بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۳۲: افزودنی‌های بتن (قسمت چهارم: روان‌کننده‌ها یا کاهنده‌های معمولی آب – معرفی، عملکرد، کاربرد و نحوه مصرف)
روان‌کننده‌ها (کاهنده‌های آب) موادی هستند که می‌توانند مقدار آب لازم مخلوط بتن یا ملات را برای رسیدن به یک کارایی معین در مقایسه با بتن یا ملات شاهد کاهش دهند. همچنین قادر هستند مقدار کارایی مخلوط را بدون نیاز به تغییر در نسبت آب به سیمان افزایش دهند. این افزودنی‌ها، کیفیت بتن یا ملات را برای رسیدن به یک مقاومت مشخصه و با مقدار سیمان کمتری بهبود می‌بخشند. در صورت استفاده از این مواد به عنوان کاهنده آب، خواص بتن بهبود پیدا کرده و بتن‌ریزی (تراکم) آسان‌تر خواهد شد.
از دهه ۳۰ میلادی، مواد روان‌کننده و خواص آن در بتن شناخته شدند و قبل از رواج کاربرد این مواد در بتن، امکان تغییر کارایی بتن فقط با تغییر مقدار آب و نسبت آب به سیمان متصور بود. اگر عیار سیمان ثابت نگه داشته شود، با افزایش مقدار آب، کارایی زیاد می‌گردد، اما افزایش نسبت آب به سیمان کاهش مقاومت و دوام بتن را به همراه خواهد داشت. همچنین در صورت ثابت نگه داشتن نسبت آب به سیمان، باید عیار سیمان هم زیاد شود که در این حالت نیز افزایش سیمان در مخلوط باعث مشکلاتی مانند جمع‌شدگی زیاد، گرمازایی و غیره می‌گردد. با شناخت مواد روان‌کننده و رواج مصرف آن، تحول بزرگی در صنعت بتن رخ داد و افزایش کارایی بتن بدون تغییر در نسبت آب به سیمان و دستیابی به مقاومت و دوام مناسب امکان‌پذیر شد.
گستره‌ی وسیعی از مواد روان‌کننده با ویژگی‌ها و خواص جانبی گوناگون تولید و ارایه می‌شوند. اصلی‌ترین مواد مورد مصرف و افزودنی‌های روان‌کننده (کاهنده آب) عبارتند از:
- اسیدهای لیگنوسولفونیک و نمک‌های آنها (لیگنوسولفونات‌ها یا Lignosulfonates)
- اسیدهای لیگنوسولفونیک اصلاح شده و مشتقات آنها و نمک‌های این اسیدها
- اسیدهای هیدروکسی کربوکسیلیک (Hydroxycarboxilic acid) و نمک‌های آنها
- اسیدهای هیدروکسی کربوکسیلیک اصلاح شده و مشتقات آنها و نمک‌های این اسیدها
- موادی مانند نمک‌های روی، فسفات‌ها، کلرایدها، کربوهیدرات‌ها، پلی‌ساکاریدها و ترکیبات قندی
- ترکیبات پلیمری (هیدروکسیل‌دار)، مشتقات ملامین، مشتقات نفتالین
روان‌کننده‌ها (کاهنده‌های آب) بسته به خواص جانبی و بر اساس استاندارد ASTM C494 به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:
– روان‌کننده (کاهنده آب) معمولی (Type A)
– روان‌کننده (کاهنده آب) کندگیر (Type D)
– روان‌کننده (کاهنده آب) زودگیر (Type E)
روان‌کننده‌ها در بسیاری از پروژه‌های کوچک و بزرگ و به ویژه در بتن‌های حجیم مانند بدنه سدها و تولید قطعات بزرگ بتنی به کار می‌روند و می‌توان آنها را پرمصرف‌ترین کاهنده‌های آب به شمار آورد. این افزودنی‌ها در مقادیر مصرف متعارف، مقدار آب اختلاط بتن را ۵ تا ۱۲ درصد کاهش می‌دهند و در مقادیر زیاد مصرف ممکن است تاثیرات جانبی همچون کندگیری بیش از اندازه یا هوازایی داشته باشند. به همین دلیل دامنه مقدار مصرف آنها محدود است. این افزودنی‌ها با نام‌های پلاستی‌سایزر (Plasticizer)، کاهنده آب (Water Reducer) یا روان‌کننده بتن عرضه و مصرف می‌شوند.
نحوه عملکرد
سیستم خمیر سیمان، معمولاً به شکل توده‌های ذرات جامد است که تمایل دارد به شکل زنجیره‌های خوشه‌ای شکل متراکم درآید. با افزودن مواد روان‌کننده (کاهنده آب) نیروی جذب بین این ذرات کاهش می‌یابد و در نتیجه زنجیره‌ها شکسته می‌شوند و ذرات، قابلیت حرکت بیشتری می‌یابند و مخلوط روان‌تر می‌گردد.
کاهنده‌های آب از نوع افزودنی‌های با عملکرد فیزیکی هستند و تاثیری مستقیمی بر فرآیند آبگیری سیمان ندارند. بخش اصلی افزودنی‌های کاهنده‌ی آب، عوامل اثرکننده بر سطح هستند. عوامل اثرکننده بر سطح (Surfactants / Surface active agents) موادی هستند که در سطح مشترک بین دو فاز آمیخته نشدنی متمرکز می‌شوند و نیروهای فیزیکی شیمیایی موثر بر این سطح را تغییر می‌دهند.
در مخلوطی که از مواد کاهنده آب استفاده نشود، ذرات سیمان به یکدیگر می‌چسبند و لخته می‌شوند. مکانیزم کلی عملکرد این افزودنی‌ها، کاهش نیروهای جاذبه بین ذرات و کمک به جدایش و بهبود پخش‌شوندگی دانه‌های سیمان از یکدیگر است. این مکانیزم علاوه بر فراهم کردن حرکت آزادانه ذرات سیمان به دلیل جدایش آنها از یکدیگر، آب محبوس در لخته‌های سیمانی را نیز آزاد و صرف بهبود روانی مخلوط بتن می‌کند.
روان‌کننده‌ها به یکی از شیوه‌‌های زیر نیروی جاذبه بین ذرات سیمان را کاهش می‌دهند و به پراکنده‌شدن آنها کمک می‌کنند:
– کاهش کشش بین سطحی
– جذب چندلایه‌ای مولکول‌های آلی
– افزایش پتانسیل الکتروسینماتیکی
– ایجاد لایه‌ای از مولکول‌های آب احاطه‌کننده ذرات
– تغییر در ساختار ترکیبات هیدراته شده سیمان
اثرات مواد متفاوت و انواع افزودنی‌های روان‌کننده (کاهنده آب) بستگی به ترکیب شیمیایی آنها دارد. همچنین غلظت آنها نیز عامل مؤثری در عملکرد این مواد است. مقدار بیشتر این مواد نیز اثر روان‌کنندگی و کاهندگی آب بیشتری خواهد داشت. گرچه مقدار زیاد از حد ممکن است گاهی نه تنها اثر بیشتری نداشته باشد بلکه باعث اثرات جانبی مانند افزایش احتمال آب انداختگی، جدا شدگی و یا دیرگیری شدید گردد.
ترکیب شیمیایی، مشخصات فیزیکی، نوع و مقدار سیمان نیز ممکن است بر روی عملکرد ماده افزودنی روان‌کننده، تأثیر بگذارد. تحقیقات نشان داده است نسبت C۳A به C۳S و همچنین مقدار C۳A بر روی عملکرد مواد افزودنی روان‌کننده مؤثر است. همچنین مواد پوزولانی مانند سرباره‌ها، خاکستر بادی و دوده سیلیس در مقایسه با سیمان معمولی نیاز به مصرف بیشتری از این مواد جهت رسیدن به یک اسلامپ معین دارند.
در بعضی موارد، دانه‌بندی، شکل، بافت و خواص فیزیکی و ترکیبات معدنی سنگدانه، و بطور خلاصه نوع سنگدانه‌ها ممکن است بر روی عملکرد این مواد اثر داشته باشند.
دمای هوا و دمای ساخت بتن بر روی عملکرد این مواد تأثیر زیادی دارد، لذا قبل از مصرف، باید مقدار دقیق مصرف آنها در شرایط محیطی واقعی تعیین گردد.
کاربرد روان‌کننده‌ها
افزودنی‌های کاهنده آب پاسخگوی نیازهای متعـددی در کارگاه هستند که از آن جمله می‌توان به کاهش آب بتن، تولید بتن با مقاومت زیاد، صرفه‌جویی در مصرف سیمان بدون کاهش مقاومت بتن، افزایش کارآیی بتن بدون افزودن آب، بهبود خواص بتن‌هایی که دارای سنگدانه‌های خشن و یا دانه‌بندی نامناسب هستند، سهولت در پمپاژ، بتن‌ریزی در مکانهایی که دسترسی کمتری دارند، و یا ترکیبی از مـوارد فوق اشاره کرد.
روانی بتن (که معمولا با اسلامپ سنجیده می‌شود)، برای بتنی با نسبت‌ها و اجزای معین، به مقدار آب اختلاط بستگی دارد. عملکرد اصلی افزودنی‌های کاهنده‌ی آب، توانایی آنها در کاهش مقدار آب اختلاط است. بر اساس این عملکرد می‌توان کاربرد آنها را به سه شیوه در بتن مورد بررسی و ارزیابی قرار داد.
– با مصرف کاهنده آب ضمن ثابت نگهداشتن مقدار سیمان و روانی بتن، می‌توان مقدار آب اختلاط و در نتیجه نسبت آب به سیمان را کاهش داد (اثر کاهندگی آب اختلاط) و به بتنی با روانی یکسان و مقاومت مکانیکی بیشتر از بتن شاهد (بدون افزودنی) دست یافت.
– با مصرف کاهنده آب، ضمن ثابت نگهداشتن مقدار آب و سیمان بتن، روانی و کارآیی بتن افزایش می‌یابد (اثر روان‌کنندگی).
– در برخی بتن‌ها با مصرف کاهنده آب ضمن ثابت نگهداشتن روانی و نسبت آب به سیمان، می‌توان آب اختلاط و مقدار سیمان اضافی را کاهش داد.
دستیابی به برخی بتن‌های ویژه مانند بتن خودتراز، بتن خودتراکم، بتن‌های با مقاومت زودرس و بی‌نیاز از بخاردهی، بتن روان و بتن توانمند بدون استفاده از افزودنی‌های کاهنده آب (به ویژه فوق‌روان‌کننده‌ها) در حال حاضر بسیار پرهزینه و در مواردی غیر ممکن است. اگرچه به نظر می‌رسد با افزایش مقدار سیمان مصرفی می‌توان به برخی از این ویژگی‌ها دست یافت ولی افزایش بیش از اندازه سیمان به دلیل تمایل ذرات سیمان به لخته‌شدن و افزایش چسبندگی بیش از اندازه مخلوط و افزایش مشکلات اجرایی از یک سو و افزایش تغییر شکل‌های درازمدت بتن سخت‌شده (جمع‌شدگی و خزش) از سوی دیگر، نه تنها از نظر فنی راهکار مناسب و کارآمدی نیست بلکه بسیار غیراقتصادی هم هست.
نحوه مصرف
مقدار مصرف افزودنی‌های روان‌کننده (کاهنده آب) باید مطابق توصیه‌های تولیدکننده باشد. مقدار مصرف معمول این مواد با توجه به نوع و ترکیب شیمیایی آنها حدود ۲/۰ تا ۵/۱ درصد وزنی سیمان است.
افزودنی‌های روان‌کننده (کاهنده آب) هم به شکل مایع و هم به شکل پودری وجود دارند. معمولاً توصیه می‌شود تا این مواد بصورت مایع در بتن استفاده شوند و اگر بصورت پودری هستند توسط مقداری از آب طرح مخلوط بصورت مایع درآیند. با توجه به مقدار کم مصرف آنها، باید تجهیزات اختلاط و نحوه مصرف طوری باشد که مواد، کاملاً مناسب و دقیق و یکنواخت در مخلوط پخش شوند. روش ساده و مناسب مصرف این مواد اضافه‌نمودن در پایان مراحل اختلاط می‌باشد.
چگالی افزودنی‌های ارسالی مایع و یا آنهایی که در کارگاه به مایع تبدیل شده‌اند باید براساس معیار و استانداردی که تولیدکننده معرفی می‌کند سنجیده و با آن مقایسه گردد. برای این منظور می‌توان به سهولت و با استفاده از وسایلی چون مایع‌سنج یا چگالی‌سنج، درصد جامد و غلظت مناسب آنرا بررسی نمود. این عمل باید در دمای استاندارد انجام و نتایج آن بعنوان بخشی از عمل کنترل کیفیت برای آینده ثبت و نگهداری گردد.
افزودنی‌های کاهنده آب در محدوده زمانی معینی بر مخلوط بتن تاثیر می‌گذارند و به محض اتمام این محدوده زمانی، بتن به حالت قبل از مصرف افزودنی برمی‌گردد، بنابراین زمان افزودن آنها باید بگونه‌ای تنظیم شود که حداکثر کارآیی حاصل گردد، بنابراین در حمل‌های طولانی بتن که احتمال اتمام خاصیت افزودنی وجود دارد، بهتر است که افزودنی در محل بتن ریزی به مخلوط اضافه تا فرصت کافی برای ریختن، لرزاندن، پرداخت، و کارهای تکمیلی فراهم شود.
افزودنی‌های کاهنده آب را نباید به سیمان خشک اضافه کرد، بهتر است آنها را بعد از افزودن بخشی از آب اختلاط (به همراه آب تنظیم یا Gauging water) به بتن اضافه کرد. یکی از بهترین روشهای مصرف این مواد، جهت اطمینان از پخش یکنواخت آن در مخلوط، به این صورت است که پس از اختلاط اولیه سیمان، سنگدانه و ۵۰ تا ۷۰ درصد آب، ماده افزودنی به مابقی آب لازم اضافه گردد و سپس به مخلوط اضافه شود. نحوه چگونگی افزودن مواد روان‌کننده (کاهنده آب)، ممکن است باعث شود تا در مخلوط‌های بتن با نسبت‌های اجزای مشابه، روانی متفاوتی بدست آید. مصرف بیش از اندازه افزودنی روان‌کننده (کاهنده آب) ممکن است باعث تأخیر زیاد در زمان گیرش، کاهش مقاومت اولیه و افزایش مقدار هوای بتن شود.
در طرح اختلاط‌های دارای این افزودنی‌ها، به خصوص در بتن‌های با اسلامپ بیشتر از ۷۰ میلیمتر از لرزاندن (ویبره کردن) بیش از اندازه پرهیز شود زیرا باعث جداشدگی و آب انداختگی می‌شود. البته آب انداختگی مختصر در سطح بتن در انجام پرداخت سطحی مفید است.
با توجه به اینکه اغلب افزودنی‌های کاهنده آب، مواد محلول در آب هستند لازم است در هنگام محاسبه آب اختلاط و نسبت آب به سیمان، مقدار آب موجود در این افزودنی‌ها محاسبه و معادل آن از آب اختلاط کاسته شود ولی بخش جامد آنها که نسبت به حجم کل بتن بسیار ناچیز هستند معمولا نادیده گرفته می‌شوند.
مخازن نگهداری افزودنی‌ها باید به آسانی قابل شناسایی بوده و محلول‌ها در برابر آلودگی، تبخیر، رقیق شدن، دمای بسیار بالا و یخ‌زدگی، محافظت شوند. توجه به زمان انبارداری هر افزودنی براساس توصیه تولیدکننده آن ضروری است. اختلاط دو یا چند افزودنی با هم مجاز نمی‌باشد مگر اینکه سازگاری آنها با یکدیگر قبلاً توسط تولیدکننده بلامانع اعلام شود، در غیر این صورت باید افزودنی‌ها به طور جداگانه پیمانه و به مخلوط اضافه گردند. مثلاً ممکن است یک روان‌کننده با یک هوازا با هم سازگاری نداشته باشند و هرکدام در مخازن جداگانه نگهداری و با فاصله زمانی مناسب وارد مخلوط کن بتن شوند.
با توجه به اینکه این افزودنی‌ها معمولا در مقادیر بسیار کم و بر اساس نسبت‌های کوچک نسبت به سیمان مصرف می‌شوند، لازم است لوازم اندازه‌گیری دقیقی برای پیمانه کردن آنها در کارگاه فراهم شده و در ضمن آموزش‌های لازم در مورد حساسیت و تاثیرات منفی احتمالی ناشی از مصارف نادرست به کاربران داده شود.
در مواردی که افزودنی‌های کاهنده آب دارای خاصیت دیرگیری هستند، ترک‌خوردگی در اثر خیز بار مرده در طول بتن‌ریزی بسیار محتمل است، لذا مسائل مربوط به عمل‌آوری و محافظت باید بسیار مورد توجه قرار گیرد.
