بخشی از مقاله
خلاصه
در سالهای اخیر توجه به مسایل زیست محیطی و استفاده از مصالح ساختمانی سازگار با محیط زیست مورد توجه بسیاری از محققان و دولتها قرار گرفته است. به گونه ای که بسیاری از دولت ها تشویقات ویژه ای برای تولیدکنندگان و مصرفکنندگان این مواد اختصاص دادهاند. بتن معمولی یکی از پرکاربردترین مواد ساختمانی است که سیمان پرتلند معمولی نقش اساسی در تولید آن دارد. فرایند تولید سیمان پرتلند باعث تولید مقدار زیادی گازهای گلخانه ای می گردد؛ همچنین این بتن دارای دوام و نفوذپذیری نامطلوب است لذا به طور مداوم نیاز به تعمیر و یا بازسازی پیدا می×کند، به همین دلیل محققان در پی یافتن راه هایی برای کاهش مصرف سیمان پرتلند معمولی می باشند.
اخیراً محققان بتن هایی را معرفی نموده اند که بدون مصرف سیمان پرتلند ساخته می شوند و لذا در رده های بالای سازگاری با محیط زیست هستند. یکی از انواع این بتن ها، بتن ژئوپلیمر است. در این مقاله، به بررسی تاریخچه، مواد تشکیل دهنده، خصوصیات و برخی مطالعات صورت گرفته بر روی بتن ژئوپلیمر یا بتن با سیمان قلیافعال پرداخته شده است. تحقیقات نشان داده است که بتن ژئوپلیمر علاوه بر دارا بودن کلیه ویژگی های مکانیکی بتن با سیمان پرتلند معمولی دارای ویژگی های مهم دیگری مانند: مقاومت مکانیکی بالا در سنین اولیه عمل آوری، دوام بالا در محیط های مهاجم، مقاومت عالی در برابر حرارت های بالا و استفاده از مواد باطله و سمی برای ساخت سیمان قلیافعال می باشد.
.1 مقدمه
سهم سیمان پرتلند معمولی - OPC - سالانه در حدود 1/35 میلیارد تن یا حدود %7 از کل گازهای گلخانهای تولید شده در جو کرهی زمین تخمین زده شده است. همچنین گزارش شده که بسیاری از ساختارهای بتنی، خصوصاً آنهایی که در محیطهای دارای خاصیت خورندگی ساخته شدهاند، بعد از گذشت 20 تا 30 سال آغاز به تخریب میکنند . 1 مصرف روز افزون سیمان پرتلند معمولی موجب نگرانی های زیست محیطی شده است. در میان گازهای گلخانه ای، Co2 حدود % 65 در گرمای کره زمین نقش دارد. صنعت تولید سیمان پرتلند مسئول بخشی از Co2 منتشر شده می باشد، زیرا تولید یک تن سیمان پرتلند معمولی تقریبا یک تن Co2 در جو منتشر می کند .
از دیگر مشکلات مهم سیمان پرتلند معمولی آسیب پذیری و نهایتاً فروپاشی سازه های مربوطه در طول زمان بهره برداری است، به طوری که سازه های بتنی که در چند دهه اخیر با سیمان پرتلند معمولی ساخته شده اند هم اکنون دارای ظاهر فروپاشی شده هستند. همچنین این سیمان در موارد تعمیری نیز عملکرد و دوام نامناسبی از خود نشان داده است.گرچه در نظر اول مشکلات دوام بتن از متراکم کردن و عمل آوری ناقص سرچشمه می×گیرد اما موضوع اصلی درباره دوام سیمان پرتلند، مربوط به خواص ذاتی مواد آن می باشد. وجود یک نفوذ پذیری زیاد و میل به کربناسیون را می×توان در این مورد ذکر کرد. همچنین سیمان پرتلند مقدار زیادی هیدروکسید کلسیم تولید می کند که با اسیدهای قابل حل واکنش می دهد .[3]
صنعت تولید بتن، این مشکلات را شناسایی کرده است؛ برای مثال، صنعت بتن ایالات متحده امریکا طرحهایی را برای رفع این مشکلات در برنامهی مطالعاتی 2030 در نظر گرفته است که منظر صنعت بتن در آمریکا نامیده میشود. در این صنعت، استراتژیهایی به منظور بازسازی ساختار بتن و انتخاب موادی برای توسعهی زیر ساخت ها ارائه شده است و همزمان با آن اقداماتی صورت گرفته که مواد مورد استفاده برای آینده، دوست دار محیط زیست باشند.
به منظور تولید بتن دوست دار محیط زیست مهتا پیشنهاد میکند که از منابع طبیعی کمتری استفاده شود، انرژی کمتر مصرف شود تا تصاعد دیاکسیدکربن به حداقل برسد. او این اقدامات کوتاه مدت را به عنوان اکولوژیک صنعتی تبیین میکند. هدف بلند مدت کاهش تأثیر ناخواسته محصولات صنعتی میتواند با پایین آوردن نرخ مصرف مواد حاصل گردد .[4] یکی دیگر از تلاشها در این راستا توسعهی پلیمر معدنی آلومینیوسیلیکات است که به آن ژئوپلیمر گفته میشود و از موادی تهیه میشود که منشأ زمینشناسی دارند و نیز موادی مانند خاکستر بادی که از نظر آلومینیوم و سیلیکات غنی هستند. خمیر ژئوپلیمر میتواند به عنوان یک چسباننده در تولید بتن به جای خمیر سیمان مورد استفاده قرار گیرد . 5
2 تاریخچه سیمان های قلیافعال
بخش اصلی توسعه سیمان های قلیافعال در سال 1940 و با کار [6] Purdon بوده است. Purdon در تحقیقات خود سرباره کوره بلند فعال شده با هیدروکسید سدیم را به کار برد. به عقیده او فرایند واکنش شامل دو مرحله می باشد. در طول اولین مرحله آزاد سازی سیلیس، آلومینیوم و هیدروکسیدکلسیم قرار دارد. پس از آن شکل گیری هیدرات های سیلیکا و آلومینا و همچنین احیاء محلول قلیایی روی خواهد داد.
[7] Glukhovsky اولین محقق است که سیمان های استفاده شده در روم باستان و ساختمان های مصری را بررسی کرده است، او نتیجه گرفت که آنها مرکب از هیدرات های آلومیناسیلیکات کلسیم بعلاوه فازهای بلورین آنالسیت - یک سنگ طبیعی که دوام این چسب ها را شرح می×دهد - بودند. Campbell و Folk نشان دادند که دوام چسبهای باستان به علت سطح بالای ترکیبات زئولیتی غیر بلوری بود. همچنین Granizo اعتقاد دارد که وجود ترکیبات زئولیت در چندین چسب قدیمی، اشاره می کند که آنها حالت ثابت و نهایی یک تبدیل درازمدت فاز اولیه به مواد شبیه زئولیت هستند .[8]
یک بخش بزرگ از تحقیقات سیمان های قلیافعال مربوط به فعال سازی سرباره کوره بلند می باشد. این سیمان ها معروف به سیمان سرباره قلیا یا سیمان سرباره قلیافعال می باشند. این ماده با وجود اینکه خواص سیمانی پایینی دارد اما وقتی یک فعال کننده قلیایی مورد استفاده قرار می گیرد، می تواند مقاومت فشاری بالایی به دست آورد. Shi و Day اشاره کردند که فعال سازی قلیایی سرباره با Na2O . nSiO3 به یک مقاومت فشاری MPa 160 بعد از 90 روز عمل آوری در دمای اتاق منجر می شود .[9]
نمک های اسیدی قوی، M2SO4
تحقیقات در مورد فعال سازی قلیایی توسط Davidovits توسعه یافت. نتایج تحقیقات انجام شده توسط [11] Davidovits نشان می دهد که تفاوت آشکار بین ملات های قدیمی و امروزی وجود دارد. محصولات قدیمی نه تنها از نظر فیزیکی دارای دوام بیشتری هستند بلکه مقاومت آنها در برابر حملات شیمیایی و سیکل های انجماد - ذوب نیز بیشتر است. او سیمان های بدست آمده از فعال سازی قلیایی متاکائولن را توسعه داد که این سیمان در سال 1978 ژئوپلیمر نامیده شد.
Natali و همکاران [12] تایید کردند که بتن های قلیافعال خواص مطلوبی دارند اما به علت خاصیت شکننده و سرامیک مانندشان مقاومت کششی و خمشی کمی دارند و این مورد باعث گسیختگی ترد این نوع از بتن می شود. بتن ژئوپلیمر مسلح شده با الیاف می تواند به عنوان یک مخلوط برای بهبود مقاومت خمشی و کششی و دوام در برابر شکست مطرح شود. هم الیاف های آلی و هم الیاف های معدنی می توانند یک افزایش مقاومت عالی را در بتن ژئوپلیمر ایجاد کرده و شیوه گسیختگی ترد را به گسیختگی شکل پذیر تبدیل کنند.
.3 پیش ماده تولید سیمان قلیافعال
مواد پوزولانی پودری که ماده اولیه واکنش را تشکیل می دهند به عنوان پیش ماده شناخته می شوند. از لحاظ تئوری، هر ماده غنی از سیلیس و آلومینیوم که قابلیت فعال شدن به صورت قلیایی را داشته باشد از جمله: رسهای کائولینیتی، متاکائولین، خاکستر بادی، سرباره کوره بلند، کائولین، سرخگل وترکیباتی با درصدهای مختلف از این مواد، می تواند به عنوان ماده اولیه سیمان قلیافعال مورد استفاده قرار گیرد .[13]
Palomo و همکاران در تحقیقات خود به این نتیجه رسیدند که بسته به مواد اولیه استفاده شده در تولید سیمان قلیافعال، دو مدل از فعال سازی قلیایی می تواند روی دهد. اولین مدل، فعال سازی سرباره کوره بلند - Si + Ca - با یک محلول قلیایی ملایم، که محصول اصلی واکنش CSH می باشد. دومین مدل، فعال سازی قلیایی یک ماده مثل متاکائولن - Si + Al - با یک محلول قلیایی متوسط تا شدید می باشد .[14]
مقاومت مکانیکی سیمان های قلیافعال به شرایط ساختاری مواد آلومینا-سیلیکات بستگی دارد. به عنوان مثال مواد طبیعی خام به عملکرد مکانیکی پایین منجر می شوند. مقاومت مکانیکی بالاتر مربوط به موادکلسینه شده، همچون خاکستر بادی، سرباره کوره بلند و متاکائولن می باشد. انجام عملیات گرمایی روی مواد آلومینا-سیلیکاتی با یک افزایش در فاز غیر بلوری باعث تغییر در ساختارشان می شود. در پوزولان های واکنش پذیر، واکنش پذیر بودن فعال سازی قلیایی به مقدار سیلیس و آلومینیوم غیر بلوری بستگی دارد .[13]
