بتن ژئوپلیمر

19 بهمن 1400 | مهندس زهرا راستین

بتن ژئوپلیمر چیست؟

سیمان پرتلند معمولی (OPC)، که ماده اصلی تولید بتن است، حدود 10 درصد از انتشار دی اکسید کربن (CO2) جهانی را سبب می شود.  بخش ساخت و ساز مسئول تولید نزدیک به 40 درصد از گازهای گلخانه ای در جهان است. با افزایش هر ساله تعداد ساختمان ها، برآورد شده است که در حال حاضر تنها 40 درصد از زیرساخت ها ساخته شده و 60 درصد باقی مانده هنوز ساخته نشده است؛ یعنی جهان با آلودگی بیشتری مواجه خواهد شد. بنابراین، نیاز به تغییر وابستگی صنعتی از سیمان به برخی جایگزین های دیگر که با محیط زیست سازگارباشند، بیشتر احساس می شود.

پیدایش بتن ژئوپلیمری نتیجه تجزیه و تحلیل گسترده برای توسعه چسب های جایگزین برای تولید بتن و کمک به کاهش بار CO2 در سیاره است. این مصالح می تواند جایگیزینی مناسب برای بتن معمولی باشد. در حین آزمایش خواص بتن ژئوپلیمری، نشان داده شده است که این مصالح نسبت به بتن معمولی تا 80% کربن دی اکسید کمتری تولید می کند.

یکی از پارامترهای اصلی موثر بر استحکام، نوع ماده تشکیل دهنده آلومینوسیلیکات است. برخی از بایندرهای آلومینوسیلیکات نیاز به عمل آوری حرارتی دارند که باعث افزایش هزینه ساخت و ساز می شود. مشاهده شده است که استحکام اولیه را می توان با ادغام سرباره در چسب ژئوپلیمر بهبود بخشید. محصولات هیدراتاسیون ملات ژئوپلیمری ژل هیدرات سیلیکات کلسیم و اترینگیت هستند.

شکل 1: ساختمانی که با بتن ژئوپلیمری ساخته شده است

منبع: طراحی سرزمین های رویایی

ملات بتن ژئوپلیمری نسبت به ملات سیمان استاندارد در مراحل اولیه مقاومت فشاری بالاتری را نشان می دهد. علاوه بر آن، بتن ژئوپلیمری در برابر خوردگی، حمله اسیدی و حمله شیمیایی مقاومت بیشتری دارد. برخلاف OPC، بتن ژئوپلیمر استحکام ساختاری خود را از بسپارش تراکمی به دست می آورد، نه از توسعه ژل هیدرات سیلیکات کلسیم. با ظهورفرآیند صنعتی شدن، ضایعات صنعتی مانند خاکستر بادی، سرباره کوره بلند دانه بندی شده، خاکستر پوسته برنج و سایر ضایعات صنعتی که منابع آلودگی به حساب می آیند به محل های دفن زباله ریخته می شوند که برای محیط زیست مضر هستند. از آنجایی که بتن ژئوپلیمری به مواد اولیه با آلومینوسیلیکات بالا نیاز دارد، مصرف این مواد صنعتی در تولید بتن ژئوپلیمری با کاهش بار آلودگی محیط زیست، مزایای اقتصادی و زیست محیطی را به همراه دارد. بتن ژئوپلیمری دارای خواص مکانیکی مشابهی با OPC  و عملکرد بهتری نسبت به OPC در مواجهه با آتش یا محیط های خشن می باشد. بر خلاف OPC، که سالها مطالعات عملکردی بر روی آن انجام شده تا مبنایی برای کد های طراحی فراهم شود، بتن ژئوپلیمری هنوز نوپا است؛ بناراین لازم است در مورد خواص مکانیکی و دوام آن در کاربردهای میدانی تحقیقات طولانی مدت انجام شود.

خواص مقاومت اولیه بتن ژئوپلیمری

بر اساس آزمایشات انجام شده روی بتن ژئوپلیمری، برخی از نکاتی که در مورد مقاومت اولیه آن مشاهده شده است عبارتند از:

1. خواص مکانیکی بتن ژئوپلیمری طی آزمایشات مخرب و غیر مخرب مورد بررسی قرار گرفت. ملاحضه شد که نسبت آب به چسب و نسبت محلول قلیایی به چسب عوامل کنترل کننده در طرح اختلاط مخلوط های مختلف بتن ژئوپلیمری هستند.

2.با افزایش نسبت آب به چسب، مقاومت بتن ژئوپلیمری کاهش می یابد، که با نسبت آب به سیمان در مقاومت فشاری بتن معمولی قابل مقایسه است. بر اساس این مشاهده، جایگزینی سرباره کوره بلند دانه بندی شده زمینی بهترین نتایج را در بتن ژئوپلیمری به همراه داشت.

3. هنگامی که آزمایش سرعت پالس اولتراسونیک بر روی بتن ژئوپلیمر انجام شد، سرعت پالس تمام نمونه ها نسبت به دوره افزایش یافت. بتن ژئوپلیمری به طور کلی دارای کیفیتی خوب با تخلخل اندک است.

4. کاهش محتوای آب امکان فرآیند ژئوپلیمریزاسیون را فراهم می‌کند، که سبب افزایش NaOH و Na2SiO3 می شود. بنابراین داشتن مولاریته بالا یا گرید متوسط و بالا توصیه می شود.

5. شواهد نشان می دهد که بتن ژئوپلیمری به دلیل سازگاری با محیط زیست، خواص مقاومت اولیه بهتری را در مقایسه با سایر کامپوزیت ها از خود نشان می دهد. 

رفتار خمشی

هنگامی که بتن ژئوپلیمری با خاکستر بادی ترکیب شد، در مقایسه با بتن معمولی خواص بسیار خوبی از خود نشان داد. برای تست خمشی، مواد مورد نیاز عبارتند از:

•     خاکستر بادی کلاس F مطابق با استاندارد هند 3812-2013.

•     به جای شن و ماسه رودخانه ای طبیعی از شن و ماسه درجه بندی شده استفاده شد.

•     تست‌های استاندارد مانند آزمون وزن مخصوص، چگالی ظاهری، مدول نرمی و تست فشار مکعب انجام شد.

•      برای تست فشار، سه مکعب تهیه شد.

•      گرید M40 برای تهیه مخلوط بتن در نظر گرفته شد.

•      از سنگدانه درشت 20 میلی متری استفاده شد.

•      فوق روان کننده استفاده شد.

•      محلول قلیایی، هیدروکسید سدیم و سیلیکات سدیم استفاده شد.

•      نسبت آب به سیمان برای این طرح اختلاط 0.4 در نظر گرفته شد.

در نتیجه، استحکام خمشی با خاکستر بادی در روز بیست و هشتم به 4.85، 5.02 و5.12 نیوتون بر میلی متر مربع رسید. بنابراین، میانگین مقاومت خمشی، 4.99 نیوتن بر میلی‌متر مربع برای روز 28 ام است. 

نکات دیگری که جالب توجه اند عبارتند از:

1. بتن معمولی 65 درصد از مقاومت خود را طی 28 روز به دست می آورد، اما با تحقیق در این زمینه، مشاهده شد که بتن با سطح خاکستر بادی بالا، 40 تا 50 درصد قدرت خود را در 28 روز به دست می آورد.

2. با گذر زمان، مقاومت بتن ژئوپلیمری تا حدی افزایش یافت که حتی از ظرفیت بتن معمولی فراتر رفت.

3. کامپوزیت های بتن ژئوپلیمری نسبت به جایگزینی سیمان بتن سنتی با خاکستر بادی، سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند.

4. کامپوزیت های بتن ژئوپلیمری از ضایعاتی مانند خاکستر بادی تولید شده در نیروگاه های زغال سنگ استفاده می کنند که از انباشت خاکستر بادی و آلودگی محیط زیست جلوگیری می کند.

5. کامپوزیت های بتن ژئوپلیمری ارزان تر از بتن معمولی هستند.

دوام

در مورد دوام، برخی از مشاهدات عبارتند از:

1. در اغلب موارد دیده شده است که دوام بتن ژئوپلیمری بیشتر از بتن معمولی است.

2. بتن ژئوپلیمری در محلول های اسیدی، سولفاتی و کلرید مقاومت کمتری از دست می دهد و فرسایش خفیفی دارد، همچنین پس از قرار گرفتن در معرض دمای بالا دچار ترک های سطحی کمی می شود.

3. بتن ژئوپلیمری پس از کربناته شدن، تمایل کمتری به واکنش و خواص مکانیکی کمتری دارد که عمدتاً به دلیل نسبت کلسیم به سیلیس بیشتر ژل C-S-H بتن معمولی است.

4. مشاهده شده است که میزان کلسیم  عامل اصلی دوام بتن ژئوپلیمری است. سیستم‌های فعال‌ شده به صورت قلیایی با کلسیم بالا به دلیل شباهت محصولات هیدراتاسیون، مکانیسم‌های فرسایشی مشابهی با بتن معمولی دارند، در حالی که تخریب سیستم‌ های فعال شده به صورت قلیایی با کلسیم پایین شامل تبادل یون‌ها بین ساختار شبکه و محلول است. این فرآیند همچنین شامل انحلال منافذی است که در معرض محیط های تهاجمی قرار می گیرند. در این مواقع انتخاب مواد منبع آلومینوسیلیکات تاثیر بسزایی در دوام  دارد .

5. در بتن ژئوپلیمری برای افزایش دوام می توان با افزودنی هایی دو هدف زیر را تامین کرد: 

تراکم خوب (مانند گنجاندن الیاف مختلف، ذرات ریز و غیره) و اصلاح ترکیب شیمیایی (مانند افزودن اجزای در مقیاس نانو، مخلوط بیولوژیکی و غیره).

عملکرد بتن ژئوپلیمری در مقایسه با بتن معمولی چگونه است؟

برخی از مقایسه ها بین بتن ژئوپلیمری و بتن معمولی به شرح زیر است:

1. چگالی بتن ژئوپلیمری مبتنی بر خاکستر بادی در محدوده 2290 تا 2460 کیلوگرم بر متر مکعب است، در حالی که چگالی بتن معمولی 2200 تا 2400 کیلوگرم بر متر مکعب است. بنابراین بتن ژئوپلیمری در مقایسه با بتن معمولی چگالی بالاتری دارد.

2.  بالاترین مقاومت فشاری بتن ژئوپلیمری مبتنی بر خاکستر بادی، هنگامی که از 30 درصد خاکستر بادی استفاده شود، می تواند به 49.3 مگاپاسکال در 28 روز برسد. با این حال، بالاترین مقاومت فشاری بتن معمولی 31.0 مگاپاسکال در 28 روز بود که کمتر از بتن ژئوپلیمری است.

3. ظرفیت جذب آب بتن ژئوپلیمری % (1 - 0.4) است در حالی که بتن معمولی جذب آب % (2.5-1.3) را نشان می دهد.

4. بتن معمولی دارای تخلخل بالا % (5.1 - 3) است، در حالی که، برای بتن ژئوپلیمری مبتنی بر خاکستر، تخلخل در محدوده  % (1.9 -1)است.

کجا می توان از آن استفاده کرد؟

بتن ژئوپلیمری را می توان در روسازی ها، لوله های فاضلاب، دیوارهای حائل، صحن فرودگاه، روسازی جاده هواپیما رو در فرودگاه و بسیاری موارد دیگر استفاده کرد. می توان آن را در مکان هایی که از بتن معمولی استفاده می شود به کار برد زیرا از جهات مختلف شبیه بتن معمولی است. به دلیل خواص عالی مقاومت در برابر حرارت، می توان از آنها برای ساخت خانه های مقاوم در برابر آتش استفاده کرد که نسبت به بتن معمولی ایمنی بیشتری را برای ساکنان فراهم می کند. همچنین می توان از آن در مخازن آب ساخته شده در بالا یا زیر زمین ساختمان های بلند استفاده نمود.

شکل 2: یکی از 33 قطعه کف بتنی ژئوپلیمری مبتنی بر سرباره/خاکستر پیش ساخته در ساختمان GCI دانشگاه کوئینزلند

منبع: موسسه ژئوپلیمر

نتیجه

بتن ژئوپلیمری نوپا است و به دلیل تغییر در نسبت‌های اختلاط یا عدم تحقیق، افراد زیادی از آن مطلع نیستند. اما این به معنی کارایی کمتر این بتن نسبت به بتن معمولی نیست. به تجربه ثابت شده است که این بتن از حیث مقاومت و دوام و خواص دیگر از بتن معمولی بهتر است. تنها ایراد اساسی  هزینه بالای تولید آن است. این مشکل را می توان با آزمایش ها و اصلاحات گسترده در ترکیب یا جایگزینی مواد فعلی با مواد دیگر بر طرف نمود. علاوه بر این، لازم به ذکر است  که چنین بتنی می تواند در آینده به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد.

افراد دارای مهارت در این زمینه

در صورتی که در این زمینه تخصص یا مهارتی دارید، پس از ثبت نام در سایت و تکمیل فرم مشخصات شخصی ، پروفایل خود را به لیست زیر اضافه نمایید .