بتن پلیمری چیست؟ انواع و شیوه اجرا

1- انواع بتن پلیمری

در بتن پلیمری از یک پلیمر به عنوان ماده چسبنده به جای سیمان استفاده می شود. انواع بتن های پلیمری را می توان به سه دسته زیر تقسیم کرد.

1. بتن پلیمری (PC)، که از پلیمریزاسیون (بسپارش) مخلوطی از مونومر و سنگدانه ها تشکیل می شود و در آن هیچ نوع دیگری از مصالح چسبنده وجود ندارد.
2. بتن اصلاح شده با لاتکس (LMC) ، که به بتن پلیمری با سیمان پرتلند (PPCC) نیز موسوم است، و همان بتن با سیمان پرتلند معمولی است که معمولا از جایگزین کردن یک لاتکس (امولسیون پلیمر) به جای بخشی از آب بتن ساخته می شود.
3. بتن با پلیمر تزریقی (PIC) ، که از طریق تزریق کردن یا نفوذ دادن مونومر به درون بتن با سیمان پرتلند سخت شده و متعاقب آن پلیمریزاسیون مونومر در محل تولید می شود.

هر دوی PC و LMC ، از سال های دهه 1950 به صورت تجاری استفاده شده اند؛ PIC دیرتر ابداع شد و از دهه 1970 مورد استفاده قرار گرفت.

بسته مصالح به کار برده شده، PC می تواند مقاومت های فشاری در حد 140 مگاپاسکال را ظرف مدت یک ساعت و یا حتی چند دقیقه کسب کند و بنابراین برای کارهای بتنی فوری در معادن، تونل ها و جاده ها مناسب است.

LMC دارای قابلیت پیوستگی عالی به بتن قدیم است و از دوام زیاد در مقابل محلول های مخرب نیز برخوردار است؛ بنابراین عمدتا برای روکش های کف های صنعتی و نیز برای بازسازی دال های آسیب دیده به کار گرفته می شود.

در مورد PIC می توان گفت که به دلیل درزگیری ریز ترک ها و منافذ مویینه امکان تولید محصول غیر قابل نفوذی که مقاومت نهایی آن در حد PC باشد، وجود دارد. PIC برای تولید محصولات پیش ساخته با مقاومت زیاد و نیز برای بهبود دوام سطوح دال پل ها مورد استفاده قرار می گیرد.

به دلیل هزینه زیاد این مصالح و دردسر های زیاد فناوری تولید (آنها به جز LMC) استفاده از بتن های حاوی پلیمر خیلی محدود است. در نتیجه فقط مرور خلاصه ای بر مواد، فن آوری تولید و خواص این نوع بتن ها خواهیم کرد.

2- بتن پلیمری PC

آنچه که با عنوان بتن پلیمری (PC) نامیده می شود، مخلوطی از سنگدانه ها و یک پلیمر، به عنوان چسبنده است. برای به حداقل رساندن مقادیر چسبنده، بسیار مهم است که حداکثر ممکن جرم مخصوص توده خشک سنگدانه ها حاصل گردد.

برای مثال، در یک تحقیقات انجام شده در انستیتوی تحقیقات ساختمان در اوهاما، در کشور ژاپن با استفاده از سنگدانه ی درشت با دو نوع دانه بندی مختلف ولی با حداکثر اندازه 19mm و ماسه با پنج نوع دانه بندی سعی گردید که منحنی فولر برای حداکثر جرم مخصوص مخلوط سنگدانه ها به دست آید.

منافذ محدوده ی 20 تا 25 درصد با مخلوطی از رزین پلی استر غیر اشباع 1:1 و سنگ آهک پودر شده، پر شدند. مهم آن بود که از سنگدانه های خشک استفاده شود، زیرا رطوبت سبب آسیب دیدگی جدی در خواص این نوع بتن می شود.

در تحقیقات فوق الذکر، که در ژاپن صورت گرفت، یک کاتالیزور پروکسیدی و یک تسریع کننده، با مونومر مخلوط گردیدند تا در نتیجه، پلیمریزاسیون  بتن توسعه پیدا کند.

برای عمل آوری، از دو روش مختلف استفاده شد. یک عمل آوری حرارتی در 50 تا 70 درجه سانتی گراد، و دیگری عمل آوری در دمای اتاق در 20 درجه سانتی گراد. مقاوت فشاری نمونه های عمل آوری شده با حرارت، ظرف مدت 5 ساعت به حدود  20000 Psi رسید، در حالی که نمونه هایی که به طور معمولی عمل آوری شده بودند، پس از 7 روز در حدود 15000 Psi مقاومت داشتند.

رزین های پلی استر خواستار بیشتری دارند، زیرا نسبت به بقیه محصولات از هزینه نسبتا کمتری برخوردارند. محصولات تجاری با فرمول های مختلفی موجودند، که بعضی از آنها قابلیت سخت شدن و کسب مقاومت در حد 15000 Psi در مدت چند دقیقه بدون اعمال حرارت را دارند.

رزین های اپوکسی گران ترند، ولی می توانند مزایایی نظیر چسبندگی به سطوح خیس را داشته باشند. به نظر می رسد که استفاده از مونومر استایرن، و متیل متاکریلیت (MMA) همراه با کاتالیزور پروکسید بنزوییلی و یک پیش برنده ی آمینی، در بتن های پلیمری (PC) رو به گسترش باشد.

با افزودن یک ماده ی جفت کننده ی سیلانی به سیستم مونومر بتن پلیمری، چسبندگی بین پلیمر و سنگدانه زیاد می شود و در نتیجه محصولی با مقاومت بیشتر به دست می آید.

خواص بتن پلیمری (PC) عمدتا، تابع مقدار و خواص پلیمر در بتن است؛ برای مثال، PC ساخته شده با MMA  ماده ای ترد است که رابطه ی تنش – کرنش در آن، تقریبا خطی، و مقاومت نهایی آن زیاد است.

مشخصات متعارف یک بتن پلیمری پلی استری و یک بتن پلیمری با پلی متیل متاکریلیت در جدول ذیل درج شده است.

گوگرد، که یک محصول جنبی پالایشگاه نفت است، دارای لزجت کم در دمای 120 درجه است. این ماده، به طور موفقیت آمیزی برای ساخت PC به کار رفته است. به دلیل مقاومت شیمیایی خوب و مقاومت اولیه و مدول ارتجاعی زیاد بتن های پلیمری، کاربرد صنعتی آنها عمدتا در روکش ها و کارهای تعمیراتی است.

خصوصیات حرارتی و خزشی بتن پلیمری ، معمولا از نظر استفاده از آن در سازه مناسب نیست. طبق نظر لات (Lott) و همکارانش، بتن های پلی استری ویسکوالاستیک هستند و تحت بارگذاری فشاری ثابت، در حد تنش های 25 درصد برای بارگذاری 1000 ساعت سبب کاهش ظرفیت مقاومت نهایی آن نگردید.

بنابر این پژوهشگران توصیه می کنند که در هنگام استفاده از بتن استری در سازه هایی که دارای نسبت زیاد بار زنده به بار مرده هستند. نیز در سازه های مرکبی که در آنخا بتن پلی استر ممکن است در بارگذاری دراز مدت دچار وادادگی شود، توجه خاصی به رفتار آن بشود.

3- بتن پلیمری اصلاح شده با لاتکس LMC

در خصوص بتن اصلاح شده با لاتکس در یک نوشته جدا مطالبی تهیه شده که از اینجا می توانید آن را مطالعه کنید.

4- بتن پلیمری تزریقی PIC

همانطور که قبلا ذکر کردیم، اهمیت عمده PIC اساسا در این است که اگر بپذیریم که منافذ، مسئول مقاومت کم و همچنین دوام ضعیف بتن در محیط های سخت هستند، لذا می توانیم نتیجه بگیریم که حذف آنها، از طریق پر کردن آنها با پلیمر باید خصوصیات مصالح را بهبود بخشد.

در بتن سخت شده، منافذ مویینه و ریز ترک ها، خیلی پیچ و خم دار است. چنانچه لزجت مایع زیاد باشد و منافذ باشد و منافذ موجود در بتن، خالی نباشند (زیرا آنها شامل آب و هوا هستند)، لذا برای یک مایع بسیار مشکل است که بتواند به داخل آن نفوذ کند.

بنابراین، برای تولید PIC، نه تنها انتخاب یک مایع با لزجت کم، برای نفوذ به داخل بتن، ضروری است بلکه همچنین، بتن، قبل از آنکه در معرض فرآیند نفوذ قرار گیرد، می باید خشک و مکیده شود.

معمولا، از مونومر هایی نظیر متیل متاکریلیت (MMA) و استایرن، که دارای لزجت کم، نقطه ی جوش زیاد (افت کم ناشی از تبخیر) و قیمت کم هستند، برای تزریق به داخل بتن استفاده می شود.

مونومر، پس از نفوذ به داخل بتن، باید در محل پلیمریزه شود. این روند به سه طریق قابل انجام است.

یک ترکیب از مواد پیش برنده شیمیایی و کاتالیزور ها، برای پلیمریزه شدن در دمای اتاق قابل استفاده می باشد؛ اما این روش چندان رضایت بخش نیست زیرا روند آن کند است و کمتر قابل کنترل می باشد.

همچنین اشعه گاما می تواند موجب پلیمریزاسیون در دمای اتاق بشود، اما خطر این اشعه برای سلامتی، سبب شده است که از پذیرش وسیع این روش، در عمل اجتناب شود.

روش سوم، که معمولا به کار گرفته می شود، شامل استفاده از مخلوطی از مونومر و کاتالیزور برای تزریق است و در نتیجه آن، پلیمریزاسیون مونومر، از طریق حرارت دادن بتن در دمای 70 الی 90 با بخار، آب داغ و یا اجاق های اشعه مادون قرمز انجام می شود.

با توجه به مطالب فوق، چنین به نظر می رسد که فن آوری تولید PIC بسیار پیچیده تر از بتن معمولی است. هر چند که فن آوری هایی ابداع شده است که تزریق در بتن سخت شده بتواند در محل انجام شود، ولی بنا به دلائل مسلم، اعضای PIC معمولا در کارخانه های محصولات پیش ساخته، ساخته می شوند.

4-1- توالی عملیات تزریق پلیمر در بتن

• ساخت اعضای بتن معمولی در جا: همانطور که بعدا تشریح می شود، از آنجاییکه کیفیت بتن قبل از نفوذ، از نظر خواص محصول نهایی مهم نیست، هیچگونه مراقبت خاصی در انتخاب مصالح و نسبت اختلاط بتن لازم نیست. ضخامت مقطع به طور کلی به حد اکثر حدود 150 mm محدود می باشد، زیرا نفوذ کامل در مقاطع ضخیم مشکل است.

• عمل آوری اعضا: پس از خارج کردن اعضا از قالب ها، عمل آوری آنها در دماهای محیط، از طریق عمل آوری مرطوب معمولی برای مدت 28 روز و یا 7 روز مناسب است، زیرا خواص نهایی PIC تابع کیفیت تراوایی بتن نیست. برای برنامه زمان بندی تولید سریع، ممکن استفن آوری های عمل آوری نیز اعمال گردد.

• خشک کردن و مکش: زمان و دمای مورد نیاز برای خارج کردن آب آزاد از منافذ مویینه از محصولاتی که با رطوبت عمل آور شده اند، تابع ضخامت عضو است. ممکن است لازم باشد که یک نمونه استوانه ای با ابعاد 150*300 mm، به مدت 3 تا 7 روز در دمای خشک شدن معمولی یعنی (100 تا 110 درجه سلسیوس) قرار گیرد تا همه ی آب آزاد آن خارج شود. دماهایی در حد 150 تا 175 درجه می تواند روند خشک شدن را تسریع بخشد، بنابر این فرآیند در 1 تا 2 روز کامل می شود؛ اگر تمام منافذ و ریز ترک ها در نتیجه نفوذ مونومر پر شوند، ممکن است که خطر ترک خوردگی حرارتی ناشی از حرارت دادن و سرد کردن سریع چندان اهمیت نداشته باشد.

اگر نفوذ نسبتا سریع (در مدت 1 ساعت) و عین حال کامل، مد نظر باشد، اعضای خشک شده باید قبل از غوطه ور شدن در مونومر باید مکیده شوند. انجام این روند ممکن است در کار بردهای دوام ضروری نباشد. در چنین حالتی، غوطه ور کردن بتن خشک شده در درون مونومر در تمامی طول شب، بدون مکش قبلی آن، موجب می شود که عمق نفوذ، به نصف تا سه چهارم ضخامت، نسبت به سطح ورود مونومر برسد.

• غوطه ور کردن بتن خشک شده، در داخل مونومر: تزریق درجای بتن در کارگاه ممکن است از طریق به شکل حوضچه در آوردن سطح آن حاصل شود، اما اعضای پیش ساخته مستقیما در مخلوط مونومر – کاتالیزور غوطه ور می گردند. مونومرهای تجاری شامل بازدارنه ها هستند. این مواد، از پلیمریزه شدن زودرس پلیمرها در هنگام انبار کردن آنهاجلوگیری می کنند؛ کاتالیزور ها، برای غلبه بر تاثیر ناشی از استفاده از بازدارنده ها به کار می روند. در صورت استفاده از MMA، می توان به میزان 3 درصد وزنی پروکسید بنزوییلی را به عنوان کاتالیزور به کار برد.

همانطور که قبلا ذکر شد، به دلیل سیستم منافذ پیچ و خم دار بتن سخت شده، تزریق کامل نمونه های خشک شده از طریق غوطه ور کردن یا تراوش خیلی مشکل است.

در مطالعه ای که ساپلر (Sopler) و همکارانش انجام دادند، مکعب های 15 سانتی متری بتن با نسبت های آب به سیمان 0.56 برای مدت 7 روز تحت عمل آوری مرطوب قرار گرفتند. سپس به مدت 4 روز، در دمای 150 درجه سلسیوس  خشک شدند، و برای مدتی بین 5 دقیقه تا 48 ساعت در MMA غوطه ور شدند.

بازرسی نمونه های پلیمریزه شده غوطه ور به مدت 48 ساعت نشان داد که کل وزن پلیمر حدود 4.5 درصد وزن بتن بوده است و به درون مغزه 3 سانتیمتری میانی نمونه، هنوز نفوذی صورت نگرفته است (بنابر این 3.5 سانتیمترعمق نفوذ از هر سطح حاصل شده است).

در 5 دقیقه اول در معرض قرارگرفتن بتن، حدود 38 درصد از نفوذ 48 ساعته پلیمر تحقق یافت؛ بنابر این، به تدریج سرعت نفوذ کاهش یافت.

عمق نفوذ در زمانهای 100 دقیقه، 4 ساعت و 8 ساعت به ترتیب برابر با 2، 2.5 و 3 سانتیمتر بوده است. درنتیجه وقتی که تزریق کامل مد نظر باشد، غیر از غوطه ور شدن نمونه ضروری است که مونومر تحت فشار تزریق شود.

• عایق کردن مونومر: برای جلویری از افت مونومر از طریق تبخیر در مدت حمل و پلیمریزاسیون، اعضای تزریق شده می باید به گونه ای موثر، از طریق قرارگیری آنها در ظروف فولادی، یا پوشانیدن چند لایه فویل آلومینیومی به دور آنها عایق شوند؛ در بازسازی دال های پل ها، این امر، از طریق پوشانیدن سطح با ماسه حاصل می شود.

• پلیمریزه کردن مونومر: همانطور که قبلا تشریح شد، روش پلیمریزاسیون کاتالیزوری – حرارتی ترجیح داده می شود.

زمان لازم برای تکمیل پلیمریزاسیون مونومر در اعضای عایق شده ی قرار گرفته در معرض بخار، آب داغ یا هوا، یا حرارت مادون قرمز در 70 تا 80 درجه سلسیوس ممکن است از یک تا چندین ساعت باشد.

در مورد مخلوط MMA و پروکسید بنزوییلی، هیچ اختلافی بین مقاومت نمونه های پلیمریزه شده در دمای 70 با هوای داغ برای برای مدت 16 ساعت، یا آب داغ برای مدت 4 ساعت مشاهده نگردید. پلیمریزه کردن در آب داغ، روند تولید پیش ساخته را با حذف نیاز به عایق بندی، آسان می کند.

خواص مکانیکی PIC در جدول فوق نشان داده شده است. مطالعات مختلف نشان داده است که خواص PIC تحت تاثیر کیفیت اولیه بتن تزریق نشده نمی باشد.

برای مثال، ساپلر و همکارانش، بتن هایی با سه کیفیت مختلف 3000 Psi یا 20 MPa (نسبت آب به سیمان 0.38) را در معرض یک فرایند یکسان قرار دادند؛ تمامی این بتن ها، خصوصیات مقاومتی مشابهی را کسب کردند، یا این وجود در بتن با نسبت آب به سیمان 0.83 به پلیمر زیادتری نیاز بود.

همانطور که انتظار می رود، درزگیری ریز ترک ها و منافذ، تردی ماده را تغییر می دهد. منحنی تنش – کرنش در فشار ، تا حدود 75 درصد بار نهایی، خطی باقی می ماند و میزان انحراف از خطی بودن در هنگام گسیختگی، فقط در حدود 10 تا 15 درصد است. به دلیل فقدان آب جذب شده، جمع شدگی و خزش چشمگیر نیستند.

با وجود مقاومت زیاد اعضای PIC این اعضا برای استفاده سازه ای از اهمیت کمی برخوردار هستند. زیرا ابعاد و اندازه ی آنها محدودیت دارد.

در مواردی که هدف اصلی دوام عالی مصالح در برابر سایش، عمل یخ زدگی و تهاجم ناشی از محلول های شیمیایی قوی می باشد، توجه زیاد و ویژه ای به استفاده از PIC شده است.

خصوصیات دوام PIC، نوید بخش اصلاح زیر کار بتن، در ترمیم بتن عرشه های پل ها است. بدیهی است که سیستم های روکش هایی که عموما برای ترمیم جاده های تخریب شده (LMC، PC، یا بتن ساده با مقاومت زیاد با سیمان پرتلند) استفاده می شود، ممکن است کاملا با زیرکار بتن ترمیم نشده سازگار نباشد.

کیدی (Cady) و همکارانش ترکیبی از چندین اصلاح زیر کار بتن و بتن روکش را تحقیق کرده و نتیجه گرفته اند که فقط زیر کار از نوع MMA (اعم از غوطه ور شده یا تزریق شده) بر اثر جداشدگی ، آسیب ندید و دوام بسیار خوبی در مقابل عمل یخ زدگی از خود نشان داد.

منبع : ریزساختار، خواص و اجزای بتن تالیف: پروفسورمهتا، پروفسور مونته ئیرو؛ ترجمه: دکتر علی اکبر رمضانیان پور دکتر پرویز قدوسی، دکتر اسماعیل گنجیان؛ انتشارات دانشگاه امیر کبیر.