همه چیز در مورد بتن پلیمری

بتن پلیمری در اواخر دهه پنجاه با جایگزینی مونومرهای پلیمریزه به جای سیمان پرتلند در برخی کاربردهای خاص معرفی گردید.

اما در دهه هفتاد بدلیل استفاده آن در تعمیرات و بازسازی و به عنوان روکش نازک بر روی سطوح، کف و یا سقف ساختمان‌ها و همچنین ساخت اجزای پیش‌ساخته شهرت یافت و تحولی عظیم در صنعت بتن اتفاق افتاد.

بتن‌های پلیمری با استفاده از سیمان پرتلند خواص مکانیکی فوق‌العاده زیادی مانند مقاومت فشاری و استحکام خمشی را نسبت به بتن‌های سنتی با استفاده از سیمان پرتلند ارائه می‌دهند.

هر چند در هر دو نوع بتن از برخی مواد یکسان استفاده می‌کنند.

اما نکته حائز اهمیت اینجاست که ترکیبات پلیمری ویژگی‌های متفاوتی را به بتن می‌دهند.

این ویژگی‌ها موجب توسعه دانش پلیمری به صورت تخصصی در سراسر جهان گردیده است.

 

اکثر مواد و مصالح طبیعی به دلیل ناپیوستگی‌های سطحی و ترکیباتی که در خود دارند دارای مقاومت لازم برای تحمل تنش‌های زیاد نیستند و لازم است تا با مواد دیگری مسلح شوند.

دانشمندان به دنبال موادی هستند که در ضمن مسلح کردن بتن، دارای وزن کمتر، مقاومت بیشتر در برابر عوامل جوی‌، رفتار بهتر در بارگذاری‌های متناوب باشد و بتواند مقاومت خود را در دماهای بالا مثل دمای کوره حفظ کند. ‌

یکی از مشهورترین این مصالح کامپوزیت‌های پلیمری هستند.

بتن پلیمری مخلوطی متشکل از الیاف‌، رزین‌های پلیمری و سنگ دانه‌های ریز دانه و درشت دانه است.

در اختلاط بتن‌های پلیمری از آب استفاده نمی‌شود.

در عوض، رزین مایع معروف به مونومر‌، به وسیله‌ی واکنش‌های شیمیایی که با عنوان پلیمری شدن شناخته می‌شوند‌، باعث چسبندگی‌، سفت شدن و کسب مقاومت می‌شود.

در فرآیند پلیمری شدن‌، مولکول‌های مونومر به طور شیمیایی به هم متصل می‌شوند تا پلاستیکی سخت و شیشه‌ای مانند،‌ به نام پلیمر را ایجاد نمایند.

پلیمرهای استفاده شده در بتن پلیمری برای ایجاد خواص مورد نیاز تعمیراتی فرموله شده‌اند‌.

این سیستم تعمیراتی به علت کسب مقاومت و عمل آوری سریع، برای تعمیرات سازه‌هایی که نیازمند بازگشت سریع به مدار بهره‌برداری است، مناسب است.

‌از بتن‌های پلیمری برای ترمیم و پر نمودن حفرات و تخریب‌های موجود در عرشه پل‌های بزرگراه‌ها استفاده می‌شود تا دیگر نیازی به بسته شدن بلند مدت و پر هزینه بزرگراه و یا ایجاد راه‌های انحرافی، نباشد.

همچنین استفاده از بتن‌های پلیمری برای تعمیر سازه‌هایی مانند درزهای تونل‌ها که امکان خشک نمودن آنها فقط برای زمان کوتاهی وجود داشته‌ یا می‌بایست در آب و هوای سرد با ‌دما‌های پایینتر از ۱۵ درجه فارنهایت به این کار اقدام نمود‌، مناسب است.

اگر تمهیدات مناسب صورت گیرد از بتن‌های پلیمری می‌توان برای ترمیم با ضخامت‌های مختلف از ۰/۵ اینچ تا چند فوت استفاده کرد.

• بتن‌های باردار شده توسط پلیمر (PIC)

شامل بتن پرتلند پیش ریخته شده‌ که توسط یک سیستم مونومری باردار شده‌ و متعاقباً در محل پلیمریزه می‌شود.

• بتن‌های پلیمر – سیمان (PCC)

شامل یک مونومر است که به مخلوط آب بتن تازه افزوده می‌شود و متعاقباً در محل پلیمریزه می‌شود.

• بتن‌های پلیمری (PC)

شامل یک سیستم مخلوط از سنگریزه (Aggregate) و پراکنده (Filler) در مونومر است که متعاقباً در محل پلیمریزه می‌شود.

• بتن‌های پلیمر – گوگرد (PSC)

شامل یک سیستم مخلوط از بتن‌های گوگردی است که توسط پلیمرهای اصلاح خواص پیدا کرده است.

بتن‌های پلیمری در ساخت قطعات پیش‌ساخته، کفپوش پارکینگ‌ها و زمین‌های ورزشی، به عنوان درزگیر، ضد آب کردن به‌خصوص آب‌بندی سازه‌های بتنی کاربرد اساسی دارد.

بتن پلیمری کاربرد بسیاری از جمله تولید مخازن اسید، مخازن ذخیره آب، مخازن صنعتی، منهول، سیستم‌های زهکشی خطی، موانع وسط بزرگراه، تابلوهای راهنمایی رانندگی، سلول‌های الکترولیتی برای بازیافت فلز پایه و هم‌چنین در نیروگاه‌های صنعتی و امور دریایی دارد.

طی گذشت سال‌ها توسعه حمل و نقل درون شهری و به ‌خصوص برون شهری و فعالیت‌های زیرساختی افزایش تقاضا برای استفاده از بتن پلیمری را در بر داشته است.

با توجه به ویژگی‌های برتر بتن پلیمری و افزایش نیاز به مصالح ساختمانی مقاوم‌تر، مستحکم‌تر، با طول عمر بیشتر و قابل انعطاف بودن، بتن‌های پلیمری محبوبیت‌ زیادی پیدا کرده‌اند.

که انعطاف و به شکل ساده‌تر قابلیت شکل‌پذیری بتن‌های پلیمری یک عامل اصلی در انتخاب آن توسط عوامل اجرا می‌باشد.

باید توجه داشت نکته‌ای که استفاده روزافزون از بتن‌های پلیمری را محدود می‌کند قیمت بالای آن می‌باشد که اثر مستقیم در تولید آن دارد.

این امر استفاده آن ‌را به مواردی‌ که نیاز به مصرف انرژی کم و نیروی انسانی کمتری دارد محدود می‌نماید.

بتن پلیمری ماده کامپوزیتی است که از پلیمریزاسیون انواع مونومرها ساخته شده است.

به زبان ساده بتن پلیمری از اختلاط رزین پلیمری با مخلوط سنگدانه تهیه می‌شود که رزین‌ها موجب کاهش فضای خالی بین سنگدانه‌ها نیز می‌گردند و گاها برای پر کردن حفره‌های موجود در مخلوط سنگدانه از میکروفیلرها نیز استفاده می‌شود.

همانند بتن معمولی جهت بهبود خواص مکانیکی بتن پلیمری می‌توان آن را با انواع مختلف الیاف تقویت نمود.

در این خصوص الیاف فولادی، شیشه‌ای، پروپیلن‌ها و نایلون بیشترین کاربرد را دارند و بالاترین تأثیر را بر ویژگی‌های مکانیکی سیستم‌های بتن پلیمری داشته‌اند.

مانند: مقاومت فشاری، مقاومت خمشی و مقاومت کششی.

در حالی ‌که میرایی و خزش هنوز تأثیرشان بطور وضوح مشاهده و بررسی نگردیده است.

البته باید خاطر نشان کرد که تأثیر الیاف همیشه در جهت افزایش نیست بلکه گاهی لازم است که بتن انعطاف‌پذیر بوده و یا خواص دیگری از خود نشان دهد.

به عنوان مثال:

الیاف فولادی مقاومت فشاری را افزایش می‌دهند.

در حالی ‌که افزودن الیاف شیشه‌ای مقاومت فشاری را کاهش می‌دهد البته گاهأ نتایح متضادی را نیز نشان داده است.

در این خصوص بایستی بهینه‌سازی استفاده از رزین پلیمری را مدنظر داشت.

از رزین‌های پلیمری که بطور معمول در این نوع بتن استفاده می‌شوند می‌توان به متاکریلات، رزین اپوکسی، رزین فوران، رزین پلی‌استر و ونیل استرها اشاره کرد.

پر واضح است تنها مؤلفه‌ای که هزینه بتن پلیمری را تثبیت می‌کند رزین‌ها می‌باشند.

به‌ همین خاطر تلاش شده تا برای دستیابی یه استحکام و سایر مؤلفه‌های قابل قبول بتن پلیمری به حداقل مقدار رزین دست یابند.

بتن پلیمری را می‌توان با هر یک از این رزین‌های پلیمری تهیه کرد.

اما باید به این مهم توجه داشت که هرکدام از این رزین‌ها کاربری متفاوتی به بتن پلیمری می‌دهند.

به عنوان مثال می‌توان به موارد زیر اشاره مختصری نمود:

اتصال دهنده‌های اکریلیک که از مونومرهای اکریلیک ساخته شده‌اند دارای گیرش سریع بوده و در برابر هوازدگی مقاومت بالایی نشان می‌دهند.

رزین‌های پلی‌یوریا که الاستومری است از ترکیب رزین و ایزوسیانات در برابر خوردگی و سایش مقاوم بوده و به دلیل سازگار بودن رزین‌های پلی‌یورا با محیط زیست، بیشتر در مخازن آب شرب استفاده می‌شوند.

اکثرا به عنوان آب‌بند در بتن و به خصوص پوشاندن درزهای بتن کارایی دارند.

همچنین در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی جایگزین فنولیک‌ها یا فرمالدئیدها می‌گردند.

رزین‌های فوران باعث می‌شوند که بتن بتواند در درجه حرارت بالا مقاومت نماید.

این رزین بیشتر مورد استقبال کشورهای اروپایی قرار گرفته است.

متاکریلات‌ها به‌دلیل اشتعال فوق‌العاده زیاد و بوی نامطبوعی که دارند کاربردشان بسیار محدود است.

ولی به خاطر کارایی بالا مورد توجه واقع شده‌اند.

رزین‌های اپوکسی مواد بسیار محکمی تولید می‌کنند که از جمع‌شدگی بتن جلوگیری می‌نمایند.

ضمن اینکه ظاهری زیبا دارند، سطح پوشانده شده توسط این رزین‌های اپوکسی به راحتی تمیز می‌گردد.

رزین‌های اپوکسی با هرگونه از شرایط آب و هوایی سازگار می‌باشند.

در آخر می‌توان به پلی استرها اشاره نمود که از واکنش بین الکل‌ها و یا اسیدهای دو یا چند عاملی تشکیل می‌شوند.

در حال حاضر در دنیای پلیمر کاربرد عمومی‌تری دارند.

رزین‌های پلی استر غیراشباع به دلیل هزینه پایین‌تر، خواص مکانیکی مناسب و در دسترس بودن شاید رایج‌ترین سیستم‌های رزین پلیمری باشند.

رزین‌های اپوکسی به دلیل خواص مکانیکی و دوام بهتر و همچنین سازگاری با عوامل سخت محیطی به رزین‌های پلی استر ترجیح داده می‌‌شوند.

اما قیمت بالاتر آنها عامل بازدارنده‌ای در پذیرش اپوکسی‌ها در سطح وسیع گردیده است.

بطور یقین اجرای صحیح و نگهداری مناسب در آینده این هزینه بالا را پوشش خواهد داد.

طی یک مطالعه گسترده در مقایسه بتن اپوکسی و بتن پلی استر به این نتیجه رسیده‌اند که بتن اپوکسی به طور سنتی نسبت به بتن پلی استر بهتر می‌باشد.

اما با افزودن میکروفیلرها و جفت‌کننده‌های سیلانی می‌توان خصوصیات بتن پلی استر را در همان سطح افزایش داد.

در حال حاضر نیز در عمل رزین‌های پلی استر غیراشباع به دلیل دسترسی آسان، خواص مکانیکی مطلوب و مهم‌ترین فاکتور یعنی کم هزینه بودن بیشترین استفاده را دارند.

در واقع در انتخاب رزین مصرفی نوع کاربری، عوامل شیمیایی و محیطی و هزینه برآورد شده تعیین کننده است.

البته باید این نکته را نیز مد‌نظر داشت که محتوای بهینه رزین برای یک سیستم بتن پلیمری خاص بطور مستقیم به ماهیت مصالح بکار رفته در سیستم بستگی دارد.

بتن پلیمری از سنگدانه‌هایی شامل سیلیس، کوارتز، گرانیت، سنگ آهک و … تشکیل شده است.

این سنگدانه‌ها باید از کیفیت مطلوبی برخوردار بوده و عاری از هرگونه گرد و غبار و مواد زا‌‌ئد باشند.

در غیر این صورت استحکام بین پرکننده‌ها و مصالح کاهش خواهد یافت.

بین ۷۵ تا ۸۰ درصد حجم یک بتن پلیمری را سنگدانه‌ها و پرکننده‌ها و در موارد خاص الیاف تشکیل می‌دهند.

اندازه این سنگدانه‌ها در محدوده خاصی تعریف نشده و در هر سیستم پلیمری متفاوت است.

ولی بطور معمول از ریزدانه با اندازه کمتر از ۵ میلیمتر و یا درشت‌دانه با اندازه بیشتر از ۵ میلیمتر استفاده می‌شود.

باز هم اشاره به این مهم ضروری است که اندازه‌های سنگدانه‌ها در بتن پلیمری هنوز غیراستاندارد می‌باشد.

چنانچه سنگدانه مصرفی ریز باشد باید از پرکننده بیشتری استفاده شود.

به‌هرحال در عمل، اختلاط بتن پلیمری باید بسیار دقیق و کامل صورت پذیرد و مخلوط قبل از اجرا نمی‌تواند به‌سادگی نگهداری شود.

چرا که نه تنها واکنش‌های شیمیایی سریع اتفاق می‌افتد و قابل پیشگیری نمی‌باشند مانع از جمع‌شدگی سریع بتن نیز نمی‌توان گردید.

مواد شیمیایی مورد استفاده در بتن بسیار خطرناک است و هر یک از افرادی که به ‌نوعی با آن در ارتباط می‌باشند باید از ماسک، دستکش و حتی‌المقدور از محافظ پوست استفاده نمایند.

هر بتن پلیمری با توجه به نوع ماده پرکننده‌اش و نوع الیافی که در آن استفاده گردیده است.

در انواع پروژه‌های ساختمانی کاربری منحصر به فردی دارد که برای اتصال دو جز مختلف یا تهیه یک ساختار پایه استفاده می‌شود.

بطور کلی توانایی تعویض قطعات بتنی با عمر بالا و حتی تعمیر بتن معیوب و تولید محصولات جدید و کم‌ هزینه‌تر با افزایش آگاهی در مورد چگونگی استفاده از پرکننده‌ها در بتن که یکی از عناصر اصلی ساخت و ساز می‌‌باشد و استفاده از بتن پلیمری را به ‌تدریج گسترده‌تر خواهد کرد.

‌بتن‌های پلیمری خیلی سریع تحت شرایط محیطی سفت و پلیمری می‌شوند.

تقریباً پس از یک تا دو ساعت کاملاً مستحکم می‌شوند.

در طول این مدت‌، بتن تازه باید در برابر آب محافظت شده و آسیب نبیند‌.

اگر دما کمتر از ۴۰ درجه فارنهایت باشد‌، سرعت واکنش پلیمری شدن کاهش می‌یابد.

مگر اینکه غلظت آغاز کننده‌ها یا دمای هنگام اجرا عملیات را تا بالای ۷۰ تا ۸۰ فارنهایت افزایش دهیم.

متقابلاً‌، پلیمری شدن در دمای بیش از ۹۰ تا ۱۰۰ درجه فارنهایت می‌تواند خیلی سریعتر از انجام گیرد.

کاهش غلظت آغاز کننده‌ها‌ یا انجام عملیات در خنک‌ترین ساعات ‌شبانه روز می‌تواند این مشکل را حل می‌کند.

• متیل متاکریلیت
• پلی استر
• پری پلیمر – استیرن
• بتن پلیمری

بتن‌های پلیمری از ۸۰ تا ۹۵ درصد پرکننده‌های معدنی و گاهی آلی تشکیل شده‌اند و حدود ۵ تا ۲۰ درصد بایندر پلیمری نیز بتن را نگاه می‌دارد‌.

بایندر به معنای پیوند دهنده یا متصل کننده است و منظور همان محلول مونومر است که پس از فرایند پلیمریزاسیون بتن را نگاه می‌دارد‌.

خواص بتن‌های پلیمری برتر از بتن‌های سیمانی است.

نمونه‌های بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی‌استر استحکام بالاتری دارند.

نمونه‌های بن پلیمری با بایندر پلی یورتان ازدیاد طول بسیار زیادی دارند.

تغییر خواص بتن پلیمری بر حسب تغییر پرکننده‌ها

پر کننده‌ها از دو دسته تشکیل می‌شوند.

1. جز زبر (دانه بندی درشت)
2. جز نرم (دانه نبدی ریز)

پر کننده‌های سبک وزن شامل سه دسته سنگ‌های رسی سبک، پرلیت و سنگ پا می‌شوند.

پرکننده‌های سنگین شامل ۴ دسته قطیر‌، هماتیت‌، ایلیمنیت و باریت می‌شوند.

از این مواد برای تولید بتن‌های پلیمری با وزن مخصوص بین ۶۴۰ تا ۵۲۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب می‌توان استفاده کرد.

پر کننده‌های بسیار نرم برای کاهش حجم خالی بتن به کار برده می‌شود.

مانند پودر سیسلیس‌، کربنات کلسیم، خاکستر، کائولین، میکا، تالک، تری هیدرات آلومینا، سولفات کلسیم و سیمان پرتلند‌.

پر کننده‌های سبک می‌توانند سبک باشند مانند دانه‌های شیشه‌ای سوراخ دار سرامیک یا گلوله‌های پلاستیک.

استفاده از پر کننده‌های معدنی مثل کربن، یا پودرهای فلزی، می‌توان بتن را از نظر الکتریکی رساناتر کرد.

افزودنی‌های مثل فیبرهای شیشه‌ای‌، آلی و فلزی برای اصلاح استحکام ضربه‌ای‌، خمشی و همچنین برای کاهش پدیده انقباض ناشی از پخت به کار می‌رود.

عوامل تر‌کننده باعث کاهش سطحی زیرین مایع و سهولت تر‌شدگی سطوح پرکننده می‌شود.

جهت تامین رنگ و همچنین رنگ و همچنین گاهی اوقات به منظور پایداری در مقابل نور از رنگدانه‌ها استفاده می‌شود.

با افزودن لاتکس‌های SBR و اپوکسی به بتن معمولی به عنوان بتن سیمان پرتلند‌، پلیمری استفاده شده است.

که باعث بهبود خواص مهندسی و پایایی بتن می‌شود.

همچنین با افزودن رزین‌های پلی اسراسیترن و اپوکسی به مصالح سنگی به عنوان بتن پلیمری که در مورد رزین پلی اسراسیترن، خواص مهندسی و پایایی بتن بطور چشمگیری بهبود می‌یابد.

• مقاومت بالای این بتن در برابر عوامل شیمیایی
• مقاومت بالا در برابر شرایط جوی مختلف
• خاصیت ضدخورندگی
• امکان استفاده در سازه‌هایی که در مراحل ساخت آن نباید از فلز استفاده کرد.
• وزن کم
• انعطاف بیشتر برای داشتن معماری زیبا
• خاصیت جذب آب پایین ‌
• مقاومت خوب در برابر ساییدگی و ثبات در مقابل پدیده یخ‌زدگی و ذوب‌
• همچنین مقاومت بالای بتن پلیمری در مقایسه با بتن سیمان پرتلند اجازه مصرف تا بالای ۵۰% کمتر از مواد را به ما می‌دهند‌.

این شرایط باعث می‌شوند که بتن پلیمری در یک سطح قابل رقابت با بتن سیمان پرتلند در کاربری‌های ویژه قرار بگیرد‌.

امیدوارم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد

نویسنده : سیدعلی منتظری

منبع : بخش مقالات تخصصی سایت استوارسازان

امیدوارم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد