افزودنی بتن لیگنو یا لیگنوسولفونات

افزودنی بتن لیگنو یا لیگنوسولفونات

لیگنوسولفونات ها

لیگنین یک ماده پیچیده است که تقریبا 20 درصد ترکیب چوب را تشکیل می دهد. در طی فرآیند تولید و ساخت خمیر کاغذ از چوب، یک مایع اضافی تولید می شود که به عنوان یک محصول ضمنی حاوی مخلوطی پیچیده از مواد، از جمله فرآورده های تجزیه لیگنین و سلولز، محصولات سولفوناتی لگنین، انواع گوناگون کربوهیدرات ها (شکرها) و اسید سولفروس های آزاد یا سولفات ها است. خنثی سازی بعدی، فرآیندهای رسوب گذاری و تخمیر ایجاد طیفی از لیگنوسولفونات ها با شفافیت و خلوص گوناگون را می کند. ترکیباتی هم بسته به تعدادی فاکتورها همچون خنثی سازی قلیایی، فرآیند خمیری شدن، درجه تخمیر و حتی نوع و سن چوب مورد استفاده قرار می گیرد.

جدول 1-1 فرمولاسیون های افزودنی های کاهنده آب

لیگنوسولفونات های تجاری مورد استفاده در فرمولاسیون های افزودنی ها عمدتا بر مبنای سدیم یا کلسیم با میزان شکر 1 تا 30 درصد هستند. تحلیل های متداول از دو افزودنی کاهنده آب لیگنوسولفونات موجود تجاری در جدول 2-1 نشان داده شده است.
مولکول لیگنوسولفونات یک واحد جایگزین شده فنیل  پروپان حاوی گروه های هیدروکسیل، کربوکسیل، متوکسی و اسید سولفونیک است. این یک نمایش محتمل پلیمری از واحدهای تکراری نشان داده شده در شکل 4-1 است. این پلیمرها نوعا دارای وزن مولکولی میانگین حدود 20 تا 3000 در بازه ای که از چند صد تا 100000 متغیر می باشند. این بازه وزن مولکولی نشان می دهد که در لیگنوسولفونات (بسته به شیوه و شرایط) تصفیه صورت می گیرد. تعداد سه تا ز چنین روش هایی، به نام های فوق فیلتراسیون، عملیات حرارتی در PH مشخص و تخمیر استفاده می شوند.
تا به حال دریافته ایم که پلیمر لیگنوسولفونات یک گروه منعطف خطی نمی باشد. چنانکه در بسیاری موارد وزن مولکولی سطح بالا داشته ایم، بلکه این پلیمر لیگنوسولفونات میکروژل های کروی، از نوع نشان داده شده در شکل 6-1 را تشکیل می دهد. بنابراین بارها عمدتا بیرون کره بر روی گروه های کربوکسیل داخلی سولفونات غیره یونیزه شده است. مطالعات جریان موید آن است که لیگنوسولفونات ها تنها 20 تا 30 درصد یونیزه می شوند.

جدول 1-2 تحلیل های متداول از افزودنی های کاهنده آب لیگنوسولفوناتی (برگرفته از Edmeades)

شکل 1-4 واحد تکرار شونده یک مولکول لیگنوسولفونات

شکل 1-5 توزیع وزن مولکولی یک لیگنوسولفونات متداول

شکل 1-6 نمایش شماتیک یک واحد میکروژل پلی اکترولیت

شکرهایی که در لیگنوسولفونات قرار دارند به لحاظ نوع و غلظت، بسته به منبع، نوع و درجه تصفیه ای که رخ می دهد متغیر می باشند. در فرآیند تخمیر میکروارگانیسم های استفاده شده ترجیحا از هکسوس ها به جای پنتوس ها استفاده می کنند، بنابراین شکرهای پس ماند در لیگنوسولفونات های تصفیه شده عمدتا پنتوس ها هستند. انواع شکرها در شکل 7-1 و جدول 3-1 نشان داده شده است. تفکیکی از سکرهای سافته شده در آب قلیایی سولفیتی و دو نوع افزودنی کاهنده آب تجاری را می بینیم.
گرچه چندین نمک گوناگون از لیگنوسولفونات ها به لحاظ تجاری در دسترس هستند، مشتقات سدیم و کلسیم بیشترین کاربرد را در فرمولاسیون افزودنی ها دارند. نمک سدیم تمایل به حفظ انحلال پذیری در دماهای پایین دارد، بنابراین از رسوب گذاری در شرایط زمستانی ممانعت می کنند. به علاوه، نمک سدیم در درجه یونیزه شدن بالاتری نسبت به نمک کلسیم در محلول دارد. این مطلب در مشاهده اینکه محلول های با غلظت بالاتر نمک کلسیم برای به دست آوردن کاهش یکسان در نسبت آب به سیمان مورد نیاز، بازتاب می یابد. این کاهش نسبت با استفاده از پیمانه مصرفی یکسان در افزودنی های کاهنده آب که پایه سدیم- نمک دارند، مشاهده می شود. با این وجود، مواد خام لیگنوسولفونات کلسیم از لیگنوسولفونات های سدیم ارزان تر هستند، بنابراین غلظت های بالاتر را می توان بر مبنای هزینه- بازده تقریبا مساوی به دست آورد.

جدول 3-1 آنالیز شکرها در مواد لیگنوسولفونات (برگرفته از Mouton و Joisel)

شکل 7-1 فرمول شکرهای ساخته شده در مواد لیگنوسولفونات خالص سازی شده و اصلاح نشده

موارد زیر در مورد فرمولاسیون افزودنی ها از لیگنوسولفونات ها (جدول 1-1) وابسته می باشند:
1- بسیاری از لیگنوسولفونات ها، به خصوص آنهایی که خلوص پایین تری دارند یا از لگنین های چوب سخت تولید شده اند، نسبت کمی از هوا را داخل بتن محبوس می کنند. این امر در مورد ماده های محبوس کننده هوایی که به منظور ارتقاء دوام یا به هم چسبندگی مورد نیاز است، مطلوب می باشد. اما اغلب اثرات جانبی ناخواسته ای را به بار می آورد. بنابراین در تولید افزودنی های کاهنده آب معمولی، عوامل خارج ساز هوا را می توان اضافه نمود. ماده معمول و رایج تریبیوتیل فسفات می باشد، آن هم در سطح پایین تر از 1 درصد لیگنوسولفونات، اگر چه دیبیوتیل فنالات، الکل های غیر محلول آبی، استرهای بورت و مشتقات سیلیکون هم کاربردهایی دارند.
2- البته خود مولکول لیگنوسولفونات و شکرها د رمواد لیگنوسولفونات حضور دارند و قطعا اثر دیرگیر کنندگی بر هیدراتاسیون سیمان دارند. در حالتی که مواد حاوی شکر بالاتری داریم، از این مواد برای ایجاد افزودنی های کاهنده آب دیرگیر کننده استفاده می شود و این امکان را فراهم می آورد که زمان حمل و نقل و تخلیه طولانی تری برای بتن در اختیار داشته باشیم. با این حال، برای افزودنی های کاهنده آب معمولی، این مورد یک اثر جانبی نامطلوب تلقی می شود. در نتیجه، اضافه شدن تری اتانولامین به صورت گاه به گاه و در سطح حدود 15 درصد میزان لیگنوسولفونات افزودنی می باشد. در این سطح اضافه شدن، تری اتانولامین به عنوان یک تسریع کننده عمل می کند و اثر درگیر کنندگی لیگنوسولفونات و ناخالصی های آن را جبران می نماید. تحقیقات نشان داده که این امر اثرات زیان بار مشخصی بر بعضی خصوصیات بتن نهایی به جای می گذارد.

بتن با دوام

3- افزودنی های کاهنده آب تسریع کننده ترکیباتی ساده هستند که از کلسیم کلرید، نیترات، تیوسیانات یا با یک لیگنوسولفونات و یا یک نمک اسیدی هیدروکسی کربوکسیلیک تشکیل می شود. در بعضی موارد شاید نتوان امکان یک محلول کاملا بدون رسوب را به دست آورده و نیاز به هم زده شدن مخازن ذخیره ضروری باشد. نوعا، مخلوطی ااز کلسیم کلرید به میزان 33 درصد، و لیگنوسولفونات کلسیم به میزان 4 درصد وزنی در آب استفاده می شود.
4- چنانکه قبلا هم بیان شد، در جایی که 2 تا 3 درصد هوای اضافی مورد نیاز باشد، افزودنی های بتن کاهنده آب محبوس کننده هوا حاوی لیگنوسولفونات هایی هستند که می تواند بر مبنای مواد خام لیگنوسولفونات غیر خالص باشد. با این حال، این هوا ممکن است که به لحاظ پایداری، نوع و میزان آن مطلوب ما نباشد، در نتیجه مقادیر اضافی از روکنشگرها تهیه می گردد. چندین نوع مختلف افزودنی می تواند مورد استفاده قرار گیرد اما در اغلب مواد بر مبنای سولفونات های آلکیل- آریل هستند (مثلا سولفونات بنزن دو دسیل سدیم) یا صابون های ااسید چرب (مثلا نمک سدیم یا اسیدهای چرب روغن تال). اضافه شدن این نوع افزودنی ها به ترکیب، لحاظ شدن هوای پایدار کافی با اندازه حباب صحیح را ممکن می سازد تا بتواند با الزامات مربوط به دوام تحت شرایط ذوب- انجماد همخوانی برقرار کند.