كاربرد مواد پليمري در بتن

کاربرد مواد پليمري در قرن حاضر به سرعت در رشته‌هاي مختلف صنايع و از جمله صنايع ساختماني در حال گسترش مي‌باشد، يک کاربرد جديد و موفق از اين مواد، ساخت بتن‌هاي پليمري است . بتن‌هاي پليمري، مخلوطي از حدود ۸۰ تا ۹۵ درصد پرکننده‌هاي معدني(و گاهي آلي) در ۵ تا ۲۰ درصد بايندرهاي پليمري مي‌باشند. اين بتن‌ها نسبت به بتن‌هاي رايج سيماني مزايا و خواص برتري داشته(و در برخي موارد داراي خواصي منحصر به فرد مي‌باشند) و همين مزايا و خواص برتر است که عليرغم قيمت بالاتر آنها، نسبت به بتن‌هاي سيماني، آنها را مورد استقبال روزافزون صنعتي قرار مي‌دهد. از جملهء اين خواص مي‌توان به استحکام و کرنش‌هاي فشاري، خمشي و کششي بالاتر (چندين برابر بتن‌هاي سيماني)، ميرايي (demping)، عمر سرويس ، مقاومت سايشي و ضربه‌اي، مقاومت در مقابل تغييرات جوي، مقاومت در مقابل مواد شيميائي و عوامل مخرب محيطي و صنعتي بيشتر و همچنين جذب آب و افت خواص کمتر اشاره کرد.

انواع بتن‌هاي پليمري به لحاظ ويژگيهاي خاص خود نظير خواص تزئيني و دکوراسيوني عالي، در عين خواص مکانيکي و فيزيکي بهتر، رفته رفته جايگزين مناسبي براي سنگ‌هاي تزئيني مثل مرمر، انيکس و غيره مي‌شوند. با انتخاب مناسبي از ميزان بايندر پليمري، نوع و ميزان مناسبي از پرکننده يا پرکننده‌هاي معدني(و يا آلي) و همچنين به کار بردن افزودني‌هاي مناسب ، مي‌توان خواص بتن‌هاي پليمري را در يک طيف و محدودهء گسترده‌اي تغيير داده و تنظيم نمود به گونه‌اي که بتوان کليهء نيازمنديهاي مهندسي رايج در مورد مصالح، يعني نيازمنديهاي فيزيکي، مکانيکي، ديناميکي، الکترونيکي، حرارتي، شيميائي، تزئيني و غيره را که توسط بتن‌هاي سيماني قابل تامين نيستند، برآورده ساخت . در پروژهء حاضر از مجموعهء انواع مواد پليمري رايج در ساخت بتن‌هاي پليمري، سه نوع نسبتا پرمصرف آنها يعني اپوکسي، پلي‌استر و پلي‌يورتان به همراه دو نوع پرکننده معدني رايج يعني سيليس و کربنات کلسيم به کار برده شده‌اند.

براي مطالعه رفتار و خواص اين بتن‌ها و همچنين مطالعهء نحوهء ارتباط و وابستگي اين خواص به پارامترهاي متغير فرمولاسيوني نظير نوع و مشخصات بايندر پليمري و همچين ميزان درصد بار جامد، نوع و دانه‌بندي پرکننده، ترکيبات متنوعي از بايندر و مخلوط پرکننده توليد، و براساس استانداردهاي بين‌المللي تحت آزمونهاي فشاري، خمشي، کششي(از نوع برزيلي)، دانسيته، جذب آب و غيره قرار گرفته‌اند.

اين بررسي‌ها نشان داده‌اند که نمونه‌هاي بر پايه اپوکسي و پلي‌استر استحکامهاي بسيار بالا(چندين برابر خواص مشابه در مورد بتن‌هاي سيماني) و نمونه‌هاي بر پايهء پلي‌يورتان ازدياد طولهاي بسيار زيادي دارند. بطور خلاصه نتايج نشان مي‌دهند که استحکام فشاري نمونه‌هاي بتن پليمري، بر پايه اپوکسي و پلي‌استر تا ۳/۵ برابر، کرنش فشاري تا ۲/۵ برابر، استحکام کششي تا ۸/۵ برابر، استحکام خمشي تا ۴ برابر و کرنش خمشي تا دهها برابر نسبت به بتن سيماني بيشتر بوده و در عين حال جذب آب اين نمونه‌ها ۱۰ تا ۶۰ برابر کمتر از بتن‌هاي سيماني است . ضمنا بررسي نمونه‌هاي بتن بر پايه پلي‌يورتان نشان مي‌دهد که اين مواد با توجه به ميزان ازدياد طولهاي بسيار منحصر بفرد خود مي‌توانند به عنوان پوشش کف‌ها از نوع مقاوم در مقابل سرخوردگي (Skid-resistant) و درزگير بتن‌ها و … مورد استفاده قرار گيرند. دستيابي به خواص مکانيکي منطبق با نيازمنديها و خواص اشاره شده در مراجع فني(و گاهي بهتر از آنها) در پروژه حاضر، مرهون انتخاب صحيح مواد و روش کار بوده است .

سيمان گوگردي با استفاده از افزودني بومي براي اولين بار توسط محققان پژوهشكده توسعه صنايع شيميايي ايران وابسته به جهاد دانشگاهي ساخته شد.

بتن گوگردي
بتن گوگردي از اختلاط مصالح با سيمان گوگردي تهيه مي شود. اين نوع بتن در مقايسه با بتن سيمان پرتلند(بتن معمولي) ويژگيهاي قابل توجهي از جمله مقاومت بالا در محيط هاي خورنده، قابليت استفاده مجدد، عدم استفاده از آب در توليد بتن و غيره را دارا مي باشد و توليد آن تحول شگرفي به ويژه در كاربردهاي خاص ايجاد مي كند.

بتن گوگردي به عنوان جايگزين بتن سيمان پرتلند نبوده بلكه در مواردي كه كاربرد بتن پرتلند با محدوديت هايي همراه است به كار مي رود.
پودر گوگرد به شكل آلفا (ارتورومبيك) مي باشد كه بر اثر حرارت ذوب شده و به شكل بتا (منو كلينيك) متبلور مي شود. در اثر اين تغيير به دليل تفاوت شكل هندسي فرم هاي آلفا و بتا در ساختار بتن خلل و فرجي ايجاد مي شود. براي رفع اين مشكل، افزودنيهاي خاصي كاربرد دارد كه در ايران توليد نمي شود، از طرفي قيمت بالاي آنها، استفاده در داخل كشور را توجيه ناپذير مي كند ولي افزودني مناسبي كه در پژوهشكده توسعه صنايع شيميايي جهاد دانشگاهي شناسايي و استفاده شده است در داخل كشور توليد مي شود.

وجود منابع عظيم گوگرد در ايران و مزاياي قابل توجه اين نوع بتن ضمن آزمودن افزودنيهايي كه بتوانند خواص گوگرد را بهبود بخشيده و از تغيير آلوتروپي آن در مراحل ذوب و انجماد مجدد جلوگيري نمايند، افزودني مناسب انتخاب شد و در ساخت سيمان گوگردي به كار رفت و در حال حاضر از اختلاط اين نوع سيمان با مصالح، ساخت نمونه هاي ملات به منظور بهينه سازي شرايط و اثبات خواص مكانيكي نمونه ها در دست انجام مي باشد.
اين نوع بتن در سازه هاي دريايي، شبكه هاي فاضلاب، مخازن نگهداري اسيد و مواد شيميايي، كانالهاي آبياري، ساختمان سازي در سرما، ريلهاي راه آهن، كف سازي و فونداسيون، روكش پل ها و عايق بندي تونلها و توليد جداول و تجهيزات بتني بزرگراهها كاربرد دارد

بتن انعطاف پذير
دانشمندان دانشگاه ميشيگان گونه جديدي از بتن مسلح با الياف ساخته‌اند كه از بتن عادي ۴۰ درصد سبك‌تر و در برابر ترك خوردن ۵۰۰ بار مقاوم‌تر است. عملكرد اين بتن جديد از يك طرف به دليل وجود الياف نازكي است كه ۲ درصد حجم ملات بتن را تشكيل مي‌دهد و از طرف ديگر به اين خاطر است كه خود بتن از موادي ساخته شده است كه براي ايجاد حداكثر انعطاف‌پذيري طراحي شده‌اند. به گفته دانشمندان، بتن جديد كه “كامپوزيت سيماني مهندسي”، ناميده شده ، به دليل عمر طولاني‌تر در دراز مدت از بتن معمولي ارزان‌تر است. به گفته “ويكتورلي” استاد گروه مهندسي سازه “دانشگاه ميشيگان” و سرپرست تيم سازنده بتن، تكنولوژي كامپوزيت سيماني تاكنون در پروژه‌هايي در ژاپن، كره، سوئيس و ايتاليا به كار گرفته شده است. استفاده از آن در ايالات متحده به نسبت كندتر بوده.

اين در حالي است كه بتن متعارف داراي مشكلات بسياري از جمله نداشتن دوام و پايداري، شكست در اثر بارگذاري شديد و هزينه‌هاي تعمير در اثر شكست است.
به گفته “لي”، بتن نشكن يا انعطاف‌پذير به جز شن درشت از همان مواد تشكيل‌دهنده بتن معمولي ساخته شده است.
بتن نشكن كاملا شبيه بتن عادي است اما تحت كرنش‌هاي بسيار بزرگ، بتن كامپوزيت سيماني تغيير شكل مي‌دهد، اين قابليت از آن جا ناشي مي‌شود كه در اين نوع بتن؛ شبكه الياف داخي سيمان قابليت لغزيدن داشته و در نتيجه انعطاف‌ناپذيري بتن كه باعث تردي و شكنندگي است، از ميان مي‌رود.
امسال براي اولين بار، “اداره حمل و نقل ميشيگان” براي نوسازي قسمتي از عرشه پل”گرواستريت” بر فراز بزرگراه “۴ و I” از كامپوزيت سيماني استفاده مي كند. دالي از جنس كامپوزيست سيماني جايگزين يك مفصل انبساطي در اين قسمت از پل خواهد شد تا با متصل كردن دال‌هاي بتني مجاور به هم، عرشه‌اي يكنواخت از بتن به وجود آورد. استفاده از مفصل انبساطي به عرشه بتني قابليت حركت در اثر تغييرات مي‌بخشد. اما در هنگام گير كردن مفصل‌ها، مشكلات زيادي پيش مي‌آيد.

دانشمندان انتظار دارند استفاده از كامپوزيت سيماني باعث صرفه‌جويي در هزينه‌ها شود.
اگر چه هنوز مطالعات دراز مدت زيادي براي تاييد عملكرد كامپوزيت سيماني مورد نياز است، مقايسه‌هاي انجام شده در “مركز سيستم‌هاي پايدار”، از “دانشده منابع طبيعي و محيط زيست”، به همراه گروه “لي”، نشان مي‌دهد كه در يك دوره ۶۰ ساله، استفاده در عرشه پل، كامپوزيت سيماني نسبت به بتن عادي ۳۷ درصد ارزان‌تر است، ۴۰ درصد انرژي كمتري مصرف مي‌كند و باعث كاهش انتشار دي اكسيد كربن تا ۳۹ درصد مي‌شود.

بتن سبك
بتن سبك ماده اي است با تركيبات جديد و فوق العاده سبك و مقاوم .
مواد تشكيل دهنده بتن سبك عبارت است از ورموكوليت، پرليت، سنگ بازالت و سيمان تيپ ۲ و …
در اين بتن همانند بتنهاي عادي ، از ماسه استفاده نمي شود.
عدم وجود ماسه باعث سبك و همگن شدن ساختار بتن گرديده و باعث مي شود كه مواد تشكيل دهنده كه تقريبا” از يك خانواده مي باشند و بهتر همديگر را جذب كنند .

ساختمان اين بتن متخلخل بوده و اين مسئله پارامتر بسيار موثري است. چون تخلخل موجود در بتن باعث مقاوم شدن در برابر زلزله و عايق شدن در برابر صدا ، گرما و سرما مي گردد .
تركيبات اين بتن به گونه اي عمل مي كند كه حالت ضد رطوبت به خود گرفته و به مانند بتن معمولي كه جذب آب دارد عمل نكرده و آب را از خود دفع مي كند .
اين بتن تحت فشار مستقيم (پرس) ساخته مي شود .

بدليل شكل گيري بتن در فشار، ساختار آن دارا ي يكپارچگي قابل قبولي است .
بتن سبك در قالبهاي طراحي شده توسط متخصصين ، بصورت يكپارچه ريخته مي شود .
بدليل يكپارچگي در نوع ساختمان بتن ، قطعه توليدي از استحكام بالايي برخوردار شده و مقاومت بالايي نيز در برابر زلزله از خود نشان خواهد داد .
براي تقويت اين بتن از يك يا چند لايه شبكه فلزي در داخل بتن استفاده شده كه اين حالت همانند مسلح كردن بتن معمولي بوسيله ميلگرد مي باشد .
هزينه توليد اين نوع بتن از ديگر مواد ساختماني به نسبت ويژگي آن پايينتر است.
زمان بسيار كمتري جهت توليد ديوار هاي بتني سبك يا قطعات ديگر لازم است .
پرت مواد اوليه جهت توليد بتن سبك بسيار كمتر از بتن معمولي است. چون تمام مراحل توليد در محل مشخصي صورت گرفته و جهت توليد پروسه اي طراحي گرديده است .

بدليل طراحي كليه مراحل توليد و وجود نظارت بر تمامي اين مراحل ماده توليدي داراي استاندارد خاصي تعريف شده است . (مهندسي ساز)
خريد مصالح بطور عمده صورت مي گيرد و هزينه كمتري براي سازنده در بر خواهد داشت و در نهايت خانه پيش ساخته با قيمت پائين تري عرضه مي گردد .
قطعات توليدي در كارخانه از آزمايشات كنترل كيفيت گذر كرده و در صورت تائيد به بازار مصرف عرضه مي گردد .
بتن سبك مسطح بوده كه مي توان با يك ماستيك كاري ساده بر روي آن رنگ آميزي كرد.
نو آوري قرن ۲۱ در ساخت بتنهاي پيش ساخته
در دهه هاي اخير مهندسان و معماران براي دستيابي به مقاومت و پايداري سازه و همچنين الزامات طراحي از بتن پيش ساخته استفاده مي کنند. برخي مزاياي بتن پيش ساخته عبارتند از:
۱) مقاومت مناسبي در برابر ضربه و حريق دارند.
۲) انتخابهاي هنري و زيبايي شناختي تقريبا نامحدود به لحاظ شکل ، رنگ و … دارند .چنانچه ساختار سطحي مناسب آن براي اجرا هر نوع طراحي شرايط مناسبي را طراحي معماري فراهم مي آورد.

۳) بدليل توليد کارخانه اي آن کنترل کيفيت دقيقتري صورت مي گيرد و سازگاري فوق العاده اي بين اجزاء سازه ايجاد مي کند.
۴) سرعت ساخت و اجرا بيشتر آن سبب کاهش تأخيرهاي ناخواسته و کاهش قيمت تمام شده آن نسبت به ساير روشهاي ساخت مي گردد.
۵) بازده حرارتي عالي و مقاومت مناسب در برابر تغييرات آب و هوايي از ديگر مزاياي آن است.

شرکت Altusgroup اخيرآ نوعي بتن پيش ساخته را براي اجزاء سازه اي و معماري ساختمانهاي مسکوني و تجاري توليد کرده است. اين محصول با نام «کربن کست» براي ساخت پانلهاي ديواري،پانلهاي معماري،پانلهاي ديواري عايق و اجزاء سيستمهاي ساختماني و معماري ساختمان مناسب تر از قطعات پيش ساخته قبلي است. در کربن کست بجاي استفاده از فولاد در آرماتورگذاري فرعي براي انتقال برش از شبکه فيبرهاي کامپوزيتي استفاده شده است.

در اين نوآوري جالب توجه در تکنولوژي ساخت بتونهاي پيش ساخته آرماتورگذاري مرسوم جاي خود را به شبکه اي از فيبرهاي کربن ضد خوردگي و با مقاومت بالا مي دهد. اين ابتکار سبب کاهش ضخامت مقاطع پيش ساخته و کاهش وزن اجزاء سازه اي و معماري (بار مرده) ساختمان تا ۶۶٪ مي گردد. در اين بتن پيش ساخته از ميلگرد و کابلهاي فولادي معمول براي آرماتورگذاري اصلي و از شبکه فيبرهاي کربني چسبيده به رزين با ضخامت ۱ ميلي متر براي آرماتورگذاري فرعي استفاده مي شود. مقاومت بالا ،دوام فوق العاده و خواص کششي بسيار خوب آن در مقايسه با ميلگرد از نکات بارز اين محصول است.

بطوريکه در آن پوشش موثر بتني سه چهارم اينچي تا سه اينچي در آرماتورهاي فولادي به فقط يک چهارم اينچ پوشش بتني کاهش مي يابد.همچنين با استفاده از اين تکنولوژي در ساخت پانلها و تيرهاي T شکل کنترل ترک خوردگي انقباضي بتن (shrinkage cracking) نسبت به شبکه آرماتوري تا ميزان ۵۰٪ بهبود مي يابد و در پانلهاي ديواري عايق بين جداره داخلي و بيروني آن يک مقطع سازه اي کاملا مرکب ايجاد مي کند.زيرا به لحاظ گرمايي کاملا عايق است. شبکه فيبرهاي کربن کست همانند آنچه گاهي در مورد آرماتورهاي فولادي ديده مي شود زنگ نمي زند و نماي آن را بد شکل نمي کند.