شناخت افزودنی های شیمیایی بتن

نویسنده : کلینیک بتن ایران
تاریخ ثبت : 1399/02/09

شناخت افزودنی های شیمیایی بتن

مقدمه

افزودنی های بتن مواد شیمیایی هستند که در زمان مخلوط کردن یا در هنگام گیرش اولیه و یا پس از سخت شدن به بتن یا ملات اضافه می شوند تا خصوصیات آنرا تغییر دهند .

این مواد می توانند یک ماده شیمیایی واحد یا ترکیبی از چندین ماده شیمیایی باشند . از لحاظ فیزیکی ممکن است به عنوان پودر تهیه شده اما از آنجا که در حالت مایع راحت تر می توانند جدا شده و در بتن پراکنده شوند، اکثر آنها محلول های آبی اند.

 ماده شیمیایی فعال یا موثر به طور معمول 35-40 درصد حجم کلی در ترکیبات مایع است اما می تواند خلوص صد درصدی داشته باشد (به عنوان مثال ترکیبات کاهنده شیرینکیج و جمع شدگی بتن) و یا حداکثر 2٪ کل حجم باشد (مثلا ترکیبات حباب ساز بتن). این به آن معناست که در بیشتر موارد ، آب اضافه شده از طریق مواد افزودنی به بتن آنقدری نیست که نسبت آب به سیمان در مخلوط بتنی نیازمند تصحیح باشد ( برخلاف رویه ای مثل بتن ریزی در هوای گرم که در آن با اضافه کردن یخ خرد شده به بتن دمای مصالح سنگی پایین آورده شده و درعین حال درصد حجم یخ را محاسبه و میزان آب متناظر را در بتن در حال اختلاط کاهش می دهند).

 درصد اضافه شدن مواد افزودنی به طور متوسط كمتر از 5٪ وزن سیمان مصرفی است اما بیشتر ترکیبات کمتر از 2٪ و معمولا 1 تا 5/1 درصد است. و به تعبیر دیگر مواد شیمیایی فعال معمولاً کمتر 0.02٪ وزن بتن را دارند.

 دوز مصرف مواد افزودنی بتن ممکن است با واحد حجم، لیتر یا وزن، کیلوگرم در هر 100 کیلوگرم سیمان بیان شود ، بنابرین باید به مقادیر عیار سیمان ( وزن سیمان در هر متر مکعب بتن) در هنگام میکس و اختلاط توجه کرد.

تاریخچه مختصر مصرف افزودنی در بتن
جهان باستان دیر گیر کننده پیشاب حیوانی و انسانی
جهان باستان حباب ساز بتن خون
جهان باستان الیاف کاه و الیاف گیاهی و پشم و موی جانوران
روان کننده های بتن 1934 سولفونات نفتالین فرمالدهید در ابعاد غیر تجاری و صرفا آزمایشگاهی
روان کننده های بتن دهه 30 میلادی لیگنو سولفونات
روان کننده های بتن دهه 30 میلادی نمک اسید هیدروکربوکسیلیک به عنوان روان کننده و دیر گیر کننده
آب بند کننده های بتن دهه 40 میلادی اسیدهای چرب ، استئارات و اولئات
حباب ساز بتن 1941 صابون و اسید های چرب برای محافظت در برابر سرما و سیکل ذوب وانجماد
فوق روان کننده و ابر روان کننده های بتن1963 سولفونات نفتالین فرمالدهید در ابعاد تجاری و صنعتی
 فوق روان کننده و ابر روان کننده های بتن 1963 نفتالین ملامین فرمالدهید
فوق روان کننده و ابر روان کننده های بتن دهه 90 میلادی پلی کربوکسیلات اتر

استانداردها و انواع مواد افزودنی های بتن

استانداردهای مجزای کشورهای اروپایی طی سال 2002 فسخ شده و از این سال استاندارد جدید اروپایی EN 934 معرفی شد،که انواع اصلی مواد افزودنی را شامل می شود. این استاندارد در حال حاضر به پنج بخش تقسیم شده است. EN 934 ، مواد افزودنی برای بتن (قسمت 2) ، ملات (قسمت 3) ، گروت (قسمت 4) و بتن شاتکریت (قسمت 5) را پوشش می دهد. قسمت 2 ، که مربوط به مواد افزودنی بتنی ست ، احتمالاً مهمترین بخش این استاندارد است.

مواد افزودنی بتن تحت پوشش استاندارد EN 934

  • روان کننده بتن / کاهنده های آب معمولی (WRA) EN 934-2
  • ابر روان کننده بتن / کاهنده های آب (HRWRA) EN 934-2
  • روان کننده و دیر گیر کننده بتن EN 934-2
  • زود گیر کننده بتن / افزودنی کسب مقاومت سریع برای بتن EN 934-2
  • حباب ساز و هوا زا برای بتن EN 934-2
  • کیورینگ و عمل آورنده بتن EN 934-2
  • آب بند کننده بتن EN 934-2
  • مواد افزودنی ملات آماده EN 934-3
  • افزودنی های بتن شاتکریت EN 934-5
  • افزودنی برای بتن های تزئینی و پیش ساخته EN 934-4

چرا از Admixtures( افزودنی های شیمیایی بتن ) استفاده می کنیم؟

مزایای اقتصادی و منفعت کارفرمای پروژه برای رسیدن به بهینه ترین طرح اختلاط از اهداف هر پروژه ی عمرانی ست .برای پیمانکار پروژه نیز افزایش سرعت به معنای کاهش هزینه هاست از طرفی تضمین کیفیت با افزایش کارایی مناسب (قوام) ، تراکم پذیری ، انسجام سازه های بتنی حاصل می گردد . برای طراحان و مشاوران هم امکان ساخت بتن توانمند برای نیاز های ویژه مطابق خواست کارفرما را فراهم می کند. مسئله دوام و پایداری سازه برای مصرف کننده حائز اهمیت است. همچنین مسائل زیست محیطی و تاثیرات کاهش خطا در مدت زمان پروژه و مصارف انرژی به محیط زیست سالم تر و توسعه پایدار دولت ها و ملت ها کمک می کند.

مواد شیمیایی فعال سطح (سورفکتانت)

فرمول شیمیایی مواد شیمیایی فعال سطح شامل یک زنجیره هیدروکربن غیر قطبی (دافع آب) با قطبی آنیونی (جاذب آب) است.در شکل زیر عملکرد ماده هیدرولیک با یک سر آزاد و نحوه اتصال آن به واحد تکرار شونده لیگنو سولفونات مشاهده می شود. ( در واقع سورفکتانت ها با کاهش نیروی کششی آب امکان جدا شدن ملکول های آب را فراهم کرده و پراکندگی آب را راحت تر می کنند)

ترکیبات کاهنده های آب (پلاستیک سازها)

پلاستیسایزرها ماده ای آلی یا ترکیبی از مواد آلی و معدنی هستند که در صورت افزودن به هر ماده ی مخلوط ، میزان آب را برای درجه خاصی از کارایی کاهش می دهند.

اجزاء  سازنده مواد افزودنی در بتن

مواد تشکیل دهنده روان کننده ها در بتن عبارتند از: سورفاکتانتهای آنیونی (مانند لیگنوسولفوناتها ، نمکهای سولفوناتهای هیدروکربن)، سورفاکتانتهای غیر یونی (مانند استرهای پلی گلیکول، اسیدهای کربوکسیلیک هیدروکسیله) وسایر کربوهیدرات ها از جمله کلسیم، سدیم و لیونوزولفونات های آمونیوم. روان کننده بتن  از 0.1 تا 0.4 درصد وزن سیمان مصرفی با بتن مخلوط می شود و با افزایش کارآیی و روانی و اسلمپ از 25 تا 120میلی متر ( یعنی به اسلمپ بتن کارگاهی 60 تا 80 میلیمتر- حداقل 25 و حداکثر 120 میلیمتر اضافه می کند) و درصد آب را از  5 تا 15 % کاهش می دهد. اثر ترکیبات کاهنده آب در مخلوط های بتنی می تواند به سه طریق اعمال شود ، که در شکل زیر نشان داده شده است.

مکانیزم و روش عملکرد روان کننده بتن

در مخلوط بتن، ذرات سیمان مولکول های روان کننده را جذب کرده و باعث تغییر بار الکتریکی سطحی هم نام شده و در اثر نیروهای دافعه موجب پراکندگی سیمان می گردند. در نتیجه این عمل باعث افزایش قابلیت انعطاف پذیری و کارایی و روانی و افزایش اسلمپ بتن می شود. بعضی از روان کننده های بتن همچنین حباب هوا را به درون مخلوط بتن کشیده (هرچند یک ماده روان کننده مطلوب چیزی کمتر از 2 درصد هوا وارد می کند) و حباب های هوا به مثابه ساچمه امکان غلطیدن لایه های بتن در حال میکس شدن را فراهم می آورند. روان کننده های بتن در برند های مختلف منجمله «کلینیک بتن ایران» که علاوه بر آن امکان انجام تغییرات به خواست مشتری در فرمول روان کننده ها و افزودنی های بتن را دارد، با مشخصات فنی، نحوه ترکیب، میزان مصرف متنوع در بازار موجود هستند. شکل زیر پراکندگی ذرات سیمانی با آزاد شدن آب و افزایش سیالیت مخلوط پس از افزودن روان کننده بتن را نشان می دهد.

موارد استفاده ی روان کننده های بتن

- كسب مقاومت بیشتر با كاهش نسبت آب به سیمان در اسلمپ مشابه با طرح اختلاط شاهد (شاخص).

- کاهش حرارت هیدراتاسیون و سرعت واکنش سیمان در بتن ریزی های حجیم.

- افزایش کارایی و اسلمپ بتن برای دسترسی به نقاطی از قالب بندی که امکان نفوذ بتن در آن به راحتی امکان پذیر نیست.

 - کاهش آب بیش از 5٪ تا 12٪ نسبت به طرح اختلاط اولیه بتن.

شایان ذکر است مواد افزودنی متداول در بتن نمک های لیگنو سولفوناتها و اسیدهای هیدروکربولیک هستند. روان کننده های بتن معمولاً بر پایه لیگنوسولفونات، که یک پلیمر طبیعی است، حاصل فرآوری چوب در صنعت کاغذ سازی یا حتی عصاره ی نیشکر و چغندر است. روان کننده های بتنی که خاصیت دیر گیری در بتن ایجاد می کنند یک غلاف بر روی ذرات سیمان ایجاد کرده و تا زمانی که پیوستگی ملکول های فوق روان کننده بتن دیرگیر پایدار است، واکنش هیدراتاسیون سطحی بین آب و سیمان را مهار می کند.

تأثیر روان ساز های بتن و کاهنده های آب بر روی خواص مکانیکی بتن

دوز افزودنی به  نوع سیمان، نوع سنگدانه و درجه بندی، نسبت مواد مخلوط و درجه حرارت محیط وابسته است اما بطور کلی روان کننده بتن ability کارایی و روانی بتن و اسلمپ اولیه را برای مدت زمان مشخصی بالا می برد. همچنین مقاومت فشاری بتن با استفاده از مواد افزودنی کاهش دهنده آب در بتن با کاهش نسبت آب به سیمان و افزایش عیار سیمان در زمان بتن ریزی ضمن حفظ کارایی و روانی بتن در سطح مناسب افزایش می دهد. نمونه تأثیرات ترکیبات کاهش دهنده آب بر کارایی و مقاومت بتن در جدول زیرنشان داده شده است. 

موارد احتیاطی برای استفاده ی بیش از حد از افزودنی های بتن

مقدار بیش از حد کاهش آب یا افزایش کارآیی و روانی بتن با مصرف بیش از اندازه یا overdose افزایش می یابد. مصرف بیش از اندازه در موارد خاص می تواند باعث عدم سفت شدن بتن، افزایش حباب هوا با ریسک تخلخل بتن، آب انداختگی بدن، جداشدگی مصالح سنگی از شیرابه بتن و افت مقاومت و افزایش نفوذ پذیری و ترک در بتن و در نتیجه افت دوام و پایایی آن گردد.

کاهنده شدید آب در بتن یا ابر روان کننده بتن  (HRWR)High Range Water Reducing Admixture for Concrete

ابر روان کننده های بتن که سه تا چهار برابر روان کننده های معمولی بتن قابلیت کاهش نسبت آب به سیمان در مخلوط بتن را دارند از  دهه 70 میلادی در صنعت عمران مورد استفاده قرار می گیرند .

بطور کلی این دسته افزودنی های بتن در چهارگروه دسته بندی می شوند:

1-میعانات ملامین فرمالدئید سولفون شده که برای استفاده در مناطق جغرافیایی معتدل با دمای پایین مناسب است و دوز مصرفی آن 0.5 تا 3 درصد وزن سیمان است.

2- میعانات سولفونه شده نفتالین فرمالدئید که برای استفاده در مناطق جغرافیایی گرم دمای محیط بالا مناسب تر است و درصد مصرف آن 0.5 تا 3٪ وزن سیمان می باشد.

3-پلیمرهای اصلاح شده لیگنو سولفونات ها که مناسب محیط های شرجی که در آن تغییر دما زیاد می باشد است و با دوز بیش از 5/1٪ وزن سیمان پیشنهاد می گردد.

4- ترکیبات کروبکسیلاتی با دامنه حفظ اسلمپ بالا و روانی فوق العاده به بتن که درصد وزنی مصرف به نسبت وزن سیمان در آن 2/0 تا 3/0 درصد و پاره ای موارد 5/0% است.

ابر روان کننده بتن بر روی سطح ذرات سیمانی جذب می شود و بدین ترتیب میزان جذب ذرات سیمان کاهش می یابد و پراکندگی یکنواخت تر دانه های سیمانی را نسبت به افزودنی کاهنده آب در بتن عادی را موجب می شود. در اصل، مکانیسم پراکندگی ابر روان کننده های بتن عمدتا به دلیل خاصیت «مانع استریکی» یا «ممانعت فضایی» در ملکول هاست. زنجیره های پیوندی مولکول های پلیمری روی سطح سیمان به خودی خود مانع جمع شدن و ترکیب «آگلومرا» (agglomerateکلوخه یا تجمع ذرات کلوئیدی)و اجزای بزرگ و نامنظم ذرات سیمان می شوند. اثر مانع استریکی باعث افزایش ظرفیت ذرات سیمانی برای جداسازی و پراکندگی می شود و در نتیجه ساختار پراکنده را برای مدت زمان طولانی تر حفظ می کند. در این مخلوط بتن، افت اسلمپ و روانی بتن دیرتر صورت می پذیرد.

مکانیسم اثر استریک Steric Hindrance Mechanism یا ممانعت فضایی (ممانعت فضایی هنگامی رخ می دهد که اندازه ی بزرگ گروه های تشکیل دهنده ی یک مولکول، مانع انجام واکنش های شیمیایی ای شود که در مولکول‌های مشابه ولی با اندازه ی کوچک تر مشاهده شده است.)  در مخلوط بتنی حاوی ابر روان کننده بتن SuperPlasticizer Concrete و در نتیجه حفظ اسلمپ طولانی تر است، در شکل زیر نشان داده شده.

مزایای استفاده از ابر روان کننده های بتن

 - کاهش قابل توجه نسبت آب به سیمان و در نتیجه افزایش مقاومت فشاری در بتن.

- کاهش میزان سیمان مصرفی در بتن های اقتصادی.

- افزایش کارآیی و اسلمپ و روانی بتن به همراه حفظ اسلمپ طولانی تر نسبت به افزودنی های بتن مشابه.

 - کاهش ریسک از دست رفتن بتن به دلیل فاصله حمل.

 - استفاده موثرتر از سیمان.

- کسب مقاومت سریع در بتن.

- افزایش مقاومت بلند مدت بتن.

 - کاهش نفوذپذیری بتن.

نقاط ضعف ابر روان کننده های بتن

 هزینه استفاده از این افزودنی بتن زیاد است. هرچند ممکن است باعث مصرف سیمان کمتر یا حتی با توجه به دوز مصرف، کاهش هزینه حمل و انبار داری شود، اما این تنها در پروژه ها و ساخت و سازهای عمرانی بزرگ توجیه دارد، علاوه بر آن این نوع ابر روان کننده ها رنگ شیره بتن را تغییر داده بنابرین تا حدودی رنگ بتن اولیه را تغییر می دهند. ضمنا نسبت به برخی از تیپ های سیمان عملکرد مناسبی ندارند و به دلیل آنکه تغییر دوز مصرف می تواند اثرات مخربی بر بتن نهایی بگذارد، استفاده از آن نیازمند تجربه و دانش کافیست.

کاربرد ابر روان کننده ها در بتن خود متراکم Self Concrete Compacting (SCC)

ابر روان کننده ها در بتن خود متراکم با افزایش اسلمپ و روانی بتن باعث می شوند تا بتن به نقاط غیر قابل دسترس نفوذ پیدا کند. مثلا دربتن ریزی اسلب کف و رو سازی هایی با ضخامت پایین، با کمترین ضربه و لرزش تراکم مناسبی ایجاد می شود، این تراکم مناسب در جایی که مانعی همچون مقاطع کوچک بتن ریزی، ارتفاع زیاد قالب بندی یا شلوغی شبکه آرماتور وجود داشته باشد باعث بهبود کیفیت می گردد. در سازه های آبی این تراکم باعث کاهش نفوذ پذیری بتن در برابر آب شده و دوام سازه بتنی را افزایش می دهد. در دوره های اورهال و تعمیرات، کسب مقاومت سریع در بتن، مدت زمان مورد نیاز برای بارگذاری را کاهش داده و تسریع در بازگشت به چرخه بهره برداری را موجب می شود. یکنواختی بتن برای سازه های مدفون در محیط های خورنده امکان خوردگی شبکه آرماتور، اکسیداسیون، واکنش های قلیایی و حمله کلورها را کاهش می دهد.

نکات قابل توجه در طرح مخلوط بتن به همراه ابر روان کننده

برای بتن با کارایی بالا ، توجه به طرح اختلاط بسیار مهم است تا آب انداختگی یا جداشدگی در بتن ایجاد نگردد. به طور خاص ، شاید لازم باشد که سنگدانه های ریز دانه 5٪ به نسبت حجم کل افزایش یابد.

همینطور توصیه می شود ابر روان کننده بتن درست قبل از تخلیه به بتن اضافه شده و در میکسر با سرعت کامل و دور تند حدود دو دقیقه مخلوط شود.

برای بتن هایی که از کارخانه بتن تامین می گردند باید تمهیداتی برای اضافه کردن فوق روان کننده بتن پس از رسیدن تراک میکسر در محل پروژه در نظر گرفته شود زیرا مدت زمان روانی و عدد اسلمپ بتن به مرور کاهش یافته و زمان حمل نیز از بازه ی حفظ اسلمپ کم می شود.

با توجه به کارکرد ابر روان کننده در بتن خود متراکم ویبره ی بیش از حد بتن موجب آب انداختگی Bleeding of concret  و جدا شدن سنگدانه ها از شیره بتن شود. اما اگر از قابلیت کاهش آب ابر روان کننده بتن استفاده می گردد می توان به روش معمولی از ویبراتور بتن استفاده کرد.

افزایش سیالیت بتن در حال حرکت به معنای اعمال فشار اضافی بر روی قالب می باشد. قالب باید برای مقاومت در برابر فشار هیدرواستاتیک طراحی و در هنگام بتن ریزی از قابل اعتماد بودن تجهیزات پشت قالب اطمینان حاصل شود.

درجدول زیر مقایسه ای بین ترکیبات کاهنده آب نرمال و ترکیبات کاهنده شدید آب نشان داده شده است.

  روان کننده بتن فوق روان کننده بتن
اجزاء اصلی لیگنو سولفونات
کربوهیدرات های مجاز
پلیمر های ملامینی SMFC
پلیمر های نفتالینی SNFC
پلی کربوکسیلات اتر PCE
دوز نرمال 40 درصد ماده موثره 5/0 تا 2 درصد وزن سیمان مصرفی 2/0 تا 5/1 درصد وزن سیمان مصرفی
هزینه * متوسط 2 برابر هزینه روان کننده های بتن عادی
مصرف بیش از حد overdose ایجاد حباب هوا و دیرگیری در بتن اگر بدون کاهش آب باشد باعث آب انداختگی بتن می گردد.
اثر کاهندگی آب 8تا 10 درصد 15تا 30 درصد
*در پاره ای اوقات امکان ترکیب ابر روان کننده های بتن با لیگنوسولفونات در هنگام تولید به منظور مقرون به صرفه شدن محصول نهایی و با توجه به ویژگی ها و نیاز پروژه وجود دارد.

ماده افزودنی هوازا و حباب ساز در بتن

مواد افزودنی هوازا برای ساخت و تثبیت حباب های میکروسکوپی هوا (عمدتا بین قطر 0.25-1 میلی متر) در بتن استفاده می شود. ورود هوا به طرز چشمگیری باعث افزایش دوام بتن های در معرض چرخه انجماد و ذوب خواهد شد. هوای ورودی مقاومت بتن در برابر شن زدگی سطح ناشی از chemical deicers  یا اثر شیمیایی غلظت ضدیخ ها بر روی بتن را تا حد زیادی بهبود می بخشد. علاوه بر این ، کارایی و روانی بتن تازه به میزان قابل توجهی بهبود یافته ، و جداشدگی و آب انداختگی کاهش یافته یا از بین می رود.شکل زیر تأثیر استفاده از ماده هوازای بتن را نشان می دهد.

مواد شیمیایی مورد استفاده در ترکیبات هوا زای بتن عبارتند از:

 - رزین های چوبی طبیعی.

 - چربی های حیوانی و گیاهی و روغن هایی مانند چربی گوشت ، روغن زیتون و اسیدهای چرب آنها مانند استئاریک و اسیدهای اولئیک. - مواد مرطوب کننده مانند نمک های قلیایی یا ترکیبات آلی سولفوناته.

- صابون های محلول در آب.

 - نمک های سدیم ، اسیدهای نفتی، سولفونیک نفت ، پراکسید هیدروژن و پودر آلومینیوم و غیره.

عوامل موثر در تشکیل و کنترل مقدارحباب هوا در بتن

یک دوز معمولی از حباب ساز یا هوازای بتن شامل  0.0005 تا 0.05٪ وزن سیمان، ماده فعال است. عوامل مؤثر بر مقدار حباب تشکیل شده عبارتند از:

- نوع و مقدار مواد هوازای استفاده شده.

- نسبت آب به سیمان در مخلوط بتن.

- نوع و درجه بندی مصالح سنگی.

- مدت زمان اختلاط بتن.

 - دمای محیط و یا مخلوط بتن.

- نوع و عیار سیمان.

- نحوه ی متراکم شدن بتن حین اجرا.

 - مواد شیمیایی افزودنی بتن در طرح اختلاط.

مکانیزم عملکرد هوازا

فرمول شیمیایی یک سورفکتانت هوازا ی  معمولی، که از یک زنجیره هیدروکربن غیر قطبی با یک گروه قطبی آنیونی تشکیل شده،در شکل پایین نشان داده شده است. در قاب دوم این شکل نحوه عمل آن دیده می شود. هنگام افزودن سورفکتانت به سیستم سیمان و آب، حفره های هوا متصل شده و تثبیت می شوند. در تعامل هوا-آب گروه های قطبی به سمت فاز آب جهت کاهش تنش سطحی و شدت یافتن تشکیل حباب حرکت کرده و تمایل جذب حباب ها را خنثی کرده و پراکنده می کنند. در تعامل آب با ذرات جامد سیمان بارهای الکتریکی و نیروی دافعه وجود دارد، گروههای قطبی با گروههای غیر قطبی که به سمت آب متمرکز شده اند به ذرات جامد متصل شده و سطح سیمان را آبگریز می کنند تا حباب های هوا بتواند آب را کنار زده و به جامد بچسبد.  مکانیسم ورود هوا وقتی یک سورفاکتانت آنیونی با زنجیره هیدروکربن غیر قطبی به بتن اضافه شود در قاب آخر شکل زیر قابل مشاهده است.

تاثیر حباب ساز ها یا هوازا بر بتن

 - افزایش مقاومت در برابر سیکل انجماد و ذوب.

- بهبود کارآیی و افزایش عدد اسلمپ در مخلوط بتن.

 - کاهش مقاومت به صورت اتفاقی و با تولید بیش از حد حباب که موجبات تخلخل بتن را فراهم آورد ( تمایل به تفکیک ذرات در بتن).

- کاهش آب انداختگی و تغییر رنگ.

 - کاهش نفوذپذیری.

 - مقاومت در برابر حمله شیمیایی.

- کاهش میزان ماسه در طرح اختلاط، حجم آب و حرارت مخرب ناشی از هیدراتاسیون در بتن ریزی های حجیم.

 - کاهش وزن و چگالی بتن.

- کاهش واکنش دانه قلیایی و افزایش مدول ارتجاعی.

در شکل زیر ارتباط هوا زای بتن با مسئله دوام بتن نشان داده شده است.

 اثر هوازا بر دوام بتن در محیط های سردسیری

 عمده ترین کاربرد افزودنی های مربوط به هوا زایی در تولید سنگ فرش های بتنی برای جاده ها و فرودگاه هاست که در آن مقاومت در برابر رسوبات ناشی از یخ زدگی و ضد یخ لازم است. در سیکل ذوب انجماد، یخ پس از ذوب شدن در پیاله های ایجاد شده و منافذ تشکیل شده بر اثر حباب هوای حین ساخت بتن جمع شده و در یخ زدگی بعدی افزایش حجم آب یخ زده باعث ایجاد ترک در جسم بتن نمی گردد. همچنین مواد افزودنی هوازای بتن به قابلیت پمپاژ بتن کمک می کنند .

نکات مهم در استفاده از هوازا در بتن

 افزایش مقدار شن و ماسه از 35% به 45٪ به طور معمول جم حباب هوا را تا 5٪ افزایش می دهد. افزایش مقدار سیمان 90 کیلوگرم بر متر مکعب به طور معمول میزان 1٪ حجم هوا را کاهش می دهد. افزایش نرمی سیمان نیز باعث کاهش حجم حباب های هوا می شود. مقدار مصرف برای مواد افزودنی هوازا  معمولاً کمی کمتر از 6/0 میلی لیتر در هر 1 کیلوگرم سیمان است و بنابراین یافتن دوز دقیق آن برای هر مخلوط بتن ضروری است. مقادیر حباب هوا باید به طور مکرر با استفاده از روش Air-Content مشخص شده در استاندارد ها، اندازه گیری شود. افزایش دما باعث کاهش حجم حباب هوا می شود. افزایش درجه حرارت از 10 تا 32 درجه سانتی گراد ممکن است میزان هوای ورودی را نصف کند اما نوسانات دمایی روز به روز مشکل قابل توجهی ایجاد نمی کند. اثر مدت زمان مخلوط کردن بتن بر مقدار هوای وارد شده به نوع ، بارگیری و وضعیت میکسر مرتبط است. به طور کلی ، حجم حباب های هوا با زمان اختلاط تا حدود دو دقیقه در میکسرهای ثابت و در میکسرهای حمل و نقل تا حدود 15 دقیقه افزایش می یابد. پس از آن ، احتمالاً برای مدت زمان قابل توجهی ثابت می ماند. مدت زمان اختلاط زیاد ممکن است حجم حباب های هوا در مخلوط بتن را کاهش دهد. در هنگام حمل و نقل مخلوط بتن تا 0.5٪ هوا را از دست می دهد، اگرچه این از دست دادن به شکل حباب های بزرگتر و کم اثر تر است.

افزودنیهای کنترل کننده ی گیرش بتن

از مواد افزودنی کنترل كننده ی گیرش در بتن هایی كه به غیر از دمای مطلوب 5 تا 40 درجه سانتیگراد اجرا و بتن ریزی می شوند، استفاده می گردد. مواد افزودنی کنترل كننده گیرش بتن و میزان هیدراتاسیون سیمان، زمانsetting  (سفت شدن) خمیرسیمان را تغییر می دهند. همچنین می توانند به طور اتفاقی بر سخت شدن یا افزایش مقاومت فشاری بتن پس از سخت شدن تأثیر بگذارند. افزودنیهای کنترل کننده ی گیرش بتن مجموعه ای شامل ترکیبات زود گیر کننده و کسب مقاومت سریع در بتن و کند گیر کننده های بتن هستند.

افزودنی زود گیرکننده بتن

ترکیبات تسریع کننده گیرش اولیه در بتن، مواد شیمیایی معدنی محلول در آب هستند که باعث افزایش سرعت واکنش بین سیمان و آب شده و در نتیجه ی این سرعت بخشیدن، کسب مقومت بتن را تسریع می کنند. شتاب دهنده های گیرش در بتن دارای خاصیت کاهش دهنده آب نیز هستند. ترکیبات شتاب دهنده را می توان با توجه به عملکرد و کاربرد آنها به گروههای مختلفی تقسیم کرد:

 الف) ترکیبات شتاب دهنده گیرش بتن با قابلیت کنترل زمان گیرش، یعنی زمان گیرش مخلوط بتن از پلاستیک به حالت سخت شده را کاهش می دهند. آنها نیز می توانند به دو گروه تقسیم شوند:

  •  زودگیر کننده بتن شاتکریت ، که باعث گیرش  بسیار سریع مخلوط بتن (کمتر از 10 دقیقه) می شوند.
  • ·          زودگیر کننده های بتن ، که مطابق با استاندارد EN 934-2 باعث کاهش زمان تغییر فاز مخلوط بتن از حالت پلاستیک می شوند. حداقل 30 دقیقه در دمای 20 درجه سانتیگراد و یا در 40 دقیقه  و دمای 5 درجه سانتیگراد به حالت سخت شده برسد.

ب) زودگیر کننده های سخت کننده و کسب مقاومت سریع  که باعث افزایش استحکام در 24 ساعت حداقل 120٪ در 20 درجه سانتیگراد و در 5 درجه سانتیگراد حداقل 130٪ در 48 ساعت می شوند. زودگیر کننده های بتن با قابلیت کسب مقاومت سریع را در جایی استفاده می کنند که نیاز به برداشتن زود هنگام قالب یا دسترسی سریع به سطح بتن است. آنها غالباً در ترکیب با افزودنی های کاهنده آب بتن با دامنه بالا به ویژه در شرایط سرد استفاده می شوند. اثرات رشد گیرش اولیه در حین هیدراتاسیون سیمان با استفاده از زود گیر ها در شکل زیر آمده است.

شیوه عملکرد زودگیر کننده بتن

اکثر شتاب دهنده ها و زودگیرها بر اساس یکی از مواد شیمیایی زیر ساخته شده اند:

* کلرید کلسیم: استفاده از کلرید کلسیم به دلیل تأثیر بالقوه اما اثبات شده آن بر خوردگی شبکه میلگرد و تاثیر بر دوام بتن در اثر حملات کلرایدی در بسیاری از کشورها و استاندارد ها محدود یا ممنوع شده است.(نکته قابل توجه اینکه حتی در استانداردC 494  ASTMوجود کلر در مخلوط بتن تا 6/0 درصد وزن بتن را مجاز می شمرد).

* فرمت کلسیم: فرمت کلسیم برای بدست آوردن خواص بیشتر گاهی با نیتریت سدیم یا مواد دیگر مخلوط می شود.

 دوز مصرفی زود گیر کننده های بتن به طور معمول 0.5-2.0 درصد وزن سیمان است. به نظر می رسد مکانیسم و نحوه عملکرد زود گیر کننده های بتن بر پایه افزایش سرعت در تشکیل کانی های بلوری اترینگات حاصل از واکنش سیمان هیدراته باشد.(Ettringiteاین کانی فراوان‌ترین عضو گروه اترینگایت در طبیعت است و در سفید کردن کاغذ کاربرد دارد و به دلیل اینکه در اواخر قرن نونزدهم در حوالی شهری به نام اترینگن آلمان کشف گردید به این نام شناخته می شود. نام علمی این کانی هگزاکلسیم آلومینات تری‌سولفات هیدرات است) . زود گیر کننده های معدنی ، میزان انحلال سیلیکات تری کلسیم را افزایش داده و منجر به افزایش مولوکول های هیدرات سیلیکات کلسیم CSH  در سنین پایین بتن می شود. زودگیر کننده های بتن با قابلیت کسب مقاومت سریع وقتی به همراه یک ابر روان کننده ی کاهنده آب در بتن مصرف می شوند، فاصله بین درات سیمان را کاهش داده به طوری که برای مقدار معینی از محصول هیدراتاسیون CSH ، بین ذرات سیمان تشکیل شده و قرار بگیرند و به این ترتیب کسب استحکام در بتن را تسریع می کنند.

مزایای استفاده از زودگیر کننده بتن

- اتمام زود هنگام بتن ریزی و عمل آوری بتن در سطوح پر ترافیک.

- کاهش فشار هیدرولیک و هیدرواستاتیک بر روی قالب ها در بتن ریزی های حجیم.

- کاهش نشت شیرابه ی بتن از درز قالب و کاهش احتمال تخلخل و پوکی بتن.

- کاهش آب انداختگی در بتن و جداشدگی مصالح و افزایش تراکم بتن.

- کوتاه شدن دوره تعمیرات سازه بتنی و تسریع در روند بهره برداری و بازگشت به سرویس.

- جبران جزئی یا کلی اثرات درجه حرارت پایین در افزایش مقاومت فشاری بتن.

- محافظت در برابر یخ زدگی در بتن ریزی در هوای سرد.

- امکان آزاد سازی سریعتر قالب در بتن پیش ساخته و در نتیجه تولید بیشتر محصولات.

-حذف کیورینگ های طولانی مدت بوسیله آب خصوصا در جاهایی که تهیه و حمل آب هزینه بر است و کاهش اثرات جمع شدگی بتن.

در شکل زیر ارتباط استفاده از افزودنی زودگیر کننده با قابلیت کسب مقاومت سریع را با مقاومت فشاری بتن، نشان داده شده است.

شکل زیر ( علی رغم محدودیت های فراوان در استفاده از کلر ) تأثیر افزودن کلرید کلسیم بر (الف) زمان گیرش سیمان پرتلند و (ب) اثر آن بر استحکام بتن در دماهای مختلف عمل آوری و کیورینگ بتن را نشان می دهد.

نکات قابل توجه در هنگام استفاده از زود گیر کننده های بتن

استفاده ی بیش از حد از این افزودنی شیمیایی ممکن است در فرآیند حرارت زای هیدراتاسیون اختلالاتی ایجاد کرده و با افزایش گرما امکان ترک خوردن و جمع شدگی بتن پیش آید. به طور خاص افزودنی زودگیر حاوی کلرید کلسیم باید در هوای گرم با احتیاط مورد استفاده قرار گیرد. همچنین همانطور که پیشتر ذکر شد،کلرید کلسیم یا مواد افزودنی بتن حاوی کلر در بتن مسلح امکان خوردگی شبکه میلگرد را فراهم می کند.

کلرید کلسیم به عنوان محلول یا به صورت بلور وجود دارد و در مورد حالت متبلور لازم است قبل از افزودن به مخلوط بتن کاملاً در آب حل شود. فرمت کلسیم نیز ممکن است به شکل پودر تهیه شود و در چنین مواردی باید قبل از مخلوط شدن به مصالح خشک اضافه شود. استفاده از مواد افزودنی مایع معمولاً آسان تر هستند.

مواد افزودنی دیر گیر کننده بتن یا Concrete Retarder

وقتی نیاز به تاخیر در گیرش اولیه بتن وجود دارد از دیرگیر کننده بتن استفاده می شود. این افزودنی روند هیدراتاسیون را به تأخیر می اندازد اما بر روند نهایی کسب مقاومت تأثیر نمی گذارد. زمان سخت شدن اولیه می تواند بیش از 3 ساعت به تأخیر بیفتد. کاربرد اصلی این افزودنی در کنترل زمان هیدراتاسیون و جلوگیری از ایجاد ترک سرد و درز انقطاع در هنگام بتن ریزی است. مقدار مصرف به طور معمول تا 6 درصد وزن سیمان مصرفی است اما اگر به همراه یک روان کننده بتن یا ابر روان کننده با خواص پراکندگی استفاده شود همان میزان مصرف افزودنی روانساز در بتن کافی است. شکل زیر تاثیر کندگیر کننده های بتن در حین هیدراتاسیون را نشان می دهد.

ترکیبات و نحوه عملکرد دیرگیر کننده بتن

ترکیبات دیرگیر کننده بتن عمدتا در بین ترکیبات آلی یافت می شوند ، اما مواد شیمیایی معدنی ممکن است به عنوان بازدارنده نیز عمل کنند. مواد شیمیایی آلی، لیگنوسولفونات، اسید هیدروکسی کربوکسیلیک و نمکهای آنها، فسفونات، قند (ساکارید) و شکر معمولی، مواد شیمیایی معدنی، فسفات، بوراتس، بورات وSb Lignosulphonates که معمولاً به عنوان کاهنده آب هم مورد استفاده قرار می گیرند، دارای اثرات مهار ثانویه هستند. در حالی که اسیدهای هیدروکسی کربوکسیلیک و نمکهای آنها و کندگیر کننده های متداول دارای تأثیرات ثانویه کاهش آب هستند. در بین مواد ذکر شده ، تنها «فسفات ها» بصورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. سایر ترکیبات معدنی به ندرت استفاده می شوند زیرا نسبتاً گران هستند و در برخی از آنها اثرات سم شناسی گزارش شده است. احتمالاً، اثر کند گیری بتن درنمکهای فلزات سنگین نیز به شدت قلیایی بودن سیمان بستگی دارد، یعنی توانایی این کاتیونهای فلزی برای رسوب دادن به میزان تولید هیدروکسید ها بستگی دارد. در مکانیسم دیر گیر کننده های بتن، مواد افزودنی پس از پراکندگی در آب، بر روی سطح ذرات سیمان جذب شده تا خواص تغییر یافته ی فیلم سیمان سرعت نفوذ آب را کند کند و ماده شیمیایی موجود در محلول باعث افزایش رشد محصولات هیدراتاسیون شود.روش های عملکرد مختلف کندگیر کننده های بتن در تماس با ذرات سیمان در جدول زیر آمده است.

فعل و انفعال و اثر متقابل نحوه عملکرد
جذب سطحی  
 Adsorption
آنیون ها و یا مولکول های بزرگ بر روی سطح ذرات سیمان جذب می شوند که این امر مانع واکنش های بیشتر بین سیمان و آب می شود.
واکنش رسوب یا ته نشینی
Precipitation
این ترکیب با یک یا چند مؤلفه سیمان واکنش نشان می دهد تا رسوبی روی ذرات سیمان بگذارد و یک پوشش با نفوذپذیری کم را روی ذرات سیمان به وجود آورد.
هم ترکیبی یا همتافتی Complexation
گروهی از ترکیب‌های شیمیایی که در آنها بخشی از پیوند مولکولی از نوع اشتراکی یک سویه است
این ترکیب باعث ایجاد مجتمع هایی از ملکول Ca2 می شود که توسط هیدراتاسیون آزاد شده و بدین ترتیب غلاف هیدراتاسیون اولیه که دانه های سیمان را احاطه می کند ، تقویت می شود.
هسته زائی یا nucleation
تشکیل هسته بلوری جدید در محلول اَبَراشباع‌شده در طی فرایند تبلور 
محلول های Ca (OH) 2 و  CASH هسته تشکیل داده و امکان پیوند در بین محصولات هیدراته را مهار می کنند.

تاثیر دمای هوا و نوع افزودنی کند گیر کننده در میزان تاخیر سخت شدن اولیه بتن

شرح تاخیر در گیرش اولیه بر حسب ساعت و دقیقه در دمای
  30 درجه سانتیگراد 40 درجه سانتیگراد 50 درجه سانتیگراد
اسید هیدوکسیل Hydroxylic acid نزدیک به 5 ساعت 1 ساعت و پانزده دقیقه 1ساعت و ده دقیقه
لیگنین Lignin
 یک پلیمر پیچیده ی ساخته شده از واحدهای مولکولی فنیل پروپان است که بعد از سلولز در گیاهان به وفور یافت می شود
2 ساعت و بیست دقیقه چهل دقیقه پنجاه و پنج دقیقه
لیگنو سولفونات 3 ساعت و چهل دقیقه 1 ساعت و ده دقیقه 1 ساعت و نیم
مواد پایه فسفات - 3 ساعت و بیست دقیقه 2 ساعت و نیم

مزایای استفاده از دیر گیر کننده بتن

- جبران تأثیر تسریع در هیدراتاسیون در دمای بالای محیط (بتن ریزی در هوای گرم)

- حفظ کارایی و روانی بتن در پروسه ی حمل و انتقال بتن.

- تسهیل در بتن ریزی های طولانی مدت چه به لحاظ پیچیدگی اجرا و چه از نظر حجم بتن ریزی و کاهش درزها و ترک های ناشی از قطع بتن خصوصا در سازه های آبی که آببندی و نفوذ ناپذیری بتن در آنها اهمیت دارد.

- کاهش ترک ناشی از حرارت بالای هیدراتاسیون سیمان در بتن.

نکات قابل توجه در زمان استفاده از دیرگیر کننده بتن 

مصرف بیش از حد کندگیر های بتن باعث افت مقاومت در بتن می شود. البته با نگهداری و تثبیت وضعیت قالب ها و طولانی کردن مدت زمان کیورینگ می توان امید داشت، مقاومت بتن در مدت زمان بیشتری به وضعیت مورد انتظار نزدیک شود که مستلزم تاخیر در پیشرفت پروژه خواهد بود.

افزودنی ها و ترکیبات شیمیایی برای بتن های خاص

در جدول زیر انواع افزودنی ها و نوع عملکرد و ترکیبات آن برای مصارف خاص و توانمندی های مضاعف بتن آمده است

نوع افزودنی نحوه عملکرد نوع مواد و اجزاء اصلی
نگهدارنده ها و تنظیم کننده های حجم  حباب هوا حجم حباب هوا در مخلوط بتن را کاهش می دهند تریبوتیل فسفات ، دیبوتیل فتالات ، اکتیل الکل ، استرهای محلول در آب اسید کربنیک و بوریک. سیلیکون
مهارکننده های واکنشهای قلیایی گسترش واکنش قلیایی در بتن را کاهش می دهند کربنات لیتیوم ، لیتیوم هیدروکسید
ترکیبات ضد آب و انعطاف پذیر بتن منسجم برای قرارگیری در زیر آب سلولز ، پلیمر اکریلیک
ترکیبات چسبنده چسبندگی ذرات بتن را افزایش می دهند پلی وینیل کلرید ، پلی وینیل استات ، اکریلیک، کوپلیمرهای بوتادین-استایرن
ترکیبات رنگ آمیزی بتن را رنگی می کند کربن سیاه تغییر یافته ، اکسید آهن ، فتالوسیانین ، اومبر، اکسید کروم ، اکسید تیتانیوم ، کبالت آبی
مهار کننده های خوردگی امکان خوردگی فولاد در بتن مسلح را در محیط کلرایدی کاهش می دهد نیترات کلسیم ، نیتریت سدیم ، بنزوات سدیم ، برخی فسفاتها یا فلوسیلات ، فلوروآلومینات ، استر آمینها
مواد افزودنی آب بند نفوذ رطوبت را در بتن محدود می کند صابون های کلسیم یا آمونیوم استارات یا استئارات بیوتیل
فرآورده های نفتی
افزودنی های کف زا فوم بتن و بتن سبک با چگالی کم تولید می کند سورفاکتانتهای کاتیونی و آنیونی پروتئین هیدرولیز شده
قارچ کش ها ، میکروب کش ها مهار یا مهار رشد باکتری و قارچ امولسیون های فنلهای پلی هالوژنه شده دی الدرین
ترکیبات مس
افزودنی سازنده گاز پیش از سخت شدن بتن باعث انبساط حجمی آن می شوند پودر آلومنیم
ترکیبات گروت ریزی خصوصیات گروت را برای مصارف خاص تنظیم می کنند به افزودنی های گیرنده هوا ، شتاب دهنده ها ، بازدارنده ها و گیربکس های آب مراجعه کنید
ترکیبات کنترل هیدراتاسیون مقادیر هیدراتاسیون سیمان را با تثبیت کننده و فعال کننده کنترل می کنند اسیدهای کربوکسیلیک اسیدهای آلی حاوی فسفر
گیرنده های نفوذپذیری کاهش نفوذ پذیری در بتن لاتکس ، کلسیم استارات
افزودنی های مربوط به پمپاژ قابلیت پمپاژ بتن را بهبود می بخشد پلیمرهای آلی و مصنوعی،فلوکولنتهای آلی، امولسیون های آلی پارافین ، ذغال سنگ، آکریلیک بنتونیت و سیلیس پیروژنیک و آهک هیدراته
کاهنده جمع شدگی انقباض و شیرینکیج را در بتن کاهش می دهد پروپیلن گلیکول پلی اتیل آلکیل آلتر اتیل

انبارش و ذخیره مواد افزودنی شیمیایی بتن

 مواد افزودنی مایع را می توان در بشکه ها یا تانکرها ذخیره کرد. مواد افزودنی پودری را می توان در سطل های مخصوص ذخیره سازی قرار داد و یا در کیسه های پلاستیکی آب بند توزین شده بسته بندی نمود. برخی از مواد افزودنی که در اتو میکسر ها یا تراک میکسر ها به مخلوط بتن افزوده می شوند در کیسه ها یا ظروفی بسته بندی می شوند که قابلیت انحلال در میکسر را دارند. به این نحو محاسبه ی دوز دقیق مصرف امکان پذیر است. کارخانه جات تولید کننده مواد افزودنی بتن استاندارد موظف هستند نوع محصول، وزن خالص، میزان دقیق مصرف، خلاصه ای از نحوه استفاده و تاریخ تولید و انقضاءو هشدارهای ایمنی از جمله وضعیت اشتعال یا آلودگی های زیست محیطی را در برچسب و اتیکت محصول درج نمایند. همچنین اکثر این محصولات نسبت به تابش مستقیم خورشید، یخ زدگی و رطوبت حساس بوده و لذا باید در محیط مناسب انبار شوند.شکل زیر خروجی یک بچ تولید پیش از فیلینگ و بسته بندی مواد افزودنی شیمیایی بتن را در کارخانه تولید کننده ی این مواد نشان می دهد.

ضمنا ارتقا دانش کارشناسان  با مصالح ، روش ها و ابتکارات لازم برای آب بندی سازه های بتنی مستقیما از اتلاف سرمایه های مالی و انسانی و وقت و انرژی جلوگیری کرده و گام مهمی برای رسیدن به بهره وری بیشتر و توسعه پایدار می باشد.

مقاله شناخت افزودنی های شیمیایی بتن توسط دکتر وحیدرضا مهتدی ، دکتر علیرضا مهتدی و به همراهی دپارتمان آموزش کلینیک بتن ایران(مهندسین مشاور اثر مهرازان پایدار ) تدوین شده است .جهت ارتباط بیشتر با مجموعه کلینیک بتن ایران می توانید از طریق وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران به نشانی WWW.CLINICBETON.IR یا با شماره 02145872 در تماس باشید .

کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت و مطالب و مقالات آن  متعلق به کلینیک بتن ایران(مهندسین مشاور اثر مهرازان پایدار) بوده و هرگونه استفاده اقتصادی به هر عنوان ممنوع و استفاده از متن یا مضمون آن تنها با ذکر منبع و درج وب سایت مجاز می باشد.

سایر مقالات
بتن استامپی چیست؟
بتن استامپی چیست؟
بتن استامپی یکی از هوشمندانه‌ترین و خلاقانه‌ترین نوآوری‌ها در صنعت بتن‌سازی می‌باشد که به صورت گسترده در پاسیوها، گاراژها و پ...
ادامه مطلب
ورزشگاه خسته است، پا روی آن نکوبید
ورزشگاه خسته است، پا روی آن نکوبید
ورزشگاه قدیمی پایتخت و نماد فوتبال ایران، در ماه های آینده یکی از روزهای شلوغ و پر ترافیک خود را سپری می کند اما بعد از فاجعه پلاسکو، نگرانی ها درباره...
ادامه مطلب
واتر استاپ بنتونیتی چیست
واتر استاپ بنتونیتی چیست
این نوع جدید واتراستاپ که مخصوص رفع نشت درزهای اجرایی و مقاطع قطع بتن ریزی است با استفاده از پلیمرهای لاستیکی و بنتونیت با خاصیت ارتجاعی بسیار زیاد ط...
ادامه مطلب
بررسی رفتار غیرخطی دیوار برشی بتنی دارای بازشو به روش طراحی بر اساس سطح عملکرد
بررسی رفتار غیرخطی دیوار برشی بتنی دارای بازشو به روش طراحی بر اساس سطح عملکرد
کی از انواع سیستمهای مقاوم در برابر زلزله سیستم دیوار برشی بتنی است که به دلیل عملکرد مناسب آن در زلزله های گذشته مورد توجه مهندسین قرار گرفته است ....
ادامه مطلب