اثرات افزودنی های بتن کاهنده آب بر خصوصیات بتن

نویسنده : کلینیک بتن ایران
تاریخ ثبت : 14 اسفند ، 1400

اثرات افزودنی های بتن کاهنده آب بر خصوصیات بتن

خصوصیات بتن را می توان به لحاظ تعداد مراحل در نظر گرفت:

1- حالت شکل پذیر اولیه بتن تازه پس از فرآیند اختلاط، که در آن خصوصیاتی همچون میزان هوا، تراکم و کارایی به صورت معمولی با آزمایش های استاندارد مربوط به اندازه گیری می شود. همچنین به عنوان ابزاری برای کنترل تولید استفاده می شود. مقدار این خصوصیات با اضافه شدن افزودنی های کاهنده آب تحت تاثیر قرار می گیرد. این تاثیر می تواند نه تنها منجر به تغییر در خصوصیات حالت شکل پذیر شود، بلکه می تواند در خصوصیات تغییر یافته در حالت سخت شده نیز منعکس شود.
2- حالت شکل پذیر ثانوی هنگامی است که بتن ممکن است جابه جا، حمل و جایگذاری شود. در جایی که تغییرات در خصوصیاتی همچون کارایی و توانایی اختلاط برای مقاومت در جداسازی و جدایی شیرابه از سنگدانه ها داریم، ممکن است این عملیات تحت تاثیر قرار گیرد.
3- حالت سخت شده در یک مدت نسبتا کوتاه، معمولا 28 روزه، هنگامی که خصوصیات مکانیکی همچون مقاومت فشاری و خمشی و استحکام (سختی) به عنوان مبنایی از طرح سازه ای استفاده می شوند.
4- حالت سخت شده ثانوی در طی عمر سازه، که ماده بتن باید نقش سازه ای یا معماری بدون خسارتی را ایفاء کند. نکته مهم این است که دوام بتن به صورت معکوس با حضور یک افزودنی کاهنده آب تحت تاثیر قرار نگیرد.

افزودنی-بتن-در-بتن

افزودنی بتن در بتن

اثرات افزودنی های کاهنده آب روی خصوصیات بتن شکل پذیر هوای محبوس

در طی اختلاط بتن، عمل «روی هم افتادگی مواد بتنی بر روی هم» در سلسله اختلاط موجب می شود که حفرات هوا در سیستم تشکیل شود، که در بتن های معمولی با نیروهای مکانیکی مورد استفاده به هنگام ریخته شدن بتن کاهش می یابد. احتمالا تا %5/1 هوا توسط حجم محصور تحت ذرات سنگدانه باقی می ماند. در بریتانیا عموما اجازه ورود میزان خیلی بالای هوا به بتن (چون تاثیر منفی بر مقاومت فشاری دارد) امری نامطلوب تلقی می شود. در آمریکای شمالی، (جایی که بتن با هوای محبوس به صورت گسترده تری استفاده می شود) کاربرد آن دسته از افزودنی های کاهنده آب که تمایل برای افزایش هوای موجود دارند، کاهش پیمانه مصرفی عامل محبوس کننده هوا را تا میزان 50 درصد ضروری نموده است. به طور خلاصه، حضور افزودنی های کاهنده آب می تواند میزان هوای موجود در بتن را تغییر دهد.
میزان هوای محبوس به دست آمده و همچنین پارامترهای طراحی اختلاط، مطابق بر نوع و کیفیت افزودنی مورد استفاده به طور قطع متغیر خواهند بود، اما عموما در سطوح پیمانه مصرفی معمولی (در یک اسلامپ 50 میلی متری از اختلاط شن یا ماسه با سیمان kg/m3300) تغییرات در میزان هوا همانند آنچه در جدول 11-1 نشان داده، قابل مشاهده است. در مواردی که افزودنی کاهنده آب برای ایجاد بتن با کارایی بالا برای موادی که منجر به افزایش هوای موجود می شود، اضافه می گردند، تقریبا 1 درصد هوای بیشتر نتیجه خواهد شد.
البته حضور هوای محبوس در چگالی کاهش یافته در مرحله شکل پذیر و سخت شده منعکس می شود و ااثر آن روی خصوصیات بعدی بتن سخت شده هم بعدا مورد بحث واقع خواهد شد.

کارایی

آسانی و سهولت که بتن می تواند توسط یک تنش اعمال شده در ان تغییر شکل دهد با نام کارایی بتن شناخته می شود و با آزمایش های استانداردی همچون ضریب فشرده سازی، سلامپ یا VeBe تحت شرایط انتخابی دلخواه در نمونه و مقدار تنش اعمال شده صورت می گیرد. میزان تغییر شکل حاصله تحت شرایط استاندارد به میزان ااصطکاک سنگدانه و مقاومت برشی یا ویسکوزیته خمیر سیمان بستگی خواهد داشت.

جدول 11-1 هوای محبوس توسط افزودنی های کاهنده آب

مرجع درصد میزان هوای اضافی نوع ماده شیمیایی دسته افزودنی کاهنده آب
]65-63[
]59[
]64-24[
]64[
]18[
]63[
]24[
]61-60[
]62[
2.7- 0.4
0.6- 0.3
0.3- 0.2-
0.5- 0.3
1.6- 0.8
2-1
0
0- 0.2-
2.6- 0.9
5-3
لیگنوسولفونات
لیگنوسولفونات+تریبیونیل فسفات
هیدروکربوکسیلیک اسید
CaCl2لیگنوسولفونات+ فرمیت یا
CaCl2لیگنوسولفونات+ فرمیت یا
لیگنوسولفونات با شکر زیاد
هیدروکربوکسیلیک اسید
لیگنوسولفونات روکنشگر
روکنشگر اسید هیدروکسی کربوککسیلیک اسید
معمولی
تسریع کننده
دیرگیر کننده
محبوس کننده هوا

اثری که افزودنی های کاهنده آب بر روی ویسکوزیته خمیر سیمان دارند جلوتر مورد بحث قرار گرفته است، اما آثار فاکتورها دیگری هم می توانند خواص بتن را تغییر دهند، همچون روان کردن (روغن کاری) ذرات سنگدانه ها در نسبت های بالاتر اختلاط سنگدانه به سیمان و ... .
زمانیکه یک افزودنی کاهنده آب معمولی، تسریع کننده یا دیرگیر کننده برای افزایش دادن کارایی اختلاط بتن مستقیما اضافه می شود، این فرض منطقی می باشد که دامنه تاثیر قویا متاثر از تغییرات در پارامترهای طرح اختلاط واقع می شود. پارامترهایی طرح اختلاط عبارتند از میزان سیمان، اندازه سیمان، شکل و دانه بندی، نسبت آب به سیمان و غیره می باشد. با این حال مطالعه ای که بر روی چند صد مورد از نتایج صورت گرفته حاکی از آن است که ین مورد موضوعیتی نداشته و شکل 26-1 رابطه میان اسلامپ اولیه و نهایی برای افزودنی های کاهنده آب در سطوح معمولی پیمانه مصرفی را به تصویر می کشد. نوع اسید هیدروکسی کربوکسیلیک عموما بیش از لیگنوسولفونات ها در افزایش میزان اسلامپ ظاهر می شود و این اختلاف در اسلامپ اولیه 0 تا 100 میلی متر حفظ می شود. این امر به هنگامی که فاکتورهایی همچون خیس شدگی و جذب سنگدانه ها، فرسایش میان ذرات سنگدانه، و آب اضافی کافی برای رسیدن به اسلامپ لازم در نظر گرفته شده باشد، عدم استقلال در پارامترهای طرح اختلاط احتمالا بر روی اثر افزودنی های کاهنده آب چندان غیر مترقبه نیست. در نتیجه تاثیر افزودنی های کاهنده آب فراتر از این الزامات است و تقریبا منجر به افزایش یکسانی در اسلامپ در محدوده اسلامپ اولیه می شود. این استقلال در تاثیر، تنها در رابطه با پارامترهای طراحی صحیح می باشد، به خصوص زمانیکه در رابطه با افزایش در کارایی باشد. در جایی که تغییر همزمان در نسبت آب به سیمان صورت گیرد، تعدادی از متغیرها بایستی در نظر گرفته شوند و این مورد را بعدا مورد بحث قرار می دهیم.
البته افزایش در کارایی حاصل تابعی از پیمانه مصرفی افزودنی مورد استفاده است و این مورد در شکل 27-1 لیگنوسولفونات ها و مواد اسید هیدروکسی کربوکسیلیک به تصویر کشیده شده است. این مورد هم تصدیق می شود که کندی در گیرش به صورت قابل توجه در سطوح با پیمانه مصرفی (Dose) بالاتر حاصل می شود.

(ج) کنترل کارایی

با ملاحظه شکل 28-1 می توان رابطه میان نسبت آب به سیمان و کارایی برای اختلاط های حاوی افزودنی های کاهنده آب در مقایسه با مخلوط هایی که حاوی این افزودنی ها نیستند را مورد مطالعه قرار داد. این شکل برای یک ملات حاوی افزودنی کاهنده آب معمولی غیر محصور می باشد. این شکل نشان می دهد که یک بازه مشخص از کارایی می تواند در بازه ای کوچک تر از نسبت های آب به سیمان برای یک اختلاط حاوی افزودنی حاصل شود. این امر در عمل بدان معنی است که تغییرات معمولی در آب اضافه شده با اختلاط ایجاد طیف گسترده تری از مقادیر اسلامپ را نموده که برای کنترل صحیح کارایی روش چاره سازی نیست. با این وجود، این تاثیر می تواند در امکان بازیابی در کارایی به وسیله افزودن آب بیشتر (یا تاثیر حداقلی بر کیفیت بتن به لحاظ مقاومت) سودمند تلقی گردد. این تاثیر به عنوان ابزاری برای اختلاط های بتن در معرض مخلوط شدگی در دماهای بالاتر مورد بررسی قرار گرفته است، که منجر به افت اسلامپ می شود. معلوم شد در مقیاس با بتن کنترلی که بدون افزودنی می باشد، میزان آب لازم برای بازیابی اصلی تا 20 درصد، به هنگامی که افزودنی کاهنده آب در اختلاط حضور داشته باشد، کاهش می یابد.

رابطه میان اسلامپ اولیه و اسلامپ پس از اضافه شدن افزودنی های کاهنده آب

شکل 26-1 رابطه میان اسلامپ اولیه و اسلامپ پس از اضافه شدن افزودنی های کاهنده آب

تاثیر اسلامپ بر روی سطوح اضافه شدگی متغیر افزودنی های کاهنده آب

شکل 27-1 تاثیر اسلامپ بر روی سطوح اضافه شدگی متغیر افزودنی های کاهنده آب

رابطه میان اسلامپ و نسبت آب به سیمان برای مخلوط های با و بدون افزودنی کاهنده آب

شکل 28-1 رابطه میان اسلامپ و نسبت آب به سیمان برای مخلوط های با و بدون افزودنی کاهنده آب

افت کارایی

برای قضاوت در مورد مناسب بودن به لحاظ کارایی و کیفیت بتن، آن را در یک مجموعه مشخص از نسبت های اختلاط با کارایی آن مورد قرار می دهند. معمولا این کار در اسلامپ قابل انجام است. به محض اینکه کارایی لازمه بتن به دست بیاید، افت پیش رونده در کارایی در طی زمان، همزمالن با اینکه فرآیند هیدراتاسیون جلو می رود، رخ می دهد. این فرآیند از طریق اختلاط، تخلیه، حمل، ریخته شدن، لرزانده شدن و مراحل پایانی کار ادامه می یابد و هرگونه تغییر در سرعت، که کارایی در آن با افت روبرو شود می تواند بر تمامی این مراحل تاثیر بگذارد. افت کارایی معمولا در مخلوط هایی که حاوی افزودنی های کاهنده آب هستند، بیشتر مورد تاکید قرار می گیرد و در شکل 29-1 به تصویر کشیده شده است. تمامی اختلاط ها برای اسلامپ اولیه (ASTM) به اندازه cm10 طراحی شده بود و حاوی سیمان 3000 بود. چنانکه در شکل 30-1 می بینیم، ظاهرا افزایش در پیمانه مصرفی افت اسلامپ را کم می کند.

بتون-زودگیر

بتون زودگیر

هر دو تصویر 29-1 و 30-1 افت اسلامپ در مخلوط هایی که برای اسلامپ اولیه ای معادل با مخلوط عاری از افزودنی به تصویر می کشد. با این وجود، هنگامی که افزودنی کاهنده آب برای افزایش کارایی به صورت اضافه شدن مستقیم استفاده می شوند، اگرچه که سرعت افت اسلامپ بیشتر از حالتی است که مخلوط حاوی افزودنی است، کارایی بالایی برای مدتی طولانی تر حفظ می گردد (چنانکه در شکل 31-1 نشان داده شده است.)

افت اسلامپ در طی زمان (Ravina)

شکل 29-1 افت اسلامپ در طی زمان (Ravina)

نتایج مشابهی برای افزودنی کاهنده آب دیرگیر کننده هیدروکسی کربوکسیلیک اسیدی به دست می آید و به لحاظ افت کارایی توسط آزمایش اسلامپ 1881 BS و توسط VeBe در شکل 32-1 اندازه گیری می شود. نتیجه گیری کلی که در این مورد می توان دست یافت آن است که کاربرد افزودنی های کاهنده آب دیرگیر کننده برای افزایش کارایی اولیه است، بنابراین سرعت اولیه افت اسلامپ جبران می شود و در زمان جابه جایی، حمل و تخلیه بتن ادامه می یابد. حتی این نوع از مواد برا یتولید بتن با کارایی معمولی استفاده می شوند. عموما افت اسلامپ فزآینده هیچ معضلی در تولید بتن معمولی ایجاد نمی کند، مگر در مواردی خاص همچون هوای بسیار گرم و یا حمل و نقل های طولانی. در این موارد میزان آب لازم برای تصحیح افت سلامپ کاهش داده می شود و این در حضور یک افزودنی کاهنده آب اتفاق می افتد. این عبارت در مورد اکثریت موارد کارکرد دارد، اما مواردی هم هست که افت شدید اسلامپ داشته ایم و مطابق برخی تحقیقات احتمال وقوع این امر در سیمان های با قلیایی بالا بیشتر است. این مسئله با اضافه شدن افزودنی ها پس از اینکه اجزاء اختلاط یک دوره  اختلاط اولیه 2 دقیقه ای را پشت سر گذاشتند به حداقل می رسد.

تاثیر سطوح متفاوت پیمانه مصرفی بر افت اسلامپ (Ravina)

شکل 30-1 تاثیر سطوح متفاوت پیمانه مصرفی بر افت اسلامپ (Ravina)

کاهش آب

گسترده ترین کارکرد افزودنی های کاهنده آب در کاهش دادن نسبت آب به سیمان (W/C) می باشد، درحالی که کارایی اولیه آن بتن در قیاس با بتنی عاری از افزودنی حفظ شود. در عوض، این امکان هست که حفظ مقاومت لازم در میزان سیمان کمتر برا یتاثیرگذاری بر اقتصاد طراحی اختلاط فراهم گردد. میزان کاهش آب ممکن بستگی به فاکتورهای متعددی دارد و این موارد در قسمت های بعد به طور خلاصه وار مرور می کنیم:

الف- نسبت سیمان به سنگدانه

بازدهی افزودنی های کاهنده آب و غیرمفید بودن نسبی آنها وابسته به نسبت "سنگدانه به سیمان" است. پلیمر هیدروکسی شده و انواع اسید هیدروکسی کربوکسیلیک از مواد لیگنوسولفوناتی در میزان های سیمان بالاتر (نسبت های سنگدانه به سیمان پایین تر) موثرتر هستند. درحالی که مواد لیگنوسولفوناتی عموما برای موازین سیمان کمتر (نسبت سنگدانه به سیمان بالا) در طراحی های اختلاط ترجیح داده می شود. داده های مقایسه ای متداول در شکل 33-1 نشان داده شده است. افزودنی های کاهنده آب بیشترین بازدهی را در نسبت های سنگدانه به سیمان در محدوده 5/6 تا 0/7 دارند.

افت اسلامپ با زمان در صورتی که افزوده شدن مستقیم عامل کاهنده آب صورت گیرد (Ravina)

شکل 31-1 افت اسلامپ با زمان در صورتی که افزوده شدن مستقیم عامل کاهنده آب صورت گیرد (Ravina)

افت اسلامپ با زمان وقتی اضافه شدن مستقیم عامل کاهنده آب اسیدی هیدروکسی کربوکسیلیک

شکل 32-1 افت اسلامپ با زمان وقتی اضافه شدن مستقیم عامل کاهنده آب اسیدی هیدروکسی کربوکسیلیک

ب- کارایی طراحی شده

هرچه کارایی مورد نیاز بیشتر باشد، هنگام اضافه شدن افزودنی کاهنده، آب کاهش در نسبت آب به سیمان بیشتری صورت می گیرد. بنابراین برای یک بتن معمولی 300 با سنگدانه شنی طبیعی و با یک ماسه ناحیه 3، مقادیر معمولی در جدول 12-1 برای یک سطح اضافه شدگی معمولی از کاهنده آب لیگنوسولفوناتی اعمال می شود.

ج- سطح اضافه شدگی

می توان سطح اضافه شدن افزودنی های آب کاهنده را به هنگام افزایش در سطح پیمانه مصرفی تغییر داد. مقادیر متداول در جدول 13-1 برای یک نسبت سنگدانه به سیمان 1:5.85و یک اسلامپ 50 میلی متر نشان داده می شود. میزان کاهش آب محتمل نیز تابعی است از شیوه ای که در آن افزودنی به بتن اضافه می گردد؛ چنانچه دوره زمانی بین اختلاط با آب پیش از اضافه شدن افزودنی مجاز باشد، جذب بیشتری از افزودنی در هیدرات های اولیه حاصل می شود،  و یک کارایی بالاتر یا به طور جایگزین کاهش بیشتری در نسبت آب به سیمان حاصل می گردد. در جدول 14-1 جزئیات را می توان مشاهده نمود.

کاهش ها در نسبت آب به سیمان به عنوان تابعی از نسبت سنگدانه به سیمان برای

شکل 33-1 کاهش ها در نسبت آب به سیمان به عنوان تابعی از نسبت سنگدانه به سیمان برای لیگنوسولفونات و عوامل کاهنده آب اسیدی هیدروکسی کربوکسیلیک

جدول 12-1 کاهش آب توسط عوامل کاهنده آب به عنوان تابعی از کارایی

درصد کاهش نسبت آب به سیمان اسلامپ طراحی (mm)
8-5
10-8
12-10
15-12
50
75
100
150

جدول 13-1 اثر سطح اضافه شدگی افزودنی های کاهنده آب روی کاهش آب

نسبت آب به سیمان سطح افزوده شدن نوع افزودنی کاهنده آب
0.55
0.51
0.49
0.47
0.55
0.48
0.46
عادی
عادی 2×
عادی 5×
 
عادی 2×
عادی 5×
بدون افزودنی
لیگنوسولفوناتی
بدون افزودنی
اسید هیدروکسی کربوکسیلیک

جدول 14-1 اثر تغییر دادن اضافه شدگی روی کارایی و یا کاهش آب (برگرفته از Dodson)

درصد کاهش آب اسلامپ (mm) نسبت آب به سیمان روش افزودن کندگیر کننده
ـ
6.8
6.8
13.6
100
88
163
81
0.59
0.55
0.55
0.51
بدون افزودن کندگیر کننده
افزودن با آب اختلاط
افزودن با تاخیر 2 دقیقه ای

د- ویژگی های سیمان

در مورد عوامل کاهنده آب بتن لیگنوسولفوناتی، بازدهی در کاهش نسبت آب به سیمان همراه با "افزایش در C3A" یا "میزان قلیایی"، تنزل می یابد. در یک آزمایش مقایسه ای با سه نوع سیمان که در میزان C3A از 44/9 تا 7/14 درصد متغیر هستند، درصد کاهش آب برای ماده ی لیگنوسولفونات کلسیم برای رسیدن به یک سطح کارایی مشابه از 4 تا 10 درصد تغییر می کند. همچنین نشان داده شده است که نسبت C3A/CaSO4 در تعیین اثر عوامل کاهنده آب بر روی روانی و سخت شدگی ثانوی خمیر سیمان مهم می باشد.

ه- نوع عامل کاهنده آب

چنانکه در جدول 15-1 هم نشان داده شده است، فرآورده های نمک های اسیدی هیدروکسی کربوکسیلیک در کاهش نسبت آب به سیمان موثرتر از لیگنوسولفونات ها هستند.

6LejitwhAAAAANvn8APaMURvuVWIRBhNqoFP0e9r