بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۳۰: افزودنی‌های بتن (قسمت دوم: انواع، مشخصات، ارزیابی)
انواع افزودنی‌های شیمیایی
افزودنی‌های شیمیایی بر اساس نوع تاثیر و کارکرد اصلی که در بتن دارند به چند دسته کلی تقسیم می‌شوند.
روان‌کننده / کاهنده آب
افزودنی‌های کاهنده برای افزایش روانی بتن در مقدار آب معین، یا کاهش مقدار آب مصرفی با حفظ روانی، یا هر دو به کار می‌روند. به عبارت دیگر، ماده افزودنی که بدون تغییر روانی، مقدار آب مخلوط بتن را کاهش می‌دهد یا بدون تغییر مقدار آب، اسلامپ و روانی را افزایش می‌دهد یا هر دو اثر را بطور همزمان ایجاد می‌کند.
فوق‌روان‌کننده / فوق کاهنده آب
ماده افزودنی که بدون تغییر روانی، مقدار آب مخلوط بتن را به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد یا بدون تغییر مقدار آب، اسلامپ و روانی را به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد، یا هر دو اثر را بطور همزمان ایجاد می‌کند. بعضی از انواع این مواد حتی می‌توانند بیش از ۳۰ درصد کاهش آب را در مخلوط ممکن کنند.
هوازا / حباب‌زا / حباب‌ساز
افزودنی است که در حین اختلاط، ساختاری همگن از ریزحباب‌های ناپیوسته در بتن، ملات، یا خمیر سیمان پدید می‌آورد و باعث بهبود کارآیی (کارپذیری) و افزایش پایایی در برابر چرخه‌های یخ‌زدن و آب‌شدن می‌شود.
این مواد افزودنی باعث ایجاد حباب‌های ریز و یکنواخت هوا در داخل بتن می‌شود که بعد از سخت شدن نیز باقی می‌مانند. این افزودنی اجازه می‌دهد تا مقدار کمی حباب هوا بصورت کنترل شده و یکنواخت در حین فرآیند اختلاط در بتن پخش شود. هوازاها معمولاً برای افزایش مقاومت بتن در برابر یخ‌زدن و ذوب‌شدن متوالی استفاده می‌شوند. این مواد می‌توانند اثراتی مانند کاهش آب‌انداختگی و افزایش چسبندگی و کمک به کاهش تهاجم فیزیکی نمک (تبلور نمک) داشته باشد. همچنین این مواد نفوذپذیری بتن را کاهش می‌دهند و حرکت نم موئینه را مهار می‌نمایند.
دیرگیرکننده / کندگیرکننده
کُندگیرکننده‌ها با کُندکردن روند آبگیری سیمان، گیرش بتن را به تاخیر می‌اندازند و شامل دیرگیرکننده‌ها و ناگیرکننده‌ها می‌شوند.
ماده افزودنی دیرگیرکننده، زمان گیرش بتن و تغییر حالت مخلوط از خمیری به سخت را افزایش می‌دهد. افزودنی‌های دیرگیرکننده، سرعت واکنش بین سیمان و آب را کاهش می‌دهند و مدت زمانی را که مخلوط از حالت خمیری به حالت سخت تبدیل می‌شود به تأخیر می‌اندازند.
شتاب‌دهنده‌ها / تسریع‌کننده‌ها / زودگیرکننده‌ها
شتاب‌دهنده‌ها با تندکردن روند آبگیری سیمان موجب زودگیری، زودسخت‌شدگی، یا هر دو می‌شوند. شتاب‌دهنده‌ها شامل زودگیرکننده‌ها، آنی‌گیرها، و زودسخت‌کننده‌ها هستند.
تسریع‌کننده‌ها، سرعت واکنش بین سیمان و آب را افزایش می‌دهند و بنابراین زمان تغییر حالت مخلوط از حالت پلاستیک به حالت سخت (زمان بین گیرش اولیه بتن و سخت‌شدن آن) یا زمان کسب مقاومت سنین اولیه را کاهش می‌دهند.
همچنین بعضی از تسریع‌کننده‌ها، بدون تأثیر روی زمان گیرش، روند کسب مقاومت بتن را تسریع می‌کند که به عنوان تسریع‌کننده‌سخت‌شدگی (زودسخت‌کننده) شناخته می‌شوند.
منبسط‌کننده‌ها
منبسط‌کننده‌ها برای افزایش حجم در بتن (ملات) تازه، جبران جمع‌شدگی بتن (ملات) سخت‌شده، یا ایجاد انبساط کنترل شده در بتن (ملات) سخت‌شده به کار می‌روند.
پایاگرها / دوامبخشها
پایاگرها با کاهش نفوذ عوامل زیان‌آور، محافظت میلگردها، یا کنترل واکنش‌های زیانبار، پایایی بتن سخت‌شده را بهبود می‌بخشند. کاهنده‌های نفوذپذیری، نم‌بندها، بازدارنده‌های خوردگی، و کاهنده‌های انبساط واکنش قلیایی سیلیسی در این دسته از افزودنی‌ها جای می‌گیرند.
از پرکاربردترین این افزودنی‌ها، افزودنی‌های آب‌بند‌کننده (کاهنده جذب و نفوذ آب) می‌باشد. این نوع افزودنی‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند:
۱) آب‌بندکننده‌های کاهنده نفوذ که اندازه سوراخ موئینه و پیوستگی آنها را داخل خمیر سیمان کاهش می‌دهند. این امر معمولاً با کاهش مقداری از آب آزاد مخلوط همراه با بستن بعضی لوله‌های موئین اتفاق می‌افتد. این افزودنی‌ها حتی در فشار آب زیاد هم مؤثرند و انتشار گازها و یون‌های مهاجم را در بتن کاهش می‌دهند. همچنین این افزودنی‌ها به کاهش تهاجم فیزیکی نمک (تبلور) کمک می‌نمایند.
۲) آب‌گریزکننده‌ها، سوراخ‌های موئین در بتن را با مواد دافع آب می‌پوشانند. این امر مکش سوراخ‌های موئین در بتن را کاهش داده و به طور قابل توجهی، جذب آب بتن یا ملات را کاهش می‌دهد. این افزودنی‌ها، فقط در فشار آب کم مؤثرند و مقاومت کمی در برابر انتشار گاز یا یون‌های مهاجم دارند (معمولاً به همراه آب‌بندکننده‌های کاهنده نفوذ یا با فوق‌کاهنده آب استفاده می‌شوند تا اثرات کاهش جذب آب را بهینه کنند).
لازم به یادآوری است که اگرچه کاهنده‌های جذب آب عملکرد بتن را بهبود می‌بخشند ولی از نفوذ آب در ترک‌ها یا درزهای آب‌بندی‌نشده که راههای معمول نفوذ آب در سازه‌ها هستند جلوگیری نمی‌کنند.
افزودنی‌های خاص
افزودنی‌های خاص دسته‌ای از افزودنی‌های شیمیایی با کاربرد ویژه و محدود هستند. ضدیخ‌ها، رنگ‌بخش‌ها، هوازداها، آسان‌کننده‌های پمپاژ، ضد آب‌شستگی‌ها، کنترل کننده‌های واکنش آبگیری، پیوندزاها (لاتکس)، قوام‌بخش‌ها، بازدارنده خوردگی، گاززاها، کف‌زاها، و انواع افزودنی‌های پلیمری، نمونه‌هایی از افزودنی های خاص هستند.
بازدارنده‌های خورندگی بیشتر شامل بازدارنده‌های آندی هستند. این افزودنی‌ها مقاومت میلگردها در برابر حمله خوردگی ناشی از تهاجم کلرید را افزایش داده و باعث افزایش عمر مفید سازه می‌شوند.
افزودنی‌های کف‌زا جهت ایجاد کف تشکیل شده از حباب‌های کوچک پایدار به کار می‌روند. این افزودنی‌ها برای ساخت بتن‌ها و یا ملات‌های سبک با دانسیته کم و یا ساخت قطعات بنایی سبک غیرباربر کاربرد دارند. مقاومت فشاری این نوع قطعات کم است و از آنها به عنوان جداکننده‌ها، سطوح عایق و پرکننده استفاده می‌شود.
افزودنی‌های کمک پمپاژ برای بهبود چسبندگی بتن و کاهش جدایی و مسدود شدن لوله‌های پمپاژ طراحی می‌شوند و فشار پمپ کردن را کاهش می‌دهند.
افزودنی‌های ضد آب‌شستگی یا قوام‌بخش‌ها، برای افزایش چسبندگی و کاهش شسته شدن در بتن‌های با کارایی زیاد که برای بتن‌ریزی در زیر آب (توسط پمپ یا سطح شیب دار) استفاده می‌شوند، بکار می‌روند. این افزودنی‌ها به جلوگیری از جدایی در حین جایدهی بتن کمک می‌کنند و اثرات جذر و مد و فعالیت‌های موج را در حین سخت‌شدن بتن کاهش می‌دهند.
افزودنی‌های پلیمری بر پایه امولسیون‌های پلیمری معمولاً در مخلوط‌های ملاتی برای کف‌ها، پلاسترها یا تعمیرات استفاده می‌شوند. این افزودنی‌ها می‌توانند مقاومت کششی و خمشی را بهبود بخشیده و امکان خودعمل‌آوری بتن یا ملات و با چسبندگی زیاد را فراهم نمایند. همچنین کاهنده‌های قوی آب به پلیمر کمک می‌کند تا خواصی مانند ضد آب بودن را به بتن دهد. اگرچه باید اشاره شود که بعضی از انواع پلیمر در شرایط مرطوب نرم یا هیدرولیز می‌شوند و بنابراین انواع مناسبی برای کاربرد مورد نظر باید انتخاب شوند.
افزودنی‌های چند کاره (چند منظوره)
افزودنی‌های چندکاره یا چندمنظوره روی تعدادی از خواص مخلوط در حالت تازه یا سخت شده، از طریق ترکیب دو یا تعداد بیشتری از موارد ذکر شده در بندهای قبلی تأثیر می‌گذارند. دو نوع معمول و متداول این افزودنی‌ها عبارتند از:
۱) افزودنی‌های روان‌کننده (کاهنده آب) و دیرگیرکننده: این نوع افزودنی‌ها مصرف قابل توجهی بخصوص در شرایط محیطی گرم دارند. با استفاده از این نوع افزودنی می‌توان ضمن کاهش مقدار آب و یا افزایش روانی، در زمان گیرش نیز تأخیر ایجاد کرد تا پس از انتقال و در حین ریختن، باز هم بتوان اسلامپ مناسبی برای بتن‌ریزی در محل را داشت. این مدت معمولاً حدود ۱ ساعت بعد از اختلاط بتن است. خاصیت دیرگیرکنندگی از سفت شدن زودرس بتن در حین انتقال و همچنین از درز بین بتن‌ریزی‌های متوالی جلوگیری می‌کند. این مواد به عنوان کاهنده آب نیز استفاده می‌شوند و معمولاً سبب ۵ تا ۱۲ درصد کاهش آب در کارایی یکسان با مخلوط شاهد می‌گردند.
۲) افزودنی‌های فوق‌روان‌کننده / فوق‌کاهنده‌های آب و دیرگیرکننده: این افزودنی‌ها نقش مشابهی با روان‌کننده‌های دیرگیرکننده دارند، ولی کارایی اولیه آنها بیشتر است و سبب نگهداری کارایی به مدت بیشتر با وجود آب کمتر می‌شود. همچنین می‌توانند زمان حفظ کارایی را افزایش داده و کاهش آب را بدون دیرگیرکنندگی زیاد افزایش دهند.
مشخصات افزودنی‌های شیمیایی
افزودنی‌های مصرفی بایستی پاسخگوی نیازها و ضوابط آیین‌نامه بتن و استانداردهای ملی ایران و استانداردهای بین‌المللی معتبر مانند AASHTO، ASTM و EN باشند. این منابع مشخصات فنی، حداقل انتظارات از مصرف، و نحوه تاثیرگذاری هر افزودنی را به تفصیل بیان می‌نمایند و راهنمای بسیار مناسبی برای استفاده افزودنی‌ها هستند. در کنار این استانداردها، تولیدکنندگان این افزودنی‌ها همواره مشخصات فنی دقیقی از محصولات خود و دامنه مصرف و تاثیر آنها در بتن را ارایه می‌نمایند که در مواردی می‌توانند راهگشا باشند. اگرچه مشخصات فنی ارایه‌شده توسط تولیدکنندگان دربردارنده‌ی دامنه مصرف پیشنهادی هستند ولی مقدار مصرف افزودنی باید بر اساس نتایج به دست آمده با مصالح مصرفی در کارگاه موردنظر تعیین شود. برخی از استانداردهای افزودنی‌های شیمیایی در جدول زیر آورده شده است.
| دسته افزودنی | نام افزودنی | استاندارد | ||
| ایران | اروپا | آمریکا | ||
| کاهنده‌های آب | روان‌کننده | ISIRI-2930 | EN 934-2 | ASTM C494, AASHTO M194 |
| روان‌کننده کُندگیر | ISIRI-2930 | EN 934-2 | ASTM C494, AASHTO M194 | |
| روان‌کننده تندگیر | ||||
| فوق‌روان‌کننده | ISIRI-2930 | EN 934-2 | ASTM C494 | |
| فوق‌روان‌کننده کُندگیر | ASTM C494 | |||
| هوازاها | هوازا | ISIRI-2930 | EN 934-2 | ASTM C260, AASHTO M154 |
| کُندگیرکننده‌ها | دیرگیرکننده | ISIRI-2930 | EN 934-2 | ASTM C494, AASHTO M194 |
| ناگیرکننده | AASHTO M194 | |||
| شتاب‌دهنده‌ها (تسریع‌کننده‌ها) | زودگیر | ISIRI-2930 | EN 934-2 | ASTM C494 |
| زودسخت‌کننده | ISIRI-2930 | EN 934-2 | ASTM C494 | |
| افزودنی بتن‌پاشی | EN 934-5 | ASTM C1141 | ||
| منبسط‌کننده‌ها | جبران‌کننده جمع‌شدگی | ASTM C878 | ||
| پایاگرها (دوامبخشها) | بازدارنده خوردگی | BS 1881 | ASTM G109, AASHTO T277 | |
| کاهنده واکنش قلیایی | ||||
| کاهنده تراوایی / نم‌بند / آب‌بند | ISIRI-2930 | EN 934-2 | ASTM C836 | |
| افزودنی‌های خاص | هوازدا | |||
| ضدیخ | ||||
| رنگ‌بخش | BS 1014 | ASTM C979 | ||
| آسان‌کننده پمپاژ | ||||
| ضد آب‌شستگی | ||||
| کنترل کننده واکنش آبگیری | ||||
| پیوندزا (لاتکس) | BS 5270 | |||
| قوام‌بخش | ||||
| گازساز | EN 934-4 | |||
| کف‌زا | ASTM C869 | |||
ارزیابی افزودنی‌های شیمیایی
برای آزمودن، ارزیابی و بازرسی افزودنی‌ها بایستی نمونه‌هایی مطابق با دستورالعمل و مشخصات فنی از پیش تعیین شده برای هر افزودنی، برداشته شوند. چنین نمونه‌هایی باید به روش نمونه‌گیری اتفاقی از واحد تولید، بسته‌بندی‌ها یا ظروف بازنشده، یا از محموله‌های فله‌ای که تازه وارد کارگاه شده‌اند برداشته شوند.
مواد افزودنی با اهداف زیر آزموده می‌شوند:
۱) تعیین مطابقت با مشخصات فنی.
۲) ارزیابی تاثیر افزودنی روی خواص بتن ساخته شده با مصالح کارگاهی تحت شرایط محیطی و روش‌های اجرایی مورد انتظار (پیش‌بینی شده).
۳) کنترل کیفیت و اطمینان از یکنواختی محموله‌های متعدد وارده به کارگاه.
۴) آشکارشدن هر گونه ناسازگاری افزودنی با اجزای تشکیل دهنده بتن، به ویژه سیمان، و پدیدار شدن هر گونه اثر نامطلوب افزودنی بر روی بتن.
تولیدکننده مواد افزودنی ملزم است گواهی نماید که هر محموله‌ی جداگانه با استانداردهای ملی ایران یا با مشخصات فنی دیگر آیین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی پذیرفته شده در پروژه مطابقت دارد. مشخصات فنی ارایه شده از سوی تولیدکننده بایستی بیان‌کننده توانایی‌ها و محدودیت‌های کاربرد هر افزودنی باشد.
شیوه‌ها و دستورالعمل‌های کنترل کیفیت که توسط تولیدکنندگان مواد افزودنی به کار می‌روند باید تضمین‌کننده یکنواختی محصول تولیدی و مطابقت آن با ضوابط و دیگر شرایط استانداردهای ملی ایران یا با مشخصات فنی دیگر آیین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی باشند. از آنجا که روش‌های آزمایش و شیوه‌های کنترل کیفیت مورد استفاده تولید کنندگان ممکن است بر اساس خواص یک محصول ویژه پایه‌گذاری شوند، نمی‌توانند برای کاربرد عمومی یا استفاده توسط مصرف‌کنندگان به کار روند.
با اینکه استانداردهای ملی ایران یا دیگر آیین‌نامه‌های معتبر و بین‌المللی دستورالعمل گام به گام با ارزشی برای ارزیابی و انتخاب مواد افزودنی فراهم می‌کنند، باید پیش از تولید بتن و استفاده مداوم از افزودنی‌ها در تولید بتن، آزمایش‌هایی که نشان دهنده عملکرد افزودنی در شرایط کارکرد واحد بتن‌ساز همراه با مصالح مورد استفاده در ساخت بتن باشند انجام گیرد. یکنواختی و ناپراکندگی نتایج مربوط به هر ویژگی مورد نظر افزودنی یا بتن، به همان اندازه‌ی میانگین این نتایج دارای اهمیت است.
نتایج حاصله از مصرف یک افزودنی در یک کارگاه به معنای ویژگی مطلق آن افزودنی نمی‌باشد و نمی‌توان این نتایج را به سایر کارگاه‌ها تعمیم داد و حتی تغییرات در نوع سیمان، سنگدانه‌ها، یا روش‌های بتن‌ریزی نیازمند تکرار آزمایش‌ها می‌باشد.
پس از اطمینان از عملکرد یک افزودنی در مراحل آزمایشگاهی، لازم است عملکرد آن در احجام واقعی ساخت بتن و در دستگاه بتن‌ساز نیز آزمایش و ارزیابی شود و در هنگام بتن‌ریزی با انجام نمونه‌گیری‌های منظم از یکنواختی بتن‌های تولید شده اطمینان حاصل گردد.
از آنجا که ترکیبات و ویژگی‌های مواد سیمانی، آب و سنگدانه و نیز نسبت اختلاط آنها تاثیر به سزایی بر کارکرد افزودنی‌ها دارند، ارزیابی هر افزودنی باید بر اساس نتایج بدست آمده با مصالح مصرفی کارگاه انجام گیرد.
در ارزیابی یک ماده افزودنی، تاثیر آن روی حجم مخلوط باید در نظر گرفته شود. اگر اضافه کردن ماده افزودنی، بازده حجمی (Yield) مخلوط را تغییر دهد، همان‌گونه که اغلب پیش می‌آید، تغییر در خواص بتن تنها به دلیل تاثیرات مستقیم افزودنی نخواهد بود و می‌تواند ناشی از تغییر در نسبت اجزای تشکیل‌دهنده بتن نیز باشد. در چنین مواردی ماده افزودنی باید مانند مواد سیمانی، سنگدانه و آب به عنوان یکی از اجزای تشکیل‌دهنده بتن در طرح اختلاط به شمار آید.
چنانچه در بتن بیش از یک افزودنی استفاده شود، ممکن است بر کارکرد یکدیگر تاثیر بگذارند. برای نمونه، در بتن دارای افزودنی هوازا، استفاده از روان‌کننده می‌تواند راندمان هوازا را افزایش دهد در حالی که برخی از فوق‌روان‌کننده‌ها باعث کاهش راندمان آن می‌شوند. در ارزیابی افزودنی‌ها باید تاثیر متقابل آنها بر کارکرد یکدیگر، بررسی و در نظر گرفته شود.
عوامل محیطی مانند دما و رطوبت تاثیر چشمگیری بر رفتار بتن و بر کارکرد افزودنی‌ها دارند. مواد افزودنی که کارکرد آنها در دماهای معمول شناخته شده است ممکن است در دماهای خیلی زیاد یا خیلی کم، کارکرد بسیار متفاوتی داشته باشند. کارکرد هر ماده افزودنی را بایستی در شرایط محیطی مورد انتظار در زمان اجرا ارزیابی کرد و به نتایج آزمایشگاهی که در دماهای استاندارد انجام می‌شوند، بسنده نکرد.
در ارزیابی کارکرد مواد افزودنی باید شرایط اجرایی مانند چگونگی و زمان اختلاط، نحوه و زمان حمل، دمای بتن تازه، چگونگی ریختن و پخش‌کردن بتن، نحوه متراکم‌کردن و پرداخت کردن بتن، و روش عمل‌آوری در نظر گرفته شوند زیرا هر یک از این موارد می‌توانند بر کارکرد افزودنی تاثیر بگذارند. برای نمونه، اختلاط بیش از اندازه باعث کاهش راندمان هوازاها می‌شود.
زمان و نحوه افزودن مواد افزودنی به مخلوط بتن نیز بر کارکرد آنها اثر می‌گذارد که باید در ارزیابی آنها مورد توجه قرار گیرد. برای نمونه، چنانچه افزودنی‌های کاهنده آب را به مخلوط خشک سیمان و سنگدانه افزود، راندمان آنها به شدت کاهش می‌یابد در حالی که اگر آنها را بعد از افزودن بخشی از آب اختلاط و تشکیل خمیر سیمان به بتن اضافه کرد، کارکرد بهتری خواهند داشت.
در ارزیابی اقتصادی هر افزودنی باید افزایش هزینه ناشی از تهیه، حمل، نگهداری و افزودن آن را در کنار صرفه‌جویی‌های اقتصادی که افزودنی در اجرای عملیات بتنی به همراه دارد مورد بررسی و توجه قرار داد.
اگرچه کارکرد و تاثیر اصلی یک ماده افزودنی بر روی خواص بتن تازه و سخت شده معمولا ملاک اصلی ارزیابی و انتخاب افزودنی است ولی مزیت‌های جنبی هر محصول نیز قابل توجه تولیدکنندگان بتن آماده، پیمانکاران، مجریان و کارفرمایان می‌باشد و از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. از جمله این مزیت‌ها می‌توان به خواصی چون کارآیی (کارپذیری)، سهولت پمپاژ و قالب‌پذیری، پرداخت سطح، کسب مقاومت‌های زودرس، استفاده سریع‌تر از قالب‌ها، شکل ظاهری سطوح بتنی و حذف و یا کاهش زمان لرزاندن اشاره نمود.
برای کنترل کیفیت افزودنی‌ها، علاوه بر یکنواختی مشخصات ظاهری، یکنواختی عملکرد آنها بر بتن نیز باید مورد ارزیابی قرار گیرد.