اصطلاح ژئوپلیمر را اولین بار فردی به نام «جوزف دیویدو ویتس» در سال ۱۹۷۹ مطرح کرد. او ژئوپلیمرها را به عنوان شاخه‌ای جدید از مواد آلومینا سیلیکاتی با ساختار سه بعدی معرفی کرد. به دنبال وسعه تکنولوژی ژئوپلیمرها، فرصت بسیار خوبی برای رشد و تولید محصولات گوناگون بر پایه ژئوپلیمرها فراهم گشت.

بتن ژئوپلیمر بتنی است که در آن از مصالح آلومینا-سیلیکاتی غنی از سیلیکون (Si) و آلومینیوم (AL) و محلول قلیایی بعنوان چسباننده استفاده می‌شود. از مزایای بتن‌های ژئوپلیمری علاوه بر انرژی تولید پایین، می‌توان خواص مکانیکی مطلوب و دوام بالا در محیط‌های خورنده را برشمرد.

در حقیقت ژئوپلیمرها یک جایگزین مناسب برای بسیاری از انواع سیمان است. زیرا مواد اولیه مورد استفاده برای تولید آنها، نسبت به سیمان‌های مرسوم و پلیمرهای آلی ارزان‌تر بوده و به وفور یافت می‌شود. همچنین محدوده دمایی تولید بخش اعظم آنها به مراتب پایین تر از سیمان‌های مرسوم است و به اين دليل از نشر آلاینده‌هایی نظیر CO2 ناشی از کوره‌های پخت سیمان و آلاینده‌های ناشی از سوختن پلاستیک‌ها جلوگیری می‌شود.

عوامل موثر و کلیاتی از خواص مقاومتی بتن ژئوپلیمری

نگرش‌های متعددی در زمینه تاثیر عوامل مختلف بر مشخصات مکانیکی و دوامی بتن‌های ژئوپلیمری وجود دارد. از دیدگاه پالومو فعال‌کننده قلیایی، زمان و دمای عمل‌آوری، عوامل موثر در میزان مقاومت فشاری است. هرچند سایر محققین نیز گزارش کرده‌اند که پارامترهای مهم در تکمیل فرایند پلیمریزاسیون شامل مقدار نسبی Na ،K ،Al و Si، ضریب Si به Al موجود در محلول، نوع فعال‌کننده قلیایی، میزان آب و دمای عمل‌آوری است. وجود یون‌های سیلیکات در محلول قلیایی مشخصات مکانیکی و مدول الاستیسیته را بهبود می‌بخشد.

نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که ضریب مولار H2O/M2O در مخلوط، مقاومت فشاری بتن ژئوپلیمری ساخته شده از خاکستر بادی را تحت تاثیر قرار می‌دهد، در حالی‌که تاثیر ضریب مولار Na2O/Si2O از درجه اهمیت کمتری برخوردار است. همچنین «ون جارسولد» دریافت که عمل‌آوری در دماهای بالا و برای زمان طولانی ممکن است ساختار ماده سخت شده را تضعیف کند. مطالعات انجام شده بر روی بتن های ژئوپلیمری ساخته شده از خاکستر بادی، تایید می‌کنند که دمای عمل‌آوری و زمان آن تاثیر بسزایی در مقاومت فشاری داشته اما در مورد آلومینوسیلیکات‌های مختلف، این تاثیر متفاوت است. زمان عمل‌آوری بیشتر و دمای عمل‌آوری بالاتر مقاومت فشاری را در بتن های ژئوپلیمری ساخته شده از خاکستر بادی افزایش می‌دهد. در بیشتر موارد ۷۰٪ مقاومت فشاری نهایی در چهار ساعت اول گیرش بدست می‌آید. دلیل آن این است که واکنش شیمیایی خمیر ژئوپلیمر که از خاکستر بادی فعال شده با قلیا تشکیل شده، یک فرایند پلیمریزاسیون سریع بوده و مقاومت فشاری بعد از ۲۴ ساعت عمل‌آوری، با افزایش سن بتن، افزایش مشخصی نخواهد داشت.

پرتاز گزارش کرده است که مدول الاستیسیته در ملات‌های با سیمان معمولی برابر با GPa ۵٫۷ است. این مقدار بیش از مقدار موجود برای ملات‌های ساخته شده با خاکستر بادی و فعال شده با NaOH به غلظت 8M است که برابر GPa ۴٫۴ است. فرناندز و جیمنز دریافتند که افزایش محلول سیلیکاتی در محلول قلیایی مدول الاستیسیته را در بتن‌های ژئوپلیمری ساخته شده با خاکستر بادی بهبود می‌بخشد. البته این بهبود کافی نبوده و بتن‌های ژئوپلیمری ساخته شده از خاکستر بادی مدول الاستیسیته‌ای کمتر از حد انتظار از خود نشان می‌دهند. مقادیر گزارش شده برای بتن معمولی در محدوده  GPa ۳۰٫۳ تا ۳۲٫۳ بوده در حالی که این محدوده برای بتن‌های ژئوپلیمری ساخته شده از خاکستر بادی، از ۱۰٫۷ (بدون سیلیکات) تا  GPa ۱۸٫۴ با سیلیکات است. البته هاردجیتو نتایج بهتری را برای محدوده مدول الاستیسیته مشاهده کرد که در حدود GPa ۲۲٫۹۵ تا ۳۰٫۸۴ است.

ساخت و عمل‌آوری بتن ژئوپلیمری

برای تولید بتن ژئوپلیمری می‌توان از تجهیزات مربوط به تولید بتن معمولی استفاده کرد. انجام آزمایشات مربوط به کارایی و نمونه‌گیری همانند بتن معمولی است.

عمل‌آوری حرارتی در بتن ژئوپلیمری به واکنش در حال انجام در خمیر حاصله کمک می‌کند. زمان و دمای عمل‌آوری نقش بسزایی در مقاومت فشاری بتن ژئوپلیمری بازی می‌کند. نمونه‌ای از تاثیر زمان عمل‌آوری در نمودار زیر قابل توجه است.

عمل‌آوری می‌تواند در شرایط خشک و یا بخار صورت پذیرد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که مقاومت فشاری نمونه‌هایی که در شرایط خشک عمل‌آوری شده‌اند در حدود ۱۵٪ بیش از نمونه‌هایی است که در شرایط بخار عمل‌آوری شده‌اند.

مشخصات بتن ژئوپلیمری

مشخصات الاستیک بتن ژئوپلیمری سخت شده و رفتار و مقاومت بتن ژئوپلیمری مسلح به عنوان یک عضو سازه‌ای، همانند رفتار بتن ساخته شده با سیمان پرتلندی است. بتن‌های ژئوپلیمری ساخته شده از خاکستر بادی که تحت حرارت عمل‌آوری شده‌اند، مقاومت عالی در برابر حمله سولفات‌ها و مقاومت خوبي در برابر اسید از خود نشان داده‌اند. رفتار و مدهای گسیختگی تیر و ستون بتن ژئوپلیمری مسلح، همانند رفتار بتن‌های ساخته شده با سیمان پرتلند گزارش شده‌اند. از این موضوع می‌توان نتیجه گرفت که محاسبات بکارگرفته شده برای تیرها و ستون های بتن ساخته شده با سیمان پرتلندی مسلح، برای بتن‌های ژئوپلیمری مسلح نیز قابل استفاده است.

از این رو مقررات طراحی موجود که در قالب استانداردها و کدها مطرح می‌شوند، می‌توانند در طراحی بتن‌های ژئوپلیمری ساخته شده از خاکستر بادی با کلسیم کم، به عنوان عضو سازه‌ای بکارگرفته شوند. علاوه بر مشخصات مکانیکی بتن ژئوپلیمری، به دلیل دوام بالا و مقاومت مطلوب آن در برابر آتش، استفاده از آن به عنوان عضو سازه‌ای توجیه‌پذیرتر است.

منبع: ایستا اسپیسر