تبلیغات
تازه های عمران و معماری - بتن پلیمری 1
چهارشنبه 26 مرداد 1390

بتن پلیمری 1

   نوشته شده توسط: علیزاده    

پلیمر چیست؟

مقدّمه

بیش از هر چیز باید به این نکته اشاره کنم که مقاله حاضر در واقع از دو مرجع بهره مند شده است ، مرجع اوّل پایان نامه های دانشجویان مقاطع بالاتر تحصیلی و مرجع دوّم ، دائره المعارف بریتانیکا است . سعی شده است در مکان هایی که نیاز  بوده است معادل انگلیسی کلمه در کنار آن نوشته شود .

پلیمر چیست؟

اوّلین سؤالی که در ذهن خواننده پس از شنیدن نام بتن پلیمری نقش می بندد این است که پلیمر ( Polymer ) چیست ؟ برای پاسخ به این سؤال بهتر است اوّل با مونومر  ( Monomer ) آشنا شویم :

دائره المعارف بریتانیکا در مورد مونومر چنین می گوید :

“ مولکولی از هر دسته ترکیبات ( ا‌غلب ارگانیک )‌ که می تواند با مولکول های همانند خود یا از نوع دیگر واکنش دهد و تشکیل  مولکول های بسیار بزرگ یا پلیمر را بدهد . خاصیّت و ویژگی اساسی مونومر  چندگانه واکنش دادن آن است ، مونومر دارای قابلیّت  شکل دادن ترکیبات شیمیایی با حدّاقل دو مولکول مونومر دیگر است ، ..”  

با توجّه به آنچه گفته شد می توان متوجّه شد که مونومر همانند حلقه های یک زنجیر است و پلیمر خود زنجیر است ، در واقع باید بتوان یک پلیمر را به مونومرها با ضریب صحیح تقسیم کرد ، لزومی ندارد که یک مونومر ، عنصر باشد ، در واقع مونومر مولکولی است که از تکرار آن پلیمر به دست می آید و دارای وزن مولکولی کمی می باشد . بد نیست بدانیم که معادل فارسی مونومر ، تکپار ، و معادل فارسی پلیمر ، بَسپار است .

 

بتن پلیمری

قرن بیستم را به حق باید قرن پلیمر ها نیز دانست ، محصولات پلیمری از لحاظ حجمی در سال 1990 بر حجم محصولات آهنی فایق آمد و پیش بینی می شود که در قرن حاضر ، از لحاظ وزن نیز بالاتر رود . صنایع ساختمان بزرگترین مصرف کننده موادّ پلیمری ، 25 تا 30 درصد از کلّ پلیمر ها را مصرف می کند . یکی از مواردی که در ساختمان به وفور استفاده می شود بتن است . این مادّه به دلیل هزینه پایین تولید ، راحتی استفاده و استحکام فشاری ، یکی از موادّ پرمصرف در سازه هاست ولی به دلیل نقایصی که دارد ( نقایصی چون : 1 تخریب یخ زدگی و ذوب  2 تخریب پذیری توسّط موادّ شیمیایی خورنده  3 استحکام کششی کم   4- دیرپخت بودن و . ) همزمان با تولید این مادّه ، ترکیب آن با فولاد ( مسلّح کردن بتن )‌ و ایجاد خاصیّت تاب خمشی مطرح شد و از همان موقع ، استفاده از موادّ و ترکیبات شیمیایی ، برای بهبود خواصّ آن مورد توجّه قرار گرفت . حاصل تحقیقیاتی که در این زمینه صورت گرفت این نتیجه را در بر داشت که جایگزینی مناسبی ، با موادّ پلیمری انجام شده است و با به کارگیری آنها به روش های مختلف ، خواصّ بتن ارتقا می یابد . ( این تحقیقات بیشتر در ژاپن ، آمریکا و روسیه انجام شده است ) .  در این رابطه خانواده بتن های پلیمری ، بهترین خاصیّت  ها را از خود نشان دادند . خواصّ این نوع بتن ، برتر از بتن های سیمانی بود و گاهی خواصّ منحصر به فردی از خود نشان می دهد . با توجّه به ‌نیاز بیشتر به استحکام در سازه ها و برتری های این نوع بتن ، بتن پلیمری مورد علاقه دانشمندان واقع شد و با وجود آنکه مدّت زیادی از اختراع آن نمی گذرد و علیرغم قیمت بالایی نیز که داراست مورد ستقبال روزافزون قرار گرفته است . بتن های پلیمری از حدود سال 1950 وارد بازار شده اند و پیش بینی می شود در طیّ دهه پیش رو ، مصرفشان 10 برابر شود . کاربرد این نوع پلیمرها به دو شاخه استفاده جامد و استفاده غیر جامد تقسیم می شود . در حالت جامد محصولات پلیمری به جای  فولاد جایگزین می شوند و بتن را مسلّح می کنند که در این حالت ، پلیمر به صورت رشته ، شبکه و یا میلگرد در بتن استفاده می شود . در حالت غیر جامد با تزریق پلیمر های پودری و مایع ، در دوام بتن بهبود حاصل می شود .

در کشور ما کار خاصّی روی بتن پلیمری صورت نگرفته است و هنوز در سطح یک موضوع تحقیقاتی برای دانشجویان
باقی مانده است ، موضوعی که منابع تحقیق آن نیز غالباً خارجی هستند .

بتن های پلیمری ( Polymer Concrete )  حالت جامد :

اکثر موادّ و مصالح طبیعی به دلیل ناپیوستگی های سطحی و ترکیباتی که در خود دارند ، دارای مقاومت لازم برای تحمّل
تنش های زیاد نیستند و لازم است تا با موادّ دیگری مسلّح شوند . دانشمندان به دنبال موادّی هستند که در ضمن مسلّح کردن بتن ، دارای وزن کمتر ،  مقاومت بیشتر در برابر عوامل جوّی ، رفتار بهتر در بارگذاری های متناوب باشد  و بتواند مقاومت خود را  در دماهای بالا مثل دمای کوره حفظ کند و
..از این قبیل.
 یکی از مشهورترین این مصالح ، کامپوزیت های پلیمری می باشند . اوّلین باری که کامپوزیت ها در بنا استفاده شد در زمان جنگ جهانی دوّم بود . در آن زمان بر روی ساختمان هایی که باید رادار نصب می کردند ، استفاده  از سازه های فلزّی و یا حتّی بتن آرمه ، مشکل ایجاد می کرد ، با مسلّح کردن بتن توسّط کامپوزیت های بتنی  ، این مشکل برطرف شد . همچنین در همان بحبوحه جنگ بعضی از قسمت های هواپیماهای جنگی را از پلی استرهایی که با رشته های شیشه تقویت شده بودند می ساختند .

در ساختمان های مسکونی از کامپوزیت هایی با فیبر شیشه ای یا پلی استر استفاده  می شد . (‌ سازه کامپوزیتی GPR ) ، دو ساختمان  استثنایی با سازه کامپوزیتی ساخته شده است که یکی سازه گنبدی شکل در بن غازی (‌ 1968 )‌ و دیگری سقف فرودگاه دبی ( 1972 )‌ است که تأثیر محسوسی بر استفاده  از این نوع سازه ها داشته است .

اکثر این سازه ها دارای سازه اصلی بتن مسلّح بود و برای ساخت پانل ها از GPR (Glass Polymer Reinforced )  بهره می برد ، همانند سازه قوسی فضاکار زمین فوتبال شهر منچستر (‌1980 ) ، مهمّترین کاربردهای GPR به قرار زیر است :

1-    ساختمان  هایی که تحت اثر خوردگی شدید هستند .

2-     سازه های پیشرفته رادارها .

3-    ساختمان  هایی که کنترل کیفیّت آنها مهم است .

4-    ماهواره ها .

5-    آنتن های بزرگ .

مهمّ ترین دلایل افزایش استفاده  از کامپوزیت ( Composite )  :

1 وزن کم   2- قابلیّت ایجاد معماری های زیبا      3- مقاومت در برابر شرایط جوّی    4- خواصّ ضدّ خوردگی

5 وجود سازه هایی که در آنها نباید از فلز استفاده  کرد .

امروزه بسیاری از پل های بتن آرمه به دلیل وجود کلر در آب دریا ، تخریب شده اند که بتن پلیمری این نقیصه را ندارد و خورده نمی شود ، محصولات پلیمری در حالت جامد بیشتر به صورت میلگرد و شبکه مورد استفاده قرار می گیرند .

انواع بتن های پلیمری ( حالت غیر جامد ) :

پیش از بیان انواع بتن های پلیمری لازم است با فرآیند پلیمریزاسیون بیشتر آشنا شویم :  

پلیمریزه شدن : از اتّصال  واحد های مونومر به یکدیگر ، رشته یا شبکه های مولکولی سطحی یا فضایی
 تشکیل می شود که دارای وزن مولکولی بالایی هستند و به آنها پلی مر می گویند ، این فرآیند را پلیمریزه شدن می گویند . 
انواع بتن های پلیمری بدین قرارند :

1-  بتن های باردار شده توسّط پلیمر ( PIC ) : شامل بتن پورتلند پیش ریخته شده است که توسّط یک سیستم مونومری باردار گردیده است (‌ آماده واکنش است )‌ و متعاقباً در محلّ ،  پلیمریزه می شود .

2-    بتن های پلیمر سیمان (PCC)  : شامل یک مونومر است که به مخلوط آبی بتن تازه افزوده می شود و متعاقباً در محلّ، پلیمریزه می شود .

3-  بتن های پلیمری (PC) : شامل یک سیستم مخلوط از سنگریزه  ( Aggregate ) و پرکننده  ( Filler )   در مونومر می باشد که متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود .

4-    بتن های پلیمر گوگرد  (PSC ) : شامل یک سیستم مخلوط از بتن های گوگردی است  که توسّط پلیمر ها اصلاح خواصّ پیدا کرده باشد .

نحوه تولید بتن پلیمری (‌حالت غیر جامد ) :

بتن های پلیمری از 80 تا 95 درصد پرکننده های معدنی و گاهی آلی تشکیل شده اند و حدود 5 تا 20 درصد بایندر پلیمری نیز

بتن را نگاه می دارد ( بایندر  ( Binder )  به معنای پیوند دهنده یا متّصل کننده است و منظور همان محلول مونومر است که پس از فرآیند پلیمریزاسیون بتن را نگاه می دارد ) ، خواصّ بتن های پلیمری برتر از بتن های سیمانی است .

با انتخاب : الف ) بایندر مناسب    ب) نوع و میزان مناسب پرکننده   ج ) به کار بردن افزودنی های مناسب

می توان طیف وسیعی از بتن های پلیمری را با خواصّ فیزیکی ، مکانیکی ، دینامیکی ، الکتریکی ، حرارتی ، شیمیایی ، تزئینی و تهیّه کرد . در صورتیکه این طیف وسیع برای بتن های سیمانی وجود ندارد . از مجموعه موادّ رایج به عنوان بایندر پلیمری سه نوع رایج ترند که عبارتند از : 1 اپوکسی ( Epoxy )    2- پلی استر    3 پلی یورتان

از پرکننده های رایج نیز دو نوع رایج ترند که عبارتند از : 1 سیلیس (Silica)    2- کربنات کلسیم

بر اساس آزمایش هایی از نوع برزیلی ، نتایج زیر حاصل شد :

1 نمونه های بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر ، استحکاک بالاتری دارند .

2- نمونه های  بتن پلیمری با بایندر پلی یورتان ، ازدیاد طول بسیار زیادی دارند . (  تعریف اپوکسی و . در همین مقاله گفته خواهد شد . )

بایندر های پلیمری 90% کلّ قیمت بتن را شامل می شوند . با وجود این ، قیمت بتن های پلیمری ، بسیار کمتر از
پلاستیک هاست . انتخاب مناسب بایندر و پر کننده مناسب ، می تواند سبب هر یک از حالات زیر شود :

1 بتن هایی با دی الکتریک بالا   2 برعکس بتن هایی با هدایت الکتریکی بالا 3 قطعاتی مناسب برای ایجاد خلاء  ..

 تغییر خواصّ بتن پلیمری بر حسب تغییر پرکننده ها :

پرکننده ها از دو دسته تشکیل می شوند : 1- جزء زبر ( دانه بندی درشت )   2- جزء نرم ( دانه بندی ریز )

پرکننده های سبک وزن شامل  سه دسته سنگ های رسی سبک ، پرلیت و سنگ پا  ( Pumice )  می شوند و پر کننده های سنگین شامل 4 دسته قطیر ، هماتیت ، ایلمنیت ، باریت می شوند .

از این موادّ برای تولید بتن های پلیمری با وزن مخصوص بین 640 تا 5200 کیلوگرم بر متر مکعّب می توان استفاده کرد . پرکننده های بسیار نرم برای کاهش حجم خالی بتن به کار برده می شود . مانند پودر سیلیس ، کربنات کلسیم ، خاکستر ، کائولین . میکا تالک ،‌تری هیدرات آلومینا ‌، سولفات کلسیم و سیمان پورتلند . پر کننده ها می توانند سبک باشند مانند
دانه های شیشه ای سوراخ دار ، سرامیک یا گلوله های پلاستیک .

با استفاده از پرکننده های هادی مثل کربن یا پودرهای فلزّی ، می توان بتن را از نظر الکتریکی رساناتر کرد ، افزودنی هایی مثل فیبرهای شیشه ای ،‌آلی و فلزّی برای اصلاح استحکام ضربه ای ، خمشی و همچنین برای کاهش پدیده انقباض ناشی از پخت به کار می رود . عوامل تر کننده باعث کاهش سطحی زیرین مایع و سهولت ترشدگی سطوح پرکننده می شود . جهت تأمین رنگ و همچنین گاهی اوقات به منظور پایداری در مقابل نور از رنگدانه ها استفاده می شود .

با افزودن لاتکس های  SBR  و اپوکسی به بتن معمولی به عنوان بتن سیمان پرتلند ، پلی مری استفاده شده است که باعث بهبود خواصّ‌مهندسی و پایایی بتن می شود و همچنین با افزودن رزین های پلی اسراسیترن و اپکسی به مصالح سنگی به عنوان بتن پلیمری که در مورد رزین پلی اسراسیترن، خواصّ‌ مهندسی و پایایی بتن به طور چشمگیری بهبود می یابد .