بتن بدون سیمان، چرا و چگونه

به گزارش می متالز، بتن از سیمان پرتلند معمولی حاصل می‌شود و در ساخت و توسعه زیرساخت‌ها به‌کار می‌رود و در آینده میزان تقاضای بتن سیمانی افزایش خواهد یافت.
بدیهی است که تولید سیمان مستلزم مصرف منابع طبیعی و رهاسازی حجم زیادی از دی‌اکسیدکربن به محیط است و بعد از فولاد و آلومینیوم بیشترین مصرف انرژی را دارد. امروز با ساخت بتن‌های بسیار کارا، دوام و مقاومت بتن بهتر از قبل شده است.
به هر حال به‌دلیل محدودیت‌های تولیدی به‌ویژه در کشور ما و فرآیند پیچیده خط تولید سیمان پرتلند از مواد اولیه و حجم وسیع کارخانه‌ها و هزینه‌های هنگفت ساخت آنها، ناگزیر معایبی در استفاده از سیمان پرتلند دخیل شده است.

دو عیب فنی در فرآیند تولید سیمان پرتلند عبارتند از:

۱- حدود ۱.۵ تن مواد اولیه برای تولید یک تن سیمان پرتلند لازم است و در این حالت هنگام تولید حدود یک تن دی‌اکسیدکربن وارد محیط‌زیست می‌شود. بنابراین، تولید سیمان پرتلند مستلزم مصرف انرژی زیادی است.
 ۲- بتن ساخته شده از سیمان پرتلند در شرایط محیطی حتی شرایط عادی یا با عوامل دیگر تخریب می‌شود. ترک‌خوردگی و فرسایش عوامل موثر در رفتار بهره‌دهی بتن در طول عمر بتن و ایمنی آن هستند.
بنابراین با توجه به مشکلات مطرح شده می‌توان به‌دنبال ماده‌ای دیگر برای جایگزین کردن سیمان پرتلند در بتن شد. برای نمونه کارخانه‌های تولید برق با سوخت زغال‌سنگ مقدار زیادی از خاکستر زغال‌سنگ برجای می‌گذارند. خاکستر زغال‌سنگ به‌صورت عمده ضایعات درنظر گرفته می‌شود و در خاکریزها مورد استفاده است. در سال ۲۰۰۱ میلادی (۱۳۸۰میلادی) ازسوی پژوهشگران یک اقدام جدی برای تولید سیمان از خاکستر زغال‌سنگ با عنوان سیمان ژئوپلیمری انجام شد که در ادامه مطلب خلاصه نتیجه پژوهش‌ها و آزمایش‌ها ارائه خواهد شد.

ترکیبات بتن بدون سیمان

سیمان ژئوپلیمر ترکیبی از مصالح ژئولوژی طبیعی سیلیکات و آلومینا است و از این‌رو ژئوپلیمر نامیده می‌شود. حلال قلیایی هیدروکسیدسدیم و هیدروکسید پتاسیم (ضایعات صنایع شیمیایی و پتروشیمی) به‌طور جداگانه تهیه می‌شود، سپس آن را به مایع سیلیکات سدیم اضافه می‌کنند و این حلال با پودر خاکستر زغال‌سنگ (ضایعات احتراق زغال‌سنگ) مشابه با ترکیب آب با سیمان مخلوط می‌شود. تفاوت عمده بین ژئوپلیمرها و سیمان پرتلند این است که مکانیسم آن از طریق هیدراتاسیون انجام نمی‌‌شود، بلکه با واکنش پلیمریزاسیون در یک زمان کوتاه اتفاق می‌افتد، درحالی‌که هیدراتاسیون سیمان تا یک ماه ادامه دارد و تا یک سال کامل می‌شود. ژئوپلیمریزاسیون واکنشی بین کاتویون‌های شیمیایی برای تشکیل سیلیکات آلومینیوم است.
اتم‌های سیلیسیوم و آلومینیوم با یکدیگر واکنش نشان داده و مولکول‌هایی تشکیل می‌دهند که از لحاظ شیمیایی و ساختاری مشابه مواد چسبنده در سنگ هستند. بنابراین فناوری تولید سیمانی را درنظر می‌گیریم که در آن سنگ آهک به‌کار نرفته و در عوض سیلیکات آلومینیوم به‌کار می‌رود. سیمان ژئوپلیمر کاربردهای گوناگونی دارد و توانایی جایگزینی با سیمان پرتلند را دارد. ژئوپلیمر می‌تواند مشابه سیمان پرتلند با سنگدانه‌های ریز و درشت و دیگر مصالح ترکیب شود و به‌صورت بتن یا ملات به‌کار رود.
این بتن در مقایسه با بتن سیمانی مقاومت کششی و فشاری بیشتر، سرعت سخت‌شوندگی بالا، تخلخل و نفوذپذیری کمتر و مقاومت فوق‌العاده در برابر حریق و حملات شیمیایی دارد.
این سیمان به رنگ سبز است و از لحاظ زیبایی سطح کار شده خوبی دارد که مناسب لوله‌های فشاری و تونل‌های آبرسان است و در کارهای دریایی به‌دلیل آنکه نمک بر آن تاثیری ندارد، استفاده می‌شود.
بنابراین ژئوپلیمر فرآورده‌های ضایعاتی را به محصول مفید تبدیل می‌کند و اینگونه بتن‌ها برای کاهش مصرف سیمان و آلودگی محیط‌زیست در سازه‌ها به‌کار می‌روند و با آنکه بتن عاری از سیمان پرتلند است ولی مقاومتی برابر و حتی بیشتر از بتن سیمانی دارد، با این تفاوت که کاهش حجم کمتری داشته و به‌طورتقریبی حرارتی تولید نمی‌کند.
بتن ژئوپلیمر بسته به مقاومت موردنظر ترکیبی از ۶۰درصد مصالحی مانند خاکستر زغال‌سنگ یا سرباره کوره ذوب آهن یا متاکائولین، ۸۵درصد سنگدانه و ماسه، ۲۰درصد آب و سایر افزودنی‌های مجاز است. استفاده از بتن ژئوپلیمر مستلزم انجام آزمایش‌های ویژه و تعیین خصوصیات و رفتار بتن با عوامل گوناگون است و باید در حد استانداردهای تعیین‌شده قرار گیرد. همانگونه که بتن سیمان پرتلند را نوعی مصالح استاندارد قلمداد می‌کنند، بتن ژئوپلیمر نیز باید روند مشابه بتن معمولی را طی کند تا به درجه استاندارد برسد. بنابراین باید این موارد قبل از استفاده بتن ژئوپلیمری در سازه مورد بررسی قرار گیرد:

1. مقاومت فشاری ۲۸ روزه
2. میزان انقباض (کاهش حجم)
3. مقاومت خمشی
4. مقاومت کششی
5. نسبت پواسون
6. مقاومت چسبندگی و کشش میلگرد
7. خزش

موارد ۱ و ۲ به صورت مستقیم وابسته به مصالح تشکیل‌دهنده بتن هستند. موارد ۳ تا ۷ بستگی به کاربرد بتن در سازه دارد و در درجه دوم اهمیت قرار می‌گیرند. در دهه اخیر پژوهشگران بسیاری خصوصیات بتن ژئوپلیمری را بررسی کردند که نتیجه پژوهش‌ها نشان می‌دهد که بتن ژئوپلیمری خصوصیاتی مانند بتن معمولی دارد.
از نظر مزایا و کاربردهای ژئوپلیمر در مقایسه با سیمان پرتلند می‌توان این موارد را نام برد:

• منابع مواد اولیه فراوان: هر عنصر پوزولانی یا سیلیکات‌ها یا سیلیکات‌های آلومینیوم برای ترکیب در حلال قلیایی کافی است.
• صرفه‌جویی در انرژی و حفاظت از محیط‌زیست: ژئوپلیمرها به مصرف انرژی زیاد احتیاج ندارند. فرآیند حرارتی ترکیب سیلیکات‌های آلومینیوم در مواد اولیه در مقایسه با سیمان پرتلند بسیار ناچیز است به‌علاوه آنکه مقدار بسیار کمی دی‌اکسیدکربن آزاد می‌شود.
• فناوری ساده: ژئوپلیمر از ترکیب ساده سیلیکات آلومینیوم و واکنش آن با حلال‌های قلیایی حاصل می‌شود، سپس در حرارت معمولی عمل می‌یابد و در مدت‌زمان کوتاهی، مقاومت قابل‌توجهی به‌دست می‌آورد. تهیه آن مشابه بتن سیمانی است.
• پایداری حجم: ژئوپلیمرها چهار پنجم سیمان پرتلند از خود کاهش حجم نشان می‌دهند.

مقاومت فشاری بالا در مدت زمان کوتاه: ژئوپلیمرها ۷۰درصد مقاومت فشاری خود را در ۴ ساعت اولیه به‌دست می‌آورند.

• مقاومت خمشی: حدود ۲ برابر بتن سیمانی
• مقاومت شیمیایی: مقاومت در برابر حمله اسید سولفوریک از ۲ تا ۵ برابر در مقایسه با بتن سیمانی
• تخلخل و نفوذپذیری پایین: ۱۰ برابر کمتر از بتن سیمانی
• دوام بسیار بالا: بتن ژئوپلیمر یا ملات ژئوپلیمر هزاران سال در معرض هوازدگی بدون از دست دادن خصوصیات خود دوام دارد.
• ضد حریق: ژئوپلیمر می‌تواند حرارتی بین ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد را بدون آنکه آسیبی ببیند، تحمل کند.

ویژگی‌های نامبرده نشان می‌دهد که بتن ژئوپلیمر کاربردهای وسیعی در تمام زمینه‌ها ازجمله مهندسی عمران دارد. بنابراین این بتن خصوصیات ویژه‌ای دارد که در بتن سیمان پرتلند یافت نمی‌شود و لازم است توجه بیشتری به این نوع بتن شود.
البته منظور از استفاده بتن ژئوپلیمر حذف بتن سیمانی از سازه نیست و بدون شک مزایای بتن سیمانی را در ساخت نمی‌توان نادیده گرفت و درواقع سیمان عنصر اصلی و کلیدی در صنعت ساخت‌وساز است. به‌هر صورت برای توسعه و تقویت فناوری ساخت در کنار عناصر سازه‌ای موجود لازم است عناصر دیگری سازگار با شرایط اقلیمی و کاربری سازه به‌کار گرفته شوند. به‌ویژه در کشور ما که کمبود سیمان محسوس است، این امر در جهت کاهش مصرف سیمان ضروری به‌نظر می‌رسد و امیدوارم مورد عنایت دست‌اندرکاران و مسئولان مربوط قرار گیرد تا به همت پژوهشگران، کارشناسان و کارگزاران این امر تحقق یابد.