روان کننده های بتن
افزودنی های شیمیایی بتن
سیمان برای آبگیری[1] کامل خود به 23 تا 27 درصد وزنی آب نیاز دارد[1]. آب مصرفی اضافی در مخلوط بتن صرف ایجاد روانی و کارآیی میشود. محبوس شدن آب اضافی در بتن منجر به پیدایش حفرهها و حبابهای بزرگ در بتن سخت شده میشود و کاهش مقاومتهای مکانیکی و پایایی (دوام) بتن را به همراه دارد. از سوی دیگر، تولید و به کارگیری بتن با حداقل آب، باعث افزایش مشکلات و هزینههای اجرایی می گردد.
راهکار رایج، اقتصادی و آسان برای حل این معضلات، استفاده از افزودنیهای کاهنده آب است که از دهه 1930 میلادی به کار گرفته شدهاند.
واژه های کلیدی : افزودنی ، روان کننده، فراوان کننده، فوق روان کننده، کاهنده آب
2-1 – تعریف
افزودنیهای کاهنده آب[2] مواد آلی و یا ترکیبی از مواد آلی و معدنی هستند که برای افزایش روانی بتن در مقدار آب معین، یا کاهش مقدار آب مصرفی با حفظ روانی، و یا هر دو به کار میروند.
برخی از این افزودنیها ممکن است دارای تاثیرات جانبی کُندگیری، زودگیری، زود سختکنندگی یا هوازایی در بتن باشند که در هنگام مصرف بایستی در نظر گرفته شوند. ترکیبات و فرآیندهای مختلفی برای تولید کاهندههای آب به کار میروند که میتوانند منجر به خواص جانبی گوناگون شوند. با اصلاح ساختار برخی از افزودنیهای کاهنده آب که دارای اثر کندگیری هستند، میتوان آنها را به کاهندههای آب خنثی یا حتی زودگیر تبدیل کرد یا اثر هوازایی آنها را به غیر هوازایی و در مواردی حتی هوازدایی (کاهش مقدار هوا) تغییر داد.
2-2 – دستهبندی
افزودنیهای کاهنده آب به سه گروه اصلی و هر گروه نیز بسته به خواص جانبی خود به دستههای دیگری تقسیم میشوند.
2-2-1 – روانکنندهها
روانکنندهها[3] که نخستین گروه کاهندههای آب هستند و کاربرد آنها از دهه 1930 میلادی آغاز شده است[2]، بسته به خواص جانبی خود 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 5 تا 12 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، کاهنده آب یا روانکننده بتن عرضه و مصرف میشوند.
2-2-2 – فوق روانکنندهها
فوقروانکنندهها[4] که دومین گروه کاهندههای آب هستند و از دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفتهاند با عنوان بساکاهندههای آب[5] شناخته میشوند. فوقروانکنندهها بر اساس استانداردهای ASTM C494 & C1017 به دو دسته زیر تقسیم میشوند:
· فوق روانکننده معمولی (ASTM C494: Type F)[6]
· فوق روانکننده کندگیر (ASTM C494: Type G)[7]
این افزودنیها در مقادیر مصرف متعارف، مقدار آب اختلاط بتن را 12 تا 25 درصد کاهش میدهند و نسبت به روانکنندهها تاثیرات جانبی کمتری دارند ولی برخی از آنها در مقادیر مصرف بیش از اندازه[8] موجب کندگیری یا هوازایی میشوند. عموما فوق روانکنندهها در مقادیر مصرف خیلی کم، روانی کمتری نسبت به روانکنندهها (در مقدار مصرف یکسان) ایجاد میکنند.
نکته 2-1 – به دلیل اثرات نامطلوب مصرف بیش از اندازه روانکنندهها، نمیتوان آنها را در مقادیر زیاد به جای فوق روانکنندهها به کار برد.
نکته 2-2 – در مقادیر مصرف بیش از اندازه فوق روانکنندهها در مخلوطهای بتن با دانهبندی نامناسب، ممکن است جداشدگی و آبانداختگی افزایش یابد.
2-2-3 – فراروانکنندهها (Ultra high range water reducers)
این افزودنیها که سومین گروه کاهندههای آب هستند از دههی 1990 میلادی مورد استفاده قرار گرفتهاند و با نامهای فوق روانکننده توانمند[9] یا ابرروانکننده نیز شناخته میشوند. هرچند این افزودنیها ویژگیهای منحصر به فردی نسبت به فوق روانکنندهها دارند ولی در حال حاضر در همان دستهبندی فوق روانکنندهها یعنی ASTM C494: Type F & G و ASTM C1017: Type I & II جای میگیرند.
این افزودنیها مقدار آب اختلاط بتن را بیش از 25 درصد کاهش میدهند. این دسته از افزودنیها نسبت به روانکنندهها و فوق روانکنندهها تاثیرات جانبی کمتری دارند. عموما فراروانکنندهها در مقادیر مصرف کم، تاثیر روانکنندگی بیشتری نسبت به فوق روانکنندهها (در مقدار مصرف یکسان) دارند. 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.
نکته 2-3 – فرآیند تولید این افزودنیها این امکان را فراهم میآورد که بر اساس نیاز هر صنعت یا مشخصات فنی و شرایط اجرایی هر پروژه، فراروانکنندهایی سازگار و مناسب تولید کرد.
نکته 2-4 – مراکز تحقیقاتی جهان، شرکتهای تولیدکننده افزودنیهای بتن و سازمانهای مرتبط با صنعت ساخت و ساز همواره در جستجوی یافتن مواد شیمیایی جدید با کارآیی و تاثیر بهتر بر عملکرد مخلوطهای بتنی هستند و احتمال پیدایش و عرضه محصولات جدید همچنان وجود دارد.
نکته 2-5 – با توجه به خاصیت پخشکنندگی بسیار زیاد فراروانکننده، تاثیر آن بر احتمال جداشدگی و آبانداختگی در مخلوطهای بتن با دانهبندی نامناسب به مراتب بیشتر از سایر کاهندههای آب است.
2-3 – مکانیزم عملکرد کاهندههای آب
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[10] 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[7]:
· 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
مکانیزم کلی عملکرد فوقروانکنندهها، جدایش و پراکندن دانههای سیمان از یکدیگر به کمک نیروهای دافعه[11] ناشی از بارهای الکتروستاتیکی است[3]. 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[2]. 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"[12] شناخته میشود. مکانیزم پخشکنندگی الکتروستاتیکی علاوه بر پخش کردن دانههای سیمان، آب محبوس در لختههای سیمانی را نیز آزاد و صرف بهبود روانی مخلوط بتن میکند (شکل 2-1)[4].
![]() |
شکل 2-1 – مکانیزم عملکرد کاهندههای آب بر اساس نیروی دافعه الکتروستاتیکی و آزاد کردن آب محبوس در لختههای سیمانی
فراروانکنندهها با توجه به ساختار مولکولی و با استفاده از همان اصل بارهای الکتروستاتیکی نه تنها ذرات سیمان را بهتر از روانکنندهها و 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 فراروانکنندهها در اصطلاح شیمیایی "ممانعت فضایی"[13] نامیده میشود[3] که به دلیل ساختار و آرایش مولکولها یا اتمهای مجاور یکدیگر ایجاد میشود[5].
2-4 – ترکیبات شیمیایی و مواد تشکیلدهنده
ترکیبات موادی که بعنوان کاهنده آب بهکار میروند، معمولاً شامل مواد شیمیایی زیر هستند که ممکن است به تنهایی و یا در ترکیب با سایر مواد آلی و غیرآلی، فعال و یا خنثی مورد استفاده قرارگیرند.
2-4-1 – روانکنندهها
گسترهی وسیعی از مواد روانکننده با ویژگیها و خواص جانبی گوناگون تولید و ارایه میشوند که بخش اصلی مواد تشکیلدهنده آنها عبارتند از[2], [6], [7]:
· مشتقات و ترکیبات اسید لیگنوسولفونیک و نمکهای آنها (لیگنوسولفوناتها[14]).
· مشتقات و ترکیبات اسید هیدروکسی کربوکسیلیک[15] و نمکهای آنها.
· پلیمرهای هیدروکسیلدار[16]
· مواد غیر یونی اثرکننده بر سطح
2-4-2 – فوقروانکنندهها
بخش اصلی مواد تشکیل دهنده فوق روانکننده عبارتند از [2], [6], [7]:
· لیگنوسولفوناتهای اصلاحشده[17]
· نمکهای تغلیظ شده ملامین سولفونات (ملامین فرمآلدهید سولفوناته[18]).
· نمکهای اسید نفتالین سولفونیک تغلیظ شده با وزن ملکولی بالا (نفتالین فرمآلدهید سولفوناته[19]).
- سایر پلیمرهای مصنوعی مانند پلیاستایرن سولفوناته[20]، پلیمرهای هیدروکسیلدار، و برخی از کوپلیمرهای محلول در آب[21]، یا ترکیبی از آنها.
2-4-3 – فراروانکنندهها
فراروانکنندهها عمدتا بر پایه پلیمرهای مصنوعی زیر هستند:
· پلیکربکسیلیک اتر، اسید اکریلیک، متوکسی پلی اتیلن، و انیدرید مالییک.
· کوپلیمرهای کربوکسیلیک آکریلیک استر.
2-5 – کاربرد
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[6].
روانی بتن که با اسلامپ سنجیده میشود، برای بتنی با نسبتها و اجزای معین، به مقدار آب اختلاط بستگی دارد[1]. 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 خیلی زودرس و بینیاز از بخاردهی، بتن خیلی روان و بتن توانمند بدون استفاده از افزودنیهای کاهنده آب به ویژه روانکنندهها و فراروانکنندهها 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. برای دستیابی به این ویژگیها، فراروانکنندهها به دلیل تاثیرات جانبی کمتری که نسبت به روانکنندهها و فوق روانکنندهها دارند، کاربرد گستردهتری دارند.
2-6 – تاثیر کاهندههای آب بر ویژگیهای بتن تازه
افزودنیهای کاهنده آب علاوه بر کاهش مقدار آب مخلوط بتن تازه، بر برخی دیگر از خواص آن نیز تاثیر میگذارند.
2-6-1 - زمان گیرش
زمان گیرش بتن به ترکیبات شیمیایی و اندازه ذرات سیمان، دما و نسبت آب به سیمان بستگی دارد. در بتنی با دما و نسبت آب به سیمان معین، کاهندههای آب به دلیل پخشکردن ذرات سیمان و به تاخیر انداختن به هم چسبیدن و لختهشدن ذرات و محصولات آبگیری سیمان به یکدیگر (کندگیری فیزیکی)، گیرش اولیه و نهایی بتن را به تاخیر میاندازند. از سوی دیگر، پخششدن ذرات سیمان امکان آبگیری بهتر و همه جانبهی آنها را فراهم میکند که میتواند تسریع واکنش و تولید محصولات آبگیری را به دنبال داشته باشد. بنابراین هر چقدر که قدرت پخشکنندگی افزودنیهای کاهنده آب بیشتر باشد (از روانکننده به فراروانکننده) تاثیر کندگیری آنها کاهش مییابد.
برخی از روانکنندهها مانند لیگنوسولفوناتها و اسیدهای هیدروکسی کربوکسیلیک در مقادیر مصرف متعارف و در دماهای 18 تا 38 درجه سانتیگراد معمولاً 1 تا 3 ساعت تاخیر در گیرش بتن بوجود میآورند[2]. با افزایش مقدار مصرف روانکنندهها، تاخیر در زمان گیرش بتن نیز افزایش مییابد. اغلب فوق روانکنندهها در مقادیر مصرف متعارف، کندگیری قابل توجهی ندارند و یا کندگیری آنها کاملاً کنترل شده است. در بتنهایی که با سیمان نوع 5 ساخته میشوند و دارای فوقروانکننده هستند، صرفنظر از نسبت آب به سیمان و نوع فوقروانکننده مصرفی، زمان گیرش اولیه و نهایی حدود یک ساعت افزایش مییابد[8]. بعضی از فراروانکنندهها زمان گیرش نهایی بتن را کاهش میدهند [3].
2-6-2 - هوازایی
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 2 تا 6 درصد متغیر است، اگرچه مقادیر بیشتر نیز تا کنون گزارش شده است[6]. هوازایی روانکنندهها را میتوان با اصلاح فرمول شیمیایی کنترل کرد[6] ، معمولاً لیگنوسولفوناتهای اصلاحشده کمتر از یک درصد حباب هوا ایجاد میکنند. فوقروانکنندهها و فراروانکنندهها اصولاً خاصیت هوازایی ندارند ولی ممکن است روی توان هوازایی برخی از سیمانها و مواد هوازا تاثیرگذار باشند و باعث تغییر در میزان هوای بتن شوند[6]. افزایش روانی مخلوط بتن به ازدیاد تشکیل حبابهای هوا در حین اختلاط کمک میکند ولی بتنهای دارای فوقروانکننده در مقایسه با بتن شاهد (با روانی یکسان)، فرصت خروج آسانتر حبابهای هوای محبوس را در حین عملیات انتقال و بتنریزی فراهم میکنند. فوقروانکنندههای بر پایه ملامین در مقایسه با نوع نفتالینی نه تنها هوای محبوس کمتری ایجاد میکنند بلکه افت مقدار هوای سریعتری نیز دارند[2]. فراروانکنندهها عموما خاصیت هوازایی ندارند و پس از اتمام اختلاط بتن به دلیل سهولت حرکت اجزای بتن، موجب جابجایی و جایگیری ذرات در درون فضای خالی بین یکدیگر میشوند و حبابهای هوای محبوس را به سطح بتن میرانند.
افزودنیهای کاهنده آب در بتنهای هوازایی شده، پایداری حبابهای هوا را بهبود میبخشند و میزان تاثیر و راندمان افزودنیهای هوازا را افزایش میدهند[2].
2-6-3 - کارآیی
کارآیی[22] خصوصیتی از بتن یا ملات تازه است که آسانی یا دشواری اختلاط، ریختن، تراکم و پرداخت کردن آن را بیان میکند[11]. موضوع کارآیی همواره در بتنریزیها مطرح میشود ولی در حال حاضر ابزار مناسبی برای سنجش 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 آنهـا 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[9] و در 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 (به فصل هوازاها مراجعه شود) و حالت خمیری و کارآیی بتن را بهبود بخشد.
2-6-4 - آب انداختگی
تاثیر همه افزودنیهای کاهنده آب بر آبانداختگی یکسان نیست، به عنوان مثال نمکهای اسید هیدروکسی کربوکسلیک موجب افزایش آب انداختگی میشوند در حالی که مشتقات و ترکیبات اصلاح شده آنها تاثیری بر پدیده آب انداختگی ندارند. لیگنوسولفوناتها و مشتقات آنها آب انداختگی بتن تازه را کاهش میدهند که بخشی از این خاصیت آنها به دلیل ایجاد حباب هوا در بتن است. فوق روانکنندهها و فراروانکنندهها معمولا آب انداختگی و جداشدگی را کاهش میدهند به جز در مواردی که مقدار مصرف افزودنی بیش از اندازه باشد[9]. گاهی آبانداختگی و جداشدگی بتن تازه پس از اضافـه کردن فوق روانکننده و فراروانکنندهها 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.
2-6-5 - روند افت روانی (اسلامپ)
روند افت روانی[23] که بیانگر مقدار کاهش روانی در واحد زمان است، در بتن دارای کاهنده آب بیشتر از بتن شاهد (با اسلامپ اولیه یکسان) است. بتنهای حاوی فوقروانکننده در مقایسه با بتنهای حاوی روانکننده که اسلامپ اولیه یکسانی داشته باشند از روند افت روانی بیشتری برخوردارند. فراروانکنندهها اگرچه نسبت به بتن شاهد روند افت روانی بیشتری دارند ولی نسبت به فوقروانکنندهها از توان حفظ روانی (اسلامپ) بیشتری برخوردارند.
یکی از مزایای اصلی استفاده از فوقروانکنندهها و فراروانکنندهها در بتن افزایش قابل توجه اسلامپ و روانی آن است ولـی زمان قابل کارکردن به دلیل افت اسلامپ به شدت کاهش مییابد که میتواند سبب بروز مشکلات اجرایی شود. برای حل این مشکل در مورد فوقروانکنندهها میتوان بخشی از فوق روانکننده را در محل ساخت بتن و بخش دیگر را در محل بتنریزی به مخلوط اضافه کرد تـا زمـان قابل کار کردن افزایش یابد یا از فوقروانکنندههای کندگیر استفاده کرد. در مورد فراروانکنندهها میتوان روانی بتن را در هنگام ساخت به گونهایی تنظیم کرد (با اسلامپ بالاتر) که روانی مورد نظر را در پای کار تامین کند یا در هنگام ساخت بتن، در صورت نیاز جهت سهولت در اختلاط و حمل، از یک روانکننده سازگار در مقادیر کم استفاده کرد و فراروانکننده را در پای کار به بتن افزود.
فرصت کار با یک بتن به عوامل متعددی بستگی دارد که از آن جمله میتوان به: نوع و مقدار کاهنده آب، فاصله زمانی بین ساختن و ریختن بتن، زمان اضافه کردن کاهنده آب، مصرف سایر افزودنیهای شیمیایی، ویژگیها و درجه حرارت سیمان و بتن، روانی اولیه بتن و دمای محیط اشاره کرد.
2-6-6 - پرداخت پذیری
روانکنندهها معمولاً در پرداخت سطح بتن بسیار مؤثرند درحالیکه سطح بتنهای محتوی فوق روانکننده به دلیل کاهش آبانداختگی و افت سریع روانی به سختی پرداخت میشوند، مضافاً اینکه تمایل به پوسته شدن و یا ترکهای ناشی از جمع شدگی خمیری در این نوع بتنها بیشتر است، به همین دلیل در اینگونه مواقع بایستی سطح بتن را با روشهایی چون مرطوب کردن، استفاده از مواد تاخیر دهنده تبخیر، یا هر روش مناسب دیگری از خشک شدن حفظ نماییم. این روشها بایستی با دقت انجام پذیرد تا تاثیر نامناسبی بر دوام سطح بتن بوجود نیاورند.
2-6-7 – تراکمپذیری
کاهندههای آب امکان حرکت و لغزش ذرات بر روی یکدیگر را در داخل مخلوط بتن فراهم میکنند و خواص ریولوژیک 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. در بتنهای دارای مقادیر کافی فراروانکننده به دلیل سهولت حرکت و لغزش ذرات بر روی یکدیگر بدون نیاز به لرزاندن، اجزای بتن در اثر وزن خود فضاهای خالی را پر میکنند و متراکم میشوند (بتن خود متراکم) در حالی که در بتنهای بدون فراروانکننده به دلیل پدیده لختهشدگی ذرات سیمان و ریزدانهها، هر چقدر هم که روانی افزایش یابد نمیتوان به بتن خود متراکم دستیافت.
2-7 - تاثیر بر ویژگیهای بتن سخت شده
2-7-1 - مقاومت
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.
نکته 2-6- 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 24 ساعته را به خصوص در مناطق گرمسیر افزایش میدهند، البته ممکن است مقاومت در ساعات اولیه بتن تحت تاثیر کندگیـری 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 فوق روانکننده همراه با کاهش آب بتن باشد مقاومت فشاری را تا 25 درصد و یا حتی بیشتر افزایش میدهد. این افزایش مقاومت با استفاده از فراروانکنندهها به مراتب محسوستر است و تولید بتنهایی با مقاومت فشاری 70 مگاپاسکال و بیشتر در شرایط کارگاهی به آسانی قابل طراحی و تولید میباشد. مقاومت خمشی بتنهای دارای این افزودنیها بهبود مییابد ولی نسبت افزایش آن در مقایسه با مقاومت فشاری کمتر است.
2-7-2 – جمعشدگی (تکیدگی) و خزش
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.
2-7-3 – دوام (پایایی)
به طور کلی کاهندههای آب 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.
در بتنهای هوازاییشده، استفاده از کاهندههای آب سبب افزایش مقاومت جداره حبابهای هوا و بهبود پایایی بتن در برابر چرخههای یخزدن و آبشدن میشود.
2-8 - تاثیر مواد متشکله بتن بر عملکرد 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 2 و 5 در مقایسه با سیمانهای نوع 1 و 3 به کاهنده آب کمتری نیاز دارند. ترکیبات شیمیایی سیمان به ویژه نسبت C3A/C3S و مقدار C3A و نیز مقدار قلیاییها بر عملکرد افزودنیهای کاهنده آب تاثیر میگذارند[7]. با افزایش مقدار C3A در سیمان از راندمان روانکنندههای لیگنوسولفوناتی کاسته میشود[1]. با افزایش مقدار قلیاییهای سیمان میزان تاثیر و حفظ روانی روانکنندهها در بتن کاهش مییابد[1].
شکل و بافت سطحی سنگدانهها بر عملکرد کاهندههای آب تاثیرگذار است. سنگدانههای گرد گوشه 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.
پوزولانها به جز خاکستر بادی، عموما به دلیل افزایش چشمگیر سطح جانبی دانهها و تمایل به لختهشدن، کارآیی و روانی بتن را به شدت کاهش میدهند و به همین دلیل توصیه میشود که در بتنهای دارای پوزولان و به ویژه دوده سیلیسی از فوقروانکننده یا فراروانکننده استفاده شود.
در مجموع مطالعه، بررسی و انجام آزمایشهای کارگاهی برای مشخص کردن تاثیر مواد متشکله بتن بر افزودنیهای کاهنده آب به شدت توصیه میشود.
2-9 - تاثیر عوامل محیطی و اجرایی
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 تاثیر گذار 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.
2-10 - رهنمودهای اجرایی در کارگاه
افزودنیهای کاهنده آب در حالت مایع اندازهگیری و مصرف میشوند و چنانچه این افزودنیها به شکل جامد (پودر) تحویل گردند، لازم است ابتدا بر طبق پیشنهاد تولیدکننده محلولی با درصد جامد مناسب از آن تهیه و سپس مصرف شوند.
چگالی افزودنیهای ارسالی مایع و یا آنهایی که در کارگاه به مایع تبدیل شدهاند بایستی براساس معیار و استانداردی که تولید کننده 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 بایستی در دمای استاندارد انجام و نتایج آن بعنوان بخشی از عمل کنترل کیفیت برای آینده ثبت و نگهداری گردد.
تمامی 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 بایستی 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[24]) به بتن اضافه کرد.
در طرح اختلاطهای دارای این افزودنیها، به خصوص در بتنهای با اسلامپ بیشتر از 70 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.
2-11 - رهنمودهای کاربردی
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 پیش بینی 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 کاهنده آب در طرح اختلاط بتن تغییرکنند عبارتند از: مقدار هوا، روانی، آب انداختگی، جداشدگی، زمان و روند گیرش، و مقاومتهای مکانیکی.
قبل از شروع کار اصلی بهتر است تعداد کافی طرح اختلاط در آزمایشگاه کارگاه، تهیه و آزمایش گردد و با ثبت و مقایسه آنها طرحهای بهینه برای اجرا برگزیده شوند. اگرچه راهنماییهای بسیار مفیدی در آیین نامههای معتبر بینالمللی و استانداردهای ساختمانی ایران برای کاربرد افزودنیهای شیمیایی وجود دارد ولی اغلب آنها در شرایط استاندارد و آزمایشگاهی کنترل شده نتیجه گیری شدهاند. بنابراین بهتر است ضمن پیروی از آنها اقدام به انجام آزمایشهای کارگاهی نزدیک به شرایط واقعی کاربردی در کارگاه کرد.
همواره لازم است طرح اختلاط این گونه بتنها مجدداً بررسی شود چنانچه یک طرح بتن دارای کارآیی و قابلیت پرداخت مناسب باشد و بخواهیم به آن افزودنی کاهنده آب بیافزاییم، مقادیر آب، سیمان و یا مقدار هوا تغییر میکند و باعث تغییر در حجم کل بتن میشود. در اینگونه موارد برای جبران کاهش حجم کل، بایستی به اندازه مقادیر کاهش یافته آب و سیمان، مقادیر متناسبی از سنگدانهها به بتن اضافه گردد تا نسبت سنگدانههای درشت به حجم کل بتن ثابت بماند. روش طراحی و تنظیم مخلوطها در ACI 211.1 شرح داده شده 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 بایستی 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 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.
2-12 - ارزیابی و انتخاب کاهنده آب
عملکرد افزودنیها از هر نوع و طبقه با یکی از شیوههای زیر بررسی میشوند. این شیوهها ممکن است به تنهایی و یا تواماً در تشخیص و انتخاب یک افزودنی مورد توجه قرار گیرند.
1) نتایج حاصل از کاربرد موفقیت آمیز یک افزودنی در کارهای مشابه قبلی که تحت شرایط کنترل شده کارگاهی انجام شده باشد. در این روش بایستی تا حد امکان شرایط کار و مصالح مرجع انتخابی شبیه به شرایط کارگاه باشد.
2 ) انجام آزمایشهای کارگاهی با مصالح و شرایط موجود در محل کارگاه.
3) کتب و نشریات فنی و اطلاعات ارایه شده از سوی تولیدکنندهها.
با استفاده از روشهای فوق محدوده مقادیر مصرفی و حد بهینه آن تعیین میشود و اثرات احتمالی ناشی از مصرف بیش از حد مورد بررسی قرار میگیرد ولی لازم است اطلاعات کاملی از عملکردهای قبلی یک افزودنی و نتایج آن که بیانگر محدوده مقادیر مصرف باشد در اختیار مصرف کننده قرار گیرد. بدیهی است که نتایج تاثیر یک افزودنی معین بر روی انواع سیمان، مقدار سیمان، نوع سنگدانهها، شرایط آب و هوا و شرایط ساخت بتن متفاوت است ولی محدوده تعیین شده از سوی تولیدکننده میتواند ملاک سنجش در هر کارگاهی قرارگیرد.
از آنجایی که این افزودنیها عموماً مقاومتهای بتن را افزایش میدهند و این فرصت را فراهم میآورند که مقدار سیمان کمتری مصرف شود، علاوه بر ایجاد صرفه جویی اقتصادی در طرح میتوانند حرارت آبگیری را کاهش دهند که بخصوص در بتن ریزیهای حجیم بسیار مؤثر است. توجه شود که استفاده از کاهندههای آب به خودی خود باعث کاهش حرارت آبگیری نمیشود بلکه کاهش مقدار سیمان این امر را میسر میسازد. با استفاده از روانکننده کندگیر میتوان با اصلاح زمان گیرش حرارتزایی بتن را در سنین اولیه کاهش داد.
برای تولید بتنهایی با مقاومت زیاد ( بیشتر از PSI 6000 یا MPa 41 ) میتوان از فوق روانکننده و یا فراروانکننده با خاصیت کندگیری در مقادیر زیادتر استفاده نمود که هم باعث کاهش بیشتر آب میگردد و هم تاخیری که درگیرش بتن بوجود میآید، موجب آرامش در روند کسب مقاومت اولیه میشود، بتنهایی که به آرامیکسب مقاومت اولیه میکنند عموماً دارای مقاومتهای دراز مدت بیشتری هستند. استفاده از روانکننده کندگیر در مقادیر زیاد ممکن است گیرش بتن را دچار مشکل نماید بتنهای حاوی افزودنی زودگیر کننده، سریعتر به مقاومتهای اولیه دست پیدا میکنند ولی مقاومتهای دراز مدت آنها از رشد کمتری برخوردار است.
در طراحی بتنهای توانمند استفاده از فوقروانکنندهها و فرا روانکنندهها پیشنهاد میگردد که میتوان آنها را در مقادیر زیادتر و بدون تاثیرات جانبی نامطلوب مصرف نمود ولی بدلیل افت سریع کارآیی در این گونه بتنها همواره توصیه میشود که این افزودنیها در محل مصرف به بتن اضافه گردند.
آیین نامههای معتبر و استانداردهای ساختمانی ایران، مشخصات افزودنیهای کاهنده آب و روش ارزیابی آنها در شرایط استاندارد و کنترل شده از قبیل دما، مقدار سیمان، کارآیی، مقدار هوای موجود و سنگدانههای دانهبندی شده را تعیین نمودهاند. این آیین نامهها همچنین حداقل تغییراتی که این افزودنیها در کاهش مقدار آب، کسب مقاومت، محدوده زمان گیرش، جمع شدگی، و پایداری در برابر یخ زدگی و ذوب به وجود میآورند را معین میکنند ولی اکثر کاهندههای آب قادرند بهتر از حداقلهای خواسته شده در آییننامـهها کیفیت بتن را بهبود بخشند. به عنوان مثال برخی از روانکنندهها توانایی کاهش آب بتن به میزان بیش از 12 درصد را دارند و فوقروانکنندهها و فراروانکنندهها در برخی موارد تا بیش از 30 درصد آب مصرفی را کم میکنند.
2-13 - کنترل کیفیت
یکنواختی و ثابت بودن یک افزودنی در مراحل مختلف پروژه و ارسالهای متعدد به کارگاه بایستی کنترل شده و برابری آن با آزمایشهای اولیه به اثبات برسد. آزمونهای لازم برای شناسایی و تایید افزودنیها شامل: تعیین درصد جامد، غلظت ظاهری، طیف سنجی برای مواد آلی، مقدار کلراید، درجه قلیایی ( pH )، و برخی موارد دیگر میباشند. آیین نامههای معتبر بینالمللی و استانداردهای ساختمانی ایران راهنماییهای لازم برای تعیین یکنواختی افزودنیهای شیمیایی را به تفصیل بیان نمودهاند. اگرچه با کنترل رنگ، بو، شکل ظاهری و اندازهگیری غلظت و مقدار pH میتوان یکنواختی محمولههای مختلف افزودنیهای وارده به کارگاه را تایید یا رد کرد.
2-14 - مراجع
1- فامیلی هرمز، "خواص بتن"، مترجم، 1378.
2- Rixom, R. and Mailvaganam, N. "CHEMICAL ADMIXTUIRES FOR CONCRETE", 3rd Ed., 1999, E & EN SPON.
3- " Guideline for Self-Compacting concrete", Japan Society of Civil Engineer 1998.
4 – ایراجیان محمود، "کاربرد مواد افزودنی در پروژههای سدسازی"، چهارمین کنفرانس بینالمللی سدسازی، ایران، تهران، 1380.
5 – یاوری عیسی، "فرهنگ شیمی"، انتشارات فاطمی، 1375.
6- ACI 212.3R – 04, "Chemical Admixtures for Concrete", MCP-ACI 2006.
7- REILIM, "Application of Admixtures in Concrete", 1995.
8- Ramezanianpour, A.A., Sivasundaram, V., and Malhotra, V.M., "Superplasticizers: Their Effect on the strength Properties of Concrete"; ACI Concrete International, Vol. 17, No. 4, 1995.
9- Ramachandran V.S., Malhotra V.M., Jolicoeur C., and Spiratos N., "SUPERPLASTICIZERS; Properties and applications in concrete", CANMENT, 1998.
10- Hewlett, "Lea's Chemistry of Cement and Concrete", 4th Ed., 1998, Arnold.
11- Kosmatka S. H., Kerkhoff B., and Panarese W.C., "Design and Control of Concrete Mixtures", 14th ed., PCA – 2002.
- ۰ نظر
- ۱۹ مهر ۹۴ ، ۰۹:۰۶