آشنایی با بتن‌های پلیمری

معرفی بتن پلیمری

بتن پلیمری در اواخر دهه پنجاه با جایگزینی مونومرهای پلیمریزه به جای سیمان پرتلند در برخی کاربردهای خاص معرفی گردید، اما در دهه هفتاد به‌دلیل استفاده آن در تعمیرات و بازسازی و به عنوان روکش نازک بر روی سطوح، کف و یا سقف ساختمان‌ها و همچنین ساخت اجزای پیش‌ساخته شهرت یافت و تحولی عظیم در صنعت بتن اتفاق افتاد.
بتن‌های پلیمری با استفاده از سیمان پرتلند خواص مکانیکی فوق‌العاده زیادی مانند مقاومت فشاری و استحکام خمشی را نسبت به بتن‌های سنتی با استفاده از سیمان پرتلند ارائه می‌دهند. هر چند در هر دو نوع بتن از برخی مواد یکسان استفاده می‌کنند اما نکته حائز اهمیت اینجاست که ترکیبات پلیمری ویژگی‌های متفاوتی را به بتن می‌دهند که این ویژگی‌ها موجب توسعه دانش پلیمری به صورت تخصصی در سراسر جهان گردیده است.

از این خواص برتر مکانیکی علاوه بر مقاومت فشاری بالا و استحکام خمشی می‌توان به مقاومت در برابر مواد شیمیایی، خوردگی به خصوص در مقابل اسیدها، نفوذپذیری کم، مقاومت در برابر انجماد، توانایی شکل‌پذیری، خاصیت چسبندگی، گیرش سریع و خواص میرایی عالی در برابر لرزش و ... اشاره نمود.

تحقیقات بر روی بتن پلیمری

اولین تحقیقات بر روی بتن پلیمری در اوایل سال 1971 با تشکیل کمیته ACI548 آغاز گردید و مسؤلیت این کمیته توسعه اطلاعات پایه و تشکیل یک بانک اطلاعاتی بزرگ در موردخصوصیات بتن پلیمری بود. پس از آن کمیته های دیگری همچون RILEM ، TC-113-CPT و TC-105-CPC بر پایه آن تشکیل گردید که عمده برنامه آن‌ها انجام آزمایش و تحقیقات بر روی مواد، سازه‌ها، کامپوزیت‌های پلیمری و همچنین ارائه روش‌های آزمون برای کامپوزیت‌های بتن پلیمری بود که این روش‌ها در تهیه انواع مختلف بتن‌های پلیمری بسیار مؤثر واقع گردید. انجمن علوم مواد ژاپن JSMS نیز در توسعه مواد پلیمری نقش داشته و توصیه‌هایی جهت طراحی برای سازه‌های بتنی پلی‌استر منتشر کرده است.
در بین کشورهایی که از این بتن استفاده می‌کنند، کار استانداردسازی در روش‌های مختلف آزمون عمدتأ توسط ژاپن، ایالات متحده، انگلستان، آلمان و روسیه صورت گرفته است.
در حالی‌که کشورهای حاشیه اقیانوس آرام پیشرو در صنعت بتن پلیمری در سراسر جهان می‌باشند گسترش روزافزون ساخت و ساز، رشد آسمان خراش‌ها و برج‌های سر به فلک کشیده در ایالات متحده بیانگر آن است که این کشور نیز سهم قابل توجهی از بازار بتن پلیمری را به خود اختصاص می‌دهد و آن را با جهان صنعتی امروز به اشتراک می‌گذارد. به طورکلی استفاده از بتن پلیمری در کشورهای توسعه یافته پیشرفت چشمگیری داشته است و شاید به دلیل قیمت بالای آن هنوز در کشورهای خاورمیانه از مرحله تحقیقاتی و مقالات دانشجویی پارا فراتر نگذاشته باشد، حتی در اروپا و آفریقا بازار بتن پلیمری با سرعتی هر چند پایین در حال گسترش است و امید است با گذشت زمان، استفاده از آن فراگیر شود که در این صورت به طور یقین تحولی عظیم در صنعت ساخت و ساز را شاهد خواهیم بود.

مروری بر برخی کاربردهای بتن پلیمری

بتن‌های پلیمری در ساخت قطعات پیش‌ساخته، کفپوش پارکینگ‌ها و زمین‌های ورزشی، به عنوان درزگیر، ضد آب کردن به‌خصوص آب‌بندی سازه‌های بتنی کاربرد اساسی دارد.

بتن پلیمری کاربرد بسیاری از جمله تولید مخازن اسید، مخازن ذخیره آب، مخازن صنعتی، منهول، سیستم‌های زهکشی خطی، موانع وسط بزرگراه، تابلوهای راهنمایی رانندگی، سلول‌های الکترولیتی برای بازیافت فلزپایه و هم‌چنین در نیروگاه‌های صنعتی و امور دریایی دارد.
طی گذشت سال‌ها  توسعه حمل و نقل درون شهری و به ‌خصوص برون شهری و فعالیت‌های زیرساختی افزایش تقاضا برای استفاده از بتن پلیمری را در بر داشته است. با توجه به ویژگی‌های برتر بتن پلیمری و افزایش نیاز به مصالح ساختمانی مقاوم‌تر، مستحکم‌تر، با طول عمر بیشتر و قابل انعطاف بودن، بتن‌های پلیمری محبوبیت‌ زیادی پیدا کرده‌اند که انعطاف و به شکل ساده‌تر قابلیت شکل‌پذیری بتن‌های پلیمری یک عامل اصلی در انتخاب آن توسط عوامل اجرا می‌باشد.
باید توجه داشت نکته‌ای که استفاده روزافزون از بتن‌های پلیمری را محدود می‌کند قیمت بالای آن می‌باشد که اثر مستقیم در تولید آن دارد و این امر استفاده آن ‌را به مواردی‌ که نیاز به مصرف انرژی کم و نیروی انسانی کمتری دارد محدود می نماید. 

چگونگی تشکیل بتن پلیمری

بتن پلیمری ماده کامپوزیتی است که از پلیمریزاسیون انواع مونومرها ساخته شده است. به زبان ساده بتن پلیمری از اختلاط رزین پلیمری با مخلوط سنگدانه تهیه می‌شود که رزین‌ها موجب کاهش فضای خالی بین سنگدانه‌ها نیز می‌گردند و گاهأ برای پر کردن حفره‌های موجود در مخلوط سنگدانه از میکروفیلرها نیز استفاده می‌شود.

عوامل موثر بر خواص مکانیکی بتن پلیمری

همانند بتن معمولی جهت بهبود خواص مکانیکی بتن پلیمری می‌توان آن را با انواع مختلف الیاف تقویت نمود. در این خصوص الیاف فولادی، شیشه‌ای، پروپیلن‌ها و نایلون بیشترین کاربرد را دارند و بالاترین تأثیر را بر ویژگی‌های مکانیکی سیستم‌های بتن پلیمری مانند مقاومت فشاری، مقاومت خمشی و مقاومت کششی داشته‌اند درحالی‌که میرایی و خزش هنوز تأثیرشان بطور وضوح مشاهده و بررسی نگردیده است.
البته باید خاطر نشان کرد که تأثیر الیاف همیشه در جهت افزایش نیست بلکه گاهی لازم است که بتن انعطاف‌پذیر بوده و یا خواص دیگری از خود نشان دهد به عنوان مثال الیاف فولادی مقاومت فشاری را افزایش می‌دهند در حالی‌که افزودن الیاف شیشه‌ای مقاومت فشاری را کاهش می‌دهد البته گاهأ نتایح متضادی را نیز نشان داده است که در این خصوص بایستی بهینه‌سازی استفاده از رزین پلیمری را مدنظر داشت.
از رزین‌های پلیمری که به طور معمول در این نوع بتن استفاده می‌شوند می‌توان به متاکریلات، رزین اپوکسی، رزین فوران، رزین پلی‌استر و ونیل استرها اشاره کرد. پر واضح است تنها مؤلفه‌ای که هزینه بتن پلیمری را تثبیت می‌کند رزین‌ها می‌باشند، به‌ همین خاطر تلاش شده تا برای دستیابی یه استحکام و سایر مؤلفه‌های قابل قبول بتن پلیمری به حداقل مقدار رزین دست یابند.
بتن پلیمری را می‌توان با هریک از این رزین‌های پلیمری تهیه کرد اما باید به این مهم توجه داشت که هرکدام از این رزین‌ها کاربری متفاوتی به بتن پلیمری می‌دهند. به عنوان مثال می‌توان به موارد زیر اشاره مختصری نمود:

 اتصال دهنده‌های اکریلیک که از مونومرهای اکریلیک ساخته شده‌اند دارای گیرش سریع بوده و در برابر هوازدگی مقاومت بالایی نشان می‌دهند.
رزین‌های پلی‌یورا که الاستومری است از ترکیب رزین و ایزوسیانات در برابر خوردگی و سایش مقاوم بوده و به دلیل سازگار بودن رزین‌های پلی‌یورا با محیط زیست، بیشتر در مخازن آب شرب استفاده می‌شوند و اکثرا به عنوان آب بند در بتن و به خصوص پوشاندن درزهای بتن کارایی دارند، همچنین در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی جایگزین فنولیک‌ها یا فرمالدئیدها می‌گردند.
رزین های فوران باعث می‌شوند که بتن بتواند در درجه حرارت بالا مقاومت نماید، این رزین بیشتر مورد استقبال کشورهای اروپایی قرار گرفته است.
متاکریلات‌ها به‌دلیل اشتعال فوق‌العاده زیاد و بوی نامطبوعی که دارند کاربردشان بسیار محدود است ولی به خاطر کارایی بالا مورد توجه واقع شده‌اند.
رزین‌های اپوکسی مواد بسیار محکمی تولید می‌کنند که از جمع‌شدگی بتن جلوگیری می‌نمایند و ضمن اینکه ظاهری زیبا دارند، سطح پوشانده شده توسط این رزین‌های اپوکسی به راحتی تمیز می‌گردد و با هرگونه از شرایط آب و هوایی سازگار می‌باشند.
در آخر می‌توان به پلی استرها اشاره نمود که از واکنش بین الکل‌ها و یا اسیدهای دو یا چند عاملی تشکیل می‌شوند و در حال حاضر در دنیای پلیمر کاربرد عمومی‌تری دارند. رزین‌های پلی استر غیراشباع به دلیل هزینه پایین‌تر، خواص مکانیکی مناسب و در دسترس بودن شاید رایج‌ترین سیستم‌های رزین پلیمری باشند.
رزین‌های اپوکسی به دلیل خواص مکانیکی و دوام بهتر و همچنین سازگاری با عوامل سخت محیطی به رزین‌های پلی استر ترجیح داده می‌‌شوند، اما قیمت بالاتر آن ها عامل بازدارنده‌ای در پذیرش اپوکسی‌ها در سطح وسیع گردیده است و به طور یقین اجرای صحیح و نگهداری مناسب در آینده این هزینه بالا را پوشش خواهد داد، طی یک مطالعه گسترده در مقایسه بتن اپوکسی و یتن پلی استر به این نتیجه رسیده‌اند که بتن اپوکسی به طور سنتی نسبت به بتن پلی استر بهتر می‌باشد اما با افزودن میکروفیلرها و جفت‌کننده‌های سیلانی می‌توان خصوصیات بتن پلی استر را در همان سطح افزایش داد.
در حال حاضر نیز در عمل رزین‌های پلی استر غیراشباع به دلیل دسترسی آسان، خواص مکانیکی مطلوب و مهم ترین فاکتور یعنی کم هزینه بودن بیشترین استفاده را دارند.
در واقع در انتخاب رزین مصرفی نوع کاربری، عوامل شیمیایی و محیطی و هزینه برآورد شده تعیین کننده است. 
البته باید این  نکته را نیز مد‌نظر داشت که محتوای بهینه رزین برای یک سیستم بتن پلیمری خاص به‌طور مستقیم به ماهیت مصالح به‌کار رفته در سیستم بستگی دارد. بتن پلیمری از سنگدانه‌هایی شامل سیلیس، کوارتز، گرانیت، سنگ آهک و ... تشکیل شده است. این سنگدانه‌ها باید از کیفیت مطلوبی برخوردار بوده و عاری از هرگونه گرد و غبار و مواد زا‌‌ئد باشند در غیر این صورت استحکام بین پرکننده‌ها و مصالح کاهش خواهد یافت.بین ۷۵ تا ۸۰ درصد حجم یک بتن پلیمری را سنگدانه ها و پرکننده‌ها و در موارد خاص الیاف تشکیل می‌دهند، اندازه این سنگدانه‌ها در محدوده خاصی تعریف نشده و در هر سیستم پلیمری متفاوت است ولی به‌طور معمول از ریزدانه با اندازه کمتر از ۵ میلیمتر و یا درشت‌دانه با اندازه بیشتر از ۵ میلیمتر استفاده می‌شود و بازهم اشاره به این مهم ضروری است که اندازه‌های سنگدانه‌ها در بتن پلیمری هنوز غیراستاندارد می‌باشد.

چنانچه سنگدانه مصرفی ریز باشد باید از پرکننده بیشتری استفاده شود، به‌هرحال در عمل، اختلاط بتن پلیمری باید بسیار دقیق و کامل صورت پذیرد و مخلوط قبل از اجرا نمی‌تواند به‌سادگی نگهداری شود چرا که نه تنها واکنش‌های شیمیایی سریع اتفاق می‌افتند و قابل پیشگیری نمی‌باشند مانع از جمع‌شدگی سریع بتن نیز  نمی‌توان گردید. مواد شیمیایی مورد استفاده در بتن بسیار خطرناک است و هر یک از افرادی که به ‌نوعی با آن در ارتباط می‌باشند باید از ماسک، دستکش و حتی‌المقدور از محافظ پوست استفاده نمایند.
هر بتن پلیمری با توجه به نوع ماده پرکننده‌اش و نوع الیافی که در آن استفاده گردیده است در انواع پروژه‌های ساختمانی کاربری منحصر به فردی دارد که برای اتصال دو جز مختلف یا تهیه یک ساختار پایه استفاده می‌شود. به‌طورکلی توانایی تعویض قطعات بتنی با عمر بالا و حتی تعمیر بتن معیوب و تولید محصولات جدید و کم‌ هزینه‌تر با افزایش آگاهی در مورد چگونگی استفاده از پرکننده‌ها در یتن که یکی از عناصر اصلی ساخت و ساز می‌‌باشد استفاده از بتن پلیمری را به‌تدریج گسترده‌تر خواهد کرد.

واحد تحقیق و توسعه شرکت پایهان بتن