بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۳۳: افزودنی‌های بتن (قسمت پنجم: روان‌کننده‌ها یا کاهنده‌های معمولی آب – تاثیر بر خواص بتن تازه و سخت‌شده، تاثیر اجزای بتن و عوامل محیطی و اجرایی بر عملکرد آنها)
تاثیر بر خواص بتن تازه
افزودنی‌های کاهنده آب علاوه بر کاهش مقدار آب مخلوط بتن تازه، بر برخی دیگر از خواص آن نیز تاثیر می‌گذارند.
مقدار هوای بتن: بعضی از انواع روان‌کننده‌ها بسته به غلظت و نوع ترکیب در حدود ۲ الی ۶ درصد هوا وارد بتن می‌کند، در عین حال مقادیر بیشتر ورود هوا نیز گزارش شده است. مقدار هوای ناخواسته به بتن با تغییر ترکیب نسبت اجزای بتن تا حدی قابل کنترل است.
برخی از روان‌کننده‌ها کشش سطحی آب را کاهش می‌دهند و مقداری حباب هوا در بتن ایجاد می‌کنند. لیگنوسولفونات‌ها شناخته شده‌ترین کاهنده‌های آب هستند که خاصیت هوازایی دارند. مقدار هوای وارده توسط این مواد معمولاً بین ۲ تا ۶ درصد متغیر است، اگرچه مقادیر بیشتر نیز گزارش شده است. هوازایی روان‌کننده‌ها را می‌توان با اصلاح فرمول شیمیایی کنترل کرد، معمولاً لیگنوسولفونات‌های اصلاح‌شده کمتر از یک درصد حباب هوا ایجاد می‌کنند.
افزودنی‌های کاهنده آب در بتن‌های هوازایی شده، پایداری حباب‌های هوا را بهبود می‌بخشند و میزان تاثیر و راندمان افزودنی‌های هوازا را افزایش می‌دهند.
وزن مخصوص: در صورت استفاده از این مواد بعنوان افزودنی‌های کاهنده آب، وزن مخصوص بتن می‌تواند افزایش یابد. البته در صورت هوازایی، اکان کاهش وزن مخصوص وجود دارد.
کارایی: استفاده از افزودنی‌های روان‌کننده باعث افزایش کارایی مخلوط بتن با حفظ نسبت آب به سیمان می‌گردد. همچنین با کاهش مقدار آب در مخلوط، می‌توان به اسلامپ مشابه با مخلوط شاهد دست یافت.
کارآیی (Workability) خصوصیتی از بتن یا ملات تازه است که آسانی یا دشواری اختلاط، ریختن، تراکم و پرداخت کردن آن را بیان می‌کند. موضوع کارآیی همواره در بتن‌ریزی‌ها مطرح می‌شود ولی در حال حاضر ابزار مناسبی برای سنجش تمام جنبه‌های کارآیی در کارگاه‌ها وجود ندارد. معمولاً روانی بتن که به وسیله آزمایش اسلامپ اندازه‌گیری می‌شود ملاکی برای توصیف کارآیی بتن به شمار می‌آید در حالی که ممکن است دو نمونه با روانی یکسان، دارای کارایی متفاوتی باشند. بتن‌های محتوی افزودنی‌های کاهنده آب معمولاً کارآیی بهتری از خود نشان می‌دهند و میل به قالب پذیری و پرداخت سطح آنها بهتر از بتن‌های با روانی مشابه ولی بدون افزودنی است. این موضوع به ویژه در مورد بتن‌های سفت (با اسلامپ خیلی کم) نمایان‌تر است.
بتن محتوی این افزودنی‌ها تمایل کمتری به جداشدگی نشان می‌دهد و هنگام لرزاندن می‌توان روانی و تحرک بهتر اجزا را مشاهده نمود، ضمن این که کارآیی بهتر این نوع بتن، نیاز به لرزاندن را کاهش می‌دهد و صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی و نیروی انسانی پدید می‌آورد.
هوازایی برخی از کاهنده‌های آب که به عنوان یک اثر جانبی مطرح می‌شود، در مخلوط‌های بتن با ریزدانه ناکافی می‌تواند چسبندگی داخلی بین دانه‌های سنگی را تا حدودی افزایش دهد (در ادامه در بخش هوازاها بیان می‌شود) و حالت خمیری و کارآیی بتن را بهبود بخشد.
آب انداختگی: در صورت مصرف این مواد بعنوان مواد کاهنده آب، آب انداختگی کاهش می‌یابد. در صورت استفاده از این مواد بعنوان روان‌کننده، اگر نسبت‌های اجزاء مخلوط بتن مناسب انتخاب نشده باشد و یا دانه‌بندی سنگدانه‌ها مناسب نباشد، احتمال افزایش آب انداختگی وجود دارد.
افزودنی‌های کاهنده آب از نوع اسیدهای هیدروکسیلات‌کربوکسیلیک، تمایل به آب انداختگی دارند و لذا استفاده از آنها در بتن‌های با اسلامپ زیاد، دقت زیادی می‌طلبد. افزودنی‌های با پایه لیگنوسولفونات‌ها عملکرد بهتری دارند، زیرا خاصیت هوازایی نیز دارند که باعث کنترل آب‌انداختگی می‌شود.
گاهی آب‌انداختگی و جداشدگی بتن تازه پس از اضافه کردن روان‌کننده، به دلیل اشکال در دانه‌بندی سنگدانه‌ها است و نه تاثیر منفی افزودنی. در چنین شرایطی با اصلاح دانه‌بندی به خصوص افزایش ریزدانه‌ها، می‌توان جداشدگی را کاهش داد.
روند افت روانی (اسلامپ): روند افت روانی که بیانگر مقدار کاهش روانی در واحد زمان است، در بتن دارای روان‌کننده می‌تواند با سرعت بیشتری از بتن شاهد (با اسلامپ اولیه یکسان) اتفاق افتد. به همین دلیل بهتر است بخشی یا تمام این مواد در کارگاه افزوده شوند. مدت زمان کارکردن با بتن به عوامل زیادی بستگی دارد که میزان مصرف این مواد، استفاده از سایر مواد افزودنی، مشخصات سیمان، نسبت آب به سیمان، دمای بتن و مدت زمان مخلوط شدن بتن هنگام افزودن این مواد را شامل می‌شود.
کلیه بتن‌های حاوی افزودنی کاهنده آب، معمولاً اسلامپ خود را در مقایسه با بتن شاهد به سرعت از دست می‌دهند. همچنین بسیاری از افزودنی‌های کاهنده آب تمایل به دیرگیر کردن بتن دارند.
پرداخت پذیری: روان‌کننده‌ها معمولاً در پرداخت سطح بتن بسیار مؤثرند اما در شرایطی ممکن است به دلیل کاهش آب‌انداختگی و افت سریع روانی، به سختی پرداخت شوند. در ضمن تمایل به پوسته شدن و یا ترک‌های ناشی از جمع شدگی خمیری در این نوع بتن‌ها بیشتر است، به همین دلیل در اینگونه مواقع باید سطح بتن را با روش‌هایی چون مرطوب کردن، استفاده از مواد تاخیر دهنده تبخیر، یا هر روش مناسب دیگری از خشک شدن حفظ نمود. این روش‌ها باید با دقت انجام پذیرد تا تاثیر نامناسبی بر دوام سطح بتن بوجود نیاورند.
تراکم پذیری: کاهنده‌های آب امکان حرکت و لغزش ذرات بر روی یکدیگر را در داخل مخلوط بتن فراهم می‌کنند و خواص رئولوژیک بتن تازه و رفتار آن را در هنگام ارتعاش و متراکم‌شدن بهبود می‌بخشند. برای متراکم‌کردن بتن‌های دارای کاهنده آب در مقایسه با بتن شاهد به انرژی کمتری نیاز است. این اثر در بتن‌های با روانی (اسلامپ) کم و به ویژه در بتن‌های بدون اسلامپ نمایان‌تر است.
تاثیر بر خواص بتن سخت‌شده
اگر نسبت آب به سیمان و روانی بتن و ملات ثابت باشد، با توجه به خاصیت کاهش آب که توسط این مواد ایجاد می‌شود، می‌توان عیار سیمان را به همان نسبت کاهش داد. لذا جمع‌شدگی و احتمال ترک‌خوردگی در مرحله خمیری و همچنین در بتن سخت‌شده نیز کاهش می‌یابد. این کاهش عیار سیمان در واقع باعث افزایش مقاومت و پایایی بتن و کاهش نفوذپذیری بتن می‌شود. علاوه بر این ممکن است کاهش عیار سیمان به عنوان یک هدف برای کاهش گرمازایی بتن باشد و یا یک هدف اقتصادی محسوب گردد.
مقاومت بتن: استفاده از کاهنده آب اگر با کاهش نسبت آب به سیمان همراه باشد افزایش مقاومت را به دنبال دارد ضمن این که در صورت ثابت بودن نسبت آب به سیمان نیز به دلیل پخش کردن بهتر ذرات سیمان سبب بهبود فرآیند آبگیری و افزایش مقاومت می‌شود. قابل ذکر است که تاثیر کاهنده‌های آب بر مقاومت بتن صرفاً به دلیل تاثیرات آنها بر بتن تازه در زمان‌های اولیه است و نه فعال بودن آنها در بتن سخت شده.
کاهنده‌های آب کندگیر، مقاومت ۲۴ ساعته را به خصوص در مناطق گرمسیر افزایش می‌دهند، البته ممکن است مقاومت در ساعات اولیه بتن تحت تاثیر کندگیری کاهش یابد. کاهنده‌های آب در مقدار سیمان و روانی ثابت، مقاومت بتن را افزایش می‌دهند و یا برای رسیدن به مقاومتی مشخص باعث صرفه جویی قابل ملاحظه در مصرف سیمان می‌شوند.
اگر افزودن روان‌کننده همراه با کاهش آب بتن باشد (مصرف به عنوان کاهنده آب)، مقاومت فشاری را معمولا تا ۱۵ درصد افزایش می‌دهد. مقاومت خمشی بتن‌های دارای این افزودنی‌ها بهبود می‌یابد ولی نسبت افزایش آن در مقایسه با مقاومت فشاری کمتر است.
جمع‌شدگی و خزش بتن: گزارش‌ها و اطلاعات متناقضی در مورد تاثیر کاهنده‌های آب بر پدیده جمع‌شدگی و خزش وجود دارد. گرچه متناسب با کاهش مقدار آب بتن، جمع شدگی دراز مدت کمتر می‌شود و به همین منوال افزایش مقاومت فشاری بتن باعث کاهش خزش می‌گردد ولی بطور کلی می‌توان گفت حتی مصرف مقادیر ثابتی از افزودنی‌ها زمانی که همراه با سیمان‌های مختلف مصرف می‌شوند، تاثیر متفاوتی بر جمع‌شدگی و خزش بتن سخت شده دارند.
دوام (پایایی) بتن: به طور کلی روان‌کننده‌ها به دلیل پخش‌کردن ذرات سیمان و بهبود فرآیند آبگیری و نیز بهبود تراکم‌پذیری، سبب کاهش تخلخل و جذب مویینگی می‌شوند و در نتیجه نفوذپذیری بتن کاهش و دوام آن در برابر عوامل مهاجم افزایش می‌یابد. کاهنده‌های آب نیز با کاهش نسبت آب به سیمان، منجر به بهبود نسبی جنبه‌های مختلف دوام می‌شوند.
تاثیر اجزای بتن و عوامل محیطی و اجرایی بر عملکرد روان‌کننده‌ها (کاهنده‌های آب)
همانگونه که وجود یک افزودنی بر روی نسبت اجزا و ویژگی‌های بتن تاثیر می‌گذارد، خواص و مقدار اجزای تشکیل‌دهنده بتن نیز تاثیرات متقابلی بر عملکرد افزودنی دارد.
مقدار، نوع، و ترکیبات شیمیایی سیمان بر عملکرد کاهنده‌های آب تاثیر می‌گذارد. با افزایش مقدار سیمان، نسبت مصرف فوق‌روان‌کننده به سیمان کاهش می‌یابد. سیمان‌های نوع ۲ و ۵ در مقایسه با سیمان‌های نوع ۱ و ۳ به کاهنده آب کمتری نیاز دارند. ترکیبات شیمیایی سیمان به ویژه نسبت C۳A/C۳S و مقدار C۳A و نیز مقدار قلیایی‌ها بر عملکرد افزودنی‌های کاهنده آب تاثیر می‌گذارند. با افزایش مقدار C۳A در سیمان از راندمان روان‌کننده‌های لیگنوسولفوناتی کاسته می‌شود. با افزایش مقدار قلیایی‌های سیمان میزان تاثیر و حفظ روانی روان‌کننده‌ها در بتن کاهش می‌یابد.
شکل و بافت سطحی سنگدانه‌ها بر عملکرد کاهنده‌های آب تاثیرگذار است. سنگدانه‌های گردگوشه در مقایسه با سنگدانه‌های تیزگوشه مقدار روان کننده کمتری را برای رسیدن به یک روانی مشخص لازم دارند. برای دستیابی به یک روانی مشخص هر چقدر بافت سطحی سنگدانه‌ها زبرتر باشد مقدار مورد نیاز افزودنی کاهنده آب افزایش می‌یابد.
در مجموع، مطالعه، بررسی و انجام آزمایش‌های کارگاهی برای مشخص کردن تاثیر مواد متشکله بتن بر افزودنی‌های کاهنده آب به شدت توصیه می‌شود.
بدون شک عواملی مانند دما، رطوبت، سرعت وزش باد، ماشین آلات و تجهیزات تولید و انتقال بتن، زمان بین تولید و ریختن بتن، زمان حمل، و مهارت نیروهای اجرایی از جمله عوامل مهم و تاثیرگذار در عملکرد افزودنی‌های کاهنده آب می‌باشند.
به دلیل آن که دما در زمان گیرش، کارآیی و روند کسب مقاومت اولیه بتن بسیار مؤثر است، برای دستیابی به نتایج مؤثر معمولا افزودنی‌های کاهنده آب در سه گروه با تاثیرهای زودگیری، خنثی، و دیرگیری عرضه می‌شوند.
رطوبت موجود در هوا و سرعت وزش باد بر زمان کارآیی بتن تاثیر می‌گذارند در نتیجه برای حفظ کارآیی در چنین شرایطی ممکن است مقدار مصرف و یا حتی نوع کاهنده آب تغییر نماید.
با توجه به اینکه مقدار مصرف افزودنی‌های کاهنده آب به نسبت سیمان موجود در طرح اختلاط تعریف می‌شود، لازم است ماشین آلات تولید بتن از حساسیت کافی برای پیمانه کردن آب، سیمان، سنگدانه، و مواد افزودنی برخوردار باشند. در غیر این صورت مقادیر متفاوتی در هر نوبت وارد مخلوط‌کن می‌شود و نتایج متفاوتی نیز در بر خواهد داشت.
