بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۳۴: افزودنی‌های بتن (قسمت ششم: فوق‌روان‌کننده‌ها یا کاهنده‌های قوی آب – معرفی، عملکرد، کاربرد و نحوه مصرف)
فوق‌روان‌کننده‌ها[۱] (فوق‌کاهنده‌های آب یا کاهنده‌های قوی آب)[۲] ابتدا از دهه ۱۹۵۰ و سپس نسل سوم آنها (گاهی با نام‌های ابر روان‌کننده، فوق‌روان‌کننده توانمند یا فرا روان‌کننده)[۳] از دهه ۱۹۹۰ میلادی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. فوق‌روان‌کننده‌ها بر اساس استانداردهای ASTM C494 به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:
– فوق روان‌کننده معمولی (ASTM C494: Type F)
– فوق روان‌کننده کندگیر (ASTM C494: Type G)
این افزودنی‌ها در مقادیر مصرف متعارف، مقدار آب اختلاط بتن را بیش از ۱۲ درصد و گاهی تا بیش از ۳۰ درصد نیز کاهش می‌دهند و نسبت به روان‌کننده‌ها تاثیرات جانبی کمتری دارند ولی برخی از آنها در مقادیر مصرف بیش از اندازه[۴] موجب کندگیری یا هوازایی می‌شوند.
فوق‌روان‌کننده‌ها امکان افزایش کارایی یک مخلوط بتنی در نسبت آب به سیمان ثابت، و یا امکان کاهش مقدار آب برای رسیدن به یک مقدار روانی مشابه با مخلوط شاهد را با تأثیر بیشتر در مقایسه با روان‌کننده‌ها فراهم می‌کنند. مدت اثر این مواد موقتی است و طول مدت اثر آن بسته به نوع و ترکیب شیمیایی این مواد متغیر می‌باشد.
فوق‌روان‌کننده‌ها، جهت حصول روانی بیشتر یک مخلوط بتنی بدون افزایش مقدار آب و با حفظ نسبت آب به سیمان در عملیات بتن‌ریزی و تسهیل مراحل اجرای بتن استفاده می‌شوند. در این صورت دستیابی به خواص مطلوب مقاومتی و دوام بتن با کاهش مقدار آب در یک مخلوط بتنی و با حفظ مقدار روانی امکان‌پذیر است. این مواد به دلیل خواص ممتاز در ایجاد روانی بیشتر و امکان کاهش بیشتر آب مخلوط، از افزودنی‌های روان‌کننده متمایز گردیده‌اند.
ویژگی‌های منحصر به فرد این افزودنی‌ها از جمله تولید بتن‌های توانمند، خودتراز، خودمتراکم و با مقاومت‌های خیلی زودرس و خیلی زیاد از یک سو و صرفه‌جویی در انرژی مصرفی، کاهش هزینه‌های اجرایی و سازگاری زیست‌محیطی از سوی دیگر، باعث گسترش روز افزون کاربرد آنها در کشورهای مختلف جهان شده است.
انواع و نحوه عملکرد
فوق‌روان‌کننده‌های موجود و مورد مصرف را بطور کلی بر اساس ترکیبات شیمیایی موجود در آنها می‌توان در گروه‌های اصلی زیر طبقه‌بندی کرد:
- نفتالین سولفونات فرمالدئید تغلیظ شده
- ملامین سولفونات فرمالدئید تغلیظ شده
- لیگنوسولفونات‌های اصلاح شده
- پلی‌استایرن سولفوناته، پلیمرهای هیدروکسیل‌دار، و برخی از کوپلیمرهای محلول در آب، یا ترکیبی از آنها
- نمک اسیدهای کربوکسیلیک/هیدروکربوکسیلیک
- نمک اسیدهای پلی‌کربوکسیلیک اتر
اگرچه انواع بسیاری از مواد با ترکیبات شیمیایی متفاوت نیز وجود دارد و ادعا شده است که قابلیت ایجاد روانی را در مخلوط‌های بتنی دارند، اما هنوز به لحاظ تجاری نمی‌توان آنها را در دسته‌های اصلی ذکر شده جای داد.
مکانیزم کار افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب با اساس نفتالین و ملامین (نسل اول و دوم فوق‌روان‌کننده‌ها) بر پایه جذب سطحی قسمت آنیونی افزودنی و سطح تماس آن با آب خالص است. سر غیرقطبی پلیمر قسمتی است که باعث جذب سطح سیمان می‌شود و آب‌دوست بودن این قسمت سبب میل مخلوط به سوی انحلال می‌شود. تأثیر اساسی را افزایش بار منفی روی دانه‌های سیمان می‌گذارد، بدین ترتیب که ذرات سیمان یکدیگر را دفع می‌کنند (دافعه الکترواستاتیکی) و پراکندگی بوجود می‌آید، بنابراین نیاز به آب کمتر می‌شود که این خاصیت برای تهیه بتن با کارایی مناسب یک عامل مطلوب محسوب می‌شود. بدون استفاده از افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب، این ذرات ریز، گرایش به لخته شدن دارند که این پدیده، اقتضای جاذبه نیروهای مخالف سطح ذرات مجاور است.
به عبارت دیگر، مکانیزم کلی عملکرد این فوق‌روان‌کننده‌ها، جدایش و پراکندن دانه‌های سیمان از یکدیگر به کمک نیروهای دافعه[۵] ناشی از بارهای الکتروستاتیکی است. در بتن و ملات، دانه‌های سیمان و سنگدانه در اثر ترکیب با آب دارای بار سطحی الکتروستاتیکی می‌شوند، ذرات سیمان در این حالت تمایل دارند که به یکدیگر بچسبند. فوق‌روان کننده‌ها در زمان اختلاط، جذب سطح دانه‌های سیمان می‌شوند و به آنها بار منفی می‌دهند که منجر به ایجاد نیروی دافعه بین ذرات سیمان و پراکندن آنها می‌شوند. این اثر به نام «پخش‌کنندگی[۶]» شناخته می‌شود. مطابق شکل زیر، مکانیزم پخش‌کنندگی الکتروستاتیکی علاوه بر پخش کردن دانه‌های سیمان، آب محبوس در لخته‌های سیمانی را نیز آزاد و صرف بهبود روانی مخلوط بتن می‌کند.
[۱] Super Plasticizers
[۲] High Range Water Reducers
[۳] High Performance Super Plasticizer
[۴] Over Dosage
[۵] Repulsion Forces
[۶] Dispersion
مکانیزم عملکرد کاهنده‌های آب بر اساس نیروی دافعه الکتروستاتیکی و آزاد کردن آب محبوس در لخته‌های سیمانی
افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب با اساس پلی کربوکسیلات (نسل سوم فوق‌روان‌کننده‌ها)، بیش از افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب با اساس نفتالین یا ملامین، مکانیزم دوگانه الکترواستاتیک و دافعه را تقویت می‌نمایند و پراکندگی سیمان را کنترل می‌کنند. همچنین علاوه بر دافعه الکترواستاتیک، طرز قرار گرفتن مولکول‌ها و زنجیره فواصل آنها را نیز تنظیم می‌کند (طرز استقرار اجزاء اتم در فضا به واسطه دافعه) و این عامل به طور فیزیکی کمک می‌کند تا ذرات سیمان جدا از یکدیگر بمانند و این اجازه می‌دهد تا آب، سطح تماس بیشتری از سیمان را احاطه کند.
به عبارت دیگر، این نوع فوق‌روان‌کننده‌ها با توجه به ساختار مولکولی و با استفاده از همان اصل بارهای الکتروستاتیکی نه تنها ذرات سیمان را بهتر از روان‌کننده‌ها و سایر فوق‌روان‌کننده‌ها پخش می‌کنند (تاثیر اولیه) بلکه به دلیل داشتن شاخه‌های جانبی در زنجیره مولکولی، از جذب شدن ذرات سیمان پخش شده نیز ممانعت به عمل می‌آورند (تاثیر ثانویه). تاثیر ثانویه در اصطلاح شیمیایی «ممانعت فضایی[۱]» نامیده می‌شود که به دلیل ساختار و آرایش مولکول‌ها یا اتم‌های مجاور یکدیگر ایجاد می‌شود.
مکانیزم عملکرد مواد فوق‌روان‌کننده (فوق‌کاهنده آب) اساساً به قابلیت آنها در جذب سطحی ذرات سیمان و اصلاح خواص و رفتار رئولوژی ماتریس سیمان مربوط است. همچنین مقدار و قدرت جذب سطحی این مواد بستگی به ترکیب شیمیایی و معدنی سیمان، ریزی آن و نیز مقدار فاز C۳A دارد.
تحقیقات نشان داده است که آلومینات‌کلسیم موجود در سیمان، به سرعت، مولکول‌های افزودنی فوق‌روان‌کننده (فوق‌کاهنده آب) را جذب می‌کند، حال آنکه سیلیکات‌های‌کلسیم در ساعات اولیه هیدراسیون فقط مقدار کمی از این مواد را به خود جذب می‌کنند.
افزایش روانی و کارایی بتن که با استفاده از این مواد بدست می‌آید را می‌توان به علل زیر مربوط دانست:
– به مقدار پتانسیل زتا (zeta) در لایه دوگانه الکتریکی که در سطح ذرات سیمان توسط گروه‌های قطبی زنجیره‌های فوق‌روان‌کننده جذب شده شکل گرفته است.
– به وزن مولکولی ماده افزودنی فوق‌روان‌کننده (فوق‌کاهنده آب)
افت کارایی در مخلوط به روند کند کردن هیدراسیون سیمان بوسیله این مواد مربوط می‌شود. با کند شدن هیدراسیون، افت کارایی کمتری در بتن تازه رخ می‌دهد.
کاربرد فوق‌روان‌کننده‌ها
افزودنی‌های فوق کاهنده آب نیز مانند کاهنده‌های آب، پاسخگوی نیازهای متعـددی در کارگاه (از جمله 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 آنها) هستند.
عملکرد اصلی افزودنی‌های فوق‌روان‌کننده، توانایی آنها در کاهش مقدار آب اختلاط است. بر اساس این عملکرد کاربرد آنها نیز همانند روان‌کننده‌ها به سه شیوه در بتن مورد بررسی و ارزیابی قرار می‌گیرد.
– در مقدار سیمان و روانی بتن ثابت، کاهش مقدار آب اختلاط و در نتیجه کاهش نسبت آب به سیمان (اثر کاهندگی آب) و دستیابی به بتنی با روانی یکسان و مقاومت مکانیکی بیشتر از بتن شاهد (بدون افزودنی)
– در مقدار آب و سیمان بتن ثابت، افزایش روانی و کارآیی بتن (اثر روان‌کنندگی)
– روانی و نسبت آب به سیمان ثابت، کاهش آب اختلاط و مقدار سیمان اضافی
دستیابی به برخی بتن‌های ویژه مانند بتن خودتراز، بتن خودتراکم، بتن‌های با مقاومت خیلی زودرس و بی‌نیاز از بخاردهی، بتن خیلی روان و بتن توانمند بدون استفاده از افزودنی‌های فوق‌روان‌کننده 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 تغییرشکل‌های درازمدت بتن سخت‌شده (جمع‌شدگی و خزش) از سوی دیگر، نه تنها از نظر فنی راهکار مناسب و کارآمدی نیست بلکه بسیار غیراقتصادی هم هست. برای دستیابی به این ویژگی‌ها، فوق‌روان‌کننده‌های پلی کربوکسیلاتی) به دلیل تاثیرات جانبی کمتری که نسبت به سایر فوق روان‌کننده‌ها دارند، کاربرد گسترده‌تری دارند.
نحوه مصرف
افزودنی‌های فوق‌روان‌کننده (فوق‌کاهنده آب) معمولاً بصورت محلول در آب می‌باشند که مقدار مواد خشک موجود در آنها معمولا ۳۰ تا ۴۰ درصد وزنی است. جهت مصرف این مواد، آنها را معمولاً به آب طرح اضافه می‌کنند یا در مراحل پایانی اختلاط به مخلوط اضافه می‌نمایند. اضافه کردن در مراحل پایانی اختلاط، سبب عملکرد بهتر این مواد می‌شود و توصیه می‌گردد این روش استفاده شود. بعضی از این مواد، گاهی به شکل پودر مصرف می‌شوند که قبل از اضافه کردن آب مخلوط، به سیمان یا سنگدانه اضافه می‌شود که این حالت، بیشتر در ملات‌های خشک آماده و یا بتن‌های خشک که آب مخلوط در محل بتن‌ریزی اضافه می‌گردد، بکار می‌رود.
مقدار مصرف بهینه این مواد بر حسب نوع و خواص و ترکیب شیمیایی آنها بسیار متفاوت است، همچنین به مواردی مانند نوع سیمان، دمای ساخت بتن و غیره نیز بستگی دارد. مقدار مصرف صحیح این مواد باید قبلاً طبق توصیه‌های سازنده و در آزمایشگاه با در نظر داشتن شرایط محیطی و اقلیمی در محل مصرف تعیین شود.
معمولاً هنگامی که برای تهیه یک بتن مناسب از افزودنی فوق‌کاهنده آب استفاده می‌شود، جداشدگی اتفاق نمی‌افتد. با این وجود در نظر نگرفتن پیش‌بینی‌های لازم و عدم احتیاط می‌تواند سبب جداشدگی شود. نامتناسب بودن اجزاء بتن و اختلاط ناقص، می‌تواند سبب آب‌انداختگی و جداشدگی شود.
تناسب نادرست اجزاء بتن ممکن است در بتن‌های با اسلامپ کم، آشکار نباشد، اما در بتن‌های روان با اسلامپ زیاد این نقص‌ها اهمیت پیدا می‌کنند و می‌توانند سبب جداشدگی و یا آب‌انداختگی شوند. به همین علت است که جداشدگی در بتن‌های روان که با افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب ساخته می‌شوند، بیشتر مشاهده می‌شود. یک راه برای اطمینان یافتن از عدم جداشدگی، افزایش سنگدانه‌های ریز و استفاده از مصالح و سنگدانه‌ها با سطح زبرتر و توجه به دانه‌بندی سنگدانه به خصوص مواد ریز بتن است.
استفاده از یک افزودنی فوق‌روان‌کننده/فوق‌کاهنده آب برای افزایش اسلامپ نباید سبب افزایش آب‌انداختگی در یک بتن با نسبت‌های مناسب شود. به همین علت، در هنگام کار با افزودنی‌هایی از نوع پلی کربوکسیلات که میل به افزایش آب‌انداختگی بتن دارند باید توجه لازم را نمود. آب‌انداختگی را می‌توان از طریق تغییر ترکیب اجزاء بتن که در جلوگیری از جداشدگی نیز مؤثر است، کاهش داد.
