افزودنی‌های شیمیایی بتن: راهنمای جامع انتخاب و کاربرد

1) معرفی افزودنی‌های شیمیایی بتن و اهمیت آنها

طبق تعریف ACI (انجمن بتن آمریکا) و آیین‌نامه بتن ایران، مواد افزودنی شیمیایی بصورت مایع یا پودر هستند که به منظور بهبود اقتصادی یا بهبود خواص (در حالت خمیری یا سخت‌شده) بتن یا مخلوط سیمانی استفاده می‌شوند، و معمولا به مقدار کمتر از 5 درصد وزن مواد سیمانی، به مخلوط اضافه می‌گردند.

امروزه به دلیل مزایای اقتصادی و فنی افزودنی‌های شیمیایی بتن، در اکثر بتن‌های مصرفی در دنیا، از حداقل یک نوع افزودنی شیمیایی استفاده می‌شود. زیرا برخی خواص موردنیاز بتن یا مخلوط‌های سیمانی (چه در حالت خمیری و تازه و چه در حالت سخت‌شده)، تنها با استفاده از افزودنی‌ها قابل دستیابی می‌باشد.

2) انواع اصلی افزودنی‌های بتن
2-1- روان‌کننده و فوق‌روان‌کننده

نام دیگر این نوع افزودنی‌ها، کاهنده آب یا فوق کاهنده آب نیز می‌باشد. این مواد با توجه به نحوه مصرف قادر به کاهش آب ساخت، افزایش روانی (اسلامپ، یا شلی و سفتی)، کاهش مواد سیمانی مصرفی یا ترکیبی از این موارد، در ملات، بتن یا مخلوط سیمانی هستند.

قدرت تاثیر فوق‌روان‌کننده‌ها بسیار بیشتر از روان‌کننده‌ها می‌باشد.

استفاده روان‌کننده‌ها منجر به کاهش نیروی جذب بین ذرات خمیر سیمان و گاهی کاهش لزجت آن می‌شود. فوق‌روان‌کننده‌ها علاوه بر این اثر با شدت بیشتر (اصطلاحا دافعه الکترواستاتیکی)، از یک سر به سیمان و از سر دیگر به آب متصل می‌شوند و پراکندگی را افزایش و میزان آب لازم را کاهش می‌دهند. در فوق‌روان‌کننده‌های نسل سوم (پلی‌کربوکسیلات‌ها) علاوه بر سازوکارهای تاثیر بیان شده، شاخه‌های جنبی پلیمر بصورت فیزیکی باعث پراکندگی بیشتر می‌شوند (اصطلاحا ممانعت فضایی)، و بطور مضاعف منجر به کاهش آب یا افزایش روان‌کنندگی می‌شوند.

2-2- تسریع‌کننده زمان گیرش یا تندگیرکننده (زودگیرکننده) / تسریع‌کننده زمان سخت‌شدگی یا زود سخت‌کننده

این مواد باعث افزایش سرعت واکنش (هیدراته‌شدن) سیمان و آب می‌شوند و در نتیجه زمان گیرش را کاهش می‌دهند (تندگیرکننده)، یا روند دستیابی به یک مقاومت مشخص را سریع‌تر می‌کنند (زود سخت‌کننده)، یا همزمان هر دو مورد را ایجاد می‌نمایند.

معمولا افزودنی‌های زودگیرکننده سرعت واکنش‌های C₃A سیمان (یکی از ترکیبات اصلی آلومیناتی سیمان) را افزایش می‌دهند و افزودنی‌های زودسخت‌کننده منجر به افزایش سرعت C₃S سیمان (یکی از ترکیبات اصلی سیلیکاتی سیمان) می‌شوند.

2-3- افزودنی‌های هوای سرد و ضدیخ

مواد افزودنی‌ مورد استفاده در هوای سرد برای بتنی استفاده می‌شود که بلافاصله پس از جایدهی و قبل از گیرش اولیه در دمای کمتر از 5 درجه سانتی‌گراد تا حداقل 5- درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد.

ضدیخ بتن که بطور معمول در بازار از آن نام برده می‌شود، در بیشتر موارد از نوع زودگیرکننده هستند و در مقدار مصرف‌های پیشنهادی معمول، خاصیت جلوگیری از یخ زدن بتن تازه در دمای کمتر از 5- درجه سانتی‌گراد را ندارند.

2-4- کندگیرکننده (دیرگیرکننده) / افزودنی حفظ اسلامپ (کاهنده افت اسلامپ)

این مواد باعث کاهش سرعت واکنش (هیدراته‌شدن) سیمان و آب می‌شوند و در نتیجه زمان گیرش را افزایش می‌دهند و سرعت گرمازایی کاهش می‌یابد. برخی از این مواد می‌توانند منجر به حفظ اسلامپ یا روانی بتن شوند.

این افزودنی‌ها معمولا یک لایه نازک بر روی ذرات سیمان (بویژه بر روی ترکیبات اصلی C₃A و C₃S) ایجاد می‌کنند و سرعت واکنش‌ها را کاهش می‌دهند.

2-5- آب‌بندکننده / آب‌گریزکننده / نم‌بندکننده

این مواد با تاثیرات فیزیکی یا شیمیایی بر ساختار بتن، می‌توانند منجر به کاهش نفوذپذیری، آب‌بندی، آب‌گریزی یا نم‌بندی جسم بتن شوند. برخی افزودنی‌ها همزمان دو یا چند خاصیت ذکر شده را همزمان با هم دارند. معمولا مواد آب‌گریز تحمل تماس دائم با رطوبت را ندارند و در این شرایط باید از مواد آب‌بندکننده استفاده نمود.

مواد آب‌گریز کننده معمولا با کاهش کشش سطحی منافذ، منجر به دفع شدن آب از سطح می‌شوند. مواد آب‌بندکننده و نم‌بندکننده معمولا با ایجاد لایه نازک (فیلم) بر روی بدنه منافذ، یا با پرکردن منافذ با محصولات حاصل از واکنش، ایجاد آب‌بندی و نم‌بندی می‌کنند.

2-6- حباب هواساز (حباب‌زا، حباب‌ساز، هوازا، هواساز)

این مواد با ایجاد شبکه منظم از حباب‌های میکروسکوپی در بتن یا مخلوط سیمانی، منجر به بهبود مقاومت در برابر چرخه یخ‌زدن و آب‌شدن (یخبندان)، کاهش نفوذپذیری، بهبود کارایی و غیره می‌شوند.

این مواد معمولا در ترکیب با آهک محیط تولید حباب‌های ریز می‌نمایند.

2-7- کاهنده (جبران کننده) جمع‌شدگی

این مواد منجر به کاهش برخی از انواع جمع‌شدگی‌های بتن یا مخلوط سیمانی می‌شوند و دسته‌ای از آنها حتی می‌توانند منجر به ایجاد انبساط کنترل‌شده نیز گردند.

2-8- سایر

علاوه بر موارد ذکر شده، افزودنی‌های دیگری برای کاربردهای ویژه وجود دارد. از این افزودنی‌های می‌توان به بازدارنده خوردگی، کف‌زا، کمک پمپاژ، عمل‌آوری، رنگدانه (پیگمنت)، هوازدا (دیفومر یا آنتی فوم)، اصلاح‌کننده گرانروی (VMA) و ضد آبشستگی، پیوندزا، و نگهدارنده آب اشاره نمود.

3) مزایا و کاربردهای افزودنی‌های بتن
3-1- بهبود کارایی و کارپذیری

معمولا با استفاده از افزودنی‌ها، کارایی و کارپذیری بتن، ملات یا دوغاب شامل روانی، تراکم‌پذیری، قابلیت جایدهی، پمپ‌پذیری و پرداخت سطحی بهبود می‌یابد. در ضمن برخی افزودنی‌ها منجر به افزایش یا کاهش لزجت یا گرانروی مخلوط سیمانی می‌شوند. معمولا استفاده از افزودنی‌های روان‌کننده یا فوق‌روان‌کننده  منجر به کاهش لزجت، و افزایش روانی و بهبود کارایی در طول مدت مشخص می‌شود. استفاده از افزودنی‌های اصلاح‌کننده گرانروی (VMA) منجر به افزایش لزجت مخلوط سیمانی (معمولا به منظور کاهش جداشدگی یا آب‌انداختن) می‌شوند. برخی افزودنی‌های دیگر نظیر حباب‌زا یا آب‌بندکننده‌ها می‌توانند به عنوان یک تاثیر جانبی، منجر به افزایش یا کاهش روانی و کارایی مخلوط سیمانی شوند.

3-2- بهبود مشخصات مقاومتی

افزودنی‌ها با تغییر سرعت واکنش‌ها یا کاهش آب موردنیاز ساخت بتن، منجر به بهبود خواص مکانیکی و مقاومتی بتن در کوتاه مدت یا بلندمدت شوند. این افزودنی‌ها شامل روان‌کننده یا فوق‌روان‌کننده‌ها، و دیرگیرکننده یا زودگیرکننده‌ها می‌باشد. برخی افزودنی‌ها مانند حباب‌زاها، برخی پلیمرها، و برخی آب‌بندکننده‌ها، به علت تاثیرات جانبی می‌توانند منجر به کاهش مشخصات مقاومتی مخلوط سیمانی شوند.

3-3- کاهش نفوذپذیری و بهبود مشخصات پایایی و دوام

برخی افزودنی‌ها منجر به کاهش نفوذپذیری، افزایش مقاومت در برابر حملات یونی، افزایش مقاومت در برابر چرخه یخبندان و آب‌شدن، یا کاهش شدت خوردگی میلگردها می‌شوند. افزودنی‌های کاهنده یا فوق‌کاهنده آب، افزودنی‌های آب‌بندکننده، دوغاب یا ژل میکروسیلیس (دوده سیلیسی)، افزودنی‌های حباب‌زا، افزودنی‌های بازدارنده خوردگی و نظایر آن از این دسته افزودنی‌ها هستند.

3-4- تغییر سرعت واکنش‌های هیدراته‌شدن و کنترل زمان گیرش و سخت‌شدن

به منظور سهولت اجرا و کنترل گرمازایی مخلوط‌های سیمانی، از افزودنی‌های تغییردهنده سرعت واکنش‌ها استفاده می‌شود. این افزودنی‌ها شامل زودگیرکننده‌ها، دیرگیرکننده‌ها و افزودنی‌های حفظ اسلامپ و گاهی حتی فوق‌روان‌کننده‌ها می‌باشند. به منظور بهره‌برداری یا قالب‌برداری سریع‌تر، از افزودنی‌های زودگیرکننده یا فوق‌روان‌کننده استفاده می‌شود. به منظور کاهش سرعت گرمازایی بویژه در قطعات بتنی حجیم یا تاخیر در زمان گیرش (معمولا به منظور کاهش خطر ایجاد درز سرد)، گاهی از افزودنی‌های دیرگیرکننده استفاده می‌شود. از افزودنی‌های حفظ اسلامپ نیز همانطور که مشخص است برای کاهش افت اسلامپ، افزایش مدت زمان کارکرد با مخلوط سیمانی و کاهش خطر ایجاد درز سرد (بویژه در شرایط هوای گرم یا حمل طولانی) استفاده می‌شود.

3-5- کاهش مصرف سیمان و بهینه‌سازی اقتصادی مخلوط سیمانی

استفاده از برخی افزودنی‌ها بویژه کاهنده یا فوق‌کاهنده آب می‌تواند منجر به کاهش مصرف سیمان یا مواد سیمانی مصرفی شود. برخی افزودنی‌ها نیز با اصلاح خواص بتن یا مخلوط سیمانی، منجر به کاهش هزینه‌های ساخت بتن می‌شوند. بطور مثال افزودنی‌های کمک پمپاژ، ضد آبشستگی، بازدارنده خوردگی، و هوازدا، می‌توانند با ایجاد خواص مطلوب در مخلوط، هزینه‌های روش‌های سنتی یا قدیمی‌تر اصلاح بتن را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.

3-6- سایر

موارد دیگری نظیر کاهش چگالی بتن یا مخلوط سیمانی (با استفاده از افزودنی‌های کف‌زا و حباب‌زا)، کاهش جمع‌شدگی و ایجاد انبساط، بهبود کیفیت ناحیه اتصال خمیر سیمان و سنگدانه (ناحیه انتقال یا ITZ)، تغییر در خواص رئولوژی و چسبناکی بتن یا مخلوط سیمانی، نگهداری آب (در برابر تبخیر یا جذب مصالح جاذب آب در تماس با بتن نظیر آجر، بتن سخت، سنگ و غیره)، و غیره نیز می‌تواند با استفاده از انواع افزودنی‌ها ایجاد شود.

4) روش انتخاب افزودنی مناسب

از آنجا که استفاده از افزودنی‌ها در بتن یا مخلوط‌های سیمانی مانند استفاده از دارو می‌باشد (دارای مزایا و معایب و اثرات جنبی)، بنابراین روش انتخاب و مصرف آن از اهمیت زیادی برخوردار می‌باشد. در این راستا عوامل اصلی تاثیرگذار بر انتخاب و مصرف افزودنی‌ها بیان می‌شود.

4-1- نیازسنجی پروژه و مشخصات فنی آن

اولین گام برای انتخاب افزودنی، آگاهی کامل از نیازهای پروژه شامل مشخصات فنی پروژه و نیازهای اجرایی، و راهکارهای دستیابی به آن می‌باشد. بنابراین صرف اینکه در یک پروژه با شرایط مشابه از افزودنی(ها) استفاده شده است، نمی‌تواند دلیل کافی برای مصرف آن(ها) در پروژه حاضر باشد. توصیه می‌شود در صورتی‌که مشخصات پروژه و نیازهای اجرایی و همچنین بررسی‌های هزینه-فایده لزوم استفاده از افزودنی(ها) برای دستیابی به نیازها را تعیین کنند، از این مواد استفاده می‌شود.

4-2- شرایط محیطی اجرا و بهره‌برداری

شرایط محیطی یک پروژه می‌تواند بر نوع و میزان مصرف افزودنی تاثیر مستقیم داشته باشد. بطور مثال افزودنی‌های مورد استفاده در شرایط بتن‌ریزی سرد یا گرم می‌تواند کاملا متفاوت باشد. بطور مثال در یک پروژه که از فوق‌روان‌کننده استفاده می‌شود، نوع آن می‌تواند (یا گاهی باید) در فصول سرد و خنک با فصول گرم متفاوت باشد. از طرف دیگر در سازه‌هایی که در مناطق با یخبندان و آب‌شدن زیاد ساخته می‌شوند، استفاده از افزودنی‌های حباب‌زا به شدت توصیه می‌شود.

4-3- سازگاری

یکی از مراحل انتخاب افزودنی‌ها، سازگاری آنها با مصالح تشکیل‌دهنده بتن و همچنین با سایر افزودنی‌های مصرفی می‌باشد. معمولا این سازگاری از تجربیات قبلی (تولیدکننده یا مصرف کننده) یا آزمایش‌های آزمایشگاهی و مشاهده اثرات آن بر روی خواص بتن یا مخلوط سیمانی تازه و سخت‌شده حاصل می‌شود.

4-4- هزینه و مزایا

گاهی دستیابی به یک نیاز مشخص می‌تواند با یک یا چند راهکار حاصل شود که یکی از آنها استفاده از افزودنی(ها) باشد. بنابراین با شناخت مزایا و اثرات جنبی افزودنی پیشنهادی بر تمام جنبه‌ها (تامین مواد، امکان ساخت، سهولت اجرا، خواص بتن تازه و سخت‌شده و غیره) باید اصطلاحا هزینه-فایده راهکار مدنظر بررسی شود.

بطور مثال برای بهبود خواص جداشدگی در یک بتن خودتراکم می‌توان از دو راهکار استفاده نمود: 1) استفاده از مواد پودری خنثی یا فعال (مانند پودرسنگ یا پوزولان میکروسیلیس) 2) استفاده از مواد افزودنی اصلاح‌کننده لزجت (VMA). راهکار اول در زمینه تامین مواد، ساخت بتن در بچینگ و افزایش هزینه‌های ساخت و اجرا مشکلاتی را ایجاد می‌نماید اما می‌تواند خواص مقاومتی و دوامی را بهبود دهد. راهکار دوم از منظر اقتصادی و اجرایی مناسب‌تر است اما ممکن است منجر به کاهش جزئی مقاومت بتن گردد. در هر صورت با بررسی همه این موارد، راهکار نهایی انتخاب می‌شود.

5) ملاحظات کاربردی در استفاده از افزودنی‌ها

استفاده موفقیت‌آمیز از افزودنی‌ها بستگی به روش‌های آماده‌سازی، توزین، مخلوط‌کردن، حمل و ریختن بتن دارد. عدم توجه به هر یک از این موارد می‌تواند به شکل قابل توجهی روی ویژگی‌ها، کارایی و یکنواختی بتن تاثیر داشته باشد. به عنوان یک اصل کلی، مصرف یک ماده افزودنی نباید به مشخصات فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی بتن لطمه وارد آورد. هر ماده افزودنی باید با رعایت شرایط مخصوص به خود که توسط تولیدکننده و استانداردهای مرتبط تعیین می‌شوند و با در نظر داشتن شرایط واقعی در محل اجرا، به کار برده شود تا نتیجه مطلوب از آن حاصل گردد.

5-1- میزان مصرف (دوز مصرف)

عملکرد و مقدار مصرف افزودنی معمولا با آزمایش آن در آزمایشگاه و ساخت مخلوط بتن، ساخت بتن در شرایط واقعی و یا با استفاده از اطلاعات و دستورالعمل‌های تولیدکننده تعیین می‌شود.

عوامل زیادی بر میزان مصرف افزودنی تاثیرگذارند. از این عوامل می‌توان به نوع و میزان سیمان یا مواد سیمانی مصرفی، مشخصات سنگدانه‌های مصرفی، شرایط محیطی (دما و غیره)، نحوه ساخت، حمل و اجرای بتن، و غیره اشاره نمود.

بیشتر افزودنی‌ها در یک محدوده مصرف مشخص دارای تاثیر مناسب هستند و در صورت مصرف کمتر یا بیشتر ممکن است دارای تاثیرات نامناسب یا نامطلوب باشند. قابل ذکر است که لزوما میزان مصرف کمتر یا بیشتر یک افزودنی از مزایای آن محسوب نمی‌شود.

در هر صورت اکیدا پیشنهاد می‌شود که برای تعیین میزان مصرف افزودنی و بررسی تاثیرات اصلی و جنبی آن، حتما مخلوط آزمایشی (در آزمایشگاه و در کارگاه) ساخته شود.

5-2- روش مصرف

انتخاب وسیله توزین یا پیمانه کردن افزودنی به نوع افزودنی (مایع یا پودر)، و دقت توزین یا پیمانه کردن آن وابسته است. مسلما استفاده از تجهیزات خودکار توزین، پیمانه کردن و اضافه کردن، به روش دستی ارجحیت دارد.

در صورت مصرف همزمان دو یا چند افزودنی، افزودنی‌ها قبل از مصرف نباید با یکدیگر مخلوط شوند و باید بصورت جداگانه به بتن یا مخلوط سیمانی اضافه گردند زیرا برخی افزودنی‌ها در صوزت مخلوط شدن با هم قبل از مصرف، بر روی یکدیگر اثرات نامشخص دارند.

روش مصرف، اضافه کردن و مخلوط کردن افزودنی در بتن یا مخلوط سیمانی باید به نحوی باشد که در نهایت افزودنی بطور یکنواخت در کل مخلوط، پخش و توزیع شده باشد.

گاهی بر اساس نحوه مصرف پیشنهادی تولیدکننده، افزودنی باید با آب مخلوط شود یا ظرف آن قبل مصرف بخوبی تکان داده شود.

نگهداری افزودنی‌ها بویژه انواع پلیمری آنها بسیار اهمیت دارد. معمولا افزودنی‌ها به گرما، تابش نور خورشید، و یخبندان حساس هستند و باید محل انبار آنها مطابق دستورالعمل تولیدکننده مناسب و عاری از عوامل آسیب‌زا باشد. برخی از مواد افزودنی به مرور زمان دچار کاهش یا تغییر خواص می‌شوند، بنابراین به زمان انقضای آنها باید توجه نمود.

5-3- استاندارد، کنترل کیفیت و آزمایش‌های لازم

در حال حاضر افزودنی‌های بتن و ملات دارای استانداردهای مختلفی هستند که مشهورترین آنها ASTRMC260، ASTM C494، ASTM C869، ASTM C937، ASTM C979، ASTM C1141، ASTM C1384، ASTM C1438، ASTM C1582، ASTM C1622، EN 934 و استاندارد ملی INSO 2930 می‌باشد.

این استانداردها ضمن دسته‌بندی انواع افزودنی‌ها، مشخصات و آزمایش‌های لازم برای انواع افزودنی‌های مصرفی در بتن، ملات و دوغاب را ارائه می‌کنند تا تولیدکننده و مصرف‌کننده بر آن اساس کنترل کیفیت محصولات را انجام دهد.

6) سوالات متداول (FAQ)