نام ژئوپلیمر توسط جوزف دیویدویتز در سال 1978 داده شد. بتن ژئوپلیمر (GPC) یک محصول سازگار با محیط زیست است که از پسماندهای جانبی صنعتی مانند فلای اش یا خاکستر بادی (ضایعات نیروگاه‌های حرارتی) و سرباره کوره بلند (ضایعات حاصل از تولید آهن) دانه‌بندی شده است که به‌عنوان جایگزین کامل برای سیمان پرتلند در بتن استفاده می‌شود.
در نتیجه این بتن ژئوپلیمری انتشار CO2 را تا 80 درصد کاهش می‌دهد. ژئوپلیمر به‌عنوان تضمین پایداری، اهمیت و مقبولیت پیدا کرده است.
فلای اش یا خاکستر بادی و GGBS منابع غنی سیلکن و آلومینیوم هستند که توسط محلول فعال کننده قلیایی پلیمریزه می‌شوند تا زنجیره‌ها و شبکه‌های مولکولی را برای ایجاد چسب سخت شده تشکیل دهند.
مرتبط: بتن ژئوپلیمریسیمان پرتلند معمولی از کلسینه کردن سنگ آهک (کربنات کلسیم) در دماهای بسیار بالا در حدود 1500-1450 درجه سانتی‌گراد و مواد سیلیکونی آلومینیومی که در معادله زیر آورده شده است، به دست می‌آید.
5CaCo3 + 2SiO2 → (3CaO,SiO2) + (2CaO,SiO2) + 5CO2
به این معنی که تولید هر 1 متریک تن سیمان، 1 متریک تن CO2 تولید می‌کند. با افزایش مصرف سیمان، اتمسفر جهان از بین می‌رود. صنعت سیمان یکی از بدترین منابع آلودگی جوی نسبت به سایر صنایع است. بنابراین نیاز به یک ماده جایگزین پدید آمد و خیلی زود ژئوپلیمر به‌عنوان یک ماده جایگزین که سازگار با محیط زیست با کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن است ظاهر شد.
مزیت اصلی سیمان ژئوپلیمری کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن است زیرا فرآیند شیمیایی دی‌اکسیدکربن صفر منتشر و سوخت بسیار کمتری را مصرف می‌کند و در نتیجه انتشار دی‌اکسیدکربن را بین 80 تا 90 درصد کاهش می‌دهد. مزایای دیگر در شکل 1 نشان داده شده است.
در گذشته اخیر تحقیقات زیادی بر روی بتن ژئوپلیمری به‌عنوان جایگزینی برای بتن سیمانی معمولی انجام شده است.
بتن ژئوپلیمری به دلیل دوام بالا، مقاومت شیمیایی و حرارتی در برابر گرما و مقاومت در سنین پایین پتانسیل بالایی دارد.
برخی از کاربردهای بتن ژئوپلیمری عبارتند از:
به تازگی اولین ساختمان جهان با بتن ژئوپلیمری در موسسه تغییرات جهانی دانشگاه کوئینزلند (GCI) ساخته شده است. این ساختمان یک ساختمان چهار طبقه است که 33 درصد پانل‌های مورد استفاده در صفحات کف GCI از GPC ساخته شده‌اند.
فرودگاه بریزبن وست ولکامپ یک نقطه عطف مهم در مهندسی عمران است. این بزرگترین پروژه بتن ژئوپلیمری جهان است و با حدود 40 هزار مترمکعب (صد هزار تن) بتن ژئوپلیمری ساخته شده است که آن را به بزرگترین کاربرد در جهان تبدیل کرده و 6600 تن در انتشار کربن در ساخت فرودگاه صرفه‌جویی کرده است.
بتن ژئوپلیمری توسط شرکت Wagners توسعه یافته است، بتن ژئوپلیمر سنگین با ضخامت 435 میلی‌متر، برای مسیر گردش، توقفگاه هواپیما و روسازی‌های باند هواپیما استفاده می‌شود که از محموله سنگین 747 برای حمل و نقل هوایی منظم بین فرودگاه Toowoomba-Wellcamp BWWA و هنگ کنگ استقبال می‌کند.
تولید بتن ژئوپلیمر نیاز به‌دقت زیاد و ترکیب مناسب مصالح دارد. فرمولاسیون مخلوط های GPC نیاز به بررسی‌های متعدد سیستماتیک دارد. بتن ژئوپلیمری با استفاده از فلای اش یا همان خاکستر بادی، GGBS، سنگدانه ریز و سنگدانه درشت و محلول فعالکننده قلیایی تولید می‌شود.
دو جزء اصلی ژئوپلیمر عبارتند از:
محلول فعالکننده قلیایی
مایع کاتالیزوری به عنوان محلول فعالکننده قلیایی استفاده می‌شود. ترکیبی از محلول‌های سیلیکات های سدیم یا پتاسیم و هیدروکسیدها یا مخلوطی از محلول‌های محلول در آب است. نقش این محلول قلیایی فعال کردن خاکستر بادی و GGBS است. محلول بسیار قلیایی باید با در نظر گرفتن ایمنی کاربر و با دقت زیاد، مورد استفاده قرار گیرد.
توسعه طرح اختلاط برای بتن ژئوپلیمری در مقایسه با بتن OPC به‌دلیل پارامترهای مختلف درگیر مشکل است. عواملی که بر طراحی ترکیبی GPC تأثیر می‌گذارند عبارتند از:
افزایش نسبت Na2siO3/NaOH بر حسب جرم منجر به مقاومت فشاری بالاتر می‌شود. کارایی را میتوان با افزودن فوق روان کننده تا 4 درصد از خاکستر بادی را بر حسب جرم بهبود بخشید.
غلظت محلول NaOH میتواند از 16 تا 8 مولار باشد. غلظت بالاتر NaOH استحکام بیشتری می‌دهد (واللاه و همکاران 2005).
خمیر ژئوپلیمر از واکنش بین فعالکننده قلیایی با Al2O3 و SiO2 خاکستر بادی تولید می‌شود. عملکرد بتن ژئوپلیمری به جفت شدن دو جزء اصلی بالا بستگی دارد زیرا عملیات شیمیایی بین این دو اتفاق می‌افتد. به‌عنوان مثال، محلول سیلیکات سدیم نسبت به سایر فعال‌کننده‌ها به GGBS فعال‌سازی بهتری می‌دهد در حالی که هیدروکسید سدیم فعال‌سازی بهتری به خاکستر بادی می‌دهد (فرید و همکاران، 2011).
بررسی‌های تجربی نشان داد که با نسبت جرمی SiO2/Na2O ₌ 0.75 محلول سیلیکات سدیم میتوان استحکام بالایی در سنین پایین به‌دست آورد. (باخارف و همکاران، 1999).
مواد تشکیل‌دهنده بتن ژئوپلیمری را میتوان در میکسرهای مورد استفاده برای بتن‌های معمولی مانند میکسر تغاری، میکسر بشک‌های و غیره مخلوط کرد. یک نمودار مفهومی در شکل 5 برای نشان دادن تولید بتن ژئوپلیمری ارائه شده است.
واکنش بین منابع قلیایی و مواد اولیه، ژئوپلیمریزاسیون نامیده می‌شود. ژئوپلیمریزاسیون را میتوان به صورت زیر توضیح داد: (داکسون و همکاران، 2007)
کارایی GPC به نسبت Na2SiO3 به NaOH و غلظت NaOH بستگی دارد. روان شدگی در GPC کمتر از بتن OPC (بتن با سیمان پرتلند) است. کارایی را میتوان با افزودن فوق‌روان‌کننده بر پایه نفتالین از 2 تا 4 درصد بهبود بخشید. برای خاکستر بادی کارایی با کاهش مولاریته NaOH افزایش می‌یابد. NaOH به عنوان فعالکننده قلیایی به‌تنهایی، بدون هیدروکسید سدیم، میتواند به‌طور قابل‌توجهی ارزش اسلامپ بتن ژئوپلیمری را کاهش دهد.
مقدار سدیم در Na2SiO3 تأثیر قابل‌توجهی بر زمان گیرش GPC دارد. زمان تنظیم GPC را میتوان با افزایش محتوای GGBS کاهش داد. استفاده از GGBS با خاکستر بادی تأثیر قابل‌توجهی بر زمان گیرش دارد.
بتن ژئوپلیمری خواص مشابه و گاهاً خواص برتری نسبت به بتن سیمانی دارد. استحکام مکانیکی بتن ژئوپلیمری تحت تأثیر ماهیت فعالکننده قلیایی غلظت محلول و دمای عمل‌آوری می‌باشد. عمل‌آوری حرارتی GPC باعث بهبود ژئوپلیمریزاسیون و متعاقباً، خواص مکانیکی آن می‌شود. برای GPC مبتنی بر سرباره، عمل‌آوری حرارتی، افزایش قدرت را در سنین اولیه تسریع می‌کند. امّا در سنین بالاتر استحکام، کمتر از نمونه‌های عمل‌آوری شده در دمای محیط است. این به این دلیل است که واکنش سریع، محلی‌سازی محصول واکنش، در نزدیکی دانه‌های سرباره اتفاق می‌افتد که موانعی را برای واکنش‌های بعدی تشکیل میدهند که منجر به استحکام آهسته در سنین بعدی می‌شود. از این رو پخت حرارتی برای GPC مبتنی بر سرباره ضروری نیست.
مولاریته بالاتر NaOH به دلیل افزایش واکنش ژئوپلیمریزاسیون منجر به مقاومت فشاری بالاتر در سنین پایین می‌شود. خواص مکانیکی در جدول شماره 1، آمده است.
| جدول 1- خواص مکانیکی بتن GPC در مقایسه با بتن OPC | ||
| ردیف | ویژگی | GPC |
| 1 | مقاومت فشاری 24 ساعته | 25 تا 35 مگاپاسکال |
| 2 | مقاومت فشاری 28 ساعته | تا 70 مگاپیکسل |
| 3 | نرخ افزایش مقاومت | سریعتر از بتن معمولی |
| 4 | مدول الاستیسیته | بسیار کمتر از بتن معمولی |
| 5 | تخلخل | کم |
| 6 | نفوذ کلرید | کم یا بسیار کم طبق استاندارد ASTM1202C |
| 7 | انقباض ناشی از خشک شدگی | کم |
| 8 | گرمای هیدراتاسیون | کم |
| 9 | مقاومت در برابر آتش | بالا |
| 10 | مقاومت اسیدی | بالا |
| 11 | تیرهای بتنی ژئوپلیمری | در برابر بارهای وارده رفتاری مشابه تیرهای بتنی سیمانی |
| 12 | ستون‌های بتنی ژئوپلیمری | حالت های شکست و الگوهای ترک مشابه ستون های بتنی سیمانی |
بتن ژئوپلیمری نسبت به بتن سیمانی معمولی ساختار ریزساختارتر و متراکم‌تری دارد. زنجیره‌های ماتریس C-A-S-H در GPC طولانی‌تر از زنجیره‌های C-S-H در بتن OPC هستند.
شکل 7 (الف) تصویر SEM از خاکستر بادی را نشان می‌دهد که اندازه‌های مختلف ذرات شیشه‌های کروی را نشان می‌دهد. شکل 7 (ب) ساختار میکرو خاکستر بادی فعال شده با محلول قلیایی و شکل 7 (پ) ریزساختار خاکستر بادی فعال شده با محلول سیلیکات سدیم را نشان می‌دهد.
تجزیه و تحلیل ریزساختار توزیع اندازه منافذ با استفاده از تخلخل‌سنجی جیوه و تکنیک‌های جذب گاز نشان داد که GPC مبتنی بر سرباره مزوپورهای بیشتری را با اندازه منافذ کمتر از 50 نانومتر در مقایسه با بتن معمولی نشان داد. بنابراین GPC تخلخل کمتری نسبت به بتن معمولی نشان داد. نموداری که مقایسه توزیع اندازه منافذ در خمیر GPP و OPC را نشان می‌دهد، که در شکل 8 نشان داده شده است.
بیشتر منافذ در خمیر OPC بین 10 تا 100 نانومتر است. امّا، بیشتر منافذ در خمیر GP کمتر از 20 نانومتر هستند. (کالینز و سانجایان، 2000؛ گاربوچی، 1990؛ اچ آکینن، 1993).
بتن ژئوپلیمری مقاومت و دوام خوبی نسبت به بتن OPC از خود نشان می‌دهد. بتن ژئوپلیمری یک ماده بالقوه برای آینده است زیرا نه تنها سازگار با محیط زیست است بلکه دارای خواص مقاومت و دوام خوبی نیز می‌باشد.
کاربرد بتن ژئوپلیمری در عناصر پیش‌ساخته پتانسیل بالایی دارد و نیاز به بررسی دارد. اگرچه پذیرفته شده است که بتن ژئوپلیمری یک ماده جایگزین قدرتمند و به‌عنوان یک بتن پایدار است، کاربرد آن برای اعضای سازه به‌دلیل عدم وجود استانداردها و کدهای مناسب طراحی سازه هنوز مورد استقبال گسترده قرار نگرفته است. تدوین کد استاندارد بتن ژئوپلیمر نیاز روز است. تحقیقات بیشتر در مورد رفتار طولانی مدت و دوام بتن ژئوپلیمری مورد نیاز است.
M.Gh.
ویدئوی مربوط به این پست را ببینید.– Amer Hassan, Mohammed Arif, M. Shariq, Use of geopolymer concrete for a cleaner and sustainable environment-A review of mechanical properties and microstructure, Journal of Cleaner Production, 223 (2019) 704-728.
– Aligizaki, K.K., 2006. Pore Structure of Cement-Based Materials. Taylor & Franics, New York.
– Bakharev, T., Sanjayan, J.G., Cheng, Y.-B., 1999. Alkali activation of Australian slag. cements. Cement Concrete Research 29, 113-120.
– Collins, F., Sanjayan, J.G., 2000. Effect of pore size distribution on drying shrinking of alkaliactivated slag concrete. Cement Concr. Res. 30, 1401-1406.
– Duxson, P., et al., 2007b. Geopolymer technology: the current state of the art, Journal of Material Science. 42, 2917 – 2933.
– Fareed, Fadhil, Nasir, M., 2011. Compressive strength and workability characteristics of lowcalcium fly ash-based self-compacting geopolymer concrete. International Journal of Civil, Environ. Struct. Constr. Archit. Eng. 5, 64-70.
– Mehta, P.K., Monteiro, P.J.M., 2006. Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. McGraw-Hill, New York.
– Wallah, S.E., Hardjito, D.S.D.M.J., R.B.V.,2005. Performance of fly ash-based geopolymer concrete under sulphate and acid exposure’. Geopolymer Proc 153-156.
