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 ای گسترش می یابد. در مواد تشکیل دهنده بتن تحولات شگرفی حاصل شده است. استفاده از افزودنی های مختلف به عنوان مادة چهارم بتن، گسترش وسیعی یافته و در پاره ای از کشورها دیگر بتنی بدون استفاده از یک افزودنی در آن ساخته نمی شود. در این مقاله افزودنی های روان کننده و فوق روان کننده، نحوه تأثیر، اثرات جانبی و کاربردهای آنها مورد بحث قرار می گیرند. همچنین با توجه به نیاز روز افزون به بتن های 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 های 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 های 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 برای 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 دارای اثر قوی تری 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 برای 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 ای 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 های کاهندة آب ترکیبات مختلفی از مواد ارگانیک را در بر می گیرند که از متداولترین آنها می توان لیگنو سولفو ناتهای کلسیم، سدیم و یا آمونیم را نام برد. مواد ژنریک و اصلی افزودنیهای کاهندة آب ضمن عملکرد های اصلی، معمولاً اثرات جانبی دیگری نظیر تسریع یا تأخیر در گیرش و یا ایجاد حباب هوا در بتن دارند که در صورت لزوم برای 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 های 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 دارای مصالح سنگی گرد گوشه بوده و یا از ماسه ای 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 تغییری 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 های 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 روی مقاومت، بیشتر روی 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 مشخصدیگری روی 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 های 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 های کاهنده آب قابلیت نفوذ ناپذیری بتن را در برابر آب و محلولهای شیمیایی به مقدار زیادی افزایش می دهند و این عملکرد موجب می شود که دوام بتن در مقابل یخ زدن- آب شدن، نفوذ آب، اکسیژن و دی اکسید کربن یا CO₂ و دیگر عوامل زیان بخش شرایط جوی- اقلیمی افزایش یابد.

2-2- نحوه تأثیر مواد افزودنی روان کننده

اجزاء اصلی و فعال افزودنی های روان کننده ، عواملی با سطح فعال هستند که نیروهای فیزیوشیمیایی را در مخلوط بتن تغییر می دهند . یون های فعال سطحی توسط ذرات سیمان جذب می شوند که این باعث پیدایش بار منفی در ذرات سیمان و ایجاد نیروی دافعه بین آنها می شود. در نتیجه پراکندگی سیمان در مخلوط تثبیت می شود . حباب های هوا هم حرکت داده می شوند و نمی توانند به دانه های سیمان متصل شوند. بار منفی همچنین باعث ایجاد یک پوشش از مولکول های آب دراطراف هر ذره ای شده و آنها را از هم جدا می کند. از این رو سهولت بیشتری برای حرکت ذرات وجود دارد و آب آزاد شده در اثر جلوگیری از توده ای 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 های آب به آنها هیدراسیون با کیفیت بهتری 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 برای افزودن آنها به مخلوط بتن از مخزن پخش کن استفاده گردد. مقدار حقیقی این مواد به نسبت های مخلوط و دانه بندی مصالح سنگی بستگی دارد، و برای به دست آوردن مقدار بهینه ، ساخت مخلوط های آزمایشی ضروری است. استفاده از این مواد به مقدار بیش از حد لزوم باعث تأخیر در گیرش بتن می شود و در مواردی 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 ای که یا بدون تغییر روانی ، مقدار آب مخلوط بتن را به میزان زیادی کاهش میدهد، یا بدون تغییر مقدار آب، روانی بتن را به میزان زیادی 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 تری نامیده می شوند. این مواد یکی از جدید ترین و مؤثرترین انواع تقلیل دهنده های آب می باشند که در آمریکا بعنوان روان کننده های قوی نامگذاری شده اند.

روان کننده های قوی 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 حدودی خاصیت کند گیر کنندگی دارند، اساسا استفاده از اسید های 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 نحوی است که در درجه حرارت های 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 های 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 آوری 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 آزمایشهای دراز مدت تا 13 سال که در دسترس می باشند نشان داده اند که این مواد اثر نامساعدی بر مقاومت دراز مدت بتن ندارند. اثر روان کنندگی زیاد این مواد برای 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 برای روان کننده های عادی می باشد و از اثرات جنبی نا مطلوب آن هم بطور چشمگیری 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 های قوی 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 های آماده دو دقیقه بهم زدن پس از اضافه کردن روان کنندة قوی ضروری است.

بجز در مواردی که سیمان های با یکمقدار خیلی کم C₃A بکار برده میشوند و مصرف این مواد باعث کندگیر کنندگی قابل ملاحظه ای میگردد بطور کلی مصرف این مواد تأ ثیر قابل ملاحظه ای بر گیرش بتن ندارد . فوق روان کننده ها تاثیری بر جمع شدگی ، خزش، مدول الاستیسیته و یا مقاومت بتن در برابر یخ زدن و آب شدن ندارند.
نظر با اینکه نفوذ نا پذیری نقش تعیین کننده ای 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 پذیری وقتی که آب اختلاط کاهش یابد، افزایش یافته و از طرف دیگر بتن روان و سیال دارای افزودنی و بتن بدون افزودنی با نسبت آب به سیمان ثابت، نفوذ نا پذیری 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 های اصلاح شده مخصوصی توسعه یافته اند که بنظر می رسد با مواد هواساز معمولی، بتن با حباب هوای 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 زیادی دارند است هزینه ی آن را می توان در محاسبات بهای بتن در نظر گرفت.

فوق روان کننده ها در تولید بتن های روان در مواقعی که محل بتن ریزی غیر قابل دسترس است و برای بتن ریزی در مقاطعی که تراکم آرماتور در آنها زیاد باشد ، دال کفها و یا جاده ها و نیز برای مواردی که نیاز به سرعت خیلی زیاد در بتن ریزی باشد ، کاربرد دارد. مورد مصرف دیگر فوق روان کننده ها در تولید بتن های با مقاومت خیلی بالا است که با کارآیی معمولی و نسبت آب به سیمان بسیار پایین به دست می آیند. نسبت های 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 برای حصول یک کارآیی معین میزان آب بتن را بین 25 تا 35 درصد کاهش دهند( در مورد روان کننده های معمولی نصف این مقدار حاصل میشود) و مقاومت 24 ساعته بتن بین 50 تا 75 درصد افزایش می یابد و در عمرهای کوتاه تر حتی این افزایش بیشتر خواهد بود.

4- بتن های با مقاومت زیاد و عملکرد خوب

از آنجا که رسیدن به مقاومت بالا در بتن از اهداف دست اندرکاران کارهای 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. برای ساخت بتن هایی با مقاومت بیشتر و در حد 110-80 Mp_a و برای تقویت ناحیۀ فصل مشترک 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 بندی 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 های 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 ترک های حرارتی به وجود آمد. همچنین با افزایش این مقاومت تردی و شکنندگی بتن نیز افزایش یافت. چنین بتنی نمی توانست در شرایط محیطی سخت و محیط های خورنده به علت وجود ترکهای 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 بادی، سرباره ی کوره های آهنگدازی، خاکستر پوسته ی برنج و بالاخره پوزولان های 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. برای مصرف این بتن در سازه های بلند و رفع نقیصه ی شکنندگی در پاره ای 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 های با کارآیی بسیار زیاد که چند سالی است از پیدایش آن در جهان و برای اولین بار در ژاپن نمی گذرد، تحول جدیدی 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 برای 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 برای تهیه ی این بتن ها باید نسبت اختلاط مجدداً تعیین شود. زیرا برای 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 پودری 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 برای مصالح مختلف تعیین می گردد. از این بتن با استفاده از افزودنی دیگری 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