بررسی نقش مواد افزونی فوق روان کننده در بتن با مقاومت بالا

نویسنده : کلینیک بتن ایران
تاریخ ثبت : 2017/12/27

خلاصه
با توجه به مطالعات اخیر، استفاده از مواد افزودنی در تولید بتن که اثرات مطلوب آن بر ویژگی های بتن ثابت شده، غیر قابل انکار می باشد. اگرچه استفاده از مواد افزودنی اجباری نیست ولی استفاده از آن در صرفه جویی زمان و بهبود ویژگی های بتن تازه و سخت شده اجتناب ناپذیر است. با توجه به گستردگی استفاده از مواد افزودنی در بتن، دانستن اثر این موارد بر روی خواص مختلف بتن بسیار حائز اهمیت می باشد. در این مقاله اثر فوق روان کننده  بر روی خواص مکانیکی کوتاه مدت بتن های با مقاومت بالا مورد بحث قرار می گیرد
در کارهای آزمایشگاهی انجام شده در این پژوهش نسبت های مختلف فوق روان کننده به مصالح سیمانی از 0 تا 3.5 درصد مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج آن ثبت شده نشان می دهد با افزایش نسبت فوق روان کننده مقاومت بتن کاهش می یابد و بهترین نسبت برای فوق روان کننده ها از 1.5 تا 2.5 درصد وزن سیمان می باشد.
کلمات کلیدی : بتن مقاومت بالا / فوق روان کننده / مقاومت فشاری / مواد افزودنی
1- مقدمه
امروزه پیشرفت شتابان و فزآیند تکنولوژی و دستیابی به نوآوری های روز افزون در زمینه مصالح ساختمانی، تولید بتن با مقاومت بالا را میسر ساخته  است و استفاده از این ماده بدلایل اقتصادی و فنی در ساخت مقاطع بتنی در حال افزایش است. در اکثر موارد به بتن بعنوان ماده ای مقاوم در برابر نیروهای فشاری نگریسته می شود. مقاومت فشاری به هیچ وجه تنها مشخصه اصلی بتن سخت شده نمی باشد، ولی عموماً مقاومت مهمترین عامل نشان دهنده کیفیت آن است این موضوع بدان علت است که میزان مقاومت مستقیماً به کیفیت خمیر سیمان سخت شده مربوط می شود، بعنوان مثال اگر چه مقاومت مستقیماً نشان دهنده میزان دوام بتن و یا  ایستادگی آن در برابر تغییر شکل نیست، اما شدیداً به نسبت آب به سیمان بستگی دارد، این نسبت نیز با کنترل میزان تخلخل بتن بر روی دوام و مقاومت در برابر تغییر شکل نیست، اما شدیداً به نسبت آب به سیمان بستگی دارد، این نسبت نیز با کنترل میزان تخلخل بتن بر روی داوم ومقاومت در برابر تغییر شکل آن تاثیر می گذارد [1]. انجام پروژه های وسیع تحقیقاتی بر روی مواد مختلف تشکیل دهنده بتن و آزمایش بتن های مختلف با مواد جدید در سال های آخر قرن اخیر منجر به پیدایش بتن هایی شده است که علاوه برتامین مقاومت خواص دیگری از این ماده نظیر دوما، کارایی، نرم و مقاومت در برابر عواملی چون آتش و محیط و هوازدگی را دستخوش تغییر اساسی نموده است. استفاده از مواد افزودنی در تولید بتن با  توجه به مطالعات اخیر که اثرات مطلوب آن بر ویژگی های بتن ثابت شده غیر قابل انکار می باشد. اگرچه استفاده از مواد افزودنی اجباری نیست ولی استفاده از این مواد در صرفه حویی زمان و بهبود ویژگی های بتن تازه و سفت شده اجتناب ناپذیر است. هدف از این تحقیق، بررسی و مقایسه مقاومت فشاری نمونه های بتنی  با مقاومت بالا، در صورت تغییر پارامترهای، درصد استفاده از افزودنی های فوق روان کننده و نسبت آب به موارد سیمانی می باشد.

2- بتن با مقاومت بالا و تاریخچه ی آن
از چند دهه گذشته استفاده از بتن با مقاومت بالا در حال گسترش امروزه براساس تکنولوژی رایج بتن، ساخت بتن های با مقاومت و دور از انتظار که می تواند برای طراحی سازه های اجرایی رایج مورد استفاده قرار گیرند، امکان پذیر می باشد. اگرچه اغلب آیین نامه های بتن هنوز مقاومت بتن مورد استفاده در سازه ها را به 60 مگاپاسگال محدود می کنند، اما آیین نامه های جدید اخیراً حدی بالاتر از 105 مگاپاسگال را نیز در نظر گرفته اند. ساخت بتن هایی با مقاومت بالا و در حد 120 مگاپاسگال و کاربرد آن در ساختمان بلند در کشورهای پیشرفته دنیا رواج یافته است. این مقاومت با اضافه نمودن مواد ریز و فعال به سیمان تا حدی افزایش یافته. در سال 1995 Ahmed و Shah  توانستند مقاومت فشاری بتن نرمال را به 200 مگاپاسگال برسانند. مقاومتی در این حد تنها در شرایط آزمایشگاهی قابل به حصول است. بعلت شرایط خاص و ملزومات ضروری برای تولید بتن با مقاومت بالا، مقاومت فشاری بین 60 تا 110 مگاپاسگال را به عنوان تعریف بتن با مقاومت بالا می پذیری.[2]
Felicetti و دیگران در سال 1996 با آزمایش بر روی بتن با مقاومت بالا خواص بتن با مقاومت بالا بعد از قرار گیری در مقابل آتش را بررسی کردند. [3]
نکته اصلی در تهیه بتن با مقاومت بالا استفاده از نسبت آب به سیمان پایین است. در بتن نرمال این نسبت بین 40/0 تا 7/0 تغییر می کند اما در بتن با مقاومت بالا این مقدار به 2/0 35/0 کاهش می یابد. چنین نسبت پایین، مخلوط را خشک، سخت و در عمل غیر قابل اختلاط می کند. برای افزایش کارایی این مخلوط به آن روان کننده قوی افزوده می شود. روان کننده قوی، اختلاط اجزا را ممکن ساخته و فشردن و ریختن بتن را ساده تر می کند [4] دوده سیلیس نیز در نسبتهای مختلفی بین 1 تا 20% وزن سیمان قابل استاده است.[4]

تحقیقات نشان می دهد که مقدار استفاده از میکروسیلیس، در حدود 10% وزن سیمان بیشترین بازدهی را ایجاد می کند[5]

2-1- معایب و مزیت های استفاده از بتن با مقاومت بالا :
اگرچه در ساخت قسمت های مختلف ساختمان های بلند ممکن است از بتن با مقاومت بالا استفاده شود، ولی کاربرد اصلی بتن سازه های خاص می باشد. برای بررسی بتن از جنبه اقتصادی باید اشاره شود که استفاده از مواد افزودنی فوق روان کننده و ترکیبات تکمیلی سیمان نظیر خاکستر بادی، میکروسیلیس و سرباره کوره آهنگدازی در مخلوط بتن با مقاومت بالا و همچنین افزایش کیفیت مصالح سنگی و اعمال کننرل کیفیت شدید در هنگام ساخت، حمل و نقل و جابجایی بتن و نظارت دقیق در مرحله بتن ریزی و عمل آوری آن، همگی عواملی هستند که قیمت تمام شده بتن با مقاومت بالا را افزایش می دهند، علاوه بر این به نظر می رسد دلیل استفاده محتاطانه از بتن با مقاومت بالا، علیرغم مزیت دستیابی به مقاومت های بالا علاوه بر مسایل اجرایی، مکانیزم شکست این نوع بتن ها می باشد. افزایش تردی باعث شکست های ناگهانی و فاجعه  باری در سازه های در معرض زلزله، انفجار یا بارهای ناگهانی می شود. به همین علت و در بسیاری از موارد، طراحان مایلند این رفتار به صورت شکست نرمتر اصلاح شود با این حال در بیشتر کاربردهای بتن با مقاومت بالا، فواید و محاسن استفاده از آن به قدری زیاد است که عمولاً معایب آن جبران می شود، مهمترین این مزیت ها را  می توان به شرح زیر بر شمرد :

افزایش مقاومت و سختی که می تواند باعث کاهش تغییر مکانهای افقی ناخواسته شود.
بهینه سازی فضای مفید از طریق کاهش ابعاد هندسی اعضای سازه ای
کاهش طول مهاری و وصله میلگردها
کاهش وزن مرده ساختمان
 بهبود خواص مکانیکی، پایایی، آب بندی و کاهش نفوذ پذیری بتن در برابر سرایت عوامل شیمیایی یا جوی مضر
مکان پذیر نمودن استفاده از رده های گوناگون بتن مناسب با مقاومت مورد نیاز در ستون های طبقات مختلف ساختمان های بلند مرتبه که این موضوع ثابت ماندن مقطع ستون و ابعاد قالب را به همراه دارد.

2-2- نقش مواد افزودنی :
امروزه استفاده از افزودنی ها جهت تامین بهتر مشخصات مورد نظر بتن بسیار فراگیر شده است. از این مواد افزودنی، مواد کاهش دهنده آب، روان کننده و به ویژه فوق روان کننده ها بیش از  دیگران در بتن با مقاومت بالا کاربرد دارند. نخستین رده افزودنی ها کاهش دهنده آب که در ضمن خاصیت دیرگیر کنندگی نیز دارند لیگنو سولفات ها می باشند. استفاده از آنها حجم هوای داخل بتن را به میزان تقریبی 2 تا 6 درصد افزایش و میزان آب مورد نیاز را بین 5 تا 10 درصد کاهش می دهد. مقاومت نهایی بتن هایی که با این افزودنی ساخته می شوند بین دو تا بیست درصد بالاتر از بتن مشابه بدون افزودنی می باشد. بیشتر فوق روان کننده هایی که فعلاً در بازر موجود می باشند و در بتن سازی مورد استفاده قرار می گیرد ترکیبات نفتالین و ملامین سولفوته شده می باشند. تولید کنندگان این محصولات معتقدند که با استفاده صحیح از آنها می توان میزان آب بتن بتن را تا حدود بیست درصد کاهش داد. نسل سوم فوق روان کننده ها که بویژه برای بتن ها خودترا کم کاربرد وسیعی دارد بیشتر بر پایه پلی کربوسیلیکات اصلاح شده قرار دارند. تولید کنندگان این مواد اظهار می نمایند که با مصرف آنها میزان آب بتنرا حتی می توان تا حدود سی درصد کاهش داد. واقعیت آن است که استفاده از فوق روان کننده ها به عنوان یکی از مواد ضروری برای تولید بتن با مقاومت بالا روز به روز گسترده تر می شود. البته استفاده از این مواد باید با شناخت کامل کلیه تاثیرات آنها همراه باشد. سازگاری عملکردی فوق روان کننده با نوع سیمان مصرف شده یکی از این ملاحظات است. موضوع دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد آن است که هر چند فوق روان کننده می تواند اسلامپ بتن را برای 5 تا 10 دقیقه  پس از افزایش به میزان قابل توجهی بالا برد، ولی پس از این زمان با سرعت بسیاری اسلامپ  را کاهش می دهد. معمولاً سرعت کاهش اسلامپ بتن در مورد ترکیبات ملامین بیشتراست.

3- تشریح موضوع
در این پژوهش 8 طرح اختلاط ساخته شده که در این طرح ها مقدار مصالح سنگی، سیمان، میکروسیلیس ثابت بوده و با تغییر درصد فوق روان کننده و نسبت آب به سیمان شاهد تغییراتی در مقاومت فشاری بتن هستیم. در اولین نمونه از فوق روان کننده  استفاده نشده و در نمونه های بعدی درصد  استفاده از این مواد برای هرکدام از نمونه ها 0.5 درصد افزایش می یابد و نسبت  آب به سیمان مقداری کاهش می یابد. به طور کل سعی شده در تمامی نمونه ها کارایی ثابت باشد.

4- پارامترهای پروژه

4-1- مقدار مشابه سیمان
4-2- کارایی مشابه
4-3- توزیع مشابه اندازه ی دانه ها برای مخلوط ها
4-4- حداکثر اندازه سنگدانه (32 میلی متر)
4-5- نوع و مقدار مشابه سنگدانه
4-6- مقدار فوق روان کننده به صورت 0.05 وزن سیمان در هر مخلوط تعییر می کند.

همان طور که همه متغیرهای دیگر ثابت نگه داشته شده است این تحقیق ما را قادر به تعیین تاثیر میزان فوق روان کننده بر روی خواص بتن مورد آزمایش می سازد.

5- مصالح مصرفی
5-1- سیمان پرتلند (تیپ 1)
5-2- سنگندانه ریزی رودخانه ای (اندازه دانه 5/0 میلیمتر)
5-3- سنگدانه درشت : سنگدانه رودخانه ای
5-4- آب
5-5- فوق روان کننده
5-6- میکروسیلیس 15 درصد وزن سیمان  

6- منحنی دانه بندی و نسبت طرح اختلاط 
از منحنی دانه بندی شن در شکل 1 و همچنین منحنی دانه بندی ماسه در شکل 2 نشان داده شده است. نسبت مخلوط بتن نیز براساس شرایط ذکر شده در بالا، محاسبه و در جدول 1 نشان داده شده است


شکل 1 منحنی دانه بندی شن

بررسی نقش مواد افزونی فوق روان کننده در بتن با مقاومت بالا

شکل 2 منحنی دانه بندی ماسه

بررسی نقش مواد افزونی فوق روان کننده در بتن با مقاومت بالا

جدول 1 طرح اختلاط

اسلامپ2

اسلامپ1

نسبت آب به پودر

میکروسیلیس

ماسه

شن

آب گل

آب اضافی

روان کننده

آب پایه

سیمان

شماره طرح

8

10

43/0

67.5

890

840

200

0

0

200

450

1

8

13

0.37

67.5

890

840

190

10

0.5

200

450

2

6

12

0.36

67.5

890

840

185.5

14.5

1

200

450

3

6

13

0.34

67.5

890

840

178.5

21.5

1.5

200

450

4

5

14

0.32

67.5

890

840

164.5

35.5

2

200

450

5

4

13

0.29

67.5

890

840

149.3

50.7

2.5

200

450

6

3

12

0.265

67.5

890

840

137.2

62.8

3

200

450

7

3

12

0.25

67.5

890

840

128.8

71.2

3.5

200

450

8



-7 نمایش و تحلیل نتایج

7-1- کارایی

با تجزیه و تحلیل نتایج اسلامپ بتن تازه در جدول 1، نتایج زیر به دست می آید :
 7-1-1- کارایی پس از 30 دقیقه برای بتن هایی که از درصد فوق روان کننده ی بیشتری استفاده شده و نسبت آب به پودر کمتری دارند به سرعت پایین آمده و کار کردن با این بتن بسیار مشکل می باشد.

7-2- مقاومت فشاری
مقاومت فشاری بتن در سن 3، 7 و 28 روز بر مبنای کیلوگرم بر سانتی متر مربع اندازه گیری، و در جدول 2 نشان داده دشه است. روند افزایش مقاومت فشاری نیز در شکل 3 نشان داده شده. برای هر نوع بتن یه نمونه در سن 3 روز، سه نمونه در سن 7 روز و سه نمونه در سن 28 روز مورد آزمایش قرار گرفته شده 


جدول 2 مقاومت فشاری

سن بتن (روز)

شماره طرح

28

7

3

422

267

187

1

761

412

261

2

798

431

269

3

851

456

278

4

891

478

285

5

861

462

279

6

823

445

269

7

785

427

279

8

بررسی نقش مواد افزونی فوق روان کننده در بتن با مقاومت بالا

شکل 3- روند تغییرات مقاومت فشاری


7-1-2- تحلیل نتایج
از تحلیل  نمودار مقاومت فشاری این نتیجه به دست می آید که با افزایش میزان مصرف فوق روان کننده ها مقاومت فشاری ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد. باید توجه داشت که فوق روان کننده ها باعث تولید حباب های ریزی در بتن می شود، افزایش مقاومت بتن در ابتدا به علت کاهش نسبت آب به سیمان می باشد ولی وقتی میزان مصرف این مواد افزایش می یابد باعث ایجاد حباب هوا شده و تخلخل بتن را افزایش می دهد و این موضوع  باعث کاهش مقاومت بتن در نسبت های بالای استفاده از فوق روان کننده ها می باشد.

8- نتیجه گیری 
براساس تجزیه و تحلیل مقایسه ای از نتایج آزمون مقاومت فشاری بتن با هشت درصد مختلف فوق روان کننده نتایج زیر به دست می آید :
مقاومت فشاری بتن در نسبت وزنی 2 درصد فوق روان کننده به وزن سیمان بیشترین مقدار را دارا می باشد و در 0.5 درصد کمترین مقدار را دارد. مقاومت بتن با افزایش  مقدار فوق روان کننده به بیش از 2 درصد وزن سیمان کاهش می یابد و این کاهش به علت افزایش حباب هوا بر اثر استفاده از  فوق روان کننده می باشد.
روند افزایش یا کاهش مقاومت فشاری با افزایش سن بتن بیشتر شده و در سنین بالا شاهد نوسانات شدیدتری در مقاومت بتن می باشیم.
با افزایش فوق روان کننده و کاهش نسبت آب به سیمان کارایی مخلوط بتن پس از 30 دقیقه به شدن کاهش یافته و کار کردن با آن مشکل می باشد.

9- مراجع 
1- مظلوم، م،  (1383)، «مقاومت و مدول الاستیسیته سکانتی در بتن های با مقامت زیاد دارای میکروسیلیس،» اولین کنگره ملی مهندسی  عمران، تهران، ایران، اردیبهشت 83.

2- Shah, S.P. and Ahmad, S.H., High performance concrete and applications, Edvard Arnold,London, 1994.

3- Felicetti, R., Gambarova, P.G., Rosati, G.P., Corsi, F., and Giannuzzi, G., (1996), “Residual Mechanical Properties of High-Strength Concrete Subjected to High-Temperature Cycles,”

Proceedings, 4th International Symposium on Utilization of High-Strength/High-performance Concrete,Paris,France.

4- Ali F., Abu-Tair A., O’ Connor D., Benmarce A. , Nadgai A. “Useful and practical hints on the process of producing gigh-strenght concrete”, practice periodical on structural design and construction, november 2001, pp150-153, 2001

5- باقری، ع، «حرارت زایی بتن حاوی میکروسیلیس» مجموعه مقالات سمینار بین المللی کاربرد میکروسیلیس در بتن، تهران، ایران

سایر مقالات
تخمین مقاومت بتن خودتراکم (SCC) در برابر جداشدگی چیست
تخمین مقاومت بتن خودتراکم (SCC) در برابر جداشدگی چیست

برای مخلوط های مقاومت بتن خود تراکم یا scc خارج از این محدوده ها، در آزمون پیشنهاد می شود که همبستگی بین عمق نفوذ و جداشدگی اندازه گیری شده را می توان ایجاد کرد. این روش آزمون نباید برای تعیین مقاومت جداشدگی بتن های خود تراکم دارای مصالح سبک یا سنگین بدون اینکه قبل از آزمون همبستگی ای ایجاد شده، استفاده شود.

ادامه مطلب
بررسی اثر افزودن نانو ذرات بر پارامترهای مقاومت و پایداری بتن خود تراکم(بخش1)
بررسی اثر افزودن نانو ذرات بر پارامترهای مقاومت و پایداری بتن خود تراکم(بخش1)

استفاده از یک رویکرد جامع و اصولی در مورد بتن و شناخت زیر ساخت آن در مقایسه ای کوچک، زمینه تولید بتنی با خاصیت خود تراکمی را فراهم می نماید. بتن های مذکور دارای دوام و پایداری بهتری نسبت به بتن های معمولی می باشند. هدف از نانو تکنولوژی، رویکردی جدید در رشته های مختلف علوم با تغییر و یا کنترل خواص و رفتار مواد و اشیا است. 

ادامه مطلب
رنگ اپوکسی پلی آمین
رنگ اپوکسی پلی آمین

خوردگی در سازه‌های فولادی یکی از اصلی‌ترین عوامل خرابی و اختلال در کارکرد صحیح سازه‌های فولادی است. برای جلوگیری از خوردگی فولاد متخصصین استفاده از رنگ رویه اپوکسی پلی آمین را توصیه می‌کنند. رنگ رویه اپوکسی پلی آمین با به وجود آوردن لایه‌ای سخت بر روی سطح فولاد مانع از آسیب دیدن و خوردگی فولاد می‌شود. نحوه خشک شدن این محصول در اثر واکنش شیمیایی است و بنابراین می‌توان از آن در محیط‌های دریایی استفاده نمود. از جمله کاربردهای رنگ رویه اپوکسی پلی آمین، پوشش حفاظتی در مخازن فولادی و سازه‌های دریایی است. مقاومت در برابر رطوبت و محیط‌های شیمیایی و همچنین مقاومت در برابر ضربه و شرایط سخت از جمله مزایای رنگ رویه اپوکسی پلی آمین است. برای دستیابی به بیشترین بازدهی بهتر است قبل از این لایه، پرایمر اپوکسی زینک فسفات پلی آمین و سپس رنگ میانی اپوکسی پلی آمین بر روی سطح فلز زده شود. تنها ضعف این محصول، مقاومت ناکافی در مجاورت اشعه ماورا بنفش است.

ادامه مطلب
کاربرد پوششهای صنعتی در نفوذناپذیری بتن
کاربرد پوششهای صنعتی در نفوذناپذیری بتن
در کنار روشهای متداول برای جلوگیری از نفوذپذیری و خوردگی بتن و آب بندنمودن آن چون استفاده از سیمانهای پوزولان طبیعی و مصنوعی، میکرو سیلیس، حفاظت کاتدی، پوشش آرماتور ها با رزین اپوکسی، استفاده از ورقهای محافظ آلیاژی، آرماتورهای آلیاژی و کامپوزیت و ورقه های، کاربرد ژئوسنتتیک ها استفاده از پوشش بتنی محافظ و بتن پلیمری، یکی از روشهای مقرون به صرفه و موثر استفاده از پوششهای صنعتی است، در این نوشتار به بررسی تاثیر برخی از پوششها در کاهش نفوذ برخی از یونهای مضر چون کلر و سولفات پرداخته می شود.
ادامه مطلب