در چند دهه اخیر با توجه بیش از پیش نسبت به توسعه پایدار و حفظ محیط زیست و مشکلات متعدد در مورد تولید سیمان و استفاده از آن در بتن (تولید حدود 7% کربندیاکسید دنیا)، مطابق تحقیقات جدید، مصالح نوینی تحت عنوان بتن ژئوپلیمری به عنوان جایگزینی که از لحاظ محیط زیستی شرایط بهتری نسبت به بتن معمولی با سیمان پرتلند دارد، مطرح شده است.
معرفی ژئوپلیمرها و بتن ژئوپلیمری
اصطلاح ژئوپلیمر به پلیمرهای آلومینوسیلیکاتی با یک ساختار آمورف که در یک محیط قلیایی شکل گرفتهاند اطلاق میشود. به عبارت دیگر ژئوپلیمرها پلیمرهای آلومینوسیلیکاتی هستند که از فعالسازی قلیایی مواد معدنی حاوی سیلیسیوم و آلومینیوم به دست میآیند. علاوه بر مواد آلومینوسیلیکاتی معدنی در تولید ژئوپلیمرها میتوان از محصولات جانبی صنعتی مانند خاکستربادی، سرباره کوره آهن گذاری، خاکستر پوسته برنج و … نیز استفاده نمود. بتن ژئوپلیمری اصطلاحا به بتنی اطلاق میشود که ماده چسباننده به کار برده شده در آن به جای خمیر سیمان از ژئوپلیمرها باشد. با استفاده از ژئوپلیمرها میتوان میزان انتشار گاز کربندیاکسید در صنعت بتن را تا 75 درصد کاهش داد. هدف نهایی در این راستا توسعه مصالحی جایگزین با عملکرد مشابه یا بهتر و آسیب کمتر به محیط زیست است.
تاریخچه
ژئوپلیمرها، اولین بار در طول دهه ۱۹۵۰ توسط پروفسور گلوخوسکی در اتحادیه جماهیر شوروی سابق کشف شد و نام سیمان خاکی را گرفت. از سال ۱۹۷۰ به بعد محقق فرانسوی با نام داوینووینی، کار مشابهی انجام داد و نام مصالح ساخته شده را ژئوپلیمر نهاد. در ابتدا مواد ژئوپلیمر در بخشهای هنری و فنآوری استفاده میشد ولی به مرور زمان، ژئوپلیمرها جای خود را در صنعت و به ویژه صنعت ساختمان باز کردند. نهایتا در سال ۱۹۸۸ ژوزف دوینوویتس طرحی را پیشنهاد داد که به واسطه آن امکان تولید چسباننده بتن با استفاده از واکنش محلولهای قلیایی با سیلیسیم و آلومینیوم موجود در منابع معدنی یا فرآوردههای جنبی صنایع نظیر خاکستر بادی یا خاکستر پوسته برنج فراهم شد. همچنین پیشنهاد میکنیم مقاله “تاریخچه سیمان و بتن” را مطالعه نمایید.
ترکیبات ژئوپلیمرها
به طور کلی ژئوپلیمرها از دو بخش ماده پایه و فعال ساز تشکیل میشوند.
- ماده پایه: یکی از اجزای مهم در ساخت ژئوپلیمرها ماده پایه میباشد که به نوعی جایگزین سیمان پرتلند در بتن معمولی است. تا به امروز در تحقیقات مختلف جهت تولید چسبانندههای ژئوپلیمری از مواد پایه مختلفی استفاده شده است.
- ماده فعال ساز: شروع فرآیند آلوپلیمریزاسیون با افزودن محلول فعال ساز به مواد پایه است. نوع محلول فعال ساز باید به دقت انتخاب شود زیرا تأثیر زیادی بر خواص بتن تازه و سخت شده دارد.
روش ساخت ژئوپلیمرها
مراحل ساخت ژئوپلیمر شامل انتخاب پیش ماده مناسب، فعال سازی حرارتی آن و انتخاب محلول فعال کننده قلیایی است. جهت انجام واکنش ژئوپلیمریزاسیون محلول فعال کننده قلیایی بر روی پیش ماده ریخته شده و عملیات همزدن آنقدر ادامه پیدا میکند تا یک ماده خمیری کاملاً همگن به دست آید. مخلوط به دست آمده قبل از این که سفت شود در قالبهای مناسب ریخته میشود و عملآوری میگردد.
فرآیند ژئوپلیمریزاسیون
ژئوپلیمرها طی فرآیند ژئوپلیمریزاسیون سخت میشوند. ژئوپلیمریزاسیون یک فرآیند گرمازا است که به واسطه اولیگومرها تریمر و دیمر که پایهای برای ساختار بزرگ مولکول میباشد انجام میشود. محبوب ترین مدل مفهومی مکانیسم ژئوپلیمریزاسیون توسط “داویدوویتس” در سال ۱۹۹۹ مطرح شد که شامل مراحل زیر است:
- انحلال یونهای Si و Al موجود در ماده آلومینو سیلیکاتی در حضور یونهای OH
- انتقال و جهتگیری یا تغلیظ یونها به منومرها
- مرحله گیرش و پلیکندانسیون الیگوسرها برای تشکیل ساختار الومینات سيليكات سه بعدی (ساختار ژئوپلیمری)
- اتصال ذرات جامد واکنش نداده و مصالح پرکننده به ساختار ژئوپلیمری و سخت شدن کل سیستم برای تشکیل ساختار پلیمری نهایی کارایی
بتن ژئوپلیمری در حالت تازه ترکیبی چسبنده و سفت با لزجت بالا است که به همین خاطر کارایی آن نسبت به بتن سیمانی کمتر است. عوامل مختلفی از جمله نوع ماده اولیه و زمان اختلاط و … بر روی خواص در بتن تازه ژئوپلیمری مؤثر میباشند. در فعالسازی سرباره افزایش غلظت فعال ساز قلیای سر کاهش کارایی میشود. پیشنهاد میکنیم مقاله “هیدراتاسیون چیست” را مطالعه نمایید.
زمان گیرش
زمان گیرش خمیر سیمانهای ژئوپلیمری به دما بستگی دارد و معمولاً زمان گیرش آنها در ساعات اولیه پس از اختلاط ماده پایه و فعال ساز است. مطالعات مختلف نشان میدهد که بسته به نوع ماده پایه مورد استفاده و مولاریته محلول فعالساز محدوده دمایی مورد استفاده جهت گیرش و عمل آوری ژئوپلیمرها از ۲۰ تا ۹۰ درجه سانتیگراد میباشد. خواص حالت تازه این بتن، تابع نسبت محلول قلیایی/چسباننده، دوز روانساز، مقدار آب اضافی، و غلظت سود است.
مقاومت فشاری
مقاومت فشاری یکی از مهمترین ویژگیهای بتن ژئوپلیمری است که تحت تأثیر عواملی مانند نوع و نسبت مواد چسباننده، غلظت محلول قلیایی، و شرایط عملآوری قرار دارد. مطالعات نشان میدهد که با افزایش غلظت سود تا حدی بهینه و استفاده از دمای بالاتر در فرآیند عملآوری، مقاومت فشاری افزایش مییابد. با وجود برخی محدودیتها در کارایی، بتن ژئوپلیمری توانسته است عملکرد قابل قبولی از خود نشان دهد؛ بهطوریکه در اغلب موارد، حدود ۹۰ درصد مقاومت نهایی آن طی سه روز نخست حاصل میشود. مدتزمان و دمای عملآوری از مهمترین عوامل مؤثر در سرعت و میزان کسب مقاومت هستند.
نفوذ پذیری
محققین میزان نفوذپذیری بتن را یکی از مهمترین پارامترهای تعیین کننده دوام بتن در برابر انواع خرابیها مانند حمله سولفاتی کلرایدی و کربناتی میدانند و معتقدند در صورتی که بتن ساخته شده دارای نفوذپذیری کمتری باشد و اصلاح به راحتی در آن نفوذ نکنند، دوام بتن بالاتر خواهد بود. به طور کلی، بتن ژئوپلیمری دارای ساختار منسجمتر و با تخلخل کمتر نسبت به بتن با سیمان پرتلندی است که همین عامل سبب میشود نمونههای بتن ژئوپلیمری نفوذ پذیری کمتری داشته باشند.
عملآوری
بتن ژئوپلیمری سربارهای نیاز به عمل آوری حرارتی ندارد و بدون عمل آوری حرارتی نیز به مقاومتهای بالا میرسد. از سوی دیگر عملآوری داخل آب بر اساس پژوهشهایی که در زمینه تأثیر نوع عمل آوری از روی خواص بتن ژئوپلیمری سربارهای انجام شده نتایج بهتری را به همراه داشته است. پیشنهاد می کنیم مقاله “عملآوری چیست” را مطالعه نمایید.
معایب اجرایی بتن ژئوپلیمری
با وجود مزایای ذکر شده برای بتنهای ژئوپلیمری این بتنها معایب اجرایی نیز به همراه دارند. همانطور که گفته شد یکی از مهمترین این معایب جمع شدگی زیاد آنها است که موجب پدید آمدن ریزترکها میشود. در بتنهای معمولی با سیمان پرتلند کنترل مقاومت امکان پذیر میباشد اما در بتنهای ژئوپلیمری تنها مقدار ماده پایه نیست که تعیین کننده محسوب میگردد بلکه مقدار محلول قلیایی هم مؤثر است. در واقع برهم کنش پارامترها در بتنهای ژئوپلیمری بر ویژگیهای آنها تأثیر میگذارد.
کاربردهای ژئوپلیمرها
با توجه به مزایای ژئوپلیمرها در مقایسه با سیمان پرتلند این مواد در زمینه های متعددی قابل استفاده هستند. به عبارت دیگر در بسیاری از موارد ژئوپلیمرها میتوانند جایگزین محصولات پایه سیمان پرتلندی شوند برخی از کاربردهای ژئوپلیمرها به شرح ذیل میباشد:
- سیمانها و بتنهای ژئوپلیمری
- کاربرد به عنوان عايق مقاوم در برابر آتش و دمای بالا
- تثبيت فلزات سنگین و زبالههای صنعتی
نمونه اجرا شده در جهان
پس از مرور کلی بر روی بتن ژئوپلیمری، در ادامه بزرگترین پروژه اجراشده با این نوع بتن معرفی میشود:
فرودگاه "بریسبان وست ولکمپ" در استرالیا
از زمان ساخت اولین بتن ژئوپلیمری که در تاریخچه این مواد توضیح داده شد، تاکنون بزرگترین کاربرد بتن ژئوپلیمری در ساخت فرودگاه بریسبان در استرالیا ثبت شده است. مصرف بتن ژئوپلیمری در این فرودگاه مقداری در حدود ۴۰۰۰۰ متر مکعب بوده است. از این مقدار حدود ۲۵۰۰۰ متر مکعب آن برای ساخت باند فرودگاه و متعلقات آن و مابقی برای ساخت سایر بخشهای فرودگاه نظیر پل ورودی آبراهها، ساختمان پایانه و … مورد استفاده قرار گرفته است. خلاصهای از طرح مخلوط استفاده شده برای تولید بتن ژئوپلیمری این پروژه به شرح زیر است:
- مجموع مواد پودری آلومینوسیلیکاتی شامل سرباره کوره آهن گدازی و خاکستر بادی برابر ۴۱۵ کیلوگرم بر مترمکعب
- نسبت آب به مواد پودری برابر 0/41
- حداکثر اندازه سنگدانه برابر ۴۰ میلیمتر
- فعال کننده شیمیایی برابر ۳۷ کیلوگرم بر متر مکعب به صورت ماده جامد
- مقدار کافی ماده کاهنده آب
- با استفاده از طرح اختلاط فوق و نیز انجام ۵۰۲ مرحله نمونه برداری مقدار مقاومت خمشی این بتن برابر 5/8 مگاپاسکال با انحراف معیار 0/6 به دست آمده است.
شکل شماره 3 : فرودگاه “بریسبان وست ولکمپ” در استرالیا
جمعبندی
بررسی جامع مطالعات نشان میدهد که بتن ژئوپلیمری (GPC) بهعنوان جایگزینی پایدار برای بتن سیمانی، با استفاده از پسماندهای صنعتی و کشاورزی، عملکرد زیستمحیطی مناسبی دارد و میتواند موجب کاهش هزینه، انرژی و انتشار گازهای گلخانهای شود. خواص تازه، مکانیکی و سازهای این بتن تحت تأثیر عوامل متعددی قرار دارد و در بسیاری موارد، رفتار آن مشابه بتن معمولی است. همچنین، توسعه کدهای طراحی سازهای ویژه بتن ژئوپلیمری ضروری است تا امکان استفاده گسترده و مطمئنتر از این نوع بتن فراهم گردد. این بتن میتواند در آینده جایگزینی مناسب برای بتن پرتلند به شمار رود.
منابع:
1- کتاب فناوری بتن های خاص
نویسنده: علی اکبر رمضانیان پور، امیرمحمد رمضانیان پور، رسول بنار، پوریا دشتی
انتشارات: مرکز نشر دانشگاه امیرکبیر
2- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772397622000715