مواد افزودنی روان و فوق روان کننده و کاربرد آنها

چکیده

بتن یکی از مهمترین و رایج ترین مصالح ساختمانی است که تولید و مصرف آن به گونۀ فزآینده اي گسترش می یابد. در مواد تشکیل دهنده بتن تحولات شگرفی حاصل شده است. استفاده از افزودنی هاي مختلف به عنوان مادة چهارم بتن، گسترش وسیعی یافته و در پاره اي از کشورها دیگر بتنی بدون استفاده از یک افزودنی در آن ساخته نمی شود. در این مقاله افزودنی هاي روان کننده و فوق روان کننده، نحوه تأثیر، اثرات جانبی و کاربردهاي آنها مورد بحث قرار می گیرند. همچنین با توجه به نیاز روز افزون به بتن هاي خاص که بتوانند عملکرد قابل قبول و مناسبی در شرایط ویژه داشته باشند، سعی شده است تا در این مقاله به بتن با مقاومت زیاد و با عملکرد خوب و بتن هاي خیلی روان که تحولی در اجرا پدید آورده اند، و کاربرد مواد افزودنی فوق روان کننده ها در تولید آنها اشاره شود.

1- مقدمه

مواد افزودنی را به منظور افزایش کیفیت مطلوب بتن، کاهش نارسایی و یا تغییر بعضی از مشخصه هاي بتن به آن اضافه می نمایند. از مهمترین این افزودنی ها مواد روان کننده و فوق روان کننده هستند. عملکرد اصلی مواد افزودنی روان کننده، افزایش کارایی بتن یا ملات و یا به نوعی دیگر، کاهش آب لازم براي اختلاط بتن و یا ملات و لذا افزایش مقاومت بتن است. همچنین استفاده از این مواد باعث صرفه جویی مصرف سیمان در بتن و باعث سادگی عمل تراکم بتن می گردد و مانع آب انداختن بتن می شود. فوق روان کننده ها در مقایسه با روان کننده ها داراي اثر قوي تري هستند. این مواد ضمن حفظ انسجام بتن و بدون کاهش مقاومت آن باعث افزایش کارایی بتن یا ملات می شوند. علاوه بر این، این مواد قادرند آب مورد نیاز بتن را به میزان 25 تا 35 در صد کاهش داده لذا باعث افزایش بسیار زیاد مقاومت می شوند. توسعۀ آیندة تولید بتن، وابسته به افزودنی ها مخصوصاً فوق روان کننده ها است. بتن با مقاومت بالا می تواند با استفاده از افزودنی فوق روان کننده و افزایش دوده سیلیس به دست آید. در ساختمان بزرگراهها براي کسب مقاومت اولیۀ بالا از فوق روان کننده استفاده می شود.

2- مواد افزودنی کاهنده آب (روان کننده)

مادة افزودنی کاهندة آب (روان کننده) ماده اي است که یا بدون تغییر روانی ، مقدار آب مخلوط بتن را کاهش می دهد، یا بدون تغییر مقدار آب، روانی بتن را افزایش میدهد ، و یا هم موجب کاهش آب و هم افزایش روانی بتن می شود. افزودنی هاي کاهندة آب ترکیبات مختلفی از مواد ارگانیک را در بر می گیرند که از متداولترین آنها می توان لیگنو سولفو ناتهاي کلسیم، سدیم و یا آمونیم را نام برد. مواد ژنریک و اصلی افزودنیهاي کاهندة آب ضمن عملکرد هاي اصلی، معمولاً اثرات جانبی دیگري نظیر تسریع یا تأخیر در گیرش و یا ایجاد حباب هوا در بتن دارند که در صورت لزوم براي حذف این اثرات نا خواسته ، آنها را با دیگر محصولات شیمیایی ترکیب و سپس بکار می گیرند.

2-1 – مزایای استفاده از مواد افزودنی کاهش دهنده آب

استفاده از مواد افزودنی کاهش دهندة آب ممکن است از چند جهت مفید واقع گردد :

در مخلوط هاي بتن با کار آیی زیاد با کم کردن میزان آب ، باعث چسبندگی بیشتر و کاهش در جدا شدگی دانه ها و نیز افزایش انسجام و تراکم بتن می گردد ، ضمن آنکه کارآیی را در حد ثابت نگاه می دارد. معمولاً جدا شدگی دانه ها در مخلوط هایی ایجاد می گردد که داراي مصالح سنگی گرد گوشه بوده و یا از ماسه اي استفاده شود که درصد ذرات ریز آن کم باشد.
با کاهش مقدار آب در مخلوط بتن، ضمن حفظ کارآیی باعث کاهش آب انداختن می شود.
موجب کاهش مقدار آب می گردد، در نتیجه مقاومت بتن افزایش می یابد، بدون آنکه در کارآیی بتن تغییري حاصل شود.
باعث کاهش مقدار سیمان می شود در حالی که همان نسبت آب به سیمان و در نتیجه همان مقاومت حفظ می گردد، این عمل با کاهش مقدار آب اما با نگاه داشتن کارآیی ثابت امکانپذیر می شود.
افزودنی هاي روان کننده با ایجاد پراکندگی سیمان در مخلوط بتن، ضمن ایجاد سطوح بیشتر در تماس با آب، باعث هیدراتاسیون بهتر سیمان می شوند و به این دلیل در دراز مدت مقاومت این بتن از بتنی که با همین نسبت آب به سیمان و بدون افزودنی ساخته می شود ، بیشتر خواهد بود. تاثیر کوتاه مدت این نوع افزودنی بر روي مقاومت، بیشتر روي سیمان هایی است که C₃A یا مواد قلیائی آنها کم است. اگر روان کننده ها بطور صحیح استفاده شوند، دوام بتن بیشتر خواهد شد و در دراز مدتهیچ اثر مشخصدیگري روي خواصبتن ایجاد نخواهد شد.
در نسبت آب به سیمان ثابت کارآیی مخلوط ها با مقاومت بالا و با مقدار سیمان زیاد را افزایشمی دهند ، در غیر این صورت این مخلوط ها زیاد سفت بوده و امکان جا دادن آنها در قالب با نسبت آب به سیمان لازم وجود نخواهد داشت. لازم به ذکر است که کاهنده هاي آب ، افت کارآیی بتن تازه را با گذشت زمان اصلاح نمی کنند ولی به مقدار کمی آن را به تأخیر می اندازند.
علی القاعده می توان نتیجه گرفت که افزودنی هاي کاهنده آب قابلیت نفوذ ناپذیري بتن را در برابر آب و محلولهاي شیمیایی به مقدار زیادي افزایش می دهند و این عملکرد موجب می شود که دوام بتن در مقابل یخ زدن- آب شدن، نفوذ آب، اکسیژن و دي اکسید کربن یا CO₂ و دیگر عوامل زیان بخش شرایط جوي- اقلیمی افزایش یابد.

2-2- نحوه تأثیر مواد افزودنی روان کننده

اجزاء اصلی و فعال افزودنی هاي روان کننده ، عواملی با سطح فعال هستند که نیروهاي فیزیوشیمیایی را در مخلوط بتن تغییر می دهند . یون هاي فعال سطحی توسط ذرات سیمان جذب می شوند که این باعث پیدایش بار منفی در ذرات سیمان و ایجاد نیروي دافعه بین آنها می شود. در نتیجه پراکندگی سیمان در مخلوط تثبیت می شود . حباب هاي هوا هم حرکت داده می شوند و نمی توانند به دانه هاي سیمان متصل شوند. بار منفی همچنین باعث ایجاد یک پوشش از مولکول هاي آب دراطراف هر ذره اي شده و آنها را از هم جدا می کند. از این رو سهولت بیشتري براي حرکت ذرات وجود دارد و آب آزاد شده در اثر جلوگیري از توده اي شدن سیمان باعث روانی مخلوط شده و کارآیی آن را افزایش می دهد.

2-3- اثرات جانبی مواد روان کننده

به دلیل پراکنده شدن ذرات سیمان و دسترسی کامل تر مولکول هاي آب به آنها هیدراسیون با کیفیت بهتري صورت گرفته و باعث افزایش مقاومت بتن در دراز مدت می گردد. همچنین به دلیل افزایش روانی بتن ممکن است پدیده جدایی دانه ها و آب انداختن بتن پیش آید.

2-4- میزان مصرف مواد روان کننده

مواد افزودنی روان کننده و فوق روان کننده را به میزان کم، در هنگام ساختن بتن به آب بتن می زنند. مقدار مورد نیاز مواد افزودنی کاهش دهندة آب کم بوده بین 0/1 تا 0/25 لیتر برای هر 50 کیلو سیمان است و براي افزودن آنها به مخلوط بتن از مخزن پخش کن استفاده گردد. مقدار حقیقی این مواد به نسبت هاي مخلوط و دانه بندي مصالح سنگی بستگی دارد، و براي به دست آوردن مقدار بهینه ، ساخت مخلوط هاي آزمایشی ضروري است. استفاده از این مواد به مقدار بیش از حد لزوم باعث تأخیر در گیرش بتن می شود و در مواردي نیز مشاهده شده که گیرش بتن تا 3 روز به تأخیر افتاده است، در موارد مذکور مقدار مصرف اشتباهاً بیش از ده برابر مقدار معمولی بوده است. مصرف بیش از حد این مواد لزوماً کارآیی را افزایش نمی دهد و بنابراین ممکن است بتن تازه مورد توجه قرار نگیرد.

3- مواد افزودنی فوق روان کننده

ماده اي که یا بدون تغییر روانی ، مقدار آب مخلوط بتن را به میزان زیادي کاهش میدهد، یا بدون تغییر مقدار آب، روانی بتن را به میزان زیادي افزایش می دهد و یا موجب کاهش زیاد آب و افزایش زیاد روانی بتن به طور همزمان می شود، فوق روان کننده یا کاهنده ی آب تري نامیده می شوند. این مواد یکی از جدید ترین و مؤثرترین انواع تقلیل دهنده هاي آب می باشند که در آمریکا بعنوان روان کننده هاي قوي نامگذاري شده اند.

روان کننده هاي قوي ملامین فرمالد ئید سولفاته شده ی تغلیظ شده یا نفتالین فرمالدئید سولفاته شدة تغلیظ شده می باشند، که در پراکنده ساختن سیمان مؤثر بوده و تا حدودي خاصیت کند گیر کنندگی دارند، اساسا استفاده از اسید هاي سولفاته شده باعث تسریع عمل پراکنش می شود. چون در سطح ذرات سیمان جذب شده و به آنها بار منفی می دهند و این باعث دفع ذرات از یکدیگر می شود. این فرآیند کارآیی را در یک نسبت آب به سیمان مشخص افزایش می دهد. به عنوان مثال می تواند اسلامپ 75 میلیمتر را تا 200 میلیمتر بالا ببرد.

می تواند اسلامپ 75 میلیمتر را تا 200 میلیمتر بالا ببرد.
اثر مواد به نحوي است که در درجه حرارت هاي بالا تر بهبود در کارآیی کمتر خواهد بود. بتن حاصل را می توان با
تراکم کم و یا بدون نیاز به تراکم در جا ریخت و در صورتی که دانه هاي درشت بتن طویل ، تختو یا خیلی شکسته نباشند و ریز دانه ها از 4 تا 5 درصد بیشتر باشند، چسبندگی بتن حفظ خواهد شد و جدایی یا آب انداختگی در آن ایجاد نخواهد شد. لازم به یاد آوري است که در هنگام طراحی قالبها باید در نظر داشت که بتن سیال می تواند فشار هیدرواستاتیکی کامل را به قالبها وارد آورد.
در دراز مدت خواص بتن به طور محسوسی تحت تأثیر این نوع افزودنی قرار نمی گیرد.نتایج آزمایشهاي دراز مدت تا 13 سال که در دسترس می باشند نشان داده اند که این مواد اثر نامساعدي بر مقاومت دراز مدت بتن ندارند. اثر روان کنندگی زیاد این مواد براي مدت کوتاهی خواهد بود ( شاید ده دقیقه) و پس از حدود 30 تا 90 دقیقه کارآیی به حد معمولی خود باز می گردد. بدین دلیل لازم است که فوق روان کننده ها را درست قبل از درجا ریختن بتن به مخلوط اضافه نمود.

مصرف این نوع افزودنی معمولاً بیشتر از مصرف متداول براي روان کننده هاي عادي می باشد و از اثرات جنبی نا مطلوب آن هم بطور چشمگیري کاسته شده است. به عنوان مثال فوق روان کننده ها چون نمی توانند کشش سطحی آب را بطور محسوسی پائین بیاورند، در نتیجه مقدار قابل توجهی هوا وارد بتن نمی کنند. در عمل معمولاً روان کننده هاي قوي در ضمن مخلوط کردن به بتن اضافه می شوند و پس از اضافه کردن آنها مدت زمان کوتاهی به مخلوط کردن بتن ادامه می دهیم. در مورد بتن هاي آماده دو دقیقه بهم زدن پس از اضافه کردن روان کنندة قوي ضروري است.

بجز در مواردی که سیمان هاي با یکمقدار خیلی کم C₃A بکار برده میشوند و مصرف این مواد باعث کندگیر کنندگی قابل ملاحظه اي میگردد بطور کلی مصرف این مواد تأ ثیر قابل ملاحظه اي بر گیرش بتن ندارد . فوق روان کننده ها تاثیري بر جمع شدگی ، خزش، مدول الاستیسیته و یا مقاومت بتن در برابر یخ زدن و آب شدن ندارند.
نظر با اینکه نفوذ نا پذیري نقش تعیین کننده اي در دوام بتن داشته و این خاصیت نیز به نسبت آب به سیمان بستگی دارد، لذا فوق روان کننده ها باید در این مورد نقش مثبت و مؤثری داشته باشند. در واقع نفوذ نا پذیري وقتی که آب اختلاط کاهش یابد، افزایش یافته و از طرف دیگر بتن روان و سیال داراي افزودنی و بتن بدون افزودنی با نسبت آب به سیمان ثابت، نفوذ نا پذیري مشابهی دارند. اما مصرف این مواد بر دوام بتنی که در معرض سولفاتها قرار می گیرد تأثیر ندارد. کار برد آنها با مواد افزودنی هوا ساز نیاز به احتیاط دارد زیرا در بعضی مواقع این مواد مقدار واقعی هوا ایجاد شده را کاهش می دهند. فوق روان کننده هاي اصلاح شده مخصوصی توسعه یافته اند که بنظر می رسد با مواد هواساز معمولی، بتن با حباب هواي رضایت بخشی می سازند. تنها عیب واقعی فوق روان کننده ها هزینه نسبتاً زیاد آنها می باشد که این امر بدلیل هزینه تولید زیاد این مواد که وزن مولکولی زیادي دارند است هزینه ی آن را می توان در محاسبات بهای بتن در نظر گرفت.

فوق روان کننده ها در تولید بتن هاي روان در مواقعی که محل بتن ریزي غیر قابل دسترس است و براي بتن ریزي در مقاطعی که تراکم آرماتور در آنها زیاد باشد ، دال کفها و یا جاده ها و نیز براي مواردي که نیاز به سرعت خیلی زیاد در بتن ریزي باشد ، کاربرد دارد. مورد مصرف دیگر فوق روان کننده ها در تولید بتن هاي با مقاومت خیلی بالا است که با کارآیی معمولی و نسبت آب به سیمان بسیار پایین به دست می آیند. نسبت هاي آب به سیمان تا حد پایین 0/25 بکار برده شده اند و مقاومت های 28 روزه در حدود 100Mp_a بدست آمده اند.

به طور کلی فوق روان کننده ها میتوانند براي حصول یک کارآیی معین میزان آب بتن را بین 25 تا 35 درصد کاهش دهند( در مورد روان کننده هاي معمولی نصف این مقدار حاصل میشود) و مقاومت 24 ساعته بتن بین 50 تا 75 درصد افزایش می یابد و در عمرهاي کوتاه تر حتی این افزایش بیشتر خواهد بود.

4- بتن هاي با مقاومت زیاد و عملکرد خوب

از آنجا که رسیدن به مقاومت بالا در بتن از اهداف دست اندرکاران کارهاي بتنی در دو دهۀ اخیر بوده است، ابتدا این نوع بتن با مقاومت بیش از 50Mp_aساخته شد. با پایین آوردن نسبت آب به سیمان تا حد 0/3 رسیدن به چنین مقاومتی بسیار آسان است. براي ساخت بتن هایی با مقاومت بیشتر و در حد 110-80 Mp_a و براي تقویت ناحیۀ فصل مشترك سنگدانه درشت و خمیر سیمان مواد سیلیسی فعال و غیر بلوری به نام دوده سیلیس به کار گرفته شد. همزمان سنگدانه هایی با مقاومت بیشتر و با دانه بندي مناسب تر و با کنترل حداکثر اندازه ی سنگدانه در این مخلوط ها به کار رفت. امروزه شاهد ساخت ساختمان های بسیار بلند با چنین بتن هاي هستیم که مشخصات و طرح اختلاط یکی از این بتن ها در جدول شماره ی 1 آورده شده است.

از آنجا که در کاربرد این بتن گاه مقادیر بالایی سیمان و بیش از 400 کیلوگرم (حتی تا 500 کیلوگرم) مصرف می شد، علاوه بر گرانی این بتن، ترک هایی نیز حین ساخت به دلیل جمع شدگی لاستیکی و ناشی از خشک شدن بیشتر این بتن ها و نیز ترك هاي حرارتی به وجود آمد. همچنین با افزایش این مقاومت تردي و شکنندگی بتن نیز افزایش یافت. چنین بتنی نمی توانست در شرایط محیطی سخت و محیط هاي خورنده به علت وجود تركهاي زیاد، دوام قابل قبولی داشته باشد.

به منظور افزایش دوام حین افزایش مقاومت ضمن کاربرد دوده سیلیسو کم کردن آب و مصرف فوق روان کننده، مقدار سیمان کاهش یافته و در عوض مواد پوزولانی همچون دوده سیلیس، خاکستر بادي، سرباره ی کوره های آهنگدازي، خاکستر پوسته ی برنج و بالاخره پوزولان هاي طبیعی به صورت مواد ریزدانه جایگزین آن گردید. امروزه شاهد ساخت بتن هایی با دوام که نفوذپذیری کمی دارند و در مقابل حملات شیمیایی کلرورها و سولفات ها و گاز کربنیکو بعضأ واکنش قلیایی پایدارتر می باشند، هستیم. براي مصرف این بتن در سازه هاي بلند و رفع نقیصه ی شکنندگی در پاره اي موارد از الیاف های کوتاه استفاده شده تا بدین وسیله نرمی این بتن ها افزایش یابد.

جدول 1 ، مشخصات بتن استفاده شده در ساختمان 68 طبقه تورنتو کانادا

5 – بتن ها با کارآیی بسیار زیاد

بتن هاي با کارآیی بسیار زیاد که چند سالی است از پیدایش آن در جهان و براي اولین بار در ژاپن نمی گذرد، تحول جدیدي در صنعت ساختو ساز بتنی ایجاد کرده است. این بتن که نیاز به لرزاندن نداشته و خود بخود متراکم می گردد، مشکل لرزاندن در قالب های با آرماتور انبوه و محل های مشکل براي ایجاد تراکم را حل نموده است. این بتن علی رغم کارآیی بسیار زیاد خطر جدایی سنگدانه ها و خمیر بتن را نداشته و ضمن ثابت بودن کارآیی و اسلامپ تا مدتی طولانی می تواند بتنی با مقاومت زیاد و دوام و پایایی مناسب ایجاد کند. در طرح اختلاط این بتن باید نسبت های خاصی را رعایت نمود. به عنوان مثال شن حدود 50 درصد حجم مواد جامد بتن را تشکیل داده و ماسه حدود 40 درصد حجم ملات انتخاب می شود. به عبارت دیگر براي تهیه ی این بتن ها باید نسبت اختلاط مجدداً تعیین شود. زیرا براي تهیه ی بتنی با انسجام و روانی مناسب، بدون اثر آب انداختگی و جداشدگی، لازم است که نسبت ریزدانه به درشت دانه کنترل شده و از کافی بودن مقدار ریزدانه اطمینان داشت و در صورت لزوم مقدار سیمان با مواد نرم دانه ی دیگر مثل پوزولان یا سرباره را افزایش داد.

نسبت آب به مواد ریز دانه و پودري بر اساسخواصمواد ریز بین 0/9 تا 1 می باشد. با روش آزمون و خطا نسبت دقیق آب به سیمان و مقدار ماده ی فوق روان کننده مخصوص براي مصالح مختلف تعیین می گردد. از این بتن با استفاده از افزودنی دیگري که گرانروی بتن را می افزاید در زیر آب استفاده شده است.

مواد افزودنی روان و فوق روان کننده و کاربرد آنها

مواد افزودنی روان و فوق روان کننده و کاربرد آنها