بتن ژئوپلیمری: ترکیبات، کاربردها، مزایا و معایب

بتن ژئوپلیمری بتنی فاقد سیمان است، اما نسبت به بتن معمولی مقاومت فشاری بالاتری داشته، نفوذپذیری پایینی دارد. این بتن که در برابر حرارت مقاومت مطلوبی دارد، در ساعات اولیه به سرعت به مقاومت کافی می‌رسد. در این مقاله درصدد هستیم ضمن بررسی این بتن، تاریخچه، ترکیبات و ساختار، کاربردها و خواص آن را بررسی کنیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

بتن ژئوپلیمری چیست؟

به طور کلی مواد ژئوپلیمری از دو بخش ماده پایه و ماده فعال‌ساز (اکتیواتور) تشکیل شده‌اند. ماده پایه در بتن ژئوپلیمری، انواع پوزولان یا همان مواد جایگزین سیمان است که منابع غنی آلومینیوم سیلیکاتی هستند و مواد فعال‌ساز یا اکتیواتور، محلول‌های قلیایی بسیار غلیظ مثل NaOH (هیدروکسید سدیم) یا هیدروکسید پتاسیم (KOH) هستند.

برای تولید بتن ژئوپلیمری، ابتدا ماده پایه – مثل سرباره و خاکستر بادی، زئولیت و…- همراه با سنگدانه داخل میکسر ریخته شده و بعد ماده فعال‌ساز یا همان اکتیواتور به این میکس اضافه شده، هم زده می‌شود تا خمیر همگنی تشکیل شود. سپس آن خمیر داخل قالب ریخته شده و بتن ژئوپلیمری تولید می‌گردد.

تاریخچه بتن ژئوپلیمری

ژئوپلیمرها برای اولین بار در دهه 1950 در شوروی کشف شد و عنوان سیمان خاکی را از آنِ خود کرد. از سال 1970 به بعد، یکی از محققان فرانسوی در این زمینه کار مشابهی انجام داد و نام مصالح تولید شده را ژئوپلیمر نهاد. در ابتدا از این مواد در بخش‌های هنری استفاده می‌شد، اما به مرور زمان ژئوپلیمرها در حوزه ساخت سازه‌ها به کار گرفته شدند.

روش ساخت ژئوپلیمرها

ساخت ژئوپلیمر، شامل انتخاب پیش‌ماده مناسب، فعال‌سازی حرارتی و انتخاب محلول فعال‌کننده قلیایی است. برای انجام واکنش، فعال‌کننده قلیایی روی پیش ماده ریخته می‌شود و عملیات هم‌زدن به قدری ادامه پیدا می‌کند که ماده خمیری یکدست حاصل شود. در نهایت مخلوط تولید شده پیش از سفت شدن، در قالب ریخته شده و تحت عمل‌آوری قرار می‌گیرد.

ترکیبات ژئوپلیمرها

ژئوپلیمرها از دو بخش ماده پایه و فعال‌ساز تشکیل شده‌اند. ماده پایه جایگزین سیمان پرتلند در بتن معمولی است و تا امروز در تحقیقات مختلف برای تولید چسباننده‌های پلیمری از مواد پایه گوناگونی استفاده شده است. از جمله این مواد پایه می‌توان به خاکستر بادی، سرباره کوره آهن‌گدازی، خاکستر پوسته برنج و… اشاره کرد.

همان‌طور که گفته شد مواد فعال‌ساز نیز در شروع فرایند ژئوپلیمریزاسیون نقش دارند. نوع این مواد باید با دقت انتخاب شود، چرا که تأثیر زیادی بر بتن تازه و سخت شده بر جای می‌گذارد. طبق تحقیقات انجام شده مواد مختلفی برای فعال‌سازی آلومینو سیلیکات‌ها به منظور تولید ژئوپلیمرها گزارش شده‌اند که از جمله آن می‌توان به دو نمک قلیایی متداول مورد استفاده در ساخت ژئوپلیمرها اشاره کرد.

خواص بتن ژئوپلیمری

بتن ژئوپلیمری تازه، ترکیبی چسبنده و سفت با لزجت بالا است که عوامل مختلفی چون: مقدار محلول فعال‌ساز، ریزی پوزولان‌، افزودنی‌های شیمیایی و زمان اختلاط روی خواص آن تأثیرگذارند. در این بخش از مقاله، خواص بتن ژئوپلیمری را بررسی خواهیم کرد.

• 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 0.5 باشد، کارایی کم و در صورتی که بین 0.5 تا 1 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 90% 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 28 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.

بیشتر بخوانید: بتن پارچه ای

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…

کاربردهای مواد ژئوپلیمری

بتن‌های ژئوپلیمری کاربردهای زیادی دارد که از جمله آن می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:

• تولید سیمان‌های زودگیر
• ساخت قطعات پیش‌ساخته بتنی
• صنایع آجر و سرامیک
• پانل‌های آکوستیک
• کامپوزیت‌های مقاوم در برابر آتش
• ترمیم و مرمت آثار باستانی
• صنایع چسب و رنگ

در این مقاله تلاش شد اطلاعاتی پیرامون بتن ژئوپلیمری، کاربردها و ویژگی‌های خاص آن بیان شود. امیدواریم مطالعه این مقاله برای شما کارا و مفید بوده باشد. در پایان خواهشمندیم با اشتراک گذاشتن نظرات خود، ما و سایر دوستانتان را در این زمینه همراهی کنید.