الخرسانة هي حاليًا أكثر مواد البناء استخدامًا في العالم. أكثر من 95% من الأسمنت المُنتَج والمُستخدَم اليوم هو أسمنت بورتلاند. ومع ذلك، يستهلك إنتاج أسمنت بورتلاند كميات كبيرة من الموارد والطاقة، وينبعث منه كميات كبيرة من الغبار والغازات العادمة (مثل ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت)، مما يزيد من الضغوط البيئية. علاوة على ذلك، يواجه أسمنت بورتلاند بعض القيود عند استخدامه في الخرسانة عالية الأداء. لذلك، بدأ الباحثون في استكشاف استخدام الخلطات المعدنية لإنتاج نوع جديد من مواد الربط ليحل محل أسمنت بورتلاند.

بالمقارنة مع الأسمنت العادي، تتميز الجيوبوليمرات بخصائص ميكانيكية ومتانة فائقة. علاوة على ذلك، تتميز الجيوبوليمرات بمزايا عديدة من حيث مصادر المواد الخام، واستهلاك الطاقة، والأداء، والمتانة. ويمكن اعتبارها أسمنتًا "أخضر وصديقًا للبيئة"، ومن المتوقع أن تصبح مادة بناء بيئية رئيسية في القرن الحادي والعشرين.

باستخدام خلاطة الخرسانة ذات التيار المعاكس الكوكبي، يمكن خلط المواد الخام بشكل موحد في ظل ظروف القص العالية، مما يساعد على تنشيط مكوناتها التفاعلية بشكل أكثر فعالية.

1. التعريف

 (1) الجيوبوليمر هو مادة مصنوعة من مركبات الألومينوسيليكات ذات الأصل الطبيعي أو الاصطناعي في ظل ظروف قلوية من خلال الجيوبوليمر، مما ينتج عنه مادة تشبه الأسمنت ذات قوة عالية واستقرار ومتانة.
 (2) الجيوبوليمر مادة رابطة جديدة منشطة قلويًا، تختلف عن الأسمنت البورتلاندي العادي. بالمقارنة مع الأسمنت البورتلاندي، فهو يستخدم مواد خام وفيرة، ويستهلك طاقة أقل، وينعدم تقريبًا من حيث انبعاث النفايات، ويتجنب استهلاك موارد الحجر الجيري، مما يجعله مادة بناء صديقة للبيئة.
 (3) من منظور الإنتاج، يتم تصنيع الجيوبوليمر عن طريق التفاعل الكيميائي للمواد الخام الألومينوسيليكاتية (مثل الميتاكاولين أو الرماد المتطاير) مع منشط قلوي؛ ينتج هذا التفاعل مادة مماثلة كيميائيًا لبعض الرماد البركاني.
 (4) من وجهة نظر هيكلية، تشكل الجيوبوليمرات فئة جديدة من المواد ذات شبكة ألومينوسيليكات ثلاثية الأبعاد.
 (5) من منظور الرابطة، تتكون الجيوبوليمرات من شبكة من الروابط التساهمية التي تتكون بشكل أساسي من السيليكون والألمنيوم.

2.الهيكل

البنية الرئيسية للجيوبوليمر هي إطار ألومينوسيليكات ثلاثي الأبعاد، غير متبلور إلى شبه بلوري. يتكون من رباعيات سطوح السيليكون والأكسجين، ورباعية سطوح الألومنيوم والأكسجين.

يساعد استخدام خلاطة الخرسانة ذات التيار المعاكس الكوكبي أثناء الإنتاج على توزيع هذه المكونات وتنشيطها بشكل موحد، مما يؤدي إلى الحصول على بنية شبكة ثلاثية الأبعاد أكثر تجانسًا.

رسم تخطيطي لهيكل الجيوبوليمر

1. المواد الخام الرئيسية

(1) ميتاكاولين، يتم إنتاجه عن طريق المعالجة الحرارية المناسبة لطين الكاولين.
(2) المنتجات الثانوية الصناعية الغنية بالألومينوسيليكات، مثل خبث أفران الصهر، والرماد المتطاير، والفوسفوجيبسوم، ونفايات الطين.
(3) ذيول الفلسبار، وهي مشابهة كيميائيًا للميتاكاولين ولكن مع كمية صغيرة من الكالسيوم.

(4) منشط قلوي، عادةً هيدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم، أو زجاج الماء، أو سيليكات البوتاسيوم.
(5) عوامل ضبط التماسك، وسيليكات الكالسيوم الضعيفة، وغبار السيليكا، والمواد المضافة (مثل المثبطات).

2. عملية التحضير

(1) إذا كان الميتاكاولين المادة الخام، فيتم تنشيطه أولًا بالمعالجة الحرارية عند درجة حرارة حوالي 850 درجة مئوية. تُحوِّله الصدمة الحرارية العالية إلى شكل تفاعلي.
(2) تُمزج المادة الخام بعد ذلك في خلاطة خرسانة كوكبية مع منشط قلوي وماء. يُستخدم زجاج الماء بكثرة؛ إذ تؤثر معامل المرونة، وتركيزه، وظروف معالجته على خصائصه النهائية.
(3) بعد إضافة الماء والمحلول القلوي، يتم خلط الخليط بقوة، ثم صبه في قوالب، وضغطه بالاهتزاز، ثم إخراجه من القالب ومعالجته.
(4) إذا كان الرماد المتطاير هو المادة الخام، فإن الإجراء يكون مماثلاً.

ملخص: تتضمن الإجراءات الرئيسية (1) معالجة المواد الخام مسبقًا، (2) إعداد المحلول القلوي وتحديد الجرعة، (3) الخلط في خلاطة خرسانية كوكبية معاكسة للتيار، (4) الصب والضغط الاهتزازي، و(5) إزالة القالب والتصلب.

3. آلية البلمرة

تتضمن عملية الجيوبوليمر ما يلي:
(1) إذابة مواد الألومينوسيليكات في ظل الظروف القلوية؛
(2) انتشار الأنواع المذابة في المسام؛

(3) تكوين الطور الهلامي من خلال التكثيف المتعدد؛
(4) التصلب التدريجي إلى مادة متجانسة.
يضمن استخدام خلاطة الخرسانة ذات التيار المعاكس الكوكبي أثناء هذه العملية الحصول على خليط موحد وتفاعل أكثر اكتمالاً.

1.الخصائص الفيزيائية

(1) معاملات الانكماش والتمدد منخفضة؛
(2) مقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية؛
(3) قوة ضغط وانحناء وقص أعلى من الأسمنت البورتلاندي العادي؛
(4) متينة ومستقرة كيميائيًا في الظروف القاسية.
يساعد استخدام خلاطة الخرسانة ذات التيار المعاكس الكوكبي في تطوير بنية كثيفة ومتجانسة، مما يساهم بشكل مباشر في هذه الخصائص المرغوبة.

2.الخصائص الكيميائية

(1) القدرة على تغليف أيونات المعادن الثقيلة؛
(2) التثبيت السريع والتصلب؛
(3) مقاومة قوية للأحماض بشكل استثنائي؛
(4) درجة أعلى من مقاومة البلمرة والأكسدة.

3. المزايا

(1) انخفاض استهلاك الطاقة أثناء الإنتاج؛
(2) توافر المواد الخام بكميات وفيرة وأرخص؛
(3) متينة، وخاملة كيميائيًا، وصديقة للبيئة؛
(4) انكماش أقل، استقرار أبعادي أكبر.

1.البنية التحتية والبناء:
يُستخدم الجيوبوليمر في ترميم وتدعيم المباني والجسور، مما يزيد من مقاومتها للزلازل والأعاصير. وتُستخدم حاليًا مواد الجيوبوليمر المركبة ذات الألياف المتصلة في العديد من المناطق لتعزيز الهياكل.

2. تطبيقات الطيران:
لقد تم استخدام مواد الجيوبوليمر، بفضل خفة وزنها ومقاومتها للحرارة، في مكونات الطائرات، مثل ألواح المقصورة والمقاعد.
يضمن استخدام خلاطة الخرسانة الكوكبية ذات التيار المعاكس أثناء الإنتاج الحصول على خصائص موحدة للمواد مرغوبة لهذا التطبيق.

3. تطبيقات السيارات:
في عامي 1994 و1995، نجح فريق بينيتون للفورمولا 1 في تطبيق مواد مركبة من الجيوبوليمر على مكونات سيارتهم للفورمولا 1 - وهو ما شكل تقدماً في مجال خفة الوزن ومقاومة درجات الحرارة العالية والاستقرار الميكانيكي.

4.الصب والمعادن غير الحديدية:
نظرًا لأن البوليمرات الجيوبوليمرية قادرة على الاحتفاظ باستقرارها الهيكلي عند درجات حرارة تتراوح بين 1000 درجة مئوية و1200 درجة مئوية، فإنها تجد تطبيقات في الصب والمعادن غير الحديدية.

5.البناء المدني:
تتصلب الجيوبوليمرات بسرعة وتكتسب القوة بسرعة - عادةً في غضون 4 ساعات - مما يجعلها مثالية للإصلاحات والمشاريع السريعة في صناعات الطرق السريعة والمطارات والسكك الحديدية.

6. تطبيقات المرور والإصلاح:
لإصلاحات الطرق السريعة أو المطارات،خلاطة الخرسانة الكوكبية المعاكسة للتياريمكن إنتاج خليط سريع التصلب. في غضون ساعة واحدة، يمكن السير على المادة؛ وبعد ست ساعات، يمكن حمل الطائرات عليها.

7. التخلص من النفايات النووية والخطرة:
تشكل الجيوبوليمرات بنية تشبه القفص تعمل على تغليف أيونات المعادن الثقيلة والنفايات النووية بشكل آمن، مما يمنع إطلاقها في البيئة.

8. التطبيقات الفنية والديكورية:
يمكن معالجة مواد الجيوبوليمر لتشبه الحجر الطبيعي، مما يجعلها مرغوبة للمكونات المعمارية والزخرفية.

9. مرافق التخزين:
إن استخدام مواد الجيوبوليمر في بناء صوامع تخزين الحبوب يوفر التحكم الطبيعي في درجة الحرارة والرطوبة ومقاومة الآفات.