظه ی انرژی از قبیل برق و سوخت فسیلی، امری اجتناب ناپذیر است و ارائه محصوالت جایگزین در مسیر توسعه ی پایدار، اصلی ضروری به شمار می آید. بتن ژئوپلیمری به عنوان یک راهکار علمی و عملی میتواند جایگزینی مناسب برای بتن حاوی سیمانهای پرتلند باشد. برای تولید سیمانهای ژئوپلیمری نیاز به مصرف انرژی کمتری بوده و انتشار گاز دی اکسید کربن نسبت به سیمانهای پرتلند 22 تا 72 درصد کاهش مییابد. از این رو یکی از راهکارهای تولید بتنی سازگار با محیط زیست استفاده از چسباننده های پوزولانی و شبه سیمانی و کاهش مصرف سیمانهای پرتلند است.
تاریخچه اسم ژئوپلیمر چیست؟
در دهه ۱۹۵۰، ویکتور گلوکوفسکی از اتحاد جماهیر شوروی، مواد بتنی را توسعه داد که در ابتدا با نام‌های «بتن‌های سیلیکات خاک» و «سیمانهای خاک» شناخته می‌شدند. اما از زمان معرفی مفهوم ژئوپلیمر توسط جوزف دیویدویتس در سال ۱۹۹۱، این اصطلاح شناخته شد. “سیمان فعال شده با قلیا “، “ژئوسیمان” ، “سرامیک با پیوند قلیایی”، عناوین دیگری است که برای اصطلاح ژئو پلیمر استفاده می شود. علی‌رغم این تنوع نام‌گذاری، همه این اصطلاحات موادی را که با استفاده از یک سیستم پیچیده واکنش‌های انحلال قلیایی و رسوب هستند، توصیف می‌کند.
ژئوپلیمرها نوع جدیدی از مواد چسباننده جایگزین سیمان پرتلند هستند که از واکنش یک ماده آلومینوسیلیکاتی مانند سرباره با یک محلول قلیایی تولید میشوند و منجر به تولید نوعی بتن به نام بتن ژئوپلیمری شده اند. چسباننده ها بر اساس ماهیت اجزای چسباننده خود به مواد دارای کلسیم بالا مانند سرباره و مواد با کلسیم پایین مانند خاکستر بادی نوع F تقسیم بندی میشوند . از جمله مزایای بتن ژئوپلیمری در مقایسه با بتن پرتلند، مقاومت فشاری بالا، مقاومت بالاتر در برابر حملات شیمیایی و نفوذ یون کلرید، مقاومت در برابر چرخه های یخ و ذوب، مقاومت در برابر سایش به ویژه هنگام کاربرد پرکننده های پلی تترافلوئورو اتیلن PTFE ، مقاومت در برابر حرارت و عدم انتشار بخار سمی، هدایت حرارتی کم، چسبندگی به سطوح بتنی قدیمی، تازه، فولاد و سرامیک، محافظت ذاتی از فولاد به دلیل pH باقیمانده ی بالا و نرخ انتشار پایین کلرید و از معایب آن گیرش بسیار سریع و از دست دادن سریع کارآیی، افت خشک شدگی بالا و میزان بالای کربناسیون است .
پژوهش های غیرسازه ای بر روی بتن ژئوپلیمری و به تبع آن کاربردهای این بتن در زمینه های غیرسازهای به صورت فراوانی در سراسر دنیا گسترش یافته اند، اما پژوهش ها بر روی رفتار سازه ای این بتن به ویژه در ایران کمتر انجام شده است.
انواع ژئوپلیمرها
پلیمرها یا بر پایه مواد آلی (پایه کربن )هستند یا بر پایه پلیمرهای معدنی (پایه سیلیکون).
ژئو پلیمرهای آلی
ژئو پلیمرهای طبیعی (لاستیک، سلولز)
ژئوپلیمر های آلی مصنوعی (الیاف نساجی، پلاستیک، الاستومرها و غیره)
پلیمر های زیستی طبیعی (زیست‌شناسی، پزشکی، داروسازی)
ژئو پلیمرهای غیرآلی
ژئوپلیمرها غیرآلی، معمولاً سرامیکی، آلومینیوم سیلیکات هستند که پیوندهای کووالانسی و غیر بلوری (آمورف) را تشکیل می دهند.
ژئو پلیمر های تجاری تولید شده ممکن است برای پوشش و چسب مقاوم در برابر آتش و حرارت، کاربردهای دارویی، سرامیک دمای بالا استفاده بشود. همچنین به عنوان چسب های جدید برای کامپوزیت های الیاف مقاوم در برابر آتش، کپسوله سازی زباله های سمی و رادیواکتیو و سیمان های جدید برای بتن نیز کاربرد دارد.
- کارایی: در فعال‌سازی سرباره، افزایش غلظت فعال‌ساز قلیایی سبب کاهش کارایی می‌شود. مدول سیلیکات نیز میتواند در کارایی بتن مؤثر باشد؛ به این صورت که اگر مدول سیلیکات کمتر از ۰.۵ باشد، کارایی کم و در صورتی که بین ۰.۵ تا ۱ باشد، کارایی بهتر می‌شود.
- زمان گیرش: زمان گیرش خمیر سیمان ژئوپلیمری به میزان دمای آن وابسته است و برای جلوگیری از ترک‌خوردگی به دلیل از دست دادن سریع آب، نرخ افزایش دما باید کنترل شود.
- مقاومت فشاری: مقاومت فشاری بتن ژئوپلیمری در سه روز اول تا ۹۰% است. نوع ماده پایه فعال‌ساز و شیوه عمل‌آوری در بتن ژئوپلیمری اهمیت زیادی در میزان مقاومت فشاری دارد و هر قدر مدت زمان طولانی‌تر و دما در دوره عمل‌آوری بتن بالاتر باشد، مقاومت فشاری بتن ژئوپلیمری بیشتر خواهد بود. در مقایسه انجام شده بین دو بتن ژئوپلیمری و معمولی، مشخص شد مقاومت بتن‌های ژئوپلیمری در سنین اولیه بالاتر از بتن معمولی است و آن هم به دلیل ساختار بتن ژئوپلیمری است.
- مقاومت چسبندگی: میزان چسبندگی بتن‌های ژئوپلیمری بیشتر از بتن معمولی است و این چسبندگی، ارتباط مستقیمی با مقاومت فشاری آنها دارد. در واقع عوامل موجود در بتن‌های ژئوپلیمری که میزان مقاومت آن را تحت‌تاثیر خود قرار داده، چسبندگی آن را نیز افزایش می‌دهد.
- جمع‌شدگی: میزان جمع‌شدگی در بتن‌های ژئوپلیمری به دو شکل کاملاً متناقض است؛ تا جایی که برخی محققین میزان جمع‌شدگی آن را بسیار کم و در مقابل برخی میزان جمع‌شدگی آن را بسیار زیاد گزارش داده‌اند. این تناقضات به دلیل مصالح بتن‌های ژئوپلیمری است. بتن با پایه متاکائولن جمع‌شدگی زیادی دارد، این در حالی است که مصالح با پایه خاکستر بادی بسته به طرح اختلاط، جمع‌شدگی متناقضی از خود نشان می‌دهد.
- ریز ساختار: بتن‌های ژئوپلیمری در سنین اولیه ریزترک‌هایی در ساختار خود دارند که میزان آن با پیشرفت ژئوپلیمریزاسیون و افزایش سن تا ۲۸ روز کم می‌شود و در نهایت، به صورت متراکم‌تر و با تخلخل کمتر نشان داده می‌شود.
- دوام: همان‌طور که اشاره شد، بتن‌های ژئوپلیمری ساختار منسجم و با تخلخل کمی دارند و همین ساختار بکر، باعث می‌شود میزان نفوذپذیری کمی داشته و در عین حال دوام مناسبی داشته باشند.
- مقاومت در برابر حملات اسیدی: بتن‌های ژئوپلیمری به دلیل اینکه بر پایه آلومینات سیلیسیم تشکیل شده‌اند، مقاومت مناسبی در برابر خوردگی دارند.
- مصرف کم انرژی: ماده پایه بتن‌های ژئوپلیمری از محصولات جانبی صنایع، از جمله خاکستر بادی، روباره کوره و… است که در تولید آن، مقدار بسیار ناچیزی انرژی مصرف می‌شود. گذشته از این، برای عمل‌آوری این بتن‌ها نیازی به صرف انرژی نیست، چرا که این بتن‌ها می‌توانند در دمای محیط شکل بگیرند.
مزایای ژئوپلیمر
- افزایش طول عمر سازه های فرسوده به بیش از ۵۰ سال
- عملکرد فیزیکی بهتر نسبت به بتن سنتی پرتلند
- کاهش قابل توجه انتشار گاز گلخانه‌ای
- مقاومت شیمیایی بالاتر در برابر خوردگی، حمله اسیدی و قلیایی
- مقاومت بالا در برابر دما و آتش
- مناسب در بازارهای مختلف صنعتی، از جمله تولید برق، صنایع شیمیایی و نفت و گاز
معایب اجرایی بتن ژئوپلیمری
در کنار مزایا و ویژگیهای بتن پلیمری باید به این نکته توجه داشت که اجرای این بتن با مشکلاتی روبه‌روست. از جمله مشکلات مرسوم اجرای بتن ژئوپلیمری با توجه به تحقیقات ونگ، می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:
- گیرش سریع
- ایجاد شوره در سطح
- تغییرپذیری میزان مقاومت
- واکنش قلیایی سنگدانه
- و…
ژئوپلیمرها جایگزینی مناسب برای سیمان پرتلند
تقاضای رو به رشد جهانی برای بتن، فرصتی عالی برای توسعه سیمانهای ژئوپلیمری ، با میزان بسیار کمتر CO2 است.
در سال ۲۰۲۱،بررسی شد که ملات‌های ژئو پلیمری استحکام فشاری و مقاومت خمشی ایجاد می‌کنند.
این ملات ها برای کاربردهای ساختمانی کافی هستند. همچنین مزایای پایداری را در پتانسیل گرمایش جهانی ارائه می‌دهند. این موضوع نشان می دهد آنها جایگزین های خوبی برای سیمان پرتلند معمولی هستند.
با این حال، تصفیه پسماندهای صنعتی (خاکستر) و استفاده از سیلیکات سدیم، بارهای زیست‌محیطی قابل‌توجهی را در طول تولید قرآیند ایجاد می کند.
