بتن های پلیمری /انواع بتن پلیمری /خواص/روش تولید بتن پلیمری/کاربرد پلیمر در صنعت ساختمان

پذیرش اوّلین سؤالی که در ذهن 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.

امروزه پلیمر ها به شکل بسیار فراگیری کمک شایانی به توسعه جاه طلبانه بشر برای تولید کرده است و صنعت ساختمان هم برای حل مسائیل و نوآوری برای رفاه بیشتر,کیفیت بالاتر و صد البته هزینه کمتر از صنعت پلیمر کمک گرفته است که از قبیل انواع لوله های پلاستیکی چند لایه یا انواع مخازن پلی اتیلن و تانکر های آب بهداشتی و مخزن آتشنشانی میباشد که البته بتن های پلیمری انقلابی ترین نوع استفاده دقیق از پلیمر ها در صنعت ساختمان میباشد که در ذیل این مقاله به تمامی زوایای پیدا و پنهان این ابداع پر اهمیت میپردازیم.

بتن پلیمری:

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 قایصی چون: ۱– تخریب یخ زدگی و ذوب ۲ – تخریب پذیری توسّط موادّ شیمیایی خورنده ۳ – استحکام کششی کم ۴- دیرپخت بودن

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 استقبال روزافزون قرار گرفته است.

بتن های پلیمری از حدود سال ۱۹۵۰ وارد بازار شده اند و پیش بینی می شود در طیّ دهه پیش رو ، مصرفشان ۱۰ 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  (۱۹۶۸)‌ و دیگری سقف فرودگاه دبی  (۱۹۷۲)‌ 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 یا Glass Polymer Reinforced  بهره می برد ، همانند سازه قوسی فضاکار زمین فوتبال شهر منچستر (‌۱۹۸۰)، مهمّترین کاربردهای GPR به قرار زیر است:

۱- ساختمان هایی که تحت اثر خوردگی شدید هستند .
۲- سازه های پیشرفته رادارها .
۳- ساختمان هایی که کنترل کیفیّت آنها مهم است .
۴- ماهواره ها .
۵- آنتن های بزرگ .

مهمّ ترین دلایل افزایش استفاده از کامپوزیت ( Composite ):

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 پلیمر می گویند، این فرآیند را پلیمریزه شدن می گویند .

انواع بتن های پلیمری بدین قرارند:

۱- 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.

۲- 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.

۳- 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.

۴- 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 ۸۰ تا ۹۵ درصد پرکننده های معدنی و گاهی آلی تشکیل شده اند و حدود ۵ تا ۲۰ 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:

۱ – اپوکسی
۲- پلی استر
۳ – پلی یورتان

از پرکننده های رایج نیز دو نوع رایج ترند که عبارتند از :

۱– سیلیس
۲- کربنات کلسیم
که بر اساس آزمایش هایی از نوع برزیلی ، نتایج زیر حاصل شد :
۱ – نمونه های بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر ، استحکاک بالاتری دارند .
۲- 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 ۹۰% 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 :

۱ – بتن هایی با دی الکتریک بالا
۲ – برعکس بتن هایی با هدایت الکتریکی بالا
۳ – قطعاتی مناسب برای ایجاد خلاء و ..

 
تغییر خواصّ بتن پلیمری بر حسب تغییر پرکننده ها:

آشنایی با انواع بایندرها:‌

رزین ( Resin ): به مادّه آلی جامد یا نیمه جامد یا شبه جامدی گفته می شود که اغلب دارای وزن مولکولی نامشخّص امّا بالایی بوده و وقتی در معرض تنش قرار می گیرد تمایل به جریان دارد.

اپوکسی: اپوکسی نوعی رزین است، این نوع رزین دارای قطعاتی گرم و نرم است که با گرما آب می شوند.

رزین های اپوکسی: نوع مایع آن از چسبندگی خوبی به الیاف شیشه برخوردارند.(رزین اپوکسی مایعی است بی رنگ ، ‌متمایل به زرد ، فرّار و سمّی که در دمای اتاق بخار می شود .)

خواصّ رزین های اپوکسی:

۱- مقاومت در برابر خوردگی (Corrosion ) بسیار زیاد
۲- زمان پخت کم
۳- زمان کم برای رسیدن به استحکام ساختمانی
۴ –چسبندگی خیلی خوب به سطوح فلزّی
۵- مقاومت سایشی ( Abrasion Resistance ) بالا
۶ – استحکام مکانیکی بالا.
۷ – مقاومت در برابر موادّ شیمیایی مخرّب .
۸ – چروکیدگی ( Shrinkage ) کم در حین پخت
۹- عدم تولید محصولات فرّار جانبی در واکنش پخته شدن .
۱۰ – حفظ خواصّ و سازگاری حرارتی با فولاد در محدوده دمایی ۳۰ تا ۷۰ درجه سانتیگراد .
لاتکس: شیر آب محتوی مونومر که برای تولید پلیمر استفاده می شود.

 
روشی برای تقویّت بتن های معمولی:‌

در بتن های پلیمری از تکنیک آغشته سازی بتن با پلیمر استفاده می شود. در این روش، یک سیستم مونومری به داخل بتن سخت شده نفوذ می کند و پس از پلیمریزاسیون موجب انسداد مجاری و حفره های درون بدنه و اتّصال بیشتر اجزاء متشکّله و ارتقای بسیاری از خواصّ بتن خواهد شد.

همچنین در این روش از مونومر های متیل متا کریلات و استایرن استفاده می شود. روش کار بدین ترتیب است که نمونه های بتن را خشک و تمیز نموده و سپس خنک می کنیم.

بعد بتن را با سیستم مونومری آغشته می کنیم و پس از انجام پلیمریزاسیون کاتالیتی حرارتی ، بتن پلیمری آماده است. این بتن، مقاومت فشاری و نفوذناپذیری اش افزایش پیدا کرده است .

مزایای بتن های پلیمری:

۱ – استحکام
۲- کرنش های فشاری ، خمشی ، کششی (‌چندین برابر )
۳ – میرایی
۴ – عمر سرویس
۵ – مقاومت سایش و ضربه ای
۶ – مقاومت در برابر تغییرات جوّی
۷- مقاومت در برابر عوامل شیمیایی
۸ – مقاومت در برابر عوامل مخرّب محیطی
۹- مقاومت در برابر عوامل مخرّب صنعتی
۱۰- جذب آب کمتر
۱۱ – افت کمتر خواص
۱۲ – خواصّ فیزیکی و مکانیکی بهتر
۱۳ – دارای خواصّ تزئینی

خاصّیت بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر                   افزایش یا کاهش خاصّیّت نسبت به بتن سیمانی
 

استحکام فشاری                                                              پنج و سه دهم برابر افزایش می یابد
 

استحکام کششی                                                           پنج و هشت دهم برابر افزایش می یابد
 

استحکام خمشی                                                             چهار برابر افزایش می یابد
 

کرنش فشاری                                                                   پنج و دو دهم برابر افزایش می یابد

کرنش خمشی                                                                   ده ها برابر افزایش می یابد
 

جذب آب                                                                           ۱۰تا ۶۰ برابر کاهش می یابد

جدول بالا به خوبی می تواند مزایای بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلیستر را نسبت به بتن سیمانی نشان دهد، علاوه بر این بتن پلیمری پلی یورتان دارای ازدیاد طول منحصر بفردی است. بتن های پلیمری در برابر شستشوی دائم مقاومند و فراورش و اجرای آسانی دارند .

موارد مصرف بتن های پلیمری:‌

۱ – روکش پل ها و جادّه ها
ا ۲ – تعمیرکاریه
ا ۳- سازه ساختمان هایی که در معرض خوردگی هستند .
۴ – پوشش دهی کف ساختمان های صنعتی ، ورزشی و … (‌ مثلاً پلی یورتان با ازدیاد طول منحصر به فرد ، برای پوشش کف های مقاوم در برابر سر خوردن مناسب است )‌
۵- تولید پانل های مصنوعی و تزئینی در فضاهای مسکونی و اداری (‌ مثل سنگ مرمر مصنوعی ، انیکس پلیمری ، گرانیت مصنوعی )‌
۶- درزگیر بتن ها
۷- ساخت سازه های زیرزمینی مثل فاضلاب های صنعتی (‌ مقاوم در برابر خوردگی )
۸ – ساخت آبشخورهای مورد نیاز در دامداری ها (‌ در مقابل موادّ آمونیاکی مقاوم و نسبت به محصولات سرامیکی ارزان ترند)
۹ – ساخت مجسّمه ها ، گلدان های تزئینی و سایر اشکال آرشیتکتی مشابه سنگ
۱۰ – ساخت مخازن نگهداری موادّ شیمیایی
۱۱ – سازه محیط های دریایی
۱۲ – ساخت سازه های زیر آب
۱۳- ساخت سر ریز های سد
۱۴ – دیواره آب بند سدها
۱۵ – دیواره تونل ها
۱۶ – بازسازی و سرعت در تعمیر (‌ برای سازه های بتنی و مخصوصاً سازه هایی که در شرایط خاص، مثلاً‌زیر آب قرار دارند.)

بتن معمولی همواره با مشکل خوردگی توسّط عوامل اکسیدکننده گازی و مایع روبرو است و دلیل آن مقاومت کم در برابر عوامل خورنده شیمیایی است.

با جایگزینی کامل حامل آبی در بتن توسّط حامل پلیمری، ترکیبی به دست می آید که دارای مقاومتی بالا در برابر عوامل خورنده شیمیایی ، بدون نیاز به حفاظت های شیمیایی است.

بتن پلیمری زمان کمی برای پخت و جذب آب نیاز داشته و نفوذپذیری کمی دارد . نحوه اختلاط این نوع بتن و لوازم مورد نیاز آن مانند بتن معمولی است و به سهولت قالب ریزی می شود.

مجموعه این مزایا و آنچه قبلاً گفته شد سبب کاربردهای گوناگون و روزافزون این بتن، علیرغم قیمت بالای آن شده است. باید در اینجا به استفاده خاصّ و اجباری از بتن پلیمری در شرایط غیر متعارف اشاره کنیم، مثلاً در جاهایی که بتن در معرض موادً شیمیایی قرار دارد و ممکن است پدیده کاوتیاسون رخ دهد یا در مکان هایی که ممکن است بتن دائماً در معرض کلر باشد و …..

انواع پلیمرهایی که برای مصارف بالا استفاده می شوند عبارتند از :

۱- اپوکتیک ها
۲- فورانها
۳ – اکرلیک ها
۴ – پلیسترهای غیر اشباع
۵- وینیل استرها

انتخاب پلیمر مصرفی بر حسب مورد مصرف ( کارایی )‌ و قیمت آن انتخاب می شود.

استفاده از بتن های پلیمری در قطعات پیش ساخته و نماهای ساختمانی:‌

یکی از موارد استفاده از بتن های پلیمری، تولید قطعات پیش ساخته و نماهای ساختمانی است که البتّه این قطعات ، معایب سنگ های طبیعی را ندارند، سنگ های طبیعی که در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار می گیرند اغلب دارای معایبی هستند که بعضی از آنها این چنین اند:‌

۱ – سنگ های طبیعی چگالی بالایی دارند
۲- در اثر عوامل جوّی و موادّ شیمیایی تخریب پذیرند.
۳ – نفوذ پذیری و جذب آب بالایی دارند.
۴ –تهیّه آنها در ضخامت کم به دلیل شکنندگی بالایی که دارند ممکن نیست .
۵ – حمل و نقل آنها سخت است .
۶ – عایق صوت و حرارت نیستند .

بتن های پلیمری چگالی پایین، خواصّ فیزیکی و مکانیکی سطح بالا را دارا هستند و امکان اعمال طرح های تزئینی متنوّع در آنها وجود دارد و جایگزینی مناسب برای سنگ های تزئینی و نماهای خارجی رایج خواهند بود. (‌مرمر ، گرانیت انیکس و .. )

با انتخاب موادّ اوّلیّه خاصّ برای تولید این نوع بتن تزئینی و فراورش مناسب، سنگ نمای مصنوعی سبکی تولید خواهد شد که معایب سنگ های تزئینی طبیعی را نداشته و دارای خواصّ و برتری های ذیل می باشد:

۱ – چگالی ۳/۱ گرم بر سانتی متر مکعّب .
۲ – درصد جذب آب ۱۹% (‌یک شصتم بتن سبک و یک سی ام بتن معمولی )
۳ – قدرت چسبندگی بیشتر بر روی بتن سیمانی.
۴ – مقاومت در برابر ضربه .
۵ – سازگاری حرارتی بسیار خوب در محدوده دمایی ۳۰ تا ۷۰ درجه سانتیگراد.
۶ – مقاومت بسیار عالی در برابر شرایط محیطی شیمیایی.
۷ – استحکام فشاری ، خمشی و کششی بالاتر .
۸ – تنوّع رنگ بسیار زیاد .

نکته جالب این است که با وجود تمام محاسنی که ذکر شد ، این نوع تولیدات، قیمت کمتری نسبت به سنگ های طبیعی دارند .

 
نتیجه گیری:

با توجّه به آشنایی مختصری که در این مقاله نسبت به بتن پلیمری به دست آمد، می توان پیش بینی کرد که در آینده از بتن پلیمری به صورت عمده، هم در داخل ساختمان به عنوان تحمّل کننده بار و هم در خارج از ساختمان به عنوان نما استفاده خواهد شد، بدون شک آنچه که باعث افزایش استفاده از بتن پلیمری شده است، قابلیّت تغییر در خواصّ آن با تغییر دادن نوع و درصد پرکننده ها و بایندر های پلیمری است.

امید است دانشمندان و دانش پژوهان ایرانی از عرصه تحقیقاتی وارد عرصه ازمایشگاهی شوند تا بدین ترتیب صنعت ساختمان کشور بهبود فن آوری یابد.

منبع: پلی اتیلن نوین