میزان تاثیرگذاری فوق روان کننده بر مقاومت فشاری بتن ها

نویسنده : کلینیک بتن ایران

تاریخ ثبت : 04 شهریور ، 1397

میزان تاثیرگذاری فوق روان کننده بر مقاومت فشاری بتنهای سازهای و غیرسازهای در سنین مختلف

چکیده

در این تحقیق سعی بر این شده است با کار آزمایشگاهی و ساخت نمونه های بتنی در دو بخش سازه ای و غیر سازه ای، میزان تاثیر گذاری استفاده از افزودنی فوق روان کننده در مقاومت فشاری نمونه ها در سنین مختلف (7، 28 و 56 روزه) مورد بررسی قرار گیرد. برای رسیدن به کارایی مورد نظر در یک مرحله از آب شرب (روش سنتی و رایج درکشور) و در مرحله دیگر از فوق روان کننده برای رسیدن به کارایی معین استفاده شده است. نتایج مقاومت فشاری در تمامی سنین حاکی از این می باشد که استفاده از فوق روان کننده باعث افزایش چشمگیر مقاومت در بتن های سازه ای می شود. برای مثال با به کارگیری فوق روان کننده مقاومت فشاری نمونه های بتنی سازه ای و غیر سازه ای در سنین 56 روزه، به ترتیب 24 و 13 درصد افزایش یافته است.

کلماتکلیدی: بتن سازه ای و غیر سازه ای، فوق روان کننده و مقاومت فشاری

1- مقدمه

آب مصرفی در مخلوط بتن صرف ایجاد روانی و کارایی می شود. محبوس شدن آب اضافی در بتن منجر به پیدایش حفره ها و حباب های بزرگ در بتن سخت شده می شود و کاهش مقاومت های مکانیکی و پایایی (دوام) بتن را به همراه دارد. از سوی دیگر، تولید و به کارگیری بتن با حداقل آب، باعث افزایش مشکلات و هزینه های اجرایی می گردد. راهکار رایج، اقتصادی و آسان برای حل این معضلات، استفاده از افزودنی های کاهنده آب است.

افزودنی های کاهنده ی آب، 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 می روند. کاهنده های آب از نوع افزودنی های با عملکرد فیزیکی هستند و تاثیر مستقیمی بر فرآیند آبگیری سیمان ندارند. بخش اصلی افزودنی های کاهنده آب، عوامل اثر کننده برسطح هستند.

عوامل موثر بر سطح موادی هستند که در سطح مشترک بین دو فاز آمیخته نشدنی متمرکز می شوند و نیروهای فیزیکی شیمیایی موثر بر این سطح را تغییر می دهند. در مخلوطی که از مواد کاهنده آب استفاده نشود، ذرات سیمان به یکدیگر می چسبند و لخته می شوند. مکانیزم کلی عملکرد این افزودنی ها، کاهش نیروهای جاذبه بین ذرات و کمک به جدایش و بهبود پخش شوندگی دانه های سیمان از یکدیگر است. این مکانیزم علاوه بر فراهم کردن حرکت آزادانه ذرات سیمان به دلیل جدایش آنها از یکدیگر، آب محبوس در لخته های سیمانی را نیز آزاد و صرف بهبود روانی مخلوط بتن می کند.

1-1- مکانیزم عملکرد کاهنده آب

مکانیزم کلی عملکرد فوق روان کننده ها، جدایش و پراکندن دانه های سیمان از یکدیگر به کمک نیروهای دافعه ناشی از بارهای الکتروستاتیکی است. در بتن و ملات، دانه های سیمان و سنگدانه در اثر ترکیب با آب دارای بار سطحی الکتروستاتیکی می شوند، بطوری که ذرات سیمان در این حالت تمایل دارند که به یکدیگر بچسبند. فوق روان کننده ها در زمان اختلاط، جذب سطح دانه های سیمان می شوند و به آنها بار منفی
می دهند که منجر به ایجاد نیروی دافعه بین ذرات سیمان و پراکندن آنها می شوند. این اثر به نام
"پخش کنندگی" شناخته می شود. مکانیزم پخش کنندگی الکتروستاتیکی علاوه بر پخش کردن دانه های سیمان، آب محبوس در لخته های سیمانی را نیز آزاد و صرف بهبود روانی مخلوط بتن می کند. کاهنده های آب به یکی از شیوه های زیر نیروی جاذبه بین ذرات سیمان را کاهش می دهند و به پراکنده شدن آنها کمک می کنند.

1- کاهش کشش بین سطحی

2- جذب چند لایه ای مولکول های آلی

3- افزایش پتانسیل الکتروسینماتیکی

4- ایجاد لایه ای از مولکول های آب احاطه کننده ذرات

5- تغییر در ساختار ترکیبات هیدراته شده سیمان

1-2- فوق روان کننده ها

به فوق روان کننده ها، کاهنده های قوی آب نیز گفته می شود. این مواد در دهه 1960 برپایه فوق روان کننده های سولفونات نفتالین فرمالدئید (SNF) و سولفنونات ملامین فرمالدئید (SMF) در ژاپن و آلمان توسعه پیدا کردند. در اوایل دهه 1980 کار طراحی روی پلیمرهای پلی اکریلیت، برای فرموله کردن روان کننده ها شروع شد و بعد از برطرف شدن برخی مشکلات مربوط به کندگیری شدید و در بعضی موارد زیادی حباب های هوا، این محصولات ابتدا به تدریج وارد بازار آلمان و بعد بازار ژاپن و ایالات متحده آمریکا شدند. اساس تولیدات ساخته شده از پلی اکریلیت سه نوع پلیمر می باشند، که به عنوان نسل بعدی فوق روان کننده ها در حال گسترش بوده و پذیرش وسیعی در صنعت ساختمان سازی بتنی پیدا کردند. این مواد، حاوی ترسازهای آنیونی زنجیر بلند با وزن مولکولی زیاد (20000 تا 30000) با تعداد زیادی از گروه های قطبی در زنجیر هیدروکربنی هستند. آنها، وقتی که در سطح ذرات سیمان جذب شوند، موجب
می شوند که ترساز، یک بار منفی قویی را بوجود بیاورد که به کاهش کشش سطحی اطراف، کمک قابل توجهی کند و روانی سیستم را به میزان زیادی افزایش دهد.

نتایج مطالعه انجام پذیرفته توسط پیرصاحب نشان می دهد که، استفاده از فوق روان کننده باعث بهبود مقاومت و کاهش میزان فولاد مصرفی می شود، ولی هیچ تحقیقی در ارتباط با میزان تفاوت تاثیر فوق روان کننده در بتن های سازه ای و غیر سازه ای در سنین مختلف صورت نگرفته است.

در این تحقیق سعی بر این شده است که میزان تاثیر گذاری استفاده از فوق روان کننده در مقاومت های فشاری بتن سازه ای و غیر سازهای در سنین 7، 28 و 56 روزه مورد بررسی قرار گیرد و مشخص شود که استفاده از فوق روان کننده، تا چه اندازه در مقاومت فشاری انواع بتن در سنین مختلف برای رسیدن به یک اسلامپ معین می تواند تاثیرگذار باشد.

2- مصالح مصرفی

2-1- سیمان

در این پژوهش، از سیمان تیپ دو کارخانه سیمان نکا واقع در استان مازندران استفاده شده است. خواص سیمان مصرفی در جدول شماره 1 ارائه شده است.

جدول 1: خواص سیمان مصرفی

ترکیب	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	K₂O	CaO	MgO	SO₃	Na₂O	LOI
درصد	21/5	4/9	3/2	0/55	63/7	1/17	2/07	0/37	2/5

2-2- فوق وان کننده

برای ساخت بخشی از بتن های سازه ای و غیرسازه ای از فوق روان کننده، محصول کارخانه وندشیمی استفاده شده است که برخی از خواص فیزیکی و شیمیایی آن در جدول شماره 3 بیان شده است.

جدول 3: خواص فیزیکی و شیمیایی فوق روان کننده

وزن مخصوص gr/cm³	حالت فیزیکی	رنگ	PH	مقدار کلر	مقدار نیترات
1/1	مایع	قهوه ای تیره	7- 8	کمتر از 1/0 درصد	فاقد نیترات

2-3- سنگدانه

در این تحقیق، از سنگدانه خرد شده و لبه تیز برای ساخت بتن استفاده شده است. دانه بندی سنگدانه ها پیوسته، با حداکثر بعد 25 میلیمتر می باشد. شکل های شماره 1 و 2، منحنی دانه بندی ماسه و شن مصرفی با حدود مجاز استاندارد [15] ASTM C33 و در جدول شماره 2، خواص فیزیکی شن و ماسه مصرفی ارائه شده است.

جدول 2: خصوصیات مکانیکی سنگدانه مورد استفاده در بتن

خصوصیات	ماسه	شن
مدول نرمی	3/1	ــ
ارزش اسمی ماسه	84	ــ
جذب رطوبت (%)	0/5	0/5
وزن مخصوص ظاهری (gr/cm³)	2/7	2/73

3- طرح های اختلاط بتن

براساس آیین نامه [16] ACI-211-1-89 طرح اختلاط بتن معمولی برای نسبت آب به سیمان های 57/0 (طرح های 1 و2) و 7/0 (طرح های 3 و4) تعیین گردید. آب مورد استفاده برای ساخت نمونه ها پس از محاسبه جذب آب مربوط به سنگدانه ها برای رسیدن به حالت اشباع با سطح خشک (SSD) و تفاوت آن با رطوبت طبیعی (NH) سنگدانه ها، به مخلوط اضافه شده است. برای طرح های Stc 1 و Nstc 1، از آب اضافی و طرح های Stc² و Nstc2، از فوق روان کننده برای زسیدن به اسلامپ معین استفاده شده است.

جدول 4: طرح های اختلاط بتن

شماره	طرح اختلاط	آب (kg/m³)	ماسه (kg/m³)	شن (kg/m³)	سیمان (kg/m³)	فوق روان کننده %	اسلامپ (cm)
1	Stc 1	226	857	942	370	ــ	10
2	Stc 2	200	857	942	370	0/5	10
3	Nstc 1	216	1120	740	293	ــ	4/5
4	Nstc 2	205	1120	740	293	0/3	4/5

4- آزمایشات مقاومت فشاری

آزمایش مقاومت فشاری بر اساس استاندارد [17] ASTM C39 انجام پذیرفت. آزمایش مقاومت فشاری معمولترین آزمایش برای ارزیابی نمونه های بتنی و ملات است. مقاومت فشاری نمونه بتنی می تواند نمایانگر روند فعالیتهای سیمانی و کیفیت ماتریس سیمانی بتن و پیوستگی آن با سنگدانه ها باشد. نتایج مقاومت های فشاری در شکل های شماره 3 و 4 ارائه شده است.

5- نتایج و بحث

شکل شماره 3، نتایج مقاومت های فشاری نمونه های بتنی سازه ای در سنین 7، 28 و 56 روزه را نشان
می دهند. طرح های Stc1 و Stc2، هر دو در شرایط کاملا یکسان ولی با افزودنی های متفاوت برای رسیدن به اسلامپ مورد نظر ساخته شده اند. در طرح Stc2 نسبت به طرح Stc1 که از فوق روان کننده به جای آب شرب برای رسیدن به اسلامپ معین استفاه شده است، مشاهده می شود مقاومت فشاری در تمامی سنین نسبت به طرح Stc1، افزایش یافته است.

مقاومت فشاری طرح Stc2 در مقابل طرح Stc1 در سنین 7، 28 و 56 روزه به ترتیب 1/20 و 3/22 و 24 درصد افزایش یافته است.

شکل شماره 4، نتایج مقاومت های فشاری نمونه های بتنی غیرسازه ای در سنین 7، 28 و 56 روزه را نشان می دهند. طرح های Nstc 1 و Nstc 2، نیز هر دو در شرایط کاملا یکسان ولی با افزودنی های متفاوت برای رسیدن به اسلامپ مورد نظر ساخته شده اند. درطرح Nstc2، نسب به طرح Nstc1 که از فوق روان کننده به جای آب شرب برای رسیدن به اسلامپ مورد نظر استفاده شده است، مشاهده می شود مقاومت فشاری در تمامی سنین نسبت به طرح Nstc1، افزایش یافته است.

در نمونه ای غیر سازه ای مشاهده می شود که استفاده از فوق روان کننده باعث افزایش مقاومت می شود ولی این افزایش مقاومت نسبت به نمونه های بتن سازه ای، چشمگیر نمی باشد. برای مثال مقاومت فشاری طرح Nstc2 در مقبل طرح Nstc1 در سنین 7، 28 و 56 روزه به ترتیب، 8/0 و 6/6 و 13 درصد افزایش یافته است.

6- نتیجه گیری

براساس نتایج بدست آمده، استفاده از فوق روان کننده به جای آب شرب برای بهبود کارایی و رسیدن به اسلامپ معین، باعث افزایش مقاومت فشاری می شود. فوق روان کننده باعث پخش کردن بهتر ذرات سیمان و بهبود فرآیند آبگیری و ثابت نگه داشتن نسبت آب به سیمان و افزایش مقاومت شده است. این افزایش مقاومت در بتن های سازه ای نسبت به بتن های غیر سازه ای بیشتر می باشد. عامل اصلی این افزایش مقاومت، بهبودکیفیت ماتریس سیمانی بتن و پیوستگی آن با سنگدانه های درشت می باشد. با بکارگیری فوق روان کننده به جای آب شرب اضافی، مقاومت فشاری در بتن سازه ای و غیر سازه ای در سن 56 روزه به ترتیب 24 و 13 درصد افزایش پیدا کرده است.

7- منابع

1- حامی احمد، " سیمان های طبیعی"، نشریه 147 مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، چاپ اول، 1371

2- Mehta, P .K. "concrete, structure, properties and materials", prentice – hall, (1985).

3- Neville, A .M. and brooks, J.I., "Concrete Technology Longman Scientific & Technical, (1987).

4- Neville, A.M., "Properties of Concrete", Pitman, (1981).

5- Mendess, S. and Young, J.F., "Concrete" Prentice-Hall, (1981).

6- Orchard D.F., "concrete technology", applied science publisher's ltd, (1998).

7- نویل؛ آدام، "بتن شناسی"، ترجمه دکتر هرمز فامیلی، بازنگری چهارم، انتشارات جهاد دانشگاهی علم و صنعت، 1387 .

8- اسماعیل پور؛ اسماعیل، افزودنی های بتن و استانداردهای ملی و بین المللی، مجموعه مقالات نخستین سمینار نقش مواد افزودنی در توسعه تکنولوژی بتن - دانشگاه صنعتی امیر کبیر و شرکت بتون شیمی خاورمیانه، تهران، صفحه ی 90 الی 147، 1368.

9- ماجدی اردکانی؛ محمدحسین، رمضانیانپور؛ علی اکبر، طاهری؛ افشین، ترکیبات و ویژگی های فوق روان کننده های بتن، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، نشریه شماره 932 ، چاپ اول، 1374.

10- امیدی، کامران و عارف امیدی، بررسی مقاومت بتن پرمقاومت تحت مواد افزودنی فوق روان کننده، اولین کنگره علمی پژوهشی افق های نوین در حوزه مهندسی عمران، معماری، فرهنگ و مدیریت شهری ایران، تهران، انجمن توسعه و ترویج علوم و فنون بنیادین، ۱۳۹۴.

11- آریان، کمال و محمدعلی دشتی، اثر روان کننده بر ریز ساختار بتن، اولین کنفرانس سالانه پژوهش های معماری، شهرسازی و مدیریت شهری، یزد، موسسه معماری و شهرسازی سفیران راه مهرازی، ۱۳۹4.

12- پیرصاحب، هیوا و حسن افشین، بررسی نقش فوق روان کننده ها در مشخصات مکانیکی و دوام بتن و تاثیر استفاده از آنها در هزینه و رفتار سازه ساختمان های بتنی، پنجمین کنفرانس ملی بتن ایران، تهران، انجمن بتن ایران، 1392.

13- اشاباوندپوری، محمدعلی؛ رامین بیات؛ احمد فرزادمنش و آرمین شمس، عملکرد فوق روان کننده های نوین بر مقاومت فشاری و کارایی بتن، کنفرانس بین المللی عمران، معماری و توسعه پایدار شهری، تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تبریز، 1392.

14- پیرصاحب، هیوا؛ حسن افشین و فرهاد فرهودی، بررسی نقش فوق روان کننده ها درمقاومت فشاری بتن و تاثیر آنها برهزینه بتن و مقدار فولاد مصرفی اسکلت ساختمان های بتنی، هفتمین کنگره ملی مهندسی عمران، زاهدان، دانشگاه سیستان و بلوچستان، 1392.