بتن پلیمری(PC)چیست ؟

پژوهش کارشناسان فن‌آوری بتن، به بهبود و توسعه خواص نوع جدیدی از بتن شناخته شده به عنوان بتن پلیمری منجر شده است. بتن بطور ذاتی متخلخل است و به دلیل تخلخل ساختار ژل ماتریس سیمان، مقاومت بتن بطور طبیعی کاهش می‌یابد. کاهش تخلخل در افزایش مقاومت بتن موثر است. به این دلیل حفرات داخل بتن با انواع پلیمرها پر می‌شود.

پلیمرها از نظر شیمیایی مواد بی اثری هستند. مقاومت‌های کششی و فشاری بالاتری نسبت به بتن متداول دارند. البته پلیمرها دارای مدول الاستیسیته کمتر و خزش بیشتری می‌باشند. ممکن است توسط عوامل اکسید کننده حرارتی، پرتوهای ماوراء بنفش، مواد شیمیایی و میکرو ارگانیزم ها، فاسد شوند.حلال‌های آلی مخصوص نیز، ممکن است باعث ایجاد ترک‌های کششی شوند. با انتخاب پلیمرهای مناسب و افزودن موادی به پلیمر، مثلاً مواد ضد اکسیداسیون برای جلوگیری از اکسیده شدن و مواد پایدار کننده در مقابل تشعشع برای کاهش تأثیر پرتوهای ماوراء بنفش، میتوان از بعضی خرابی‌ پلیمرها جلوگیری نمود.

پلیمرها برای تولید چهار نوع بتن مورد استفاده قرار می گیرند

• بتن اشباع شده با پلیمر (PIC)
• بتن پلیمری (PC)
• بتن پلیمری با سیمان پرتلند (PCC)
• بتن نیمه اشباع با پلیمر سطحی (PISPC)

بتن اشباع شده با پلیمر PIC

برای تولید بتن اشباع شده با پلیمر، ابتدا بتن معمولی را که با سیمان پرتلند ساخته میشود. سپس آن را خشک نموده و توسط یک منومر مایع مانند متل متا اکریلات MMA و یا استایرن اشباع می‌شود. پلیمریزاسیون منومرها با استفاده از پرتوهای گاما یا محرک‌های حرارتی انجام می‌شود. بعنوان مثال، با استفاده از منومرهای فوق، ترموپلاستیک‌های پلی متیل متا اکریلات PMMA و پلی استایرن PS تشکیل می‌شوند. برای اشباع بیشتر، بتن در دمای ۱۵ درجه سانتیگراد خشک می‌شود. سپس با ایجاد خلاء در بتن، تزریق منومر تحت فشار انجام می‌گیرد. به منظور جلوگیری از ایجاد ترک‌های حرارتی در قطعات بزرگ، لازم است سرعت گرم و سرد شدن بتن کنترل گردد.

در مقایسه با بتن‌های اصلاح شده دیگر، بتن با پلیمر اشباع شده دارای مقاومت‌های فشاری، کششی و ضربه‌ای و همچنین مدول الاستیسیته بالاتر بوده، خزش و ترک‌های حرارتی کمتری در آن ایجاد می‌گردد. بعلاوه بتن با پلیمر اشباع شده در مقابل یخ زدن و ذوب شدن، سایش و حملات شیمیائی، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد. همه این بهبودها، در نتیجه تخلخل و نفوذپذیری کمتر بتن با پلیمر اشباع شده می باشد.

میزان تغییراتی که در خصوصیات مکانیکی بتن بوجود می‌آید، به نسبت آب به سیمان، عمق اشباع شدگی، کفایت پلیمریزاسیون، درجه پیوستگی پلیمرها و خصوصیات مکانیکی پلیمرها، وابسته است. از سوی دیگر، ضریب انبساط حرارتی پتن با پلیمر تزریقی بالاتر می باشد.

انواع مونومرهایی که در ساخت بتن PIC استفاده می شوند

1. متیل متاکریلات MMA
2. استایرن Styrene
3. اکریلونیتریل Acrylonitrile
4. تی بوتیل استایرن T-butyl Styrene
5. سایر مونومرهای ترموپلاستیک

مقدار مونومری که باید برای اشباع بتن استفاده شود به مقدار آب و هوای موجود در حفرات بتن بستگی دارد. گاهی با حرارت دادن، آب منفذی بتن را خارج میکنند تا مونومر جایگزین آن شود. همچنین با ایجاد خلا و مکش هوای محبوس در منافذ بتن را تخلیه میکنند تا حجم مونومری که بتن را اشباع مینماید، بیشتر شود.

بتن پلیمری PC

با پلیمریزاسیون یک منومر که در دمای معمولی با سنگدانه ها مخلوط شده است. بدون سیمان پرتلند با استفاده از سیستم کاتالیزورهای تسریع کننده شیمیایی، یا مواد عمل آورنده، بتن پلیمری PC ساخته میشود. قبلاً بتن های پلیمری با استفاده از پلی استر و یا رزین‌های اپوکسی ساخته می‌شدند. اما امروزه از متیل منومرهای متا اکریلات و استایرن استفاده میشود. با افزودن عوامل شیمیایی به سیستم منومر، که بعنوان یک عامل اتصال دهنده عمل می‌کنند پیوستگی بین پلیمر و سنگدانه ها بهبود و در نتیجه مقاومت بتن افزایش می یابد.

سنگدانه‌هایی که در بتن پلیمری مصرف می‌شوند، باید دارای رطوبت کمی باشند. طوری دانه بندی شده باشند که با کمترین مقدار منومر یا رزین، کارآیی خوبی ایجاد نمایند. اضافه نمودن موادی چون سیمان پرتلند یا پودر میکروسیلیس، کارآیی را بهبود خواهد داد. بتن پلیمری تازه را میتوان مشابه با بتن معمولی ریخته و با مرتعش نمودن، متراکم نمود. البته زمانی که از پلی استر یا اپوکسی استفاده میشود، حلالهایی جهت پاک نمودن تجهیزات، لازم است. منومرهای دیگر چنین مشکلی ایجاد نمی کنند، اما بعضی از آنها فرار بوده و بسرعت بخار می شوند. در نتیجه مخلوط های قابل انفجار، تولید می شود. در این موارد استفاده از وسایل بدون جرقه ضروری است و باید احتیاط های لازم صورت گیرد.

چگونگی ساخت بتن PC

در ساخت بتن PC باید تا آنجا که امکان دارد هوای بین ذرات سنگدانه ها را کم کرد. این کار باعث می شود تا مقدار مصرف پلیمر برای چسباندن سنگدانه ها کم شود. این کار با طرح اختلاط مناسب سنگدانه ها جهت رسیدن به چگالی حداکثر انجام میشود. سپس سنگدانه های دانه بندی شده با حداقل حجم فضای خالی روی هم چیده شده و درون قالب لرزانده می شوند. سپس مونومر روی سنگدانه ها اسپری می گردد و در مرحله بعدی پلیمریزاسیون از طریق تششع یا عوامل شیمیایی صورت میگیرد. عامل شیمیایی سیلان Silane به مونومر اضافه میشود تا قدرت چسبندگی پلیمر آن به سنگدانه ها اضافه شود. در صورتیکه از رزینهای پلی استر استفاده شود به مرحله پلیمریزاسیون نیازی نیست.

بتن پلیمری بر خلاف بتن با سیمان پرتلند که قلیایی است منافذ هوا بوجود نمی آورد. لذا پدیده یخ زدگی – ذوب شدگی در مورد این نوع بتن وجود ندارد. همچنین مواد مهاجم شیمیایی که به شدت ماتریس سیمان پرتلند هیدراته قلیایی را مورد تهاجم و تخریب قرار می دهند، روی این بتن تاثیری ندارند. بتن پلیمری PC یک جسم آب گریز Hydrophobic بوده و در مقابل تهاجم شیمیایی مقاوم است. از نظر مقاومت فشاری، بتن PC مقاومت فشاری بالایی دارد. تاکنون حداکثر مقاومت ۱۴۰۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع در مورد آن بدست آمده است.

ایراد بتن پلیمری PC

ایراد اصلی بتن PC آن است که شکننده بوده و در مقابل ضربه طاقت ندارد. بدین منظور افزودن الیاف میتواند طاقت و مقاومت کششی آنرا بالا ببرد که انواع الیاف پلاستیکی PP و HPP بویژه الیاف پلی استر قابل استفاده است. نوع اخير بتن FPC نامیده می شود.

بتن پلیمری در مواردی چون تعمیرات سریع در بزرگراههای پر ترافیک، تولید دیوارهای پیش ساخته مسلح به الیاف شیشه، تولید موزائیک های کف و لوله های جدار نازک مسلح به الیاف شیشه، مورد استفاده قرار می گیرد.

بتن پلیمری با سیمان پرتلند PCC

این بتن با افزودن یک پلیمر یا یک منومر (که بعداً پلیمریزه می شود) به بتن تازه، متشکل از سیمان، سنگدانه و آب، ساخته می شود. شیره لاستیک، آکریلیک و استات وینیل، از موادی هستند که به همراه یک عامل ضد کف مصرف می شوند. در این نوع بتن، نباید از مواد حباب زا استفاده نمود. خصوصیات بهینه بتن از طریق یک تا سه روز نگهداری مرطوب و پس از آن نگهداری در هوای خشک، حاصل می شود.

مونومرهایی که در PCC استفاده می شود

• پلی استر – استایرن
• اپوکسی استایرن
• فوران
• کلراید
• فلوراید

با این حال نتایج به دست آمده از تولید PCC بسیار ناامید کننده است. پیشرفت نسبتاً متوسطی از استحکام و دوام نشان داده اند. در بسیاری از موارد، مواد فقیرتر از بتن معمولی بدست آمده است. این رفتار در اثر این واقعیت است که مواد آلی مونومر با سیستم های آبی ناسازگار بوده و گاهی اوقات با روند هیدراتاسیون سیمان قلیایی ناسازگار هستند. البته تولید یک بتن با سیمان و پلیمر برتر توسط اختلاط الكل فورفوریل و آنیلین هیدروکلراید در مخلوط مرطوب گزارش شده است. ادعا میشود این مواد باعث متراکم شدن بتن و رسیدن به مقاومت بالا در برابر خوردگی، نفوذپذیری کم و مقاومت بالا در برابر ارتعاشات می شوند.

با این حال، گزارش شده است که تنها رزین های اپوکسی در تولید بتن PCC برخی از ویژگی های برتر بیش از بتن معمولی را نشان می دهند. در مقایسه با بتن معمولی، بزرگترین مزیت های بتن پلیمری با سیمان پرتلند، بهبود پایایی و افزایش چسبندگی آن، می باشد. مقاومت در برابر یخ زدن و آب شدنهای متوالی، سایش و بارهای ضربه ای نیز در اینگونه از بتن بیشتر از بتن معمولی است.

بتن پلیمری با سیمان پرتلند، برای ساخت عرشه پلها و دیوارهای جداکننده پیش ساخته مناسب بوده و مورد استفاده قرار می گیرد.

بتن نیمه اشباع با پلیمر سطحی PISPC

عیب اصلی بتن با پلیمر اشباع شده، گران بودن آن است. اما ممکن است اشباع جزئی قطعات بتنی از نظر اقتصادی توجیه پذیر باشد. بعنوان مثال، مقاومت برشی تیر های بتن مسلح، بدون در نظر گرفتن آرماتورهای برشی، تا ۶۰ درصد افزایش و مقاومت در برابر تنشهای مهاری نیز ارتقاء می یابد. بنابراین، اشباع در انتهای قطعات پیش ساخته ظرفیت باربری آنها را افزایش داده و اشباع جزئی دال عرشه پلها، مقاومت خمشی آنها را زیادتر و تغییر شکل آنها را کاهش میدهد. همچنین پوشش پلیمری آب بندی و پایایی آنها را نیز بهبود می بخشد.

اشباع جزئی یا نیمه قطعات بتنی با پلیمر بویژه سطوح دالها در مقابل تهاجم شیمیایی و مکانیکی بسیار موثر است. حتی با یک اشباع جزئی دال قطعه بتنی مقاومت آن بطور قابل ملاحظه ای زیاد میشود. در این روش قطعه بتنی خشک شده را با مونومر مایع مانند MMA متیل متااکریلات آغشته میکنند. سپس قطعه را کاملاً آب بندی کرده و درون حوضچه زیر آب داغ ۷۰ درجه سانتی‌گراد قرار می‌دهند تا جلوی تبخیر مونومر گرفته شود.

پلیمریزاسیون از طریق کاتالیست حرارتی بنزوئیل پر اکسید که حدود ۳ درصد وزن مونومر است و به مونومر افزوده میشود انجام می‌گیرد. عمق مونومری که به بتن نفوذ می کند و حدود ۲/۵ سانتی متر می باشد تابع عوامل زیر است:

• تخلخل بتن
• مدت زمان آغشته سازی
• ویسکوزیته مونومر

این روش برای افزایش مقاومت و دوام دال کف پلها بسیار مفید است. معمولاً زمان آغشته سازی ۳۵ ساعت طول می کشد.

ویژگی های مکانیکی بتن پلیمری

مقاومت کششی

بتن پلیمری PC با رزین پلی استر در حدود (۲۰-۲۵) درصد طی ۷ روز مقاومت کششی (۹۰-۱۰۰) کیلوگرم بر سانتی متر مربع از خود نشان می‌دهد که حداقل ده برابر بتن معمولی است.

مقاومت خمشی

بتن PIC با ۶ / ۵ درصد منومر MMA و پلیمریزاسیون تششعی مقاومت خمشی حدود ۱۸۸ کیلوگرم بر سانتی متر مربع از خود نشان می دهد. بتن PC با رزین پلی استر در مدت ۷ روز به مقاومت خمشی ۱۵۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع می‌رسد.

خزش

تغییر شکل‌های فشاری خزشی بتن PIC با مونومر MMA و استایرن بصورت خزش منفی و در جهت عکس بارگذاری است. دلیل احتمالی آن تنش های پسماند تولید شده در بتن پس از پلیمریزاسیون مونومرها می‌باشد. افزایش حجم قطعه بتن تحت فشار در دراز مدت که بر عکس پدیده خزش است به علت تغییر فاز تنش ها در بتن در اثر فشار وارده است. به عبارت دیگر خزش بتن PIC حدود یک دهم بتن عادی است.

انقباض

در بتن های پلیمری انقباض در دو مرحله از اشباع شدن رخ می دهد:

1. طی خشک شدن اولیه بتن
2. طی عملیات پلیمریزاسیون

انقبانی که طی پلیمریزاسیون در بتن بوجود می‌آید بسیار بیشتر از انقباض خشک شدگی در مرحله اول است. نوع مونومرها هم در مقدار انقباض موثر است. بطوریکه هر اندازه مدول ارتجاعی مونومر بیشتر باشد، انقباض ناشی از آن کمتر خواهد بود.

یخ زدگی- ذوب شدگی

اشباع کردن بتن سیمان پرتلند با پلیمر مقاوم در برابر خوردگی Corrosion بعنوان یک پوشش محافظ، دوام بتن را بیشتر می‌کند. بتن PIC اگر با مونومر MMA اشباع و سپس با تششع پلیمریزه شود مقاومت بسیار خوبی در برابر یکل های یخ زدگی – ذوب شدگی دارد. طبق آزمایشات حدود ۸۰۰۰ سیکل در برابر ۷۰۰ سیکل بتن معمولی بدست آمده است. بتنی که فقط سطح آن بصورت نیمه اشباع پلیمریزه شده است نیز مقاومت خوبی در این مورد نشان داده که حدود ۲۵۰۰ سیکل می‌باشد.

تهاجم سولفات ها

اگر معیار تخریب در این مورد را ۵/ ۰ درصد انبساط در اثر تهاجم سولفات‌ها انتخاب کنیم، بتن‌های پلیمری بسیار مقاوم‌تر بوده و حداقل ۲۰۰ درصد بهتر از بتن معمولی رفتار می‌کنند.

تهاجم اسیدها

مقاومت بتن‌های پلیمری PIC در برابر اسیدها طی آزمایش غوطه‌وری در اسید HCL با غلظت ۱۵ درصد به مدت ۱۴۰۰ روز در حدود ۱۲۰۰ درصد بیشتر از بتنهای معمولی حاصل شده است.

جذب آب

بتن پلیمری با ۵/۹ درصد پلیمر کاهش جذب آبی در حدود ۹۵ درصد نسبت به بتن معمولی از خود نشان میدهد. تقریباً میتوان گفت ضد آب است. با کاربرد بتن پلیمری در بتن فروسیمانی Ferrocement به ضخامت (۱-۴) سانتی متر حتی میتوان بدنه قایق و مخزن آب ساخت.

مقاومت سایشی

بتن PIC مقاومت سایشی بسیار خوبی دارد. طی آزمایشات ثابت شده که بتن اشباع شده با ۵/۵ درصد منومر MMA حدود ۸۰ – ۵۰ درصد در مقابل سایش مقاوم تر از بتن معمولی است. حتی بتن نیمه اشباع با پلیمر در سطح یا بتن PISPCF مقاومت سایشی معادل ۲۵-۵۰ درصد بیشتر از بتن معمولی از خود نشان میدهد. مقاومت پوسته‌ای در تست ماشین ساینده روی آنها کمتر از حد معیار سایشی ۰/۰۲۵ سانتی متر میباشد.

نکته: بتن پلیمری با توجه به خواص و مکانیزم آن، همانند سایر سازه های بتنی، نیاز به آب بندی بتنی ندارد.