การอ้างอิง: วราพร วงษ์เจริญสมบัติ, วีระวรรณ เฉลิมสกุลกิจ, นุตา ศุภคต. (2563). จีโอพอลิเมอร์…ทางเลือกใหม่สู่อุตสาหกรรมการก่อสร้าง. วารสารสิ่งแวดล้อม, ปีที่ 24 (ฉบับที่ 1).

บทความ: จีโอพอลิเมอร์…ทางเลือกใหม่สู่อุตสาหกรรมการก่อสร้าง

การเพิ่มขึ้นของจำนวนประชากรส่งผลให้เกิดการขยายตัวของอุตสาหกรรมการก่อสร้าง โดยปูนซีเมนต์พอร์ตแลนด์หรือปูนซีเมนต์ทั่วไปซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุก่อสร้างที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความแข็งแรงคงทน โดยในกระบวนการผลิตปูนซีเมนต์พอร์ตแลนด์ต้องใช้ความร้อนในการเผามากถึง 1400 องศาเซลเซียส และในการผลิตปูนซีเมนต์พอร์ตแลนด์ 1 ตัน จะสร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 0.96 ตันสู่บรรยากาศ (Gartner, 2004) รวมไปถึงอุตสาหกรรมปูนซีเมนต์ยังได้ปล่อยก๊าซกำมะถันออกไซด์ (SO3) และไนโตรเจนออกไซด์ (NOx)) อีกด้วย ซึ่งก๊าซเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของการเกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก (Greenhouse Effects) และเกิดฝนกรดอีกด้วย (Rashad & Zeedan, 2011) นอกจากนี้กรมควบคุมมลพิษ (2560) รายงานว่าปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) จากอุตสาหกรรมต่าง ๆ ในประเทศไทย มาจากอุตสาหกรรมซีเมนต์มากเป็นอันดับหนึ่ง คิดเป็นสัดส่วนถึงร้อยละ 75 ซึ่งหมายความว่า ถ้าลดการผลิตซีเมนต์ได้บางส่วน จะสามารถช่วยลดปริมาณการผลิต CO2 ซึ่งก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกได้ด้วย ดังนั้นการหาวัสดุที่มีคุณสมบัติเทียบเท่าปูนซีเมนต์พอร์ตแลนด์มาประยุกต์ใช้ในการก่อสร้างเพื่อลดการใช้พลังงานและลดปริมาณการเกิดก๊าซเรือนกระจก จีโอพอลิเมอร์จึงเป็นทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจ

บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ผู้อ่านได้รู้จักวัสดุจีโอพอลิเมอร์ รวมถึงแนวทางการพัฒนาวัสดุจีโอพอลิเมอร์ในอนาคต

จีโอพอลิเมอร์ (Geopolymer) เป็นวัสดุผสมอะลูมิโนซิลิเกตที่มีโครงสร้าง 3 มิติแบบอสัณฐาน ถูกคิดค้นขึ้นในปี ค.ศ. 1970 โดยศาสตราจารย์โจเซฟ เดวิดดอฟ (Prof. Joseph Davidovits) นักวิทยาศาสตร์เคมีชาวฝรั่งเศส โดยจีโอพอลิเมอร์เป็นวัสดุเชื่อมประสานชนิดหนึ่งที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาจีโอพอลิเมอร์ไรเซชั่น (Geopolymerization) ของสารตั้งต้นที่ประกอบด้วยซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) และอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) เป็นหลัก (Hassan et al., 2019) ได้แก่ ดินขาวเผา (Metakaolin) เถ้าลอย (Fly ash)  หรือ เถ้าแกลบ (Rice husk ash) ซึ่งสารตั้งต้นดังกล่าวอาจผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การบด หรือ การเผา เพื่อเพิ่มความสามารถของวัสดุในการเกิดปฏิกิริยาจีโอพอลิเมอไรเซชั่น (Geopolymerization) และถูกทำให้แตกตัวด้วยสารละลายด่างที่มีความเข้มข้นสูง ได้แก่ โซเดียมซิลิเกต (Na2SiO3) โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) หรือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) เพื่อชะอะลูมินาและซิลิกาออกมาจากสารตั้งต้น แล้วใช้ความร้อนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้จีโอพอลิเมอร์สามารถก่อตัวและให้กำลังอัดได้ (พีรัช ธเนศฐิติวัชร์, 2558)


สารตั้งต้นที่ใช้ในการทำจีโอพอลิเมอร์สามารถนำมาจากธรรมชาติ เช่น หินบะซอลต์ (Basalt) และดินขาวเผา (Metakaolin) เป็นต้น หรือจากผลพลอยได้จากอุตสาหกรรมและการเกษตร เช่น เถ้าลอย (Fly ash) ทรายจากการหลอมโลหะ (Waste Foundry Sand) และตะกรันจากการหลอมเหล็ก (Electric arc furnace slag) เป็นต้น โดยคุณสมบัติจากสารตั้งต้นที่กล่าวมานี้ มีองค์ประกอบหลักทางเคมีเป็นซิลิกาออกไซด์ และอะลูมิเนียมออกไซด์ จึงได้มีการนำสารตั้งต้นไปประยุกต์ใช้ในงานวิจัยต่าง ๆแสดงได้ ดังตารางที่ 1

งานวิจัยที่เกี่ยวกับจีโอพอลิเมอร์
Freidin (2007) ได้ศึกษาการผลิตจีโอพอลิเมอร์จากเถ้าลอย 100% และเถ้าหนัก 100% โดยใช้สารละลายโซเดียมซิลิเกตเป็นสารละลายด่างและบ่มที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 28 วัน พบว่า ส่วนผสมของอิฐจีโอพอลิเมอร์ สามารถผลิตวัสดุก่อสร้างคอนกรีตได้ตามมาตรฐานอิสราเอลสำหรับคอนกรีตซีเมนต์ทั่วไป นอกจากนี้ Chindaprasirt และ Rattanasak (2017) ศึกษาการใช้เถ้าลอยผสมโซเดียมไฮดรอกไซด์โดยนำไปบ่มด้วยความร้อน พบว่า การบ่มด้วยความร้อนช่วยเพิ่มการสร้างเครือข่าย Si-O-Al ของจีโอพอลิเมอร์และพบว่าอิฐจีโอพอลิเมอร์ที่บ่มด้วยอุณหภูมิห้องมีความแข็งแรงเทียบเท่ากับอิฐจีโอพอลิเมอร์ที่บ่มด้วยความร้อน และจากการศึกษาของ Huseien และคณะ (2018) ในการผลิตจีโอพอลิเมอร์คอนกรีตจากเถ้าปาล์มน้ำมันและตะกรันจากการหลอมเหล็ก พบว่า ค่าการทนแรงอัดมีค่าเป็นไปตามมาตรฐานตาม ASTM C109 (การทดสอบค่าการทนแรงอัดของก้อนคอนกรีต) (ASTM International, 2016)  โดยมีค่าการทนแรงอัดสูงสุดอยู่ที่ 70.2 MPa นอกจากนี้ พบว่าจีโอพอลิเมอร์จากตะกรันจากการหลอมเหล็ก เถ้าลอย ปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ และทรายธรรมชาติ มีค่าการทนแรงอัดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อมีการแทนที่ทรายธรรมชาติด้วยทรายจากการหลอมโลหะ 60% ซึ่งมีค่าการทนแรงอัดเท่ากับ 48.5 MPa (Bhardwaj & Kumar 2019) และจากการศึกษาของ Apithanyasai (2018) พบว่า อิฐจีโอพอลิเมอร์ผลิตจากทรายจากการหลอมโลหะร่วมกับเถ้าลอยและตะกรันจากการหลอมเหล็กที่อัตราส่วน 40:30:30 ให้ค่าการทนแรงอัดสูงที่สุด (25.76 MPa) นอกจากนี้ Rovnaník (2010) ได้นำดินขาวที่เป็นสารตั้งต้นจากธรรมชาติมาผลิตจีโอพอลิเมอร์ พบว่า การบ่มที่อุณหภูมิ 10 ºC เป็นระยะเวลา 28 วัน จะมีค่าการทนแรงอัดสูงสุดเท่ากับ 62 MPa  และจากการศึกษาของ  Timakul (2016) พบว่า เมื่อนำใยหินบะซอลต์มาเพิ่มลงในจีโอพอลิเมอร์ที่ผลิตจากเถ้าลอยเป็นองค์ประกอบหลัก  ส่งผลให้จีโอพอลิเมอร์มีค่าการทนแรงอัดเพิ่มขึ้น งานวิจัยข้างต้นสามารถสรุปได้ดังแสดงในตารางที่ 2 

เถ้าลอยและเถ้าหนัก 40 mm x 57 mm 15.6 MPa (มาตรฐาน Met Israeli สำหรับ
คอนกรีตซีเมนต์ทั่วไป)

เถ้าลอย แม่พิมพ์พลาสติกขนาดเล็ก 35.7 MPa เถ้าน้ำมันปาล์ม (30%) และ
ตะกรันเตาถลุงเหล็ก (70%)  50 mm x 50 mm x 50 mm 70.2 MPa ที่ 28 วัน ทรายจากการหลอมโลหะ (60%), ทรายธรรมชาติ (40%)
และผงประสาน
(ตะกรันจากการหลอมเหล็ก/เถ้าลอย + ปอร์ตแลนด์ซีเมนต์)

100 mm x 100 mm x 100 mm  48.5 Mpa  ทรายจากการหลอมโลหะ,
เถ้าลอยถ่านหินและ
ตะกรันจากเตาอาร์คไฟฟ้า(40:30:30)  5 cm x 5 cm x 5 cm  25.76 Mpa ดินขาว

40 × 40 × 160 mm 62 MPa เถ้าลอย และใยหินบะซอลต์ 50 mm x 50 mm x 50 mm 48 MPa จากตารางงานวิจัยข้างต้น พบว่าการทำจีโอพอลิเมอร์ที่ใช้สารละลายด่างที่มาจากโซเดียมซิลิเกต (Na2SiO3) รวมกับโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) จะส่งผลให้อิฐจีโอพอลิเมอร์มีค่าการทนแรงอัดมากกว่าจีโอพอลิเมอร์ที่ทำจากโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) เพียงอย่างเดียว เนื่องจากการเติมโซเดียมซิลิเกต (Na2SiO3)  ที่มากขึ้นจะเป็นเพิ่มซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ทำให้ตัวอย่างเกิดปฏิกิริยาและจับตัวกันได้อย่างรวดเร็ว (ณัฏฐ์ มากุล และ บุรฉัตร ฉัตรวีระ, 2556) ซึ่งแนวทางการศึกษาเกี่ยวกับจีโอพอลิเมอร์ในอนาคต ควรมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงความแข็งแรงและความทนทานของอิฐจีโอพอลิเมอร์ รวมถึงควรมีการพิจารณาการตรวจสอบอิทธิพลจากสารตั้งต้นและสารละลายด่างที่มีคุณสมบัติทางวิศวกรรมต่ออิฐจีโอพอลิเมอร์ เพื่อให้เหมาะสมสำหรับการใช้งาน (Amran, 2019)

จีโอพอลิเมอร์เป็นวัสดุทางเลือกที่น่าสนใจเนื่องจากมีความแข็งแรงสูง ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์น้อย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีการหดตัวต่ำ ใช้พลังงานต่ำในการผลิต และมีราคาถูก โดยในการผลิตอิฐจีโอพอลิเมอร์ ตั้งแต่กระบวนการได้มาซึ่งวัตถุดิบ การผลิต การนำไปใช้งานของอิฐจีโอพอลิเมอร์ พบว่ามีความคุ้มทุนมากกว่าการผลิตอิฐคอนกรีต รวมถึงยังมีการนำของเสียจากอุตสาหกรรมมาใช้ซึ่งช่วยลดต้นทุนในการผลิตได้ แต่จีโอพอลิเมอร์มีค่าการดูดซึมน้ำค่อนข้างสูง ซึ่งไม่เป็นผลดีต่อการใช้งาน อาจส่งผลต่อความแข็งแรงของโครงสร้าง นอกจากนี้จีโอพอลิเมอร์ยังสามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ง่ายเมื่อโดนความร้อน หรืออยู่ในสภาวะที่มีความชื้นสูง ดังนั้นการเพิ่มวัสดุปอซโซลาน อาทิเช่น เถ้าลอย ตะกรันถลุงเหล็ก ทรายจากการหลอมโลหะ ลงไปในจีโอพอลิเมอร์คอนกรีตจึงสามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของคอนกรีตให้ดีขึ้น เช่น เพิ่มความแข็งแรงของคอนกรีต เพิ่มค่าการทนแรงอัด ช่วยเพิ่มการทนกรดของคอนกรีต และช่วยลดการดูดซึมน้ำของคอนกรีตอีกด้วย นอกจากนี้อิฐจีโอพอลิเมอร์มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าอิฐทั่วไป และสามารถเพิ่มมูลค่าให้แก่ผลพลอยได้จากอุตสาหกรรมได้

ดาวน์โหลดบทความ (Download PDF)