آشنایی با انواع افزودنی‌های کاهنده آب/فوق روان کننده بتن (1398/12/13)

آشنایی با انواع افزودنی‌های کاهنده آب/فوق روان کننده بتن

آشنایی با انواع افزودنی‌های کاهنده آب/فوق روان کننده بتن

بتن ترکیبی است از سنگدانه، سیمان، آب و اندکی شعور. «زنده یاد دکتر مهدی قالیبافان»

این جمله را حتما بارها شنیده‌اید. آری بتن ترکیبی از مصالح بسیار متداول و نسبتا ارزان قیمت است، که در صورت داشتن شناخت و درک مناسب از آن به عضوی بسیار مقاوم و سخت تبدیل می‌گردد. امروزه با افزایش دانش تکنولوژی بتن و به منظور دستیابی به بتنی با ویژگی‌های خاص (افزایش مقاومت، کارایی، دوام و ...)، استفاده از افزودنی‌های بتن بسیار متدوال شده است. به شکلی که یک جزء ثابت و جدا نشدنی در طرح‌های اختلاط محسوب می‌شود و افزایش استفاده روز افزون از آن موید این مطلب است. گزارش سال 1396وزارت صمت، آمار ظرفیت سالانه تولید واحدهای فعال تولید کننده افزودنی‌های بتن را بالغ بر 376 هزار تن ارائه می‌کند که نشان از استفاده بالای افزودنی‌های بتن در تولید بتن در کشور دارد.

افزودنی شیمیایی به هر نوع ترکیب شیمیایی که جهت بهبود خواص بتن تازه یا سخت شده به ترکیب بتن اضافه ‌می‌گردد، اطلاق می‌شود. همچنین طبق تعریف آیین‌نامه ACI 116R (ویرایش 2000) مواد افزودنی به موادی گفته می‌شود که علاوه بر آب، سنگدانه، سیمان هیدرولیکی و الیاف، به عنوان جزئی از بتن یا ملات، حین یا قبل از اختلاط به آن اضافه می‌شود. از انواع متداول افزودنی‌های بتن، می‌توان به افزودنی‌های روان کننده‌‌ی بتن (کاهنده‌های آب)، فوق روان کننده‌‌ی بتن (فوق کاهنده آب)، افزودنی‌های تنظیم گیرش بتن (زودگیر کننده و دیرگیر کننده بتن)، حباب هواساز (هوازا یا حباب زا) و آب بند کننده اشاره کرد. در این بین روان کننده (Plasticizer) و فوق روان کننده (Super Plasticizer) از پر مصرف‌ترین افزودنی‌های بتن هستند، به طوری که بیش از 80 درصد کل مصرف افزودنی‌های بتن را شامل ‌می‌شوند. به عنوان مثال از کل فروش سال 2007 افزودنی‌های بتن در قاره اروپا، 81 درصد آن مربوط به افزودنی‌های روان کننده و فوق روان کننده بتن بوده است.

تمرکز اصلی این مطالعه بر روی بررسی انواع افزودنی‌های فوق روان‌کننده بتن (Super Plasticizer) یا فوق کاهنده‌ی آب (High Range Water Reducer) می‌باشد. برای این منظور ابتدا تعاریف، اهداف و انواع افزودنی‌های کاهنده و فوق کاهنده آب ارائه می‌شود و در بخش بعد به مکانیزم رفتاری آن‌ها اشاره خواهد شد.

 

انواع افزودنی‌های کاهنده‌ و فوق کاهنده آب

افزودنی کاهنده آب، همان‌طور که از نام آن پیداست، جهت کاهش مقدار آب مخلوط بتن در روانی برابر استفاده می‌شود. این کاهش در مقدار آب، افزایش مقاومت و دوام بتن را در پی خواهد داشت. با این حال، افزودنی‌‎های کاهنده آب به منظور افزایش کارایی بتن نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این حالت، مقدار آب (یا نسبت آب به سیمان) ثابت نگه داشته می‌شود و افزودنی اضافه شده منجر به بهبود کارایی بتن می‌گردد و تاثیر خاصی بر مقاومت فشاری (به خصوص مقاومت‌های بلند مدت) نخواهد داشت. هدف دیگر افزودنی‌های کاهنده آب، کاهش مقدار سیمان مخلوط بتن می‌باشد. در این حالت مقدار آب نیز به نسبت کاهش یافته و تاثیری در مقاومت و روانی بتن ایجاد نمی‌نماید.

افزودنی‌های کاهنده آب به صورت کلی در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند: میان رده (یا نرمال) و رده بالا. افزودنی‌های کاهنده آب میان رده تحت عنوان روان‌کننده و رده بالا با عنوان فوق روان‌کننده نیز شناخته می‌شوند. روان ‌کننده‌ها قابلیت کاهش مقادیر آب بین 5 تا 10 درصد را دارند این در حالی است که با استفاده از فوق روان‌کننده‌ها می‌توان بین 15 تا 40 درصد مقدار آب را کاهش داد.

نمک‌های سدیم و کلسیم لیگنوسولفونات، اسیدهای کربوکسیلیک (سیتریک و گلوکنیک اسید) و کربوهیدرات‌ها (عصاره ذرت و دکسترین) نمونه‌هایی از افزودنی‌های کاهنده‌ی آب میان رده (نرمال) محسوب می‌شوند. همچنین در جدول 1 به انواع فوق روان‌کننده ها بتن اشاره شده است. تمام فوق روان‌کننده‌ها پلیمرهای محلول در آب هستند. رفتار فوق روان‌کننده‌ها در واقع تابعی از ساختار و درجه پلیمریزاسیون آن‌هاست.

لیگنوسولفونات‌ها بعنوان نسل اول فوق‌روان‌کننده‌ها به شمار می‌روند. این در حالی است که نفتالین فرمالدهیدها نسل دوم و پلی‌کربوکسیلات‌ها و پلی‌اکریلات‌ها نیز نسل سوم و جدیدترین نسل افزودنی‌های فوق کاهنده آب را تشکیل می‌دهند. امروزه فوق‌روان کننده‌های سولفونات فرمالدهید و پلی‌کربوکسیلات استفاده‌ی گسترده‌تری دارند.

از نقطه نظر هزینه و برای یک درصد ثابت از مواد جامد موثر، افزودنی‌های پلی‌کربوکسیلیک اتر و سولفونات ملامین فرمالدهید تقریبا برابر هستند، ولی سولفونات نفتالین فرمالدهید هزینه‌ای معادل نصف دارند. هزینه لیگنوسولفونات‌ها نیز در قیاس با پلی‌کربوکسیلیک‌اتر حدودا معادل 1 به 3 بوده و ارزان‌ترین نوع فوق روان‌کننده هستند. از جنبه اثرگذاری جهت حصول یک روانی معین برای بتن، مقدار مصرف پلی‌کربوکسیلات‌ها بسیار کمتر از سولفونات نفتالین فرمالدهید و لیگنوسولفونات است. بنابراین از جنبه استفاده، انتخاب هر یک از این فوق روان‌کننده‌ها نیازمند بررسی هر دو فاکتور قیمت و میزان مصرف است. البته استفاده از افزودنی‌های بر پایه سولفونات ملامین فرمالدهید، به دلیل قیمت بالاتر و اثر گذاری متوسط چندان مرسوم نیست.

افزودنی بتن

جدول 1- انواع افزودنی‌های فوق روان کننده [Rixom and Maivaganam, 2003]

ویژگی‌های افزودنی‌های شیمیایی مختلف

لیگنوسولفونات‌ها با دز مصرف بالا قادر به کاهش قابل توجه در مقدار آب مخلوط هستند. به عبارت دیگر لیگنوسولفونات‌ها را وقتی می‌توان در دسته‌ی فوق روان‌کننده‌ها (کاهش مقدار آب بیش از 15 درصد) قرار داد که دز مصرف بالایی را استفاده نمود. اما مشکل اساسی که در استفاده از لیگنوسولفونات‌ها به عنوان فوق روان‌کننده به وجود می‌آید، دیرگیری و حباب‌زایی بالا در بتن است. با این حال استفاده از لیگنوسولفونات‌های اصلاح شده، بعنوان فوق روان کننده، منجر به نتایج با ثبات‌تری می‌گردد.

استفاده از سولفونات ملامین فرمالدهید برای دستیابی به روانی اولیه بالا بسیار مناسب است. با این وجود، به دلیل ضعف بالا در خاصیت حفظ اسلامپ، استفاده از این نوع فوق روان‌کننده برای مواردی که زمان حمل بالاست قابل توصیه نیست (به ویژه در کارخانه‌های تولید بتن آماده). به عبارت دیگر استفاده از این نوع افزودنی برای سایت‌های تولیدی پیش ساخته بسیار مناسب‌تر است چرا که فاصله حمل بسیار کوتاه است. همچنین این نوع افزودنی‌ها برای استفاده در شرایط آب و هوایی سرد نیز مناسب هستند.

افزودنی‌های سولفونات نفتالین فرمالدهید، از خاصیت حفظ اسلامپ مطلوب‌تری نسبت به سولفونات ملامین فرمالدهید برخوردار هستند. به طور کلی، این نوع افزودنی‌ها به دلیل خاصیت حفظ اسلامپ متوسطی که دارند برای کارخانه‌های تولید بتن آماده (به ویژه در فواصل حمل متوسط) قابل توصیه هستند. خاصیت حفظ اسلامپ را می‌توان با ترکیب افزودنی‌های سولفونات نفتالین فرمالدهید و لیگنوسولفونات بهبود بخشید ولی این امر برای افزودنی‌های سولفونات ملامین فرمالدهید امکان‌پذیر نیست.

کوپلمیرهای پلی‌کربوکسیلات و آکریلیک، موثرترین نوع افزودنی‌های فوق روان‌کننده‌ هستند. با استفاده از این نوع افزودنی‌ها می‌توان مقدار آب مخلوط را تا 40 درصد کاهش داد. بنابراین جهت ساختن بتن‌های با مقاومت بالا و خیلی بالا (که مقدار آب به سیمان درحدود 3/0 یا کمتر است) استفاده از آن‌ها بسیار ارجح‌تر است. معمولا این افزودنی‌ها از خاصیت حفظ اسلامپ بسیار خوبی نیز برخوردار هستند و تاخیری در روند رشد مقاومت بتن ایجاد نمی‌کنند. همان‌طور که قبلا نیز اشاره شد، قیمت این افزودنی‌ها بالاست ولی به واسطه دز مصرف پایین (در بتنی با کارایی برابر)، هزینه کلی بتن نسبت به استفاده از سایر افزودنی‌ها، بهینه‌تر است. همچنین در مورد بتن‌های خاص مانند بتن های خودتراکم، استفاده از پلی کربوکسیلات‌ها هزینه را بصورت قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. اما ذکر این نکته ضروری است که ساختن یک بتن خودتراکم با کیفیت بالا بدون استفاده از نسل‌های جدید فوق روان‌کننده تقریبا امکان‌پذیر نیست.

مکانیزم عمل افزودنی‌های کاهنده آب

افزودنی‌های شیمیایی کاهنده آب در واقع بصورت یک گروه‌های شیمیایی تحت عنوان پراکنده‌ساز (Dispersant) عمل می‌کنند که مانع کلوخه‌ شدن (Flocculation) ذرات سیمان می‌شوند. دیسپرسنت‌ها اساسا موادی با سطح فعال بوده و شامل مولکول‌های ارگانیک با شاخه‌های اصلی بلند هستند که دارای یک گروه آب دوست قطبی (مانند –COO- ، –SO3- ، –NH4-) بوده و به وسیله گروه‌های قطبی (–OH) به شاخه‌های ارگانیک آب‌گریز غیر قطبی متصل هستند (شکل 1). گروه‌های قطبی جذب سطوح ذرات سیمان شده و انتهای آب‌گریز به سمت خارج از ذرات قرار می‌گیرد. سر آب دوست پلیمر، تنش سطحی آب را کاهش داده و پلیمر جذب شده، ذرات سیمان را بواسطه دافعه الکترواستاتیکی از هم دور می‌کند. جذب افزودنی باعث افزایش پتانسیل زتا (اختلاف پتانسیل بین ذرات سیمان و سطح لغزش آن در سیستم) شده و نهایتا باعث ایجاد بار منفی بر روی ذرات سیمان می‌گردد. با رشد واکنش هیدارسیون سیمان، بار الکترواستاتیکی کاهش یافته و کلوخه‌ای شدن مواد هیدراته شده آغاز می‌گردد.

افزودنی بتن

شکل 1- ساختار مولکول دیسپرسنت

 

فوق روان‌کننده‌های بر پایه لیگنوسولفونات‌ها (نرمال و تصفیه شده)، سولفونات ملامین فرمالدهید و سولفونات نفتالن فرمالدهید، عمدتا بر اساس مکانیزم کاهش افزایش پتانسیل زتا که منجر به ایجاد دافعه الکترواستاتیکی می‌شود، عمل می‌کنند. این در حالی است که پلیمرهای دارای زنجیره اصلی و فرعی (Backbone and Graft Chains)، مانند پلی‌کربوکسیلات‌ها، آکریلیک استرها و... عمدتا به واسطه ممانعت فضایی (Steric Hindrance) منجر به پراکندگی ذرات سیمان می‌شوند. ممانعت فضایی مکانیزم بسیار موثرتری نسبت به دافعه الکترو استاتیکی است. در این پدیده در واقع زنجیره‌های جانبی بزرگ باعث جداسازی مولکول‌ها می‌گردد. شکل 2 مکانیزم ممانت فضایی را نشان می‌دهد.


افزودنی بتن

شکل 2- مکانیزم ممانعت فضایی بین ذرات سیمان

 

دافعه الکترواستاتیکی به ترکیب فاز محلول و میزان جذب فوق روان کننده بستگی دارد. در واقع جذب بیشتر منجر به دافعه بهتر خواهد شد. پارامترهای تاثیرگذار در دافعه فضایی نیز طول رنجیره اصلی و طول و تعداد زنجیره‌های جانبی است.

جهت حفظ اسلامپ بالاتر در افزودنی‌های پلی کربوکسیلاتی، این پلیمرها باید دارای زنجیره اصلی کوتاه‌تر و زنجیره‌های جانبی بلند با تعداد بیشتر باشند. این نوع افزودنی‌ها به دلیل مکانیزم دافعه فضایی که ایجاد می‌کنند از افزودنی‌های پایه سولفونات تاثیرگذاری بیشتری دارند و به طور کلی در مقادیر آب به سیمان پایین‌تر مشکلات کم‌تری رخ می‌دهد.

سایر مکانیزم‌هایی که منجر به پراکندگی ذرات سیمان و در نتیجه افزایش روانی مخلوط بتن می‌گردد عبارت است از کاهش تنش سطحی آب مخلوط و ایجاد خواص لوبریکانت به واسطه وزن مولکولی پایین پلیمرها و قرارگیری آن‌ها بین ذرات مخلوط است.