بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۳۸: افزودنی‌های بتن (قسمت دهم: مواد افزودنی دیرگیرکننده / کندگیرکننده / حفظ کارایی – معرفی، انواع، عملکرد، کاربرد و نحوه نگهداری و مصرف)
دیرگیرکننده‌ها / کندگیرکننده‌ها / افزودنی‌های حفظ کارایی (Set Retarders / Workability Retention Admixtures) مواد آلی و یا ترکیبی از مواد آلی و معدنی هستند که با کنترل و ایجاد تأخیر در هیدراسیون اجزاء سیمان، سرعت گیرش را کاهش داده و سبب افزایش مدت زمان گیرش سیمان می‌شوند. این مواد سبب تأخیر در هیدراسیون سیمان بدون تأثیر بر روی خواص مکانیکی طولانی مدت بتن می‌شوند.
افزودنی‌های کندگیرکننده روند کسب مقاومت های مکانیکی کوتاه مدت بتن را به تاخیر انداخته اما پس از سنین ۵ و ۷ روزه، رشد مقاومت جبران شده و در اغلب موارد ایجاد آرامش در روند گیرش باعث حصول نتایج مقاومتی بهتر و تولید محصولاتی با تخلخل کمتر نسبت به نمونه‌های فاقد افزودنی می گردد. اگر چه در زمانی که افزایش مقاومت های مکانیکی نیز مد نظر قرار می گیرد، استفاده از افزودنی‌های کاهنده آب با خاصیت کندگیری یا مصرف توام هر دو افزودنی توصیه می‌شود.
انواع
افزودنی‌های کندگیر کننده را می توان در دو گروه طبقه بندی نمود. گروه اول شامل کندگیرکننده‌های مستقل ( ASTM C494 Type B) و افزودنی‌های کاهنده آب کندگیر (ASTM C494 Type D&G) می‌باشند که قادرند زمان گیرش اولیه را (از یک تا سه و نیم ساعت) به تاخیر انداخته و پس از سپری شدن این زمان، گیرش سیمان بطور طبیعی ادامه می‌یابد. گروه دوم شامل آن دسته از کندگیرکننده‌های مستقل می‌باشد که قادرند ساعت‌های طولانی (حتی بیش از ۲۴ ساعت) تاخیر در گیرش بتن پدید آورند. مصرف بیش از اندازه این مواد ممکن است باعث عدم گیرش سیمان و در نتیجه فاسد شدن (ناگیرکنندگی) بتن گردد.
لازم به ذکر است بسیاری از افزودنی‌های دیرگیرکننده، خاصیت روان‌کنندگی نیز دارند. در واقع بسیاری از ترکیبات اصلی که در ساخت روان‌کننده‌ها استفاده می‌شوند، در تولید دیرگیرکننده نیز استفاده می‌شوند. معمولاً از افزودنی‌های دیرگیرکننده به تنهایی استفاده نمی‌شود و افزودنی‌های روان‌کننده/ کاهنده آب دیرگیرکننده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
موادی که بعنوان کندگیرکننده به‌کار می‌روند، معمولاً شامل ترکیبات و مشتقات مواد شیمیایی زیر هستند که ممکن است به تنهایی و یا در ترکیب با سایر مواد آلی یا معدنی مورد استفاده قرار گیرند:
– دیرگیرکننده‌های غیرآلی (معدنی) نظیر برخی فسفات‌ها (معمولا فسفات کلسیم)، نمک‌های روی، بورات‌ها و برخی از کلریدها،
– دیرگیرکننده‌های آلی نظیر هیدروکربورها، شکرها و مشتقات آنها و اسیدهای مربوطه، گلوکونات‌ها بویژه گلوکونات سدیم،
– اسیدهای لیگنوسولفونیک و نمک‌ها و مشتقات اصلاح شده آنها،
– اسیدهای نفتالین سولفونیک و نمک‌های آنها (با جرم ملکولی سنگین)،
– اسیدهای هیدروکسیلات کربوکسیلیک و مشتقات و نمک‌های آنها،
ساز و کار عملکرد
با توجه به تعدد مواد اولیه مصرفی در تولید افزودنی‌های کندگیرکننده و ترکیبات مختلف آنها نمی‌توان ساز و کار واحدی برای عملکرد همه آنها تعریف نمود، ولی بطور کلی عملکرد این افزودنی‌ها به شکل‌های زیر می‌باشد.
– برخی از افزودنی‌های کندگیرکننده با تجمع یون‌های کلسیم آزاد در اطراف مواد سیمانی هیدراته نشده از ادامه روند گیرش برای مدت زمان معینی جلوگیری می نمایند، زمان تاخیر در گیرش به عواملی چون نوع و ترکیبات کندگیرکننده، مقدار مصرف، و زمان افزودن به مخلوط بستگی دارد.
– گروهی دیگر از این افزودنی ها دارای عملکرد دوگانه هستند، بدین ترتیب که علاوه بر تشکیل غشایی در اطراف مواد سیمانی هیدراته نشده و جلوگیری از آبگیری آنها، دارای خاصیت پراکنده کنندگی ذرات بوده و از لخته شدن و تشکیل بتن خمیری جلوگیری می نمایند. این نوع مواد کندگیرکننده از توان دیرگیری بیشتری برخوردارند و می‌توانند بتن تولید شده را برای ساعت‌ها و یا روزهای بعدی بشکل کاملا تازه نگهدارند.
بطور کلی، ساز و کارهای دیرگیرکنندگی، توسط بسیاری از محققین مورد مطالعه قرار گرفته و چندین نظریه برای توضیح این مکانیزم ارائه شده است. نقش ترکیبات دیرگیرکننده به روش ساده‌ای بیان می‌شود. این افزودنی‌ها، یک لایه فیلم نازک بر روی ذرات سیمانی ایجاد می‌کنند (با واکنش با ترکیبات C۳A و C۳S موجود در سیمان) و بنابراین منجر به جلوگیری یا کاهش واکنش آنها با آب می‌شوند. ضخامت این لایه نازک تعیین می‌کند که به چه میزان، سرعت هیدراسیون کند شده است. بعد از مدتی، این فیلم از بین می‌رود و هیدراسیون شروع می‌شود. به هرحال، باید توجه داشت که در بعضی موارد، هنگامی که مقدار افزودنی از یک حد بحرانی بالاتر می‌رود، هیدراسیون ترکیبات سیمان فراتر از مرحلۀ خاصی نمی‌رود و خمیر سیمان هیچگاه گیرش پیدا نمی‌‌کند. بنابراین، مهم است تا از استفاده بیش از حد از افزودنی دیرگیرکننده در بتن اجتناب شود.
نوع و مقدار افزودنی و مرحله‌ای که به مخلوط اضافه می‌شود از عوامل تأثیرگذار میزان دیرگیرکنندگی است. سایر عوامل تأثیرگذار بر درجۀ دیرکنندگی شامل نسبت آب به سیمان، مقدار سیمان، C۳A و مقدار قلیایی موجود در سیمان می‌باشد. تأثیر دیرگیرکننده در صورتی که اضافه کردن آن به بتن تازه با چند دقیقه تأخیر همراه باشد، افزایش پیدا می‌کند.
کاربرد
مواد افزودنی دیرگیرکننده موادی هستند که عموما به دو شکل زیر به مخلوط‌های پایه سیمانی افزوده شده و گیرش آنها را به تاخیر می‌اندازند:
– استفاده از روان کننده ها و یا فوق روان کننده ها یی که تاثیرجانبی کندگیری دارند
– استفاده از یک ماده افزودنی کند گیر کننده مستقل
مواد افزودنی دیرگیرکننده در بتن، عمدتاً جهت جبران تأثیر دمای زیاد و از بین بردن اثرات نامطلوب آن استفاده می‌شوند. از این‌رو بیشترین استفاده این مواد برای بتن‌ریزی در هوای گرم است. همچنین این مواد برای حفظ کارایی بتن در طول مدت بتن‌ریزی و یا برای غلبه بر مشکلاتی که هنگام تأخیر بین مرحله اختلاط و بتن‌ریزی رخ می‌دهد، استفاده می‌شوند. این مواد در جلوگیری از بروز ترک در تیرهای باربر، عرشه پل‌ها یا دال‌ها سودمند هستند. همچنین با حفظ کارایی بتن در فواصل قطع بتن‌ریزی از ایجاد درزهای سرد جلوگیری می‌کنند.
استفاده از دیرگیرکننده‌های گیرش در سازه‌های بتنی باعث فراهم کردن شرایط لازم جهت زمان حمل طولانی‌تر، فاصله حمل بیشتر و از بین بردن هزینه‌های جابجایی دستگاه‌های مخلوط‌کن مرکزی می‌شوند. همچنین مدت زمان بیشتری را برای پرداخت سطح در ابتدا و انتهای کار فراهم می‌کنند و به از بین بردن درز سرد در کف‌سازی و در مواقع خرابی دستگاه‌ها کمک می‌کنند. دیرگیرکننده‌ها همچنین برای مقاومت در برابر ترک‌خوردگی ناشی از جمع‌شدگی حاصل تبخیر که در دال‌های افقی احتمال وقوع دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. از کاربردهای دیگر آنها در بتن‌های پیش‌تنیده می‌باشد که از گیرش بتنی که در تماس با میلگردهاست، قبل از لرزاندن بتن جلوگیری می‌کند، در غیر اینصورت احتمال ترک‌خوردگی در ناحیه تماس میلگردها و بتن افزایش می‌یابد. همچنین این افزودنی‌ها، شرایط استفاده از عمل‌آوری در دمای بالا را در تولید بتن پیش‌تنیده بدون تأثیر بر روی مقاومت درازمدت بتن فراهم می‌کند.
ایجاد تاخیر در گیرش بتن در بسیاری موارد مانند بتن‌ریزی در هوای گرم و مناطق گرمسیری، حمل و نقل‌های طولانی، کسب زمان لازم برای ریختن و پرداخت بتن، هماهنگی با سرعت حرکت قالب لغزنده، کنترل دمای آبگیری بخصوص در بتن‌های حجیم یا بروز وقفه در عملیات بتن‌ریزی ضروری است که می تواند با استفاده از افزودنی‌های کندگیرکننده امکان‌پذیر شود. استفاده از کندگیرکننده ممکن است بر طراحی و یا روند بتن‌ریزی تاثیر گذارد. به‌عنوان مثال با کنترل دمای بتن می‌توان مقاطع بزرگتری را طراحی و اجرا نمود، و یا نماهای تزئینی با استفاده از سنگدانه‌های نمایان بوجود آورد.
دیرگیرکننده‌های گیرش به سبب داشتن چنین مزایایی، به عنوان یک ترکیب رایج در صنعت بتن به کار می‌روند.
ناگیرکننده‌ها درکنترل گیرش بتن باقیمانده در تراک‌ها جهت شستشوی آسان‌تر در پایان روز، و یا نگهداری بتن تولید شده در طول شب یا حتی تعطیلی آخر هفته استفاده می شوند. برای بتن پاشی در داخل تونل‌ها نیز از این نوع ناگیرکننده‌ها می‌توان استفاده نمود و بتن را در داخل میکسر ساعت‌ها حفظ نمود. سپس با استفاده از افزودنی فعال‌کننده یا زودگیرکننده، گیرش بتن آغاز شده و حتی با تنظیم مقدار زودگیرکننده می‌توان گیرش اولیه بتن پاششی را به چند ثانیه رساند.
برخی از سیمان‌ها دارای خاصیت کندگیری هستند و گیرش بتن را به تاخیر می اندازند، تاخیرایجاد شده باید در محاسبه زمان گیرش مورد انتظار لحاظ گردد. حتی مشاهده گردیده است که تغییر در ترکیبات یک نوع سیمان به خصوص میزان قلیایی‌ها تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر زمان گیرش دارد.
همانند سایرافزودنی‌های شیمیایی بتن، کندگیرکننده ها نیز پاسخگوی نیازهای متعـددی در کارگاه هستند، به خصوص در شرایط آب و هوایی ایران که در منطقه گرم و خشک طبقه‌بندی می‌شود، همواره گیرش‌های زودهنگام باعث بروز مشکلات متعدد اجرایی می‌شوند. شاید تاکید برتوجه ویژه به این نوع افزودنی‌ها و قراردادن آن در طراحی بتن ضروری باشد. حتی در مواقعی که به لحاظ دسترسی به سیمان و مصالح مرغوب و وجود ابزارهای مناسب تولید و مدیریت کارگاهی سازمان‌یافته نیازی به مصرف انواع دیگر افزودنی‌ها نباشد ولی روند گیرش، کسب مقاومت بتن، پرداخت و عمل‌آوری نامناسب باعث عدم توفیق در کسب ویژگی‌های بتن سخت‌شده گردد. افزودنی‌های کندگیرکننده می‌توانند بسیاری از مشکلات اجرایی و نتایج نامطلوب بتن سخت‌شده را برطرف نمایند. اهم موارد کاربرد افزودنی‌های کندگیرکننده به شرح زیر می‌باشد:
حمل و انتقال بتن: اغلب در مناطق شهری امکان ایجاد بتن‌ساز مرکزی در کارگاه وجود ندارد یا شرایط تولید ۲۴ ساعته آن مهیا نیست، یا بدلیل احجام بتن‌ریزی، ایجاد بتن‌ساز مرکزی توجیه اقتصادی نداشته و استفاده از بتن آماده اجتناب‌ناپذیر است. حتی در برخی از پروژه‌های برون شهری مانند کارگاه‌های تونل‌سازی، یا گستردگی فضای کارگاه، خرابی و متوقف‌شدن کامیون حمل‌کننده و یا مناطق کوهستانی فاصله زمانی تولید اولین بخش بتن تا ریختن آخرین قسمت هر تراک موجب هیدراته‌شدن و حتی گیرش بخش قابل توجهی از بتن قبل از ریختن آن می‌شود. در همه این موارد افزودن کندگیرکننده برای ایجاد تاخیر در گیرش بتن متناسب با زمان حمل و انتقال بتن به درون قالب ضروری است.
بتن ریزی حجیم: دمای ایجاد شده در بتن‌های حجیم ناشی از آبگیری مقادیر زیاد سیمان باعث پدید آمدن اختلاف شدید دما بین هسته میانی و سطوح بیرونی شده و منجر به بروز ترک‌های حرارتی می‌شود، در چنین مواردی علاوه بر تمهیدات کارگاهی برای کاهش اختلاف دما، استفاده از کندگیرکننده باعث ایجاد آرامش در روند آبگیری و در نتیجه کنترل دما می‌شود.
بتن‌ریزی با قالب‌های لغزنده: طراحی حرکت قالب‌های لغزنده به گونه‌ای است که جهت پرهیز از چسبندگی بتن به قالب لازم است تاخیرهای چند ساعته در گیرش بتن پیش‌بینی گردد. به علاوه، در صورت وجود آرماتور با فشردگی زیاد در طراحی سازه احتمال عدم چسبندگی بین بتن و فولاد وجود دارد. این پدیده در زمانی که بتن دارای روانی لازم نبوده یا ویبره کامل میسر نیست تشدید می‌شود. حضور کندگیرکننده در طرح اختلاط بتن این فرصت را فراهم می‌آورد که بتن ریخته شده تحت نیروی وزن خود فضای موجود بین آرماتورها را بخوبی پر نموده و چسبندگی بین بتن و فولاد را افزایش دهد.
بتن‌ریزی شمع‌ها و دیوارهای عظیم: در چنین طرح‌های بتن‌ریزی علاوه برمشکل ایجاد دمای بیش از حد، لزوم پیوستگی سازه و عدم پیدایش درزهای واریز از یک سو و عدم امکان تولید و ریختن احجام بسیار زیاد بطور پیوسته از سوی دیگر،کندگیری بتن‌هایی که زودتر ریخته می‌شوند، اجتناب‌ناپذیر است. این مساله هنگام بتن‌ریزی عرشه پل‌ها یا تیرهای بزرگ نیز دارای اهمیت است و گیرش تدریجی و هماهنگ بتن باعث کاهش خطر خمیدگی و انحراف سازه می‌شود.
پرداخت و نماسازی: در مواردی که سطح نهایی نیاز به پرداخت دارد یا به منظور ایجاد پیوند بهتر بتن با لایه روکش سطحی، جلوگیری از خشک شدن سطح بتن به کمک کندگیرکننده میسر می‌شود. ضمنا ایجاد نماهای تزئینی با سنگدانه‌های رنگی به کمک خمیرها و یا کاغذهای آغشته به کندگیرکننده انجام می‌شود.
شستشوی کامیون های حمل: عدم دسترسی به آب یا لزوم صرفه‌جویی در مصرف آن بخصوص در واحدهای تولید بتن آماده، و در برخی موارد جهت پرهیز از آلایندگی محیط زیست در سال‌های اخیر استفاده از نوعی کندگیرکننده را متداول ساخته است که بجای شستشوی کامیون‌های حمل بتن در پایان هر نوبت کاری, گیرش بتن باقیمانده در دیگ را برای مدت زمان لازم به تاخیر می اندازد.
نحوه نگهداری و مصرف
معمولا افزودنی‌های کندگیرکننده در حالت مایع اندازه‌گیری و مصرف می‌شوند و چنانچه این افزودنی‌ها به شکل جامد (پودر) تحویل گردند، بهتر است ابتدا طبق پیشنهاد تولیدکننده، محلولی با درصد جامد مناسب از آن تهیه و سپس مصرف شود.
چگالی افزودنی‌های ارسالی مایع 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 به عنوان بخشی از کنترل کیفیت ثبت و نگهداری گردد.
تمامی افزودنی‌های کندگیرکننده در محدوده زمانی معینی بر مخلوط بتن تاثیر می‌گذارند و به محض اتمام این محدوده زمانی، آبگیری سیمان آغاز می‌شود. بنابراین، مقادیر مصرف به‌گونه‌ای باید تنظیم شود تا فرصت کافی برای ریختن، لرزاندن، پرداخت و کارهای تکمیلی فراهم گردد.
چنانچه اطلاعات کافی و معتبر از کاربرد یک افزودنی در دسترس نباشد، بهترین روش برای بررسی تاثیر افزودنی بر خواص بتن، انجام آزمایش‌های کارگاهی است. لازم است این آزمایش‌ها با توجه به اوضاع جوی پیش‌بینی شده، روش و امکانات عملی ساخت بتن و با استفاده از مصالح مصرفی کارگاه انجام پذیرد. پارامترهایی که انتظار می‌رود در اثر به کار بردن کندگیرکننده در طرح عملیات بتن‌ریزی تغییر کنند عبارتند از: زمان و روند گیرش، کاهش دما و اصلاح روند تولید آن، و تاخیر در بازکردن قالب‌ها.
قبل از شروع کار اصلی بهتر است تعداد کافی طرح اختلاط در آزمایشگاه کارگاه تهیه و آزمایش گردد و با ثبت نتایج و مقایسه آنها طرح‌های بهینه برای اجرا برگزیده شوند. اگرچه راهنمایی‌های بسیار مفیدی در آیین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی و استاندارد‌های ساختمانی ایران برای کاربرد افزودنی‌های شیمیایی وجود دارد، ولی اغلب آنها در شرایط استاندارد و آزمایشگاهی کنترل شده نتیجه‌گیری شده‌اند. بنابراین، بهتر است ضمن پیروی از آنها نسبت به انجام آزمایش‌های کارگاهی نزدیک به شرایط واقعی کاربردی در کارگاه اقدام نمود.
همواره لازم است طرح اختلاط این گونه بتن‌ها مجدداً بررسی شود. چنانچه یک طرح بتن دارای کارآیی و قابلیت پرداخت مناسب باشد و لازم شود که به آن ماده کندگیرکننده افزوده شود، تغییری در مقادیر آب، سیمان و یا مقدار حباب‌های ریز به وجود نمی آید و در نتیجه نیازی به تغییر در نسبت‌های اجزای بتن نمی باشد. با توجه به اینکه اغلب افزودنی‌های کندگیرکننده مواد محلول در آب هستند، لازم است 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 و باید آنها را به طور جداگانه پیمانه و به مخلوط اضافه کرد. مگر اینکه سازگاری آنها با یکدیگر قبلاً توسط تولیدکننده بلامانع اعلام شود. برای مثال، ممکن است کندگیرکننده و روان‌کننده بخصوصی با هم سازگاری نداشته باشند و هر کدام در مخازن جداگانه نگهداری و با فاصله زمانی مناسب به مخلوط‌کن بتن افزوده شوند.
با توجه به این که این افزودنی‌ها معمولا در مقادیر بسیار کم و بر اساس نسبت‌های کوچک به سیمان مصرف می‌شوند، لازم است لوازم اندازه‌گیری دقیق برای پیمانه کردن آنها در کارگاه فراهم و در ضمن آموزش‌های لازم در مورد حساسیت و تاثیرات نامطلوب احتمالی ناشی از مصارف نادرست به کاربران ارایه شود.
هنگام استفاده از این مواد، باید عمل‌آوری و محافظت، به علت پتانسیل زیاد ترک‌خوردگی ناشی از جمع‌شدگی بتن و آب انداختن، با حساسیت بیشتری صورت گیرد.
در مواردی که احتمال ترک‌خوردگی ناشی از تبخیر و نشست خمیری در اثر بار مرده در طول بتن‌ریزی وجود دارد استفاده از این مواد توصیه نمی‌گردد.
در انبار کردن مواد دیرگیرکننده آلی باید به دما و تابش آفتاب توجه داشت زیرا می‌تواند زودتر از مواد غیرآلی فاسد شود.
درصورتی که تبخیر از سطح بتن زیاد باشد و از مواد کندگیرکننده در بتن استفاده شود، ممکن است احتمال ترک‌خوردگی بیشتر شود.
در هوای گرم، بویژه برای حمل طولانی بهتر است از مواد کندگیرکننده (حفظ کارایی) استفاده نمود. این مواد می‌توانند افت اسلامپ را کاهش دهند که از نظر اجرایی اهمیت زیادی دارد.
افزایش زمان گیرش به میزان بیش از ۴ ساعت توصیه نمی‌شود. امروزه افزودنی‌های خاصی به بازار عرضه شده‌اند که زمان گیرش را بیش از ۲۴ ساعت به تأخیر می‌اندازد، اما این مواد با مشخصات استاندارد موجود تطابق ندارند.
در بتن‌های حجیم، مواد دیرگیرکننده می‌توانند بدلیل کاهش سرعت هیدراسیون در ساعات اولیه، سرعت گرمازایی را کاهش دهند.
در زمانی که مشکل ایجاد درز سرد بین لایه های بتن ریزی وجود دارد یکی از روش های رفع مشکل، افزایش زمان گیرش می‌باشد که با مصرف مواد دیرگیرکننده حاصل می‌شود.
دیرگیری حاصله از مواد دیرگیرکننده، معمولاً مقاومت‌های بتن را پس از چند روز کاهش نمی‌دهد و گاه مقاومت های درازمدت ممکن است افزایش یابد و معمولاً به افزایش دوام نیز کمک می‌کند.
با توجه به میزان دیرگیری لازم، طرح مخلوط بتن و مقدار افزودنی دیرگیرکننده باید مشخص شود. به هرحال مقدار مصرف باید در محدوده توصیه شده توسط تولید کننده باشد.
مصرف بیش از حد دیرگیرکننده ممکن است اخلال جدی در گیرش بوجود آورد که به آب انداختن و روان‌شدگی بتن می‌انجامد و ممکن است بتن را عملاً غیرقابل مصرف نماید.