بتن های با پلیمری

بهتر است پیش از بحث در مورد انواع گوناگون بتن های پلیمری، برخی از اصطلاح های شیمیایی تعریف شوند. مونومر،یک مولکول آلی است که توانایی ترکیب شیمیایی با مولکول های مشابه یا متفاوت را برای تشکیل یک ماده مولکولی با وزن بالا به نام پلیمر را دارد. پلیمر شامل تعدادی مونومر است که با ساختار زنجیره ای به یکدیگر وصل شده اند. به فرآیند شیمیایی که این اتصالات را به وجود می آورد، پلیمریزاسیون می گویند.پلیمرها به دو رده گرمانرم ها و گرماسخت ها رده بندی می شوند. گرمانرم ها دارای زنجیره های طولانی، خطی و موازی هستند که به طور عرضی به یکدیگر متصل نمی شوند. این نوع پلیمرها در گرم شدن و سرد شدن، خاصیت برگشت پذیری را از خود نشان می دهند. از سوی دیگر،گرماسخت ها دارای زنجیره¬هایی با جهت گیری اتفاقی هستند که با اتصالات عرضی به یکدیگر متصل شده اند. این نوع پلیمرها با تغییر دما برگشت پذیر نیستند. با عامل های متصل کننده عرض می توان گرمانرم ها را به گرماسخت ها تبدیل کرد.
به طور کلی، پلیمرها از نظر شیمیایی خنثی بوده و مقاومت کششی و فشاری بالاتری نسبت به بتن های متداول دارند. به هرحال، پلیمرها دارای مدول الاستیسیته پایین تر و خزش بالاتر هستند و ممکن است، به وسیله عامل های اکسیدکننده حرارتی،پرتو فرابنفش، مواد شیمیایی و میکرواورگانیزم ها فاسد شوند.همچنین حلال های آلی خاصی می توانند سبب ترک خوردگی تنشی در آنها شوند. با انتخاب پلیمر مناسب و اضافه کردن موادی به پلیمر می توان بر بسیاری از این معایب غلبه کرد. به طور مثال، آنتی اکسیدان ها مانع از اکسید شدن مواد پایدارکننده در برابر نور سبب کاهش تجزیه ناشی از پرتو فرابنفش می شوند.
از پلیمرها برای ساخت سه نوع بتن با ترکیبات پلیمری یعنی بتن با پلیمر تزریقی (PIC)،بتن پلیمری (PC)،بتن پلیمری با سیمان پرتلند (PPCC) استفاده می شود.
برای ساخت بتن با پلیمر تزریقی،ابتدا بتن معمولی ساخته شده با سیمان پرتلند خشک شده و سپس در یک مونومر مایع مانند متیل متاکرایلایت (MMA) یا استایرن (S) اشباع می شود.پلیمریزاسیون به وسیله پرتو گاما یا کاتالیزورهای حرارتی انجام می شود.با هر یک از این روش ها،رادیکال های آزاد تولید شده و تشکیل پلیمر می دهند.

به عنوان مثال،با استفاده از مونومر¬های گرمانرم فوق بتن پلیمری پلی متیل متاکریلایت (PMMA) و پلی-استایرن (PS) تشکیل می شود. میزان تزریق بیشتر با خشک کردن بتن در دمای 150 درجه سلسیوس (حدود 300 درجه فارنهایت) و سپس با ایجاد خلاء در بتن و تزریق تحت فشار مونومر حاصل می شود. در قطعات بتنی بزرگ،نرخ های گرم شدن و سرد شدن باید به منظور جلوگیری از ترک خوردگی کنترل شود.
محصولات پلیمری در مقایسه با سایر بتن¬های اصلاح شده دارای مقاومت فشاری،کششی و ضربه ای بسیار بالاتر و همچنین مدول الاستیسیته بالاتر بوده و خزش و جمع شدگی ناشی از خشک شدن کمتری را از خود نشان می دهند. جدول 1برخی از خواص متداول این نوع بتن ها را ارائه می دهد. علاوه بر این،بتن اصلاح شده پایداری بالاتری را در برابر یخ زدن و ذوب شدن، سایش و حمله شیمیایی نسبت به بتن های اصلاح نشده نشان می دهند. تمامی این بهبودها ناشی از تخلخل و نفوذپذیری پایین تر بتن با پلیمر تزریقی هستند،اما میزان این تغییر خواص بسته به نسبت آب به سیمان،عمق تزریق،کارایی پلیمریزاسیون،درجه پیوستگی فاز پلیمر و خواص مکانیکی پلیمر است.جنبه منفی بتن های اصلاح شده نسبت به بتن های اصلاح نشده در این است که ضریب انبساط حرارتی آنها بالاست و خواص مکانیکی آنها در معرض آتش شدیداً تحت تأتیر قرار می گیرد.
عیب اصلی بتن با پلیمر تزریق شده قیمت تمام شده بالای آن است، اما ممکن است، تزریق جزئی قطعات بتنی از نظر اقتصادی توجیه پذیر باشد. به طور مثال، ظرفیت برشی تیر های بتن مسلح بدون مسلح کننده های برشی را می توان تا حدود 60 درصد افزایش داد و در نتیجه پایداری در برابر تنش های مهاری افزایش می یابد. بنابراین، تزریق در دو انتهای واحدهای قالب گیری شده کف ظرفیت باربری را بهبود خواهد بخشید و تزریق جزئی عرشه پل ها مقاومت خمشی آنها را افزایش،خیز را کاهش و آب بندی و دوام سطح را بهبود می دهد.

بتن پلیمری به وسیله پلیمریزاسیون یک مونومر مخلوط شده با مصالح سنگی در دمای محیط و با استفاده از سیستم کاتالیزورهای تسریع¬کننده یا مواد عمل آوری کننده تشکیل می شود. بتن های پلیمری اولیه با پلی استر و اپوکسی رزین ها ساخته می شدند، اما در حال حاضر سیستم مونومر دارای پایه متیل متاکریلایت و استایرن است. هنگامی که سیلان به سیستم مونومر اضافه می شود، به عنوان یک عامل متصل کننده عمل میکند و اتصال مشترک بین پلیمر و مصالح سنگی و در نتیجه مقاومت بتن بهبود می¬یابد.
مصالح سنگی مصرفی در بتن پلیمری باید دارای میزان رطوبت پایین بوده و به نحوی دانه بندی شده باشند که کارایی خوبی را با حداقل مقدار مونومر یا رزین ایجاد کنند. مواد مضافی از قبیل سیمان پرتلند یا دوده سیلیس کارایی را بهبود خواهند داد. بتن پلیمری تازه را می توان به روشی مشابه با بتن معمولی ریخته و با ویبره کردن متراکم نمود، اما هنگامی که از اپوکسی ها یا پلاسترها استفاده می شود باید برای تمیز کردن تجهیزات از حلال استفاده شود. سایر سیستم های مونومری موجود مشکلی از نظر تمیز کردن تجهیزات ایجاد نمی کنند، اما برخی از آنها فرار بوده و به سرعت تبخیر می شوند و ممکن است سبب انفجار احتمالی در بتن شوند.در این موارد، استفاده از وسایل بدون جرقه و ضد انفجار ضروری است.
برخی از خواص مکانیکی بتن¬های پلیمری در جدول 2 داده شده اند. مصارف متداول بتن پلیمری عبارت از تعمیرات سریع در بزرگراه های با حجم ترافیک بالا، ساخت پانل های پیش ساخته مسلح شده با ورقه های الیاف شیشه، بلوک های کف و تولید لوله های آب و فاضلاب جدار نازک مسلح شده با الیاف شیشه هستند.
بتن پلیمری با سیمان پرتلند از اضافه کردن بتن تازه به پلیمر به صورت محلول آبی یا یک مونومر که درجا پلیمریزاسیون می شود ساخته می شود. لاتکس های لاستیکی، اکریلیک ها و وینیل استات ها مواد متداولی هستند که با یک عامل ضد کف برای به حداقل رساندن حباب هوای محبوس شده مصرف می شوند.در اینگونه بتن ها هرگز نباید از عامل های حباب هوازا استفاده شود. خواص بهینه با عمل آوری 1 تا 3 روزه و پس از آن با عمل آوری خشک حاصل می شوند.
مزایای عمده بتن پلیمری با سیمان پرتلند در مقایسه با بتن معمولی، دوام بهبود یافته و مشخصات چسبندگی بهتر آن می باشد. پایداری این بتن در برابر یخ زدن و ذوب شدن،سایش و بارگذاری ضربه ای بالاست، اما میزان خزش آن نسبت به بتن معمولی بیشتر است. مصارف معمول این نوع بتن، روکش عرشه پل ها و پانل های دیوار بنایی پیش ساخته می باشد.