ما هي الخرسانة الجيوبوليمرية؟
أطلق جوزيف دیویدویتز عنوان الجيوبوليمر في عام 1978. الخرسانة الجيوبوليمرية (GPC) هي منتجة صديقة للبيئة يتم تحبيبها من المنتجات الثانوية الصناعية مثل الرماد المتطاير (نفايات محطات الطاقة الحرارية) و خبث الأفران العالية (نفايات إنتاج الحديد)، و هي بديلة كاملة للأسمنت البورتلاندي المستخدم في الخرسانة.
نتيجة لذلك، تقلل الخرسانة الجيوبوليمرية من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 80٪. اكتسب الجيوبوليمر أهمية و قبولًا كضمان للمتانة. الرماد المتطاير و GGBS هما مصدرین غنيین من السيليكون و الآلومنيوم الذین يتم بلمرتهما بواسطة محلول منشط قلوي لتشكيل سلاسل و شبكات جزيئية لإنشاء مادة لاصقة صلبة.
لماذا الخرسانة الجيوبوليمرية؟
يتم الحصول على الأسمنت البورتلاندي العادي عن طريق تكليس الحجر الجيري (كربونات الكالسيوم) عند درجات حرارة عالية جدًا تتراوح من 1500-1450 درجة مئوية و مواد السيليكون و الآلمنيوم الواردة في المعادلة أدناه.
5CaCo3 + 2SiO2 → (3CaO,SiO2) + (2CaO,SiO2) + 5CO2
وهذا يعني أن إنتاج كل طن متري من الأسمنت ينتج طنًا متريًا من ثاني أكسيد الكربون. مع زيادة استهلاك الأسمنت، يتم تدمير الغلاف الجوي للعالم. تعتبر صناعة الأسمنت من أسوأ مصادر تلوث الهواء مقارنة بالصناعات الأخرى. لذلك، نشأت الحاجة إلى مادة بديلة و سرعان ما ظهر الجيوبوليمر كمادة بديلة متوافقة مع البيئة عن طريق تقليل انبعاث ثاني أكسيد الكربون.
ما هي مزايا الخرسانة الجيوبوليمرية؟
الميزة الرئيسية للخرسانة الجيوبوليمرية هي تقليل أنبعاثات ثاني أكسيد الكربون لأن عمليتها الكيميائية لا تصدر ثاني أكسيد الكربون و تستهلك وقودًا أقل بكثير. نتيجة لذلك، يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بين 80 و 90 في المائة. تظهر المزايا الأخرى في الشكل1
تطبيقات الخرسانة الجيوبوليمرية
في الماضي القريب، تم إجراء الكثير من الأبحاث على الخرسانة الجيوبوليمرية كبديل لخرسانة الأسمنت العادیة. تتمتع الخرسانة الجيوبوليمرية بإمكانيات عالية بسبب متانتها العالية و مقاومتها الكيميائية و الحرارية ضد الحرارة و المقاومة في السنین المبكرة.
بعض تطبيقات الخرسانة الجيوبوليمرية هي:
في الآونة الأخيرة، تم تشييد أول مبنى في العالم باستخدام الخرسانة الجيوبوليمرية في معهد التغييرات العالمي التابع لجامعة كوينزلاند (GCI) هذا المبنى عبارة عن مبنى من أربعة طوابق حيث 33٪ من الألواح المستخدمة في ألواح الأرضية GCI مصنوعة من GPC.
يعد مطار بریزبن وست ولکامب، نقطة تحول في مجال الهندسة المدنية. هذا هو أكبر مشروع خرسانة جيوبوليمریة في العالم و قد تم بناؤه مع حوالي 40 ألف متر مكعب (مائة ألف طن) من الخرسانة الجيوبوليمرية، مما جعله أكبر تطبيق في العالم و إدخر من إستهلاک 6600 طن من انبعاثات الكربون في بناء المطار.
تطوّر الخرسانة الجيوبوليمریة من قبل شركةWagners، الدور الثقیل للخرسانة الجيوبوليمرية مع الضخمة 435 مم هو في المسار دوران الطائرة، محطة الطائرات، و أرصفة المدارج التي ترحب بالحامل الثقیل 747 للنقل الجوي المجدول بين المطارین Toowoomba-Wellcamp BWWA و هونغ كونغ.
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.
