افزودنی های کاهنده ی جمع شدگی بتن چیست

هر آنچه که باید درباره افزودنی های کاهنده جمع شدگی بتن بدانید

کاهش رطوبت بتن در حین خشک شدن آن ، سبب کاهش حجم بتن شده و به دنبال آن سبب جمع شدگی بتن می شود . جمع شدگی در حال خشک شدن بتن زمانی که منجر به ایجاد ترک ( به سبب وجود قید های داخلی یا خارجی بتن ) ، ایجاد انحنا در دال های بتن و کاهش فشار تاندون ها در بتن پیش تنیده می گردد بسیار نامطلوب است . یکی از راه هایی که به منظور کاهش ترک های جمع شدگی به کار میرود استفاده از کاهنده های قوی آب یا فوق روان کننده های بتن است . یکی دیگر از روش هایی که برای کم کردن اثر جمع شدگی در بتن به کار میرود، استفاده از افزودنی های جبران کننده جمع شدگی است .روش کار این مواد بر اساس ایجاد انبساط در بتن برای مقابله با اثر جمع شدگی آن می باشد . روش دیگر استفاده از افزودنی های کاهنده جمع شدگی  است که در سال 1985 در ژاپن معرفی شدند . این افزودنی های شیمیایی بتن مکانیزم جمع شدگی را بدون ایجاد انبساط تغییر می دهند . این افزودنی ها بر پایه ترکیبات آلی بوده که سبب کاهش می یابد . استفاده از افزودنی های کاهنده های جمع شدگی در بسیاری از موارد کاربرد دارد . از جمله این موارد می توان به سازه های بتنی پیش ساخته، سازه های نگهدارنده های آب و بسیاری از دال های افقی از قبیل سقف،  کف و عرشه پارکینگ (یا پل ) اشاره کرد . این نوع افزودنی به دلیل حداقل کردن ترک ها ، سبب کاهش درزهای انقباض و انحنا در دال می شود .جمع شدگی بتن، تغییر حجم بتن است که به دلایل مختلفی و در زمان های متفاوتی از سن گیرش بتن رخ می دهد. 

✔ عوامل موثر در افزودنی های کاهنده ی جمع شدگی بتن

1-نسبت آب به سیمان 

2-عیار سیمان و نوع سنگدانه ها 

3- نوع سیمان 

4-طرح اختلاط 

5-نسبت سطح به حجم 

6-رطوبت نسبی و سایر شرایط محیط پیرامون بتن

✔ حالت های مختلف افزودنی های کاهنده ی جمع شدگی در بتن و ملات

الف)جمع شدگی در فاز پلاستیک

ب)جمع شدگی خود به خودی 

ج) جمع شدگی در زمان خشک شدن

الف) جمع شدگی پلاستیک

جمع شدگی پلاستیک زمانی اتفاق می افتد که نرخ تبخیر آب از سطح بتن تازه بیشتر از نرخ آب انداختگی باشد. این جمع شدگی در بیشتر مواقع قبل از گیرش نهایی به دلیل تبخیر سریع آب از سطح بتن که در معرض هوا قرار دارد رخ می دهد دمای زیاد بتن، سرعت زیاد باد و رطوبت کم، نرخ تبخیر آب از سطح بتن را افزایش می دهند. نرخ آب انداختگی نیز به عواملی همچون اجزای تشکیل دهنده بتن، نسبت های اختلاط، ضخامت المان مورد نظر و نوع تراکم و پرداخت سطح بتن بستگی دارد. ترک های ناشی از جمع شدگی پلاستیک معمولا موازی یکدیگر  بوده و فاصله آنها 3/0 الی 1 متر است . این ترک ها سطحی بوده و عمق آنها ۲۵ الی ۵۰ میلیمتر می باشد در مواردی که علاوه بر جمع شدگی پلاستیک جمع شدگی ناشی از خشک شدن نیز باعث تشدید شرایط می شود ترک ها می توانند تا عمق بیشتری نفوذ کنند.  این ترک ها معمولاً در المان های  بتنی نازک مانند دال ها, رو سازی ها, عرشه پلها, کف های های صنعتی,  پوشش تونل ها و سطوح ترمیمی که نسبت سطح به حجم زیادی دارند مشاهده می شود.  بتن های پرمقاومت که دارای نسبت آب به سیمان کم و حاوی مواد پوزولانی (روباره، خاکستر بادی و دوده سیلیس) هستند بیشتر در معرض ترکهای ناشی از جمع شدگی پلاستیک قرار دارند این نوع جمع شدگی در بیشتر مواقع در هفت روز اول پس از قالب گیری بتن رخ می دهد.

ب) جمع شدگی خود به خودی

جمع شدگی خود به خودی  در زمانی که بتن هنوز به حالت مایع می باشد رخ می دهد. این نوع جمع شدگی در واقع به سبب تغییر در اندازه ساختار خلل و فرج ریز بتن یا به عبارت دیگر به دلیل کاهش اندازه تخلخل و منافذ بتن رخ می دهد. این نوع از جمع شدگی به عنوان تابعی از میزان هیدراتاسیون سیمان در نظر گرفته می شود. در واقع محرک ایجاد این نوع جمع شدگی واکنش های شیمیایی است، هرچه هیدراتاسیون توسعه می یابد حجم مطلق کاهش می یابد. این تغییر حجم به علت انجام واکنش بین آب و مواد سیمانی تغییر و تغییر چگالی محصولات واکنش نسبت به مواد واکنش دهنده می باشد. به دلیل اینکه چگالی مواد اولیه واکنش از محصولات حاصل از آن کمتر است در نتیجه حجم مصالح موجود در مخلوط بتنی کاهش یافته و جمع شدگی خود به خودی در بطن رخ می دهد. 

 ج) جمع شدگی زمان خشک شدن

در آب و هوای خشک زمانی که اختلاف رطوبت نسبی بین بتن و هوای اطراف آن وجود داشته باشد جمع شدگی حاصل از خشک شدن رخ می دهد. به طور خلاصه این پدیده به تبخیر آب از سیمان هیدراته شده مرتبط می باشد. هنگامی که سیمان اشباع در معرض رطوبتی که کمتر از اشباع است قرار گیرد، بتن رطوبت را از منافذ مویینه بزرگ از دست می دهد و به دنبال آن جمع شدگی در بتن ایجاد می شود. در واقع بعد از گیرش نهایی بتن به دلیل تبخیر آب در خلل و فرج بتن به دنبال آن  کاهش حجم بتن به وقوع می پیوندد.
در بتن های پرمقاومت با مقدار آب کم، جمع شدگی حاصل از خشک شدن و جمع شدگی خود به خودی به دلیل اینکه احتمال وقوع ترک های شدید را افزایش می دهند بسیار مضر و خطرناک هستند . در بتنهای با مقاومت معمولی ( مقاومت ۲۸ روزه کمتر از ۳۴ مگاپاسکال ) جمع شدگی خود به خودی نسبت به جمع شدگی حاصل از خشک شدن از اهمیت کمتری برخوردار است. جمع شدگی به تنهایی باعث ایجاد ترک خوردگی در بتن نمی شود. ایجاد ترک در بتن به این موضوع بستگی دارد که بتن مقید شده است یا نه. در واقع نیروهای ناشی از قید های خارجی یا داخلی که به واسطه جمع شدگی بتن مقید شده ایجاد میشوند، باعث ایجاد ترک در عضو بتنی می گردد. به این دلیل که بیشتر مقاوم سازی سازه های بتنی توسط زمین، شالوده، آرماتور و یا سایر اعضای سازه مقید شده اند و این مسئله باعث ایجاد تنش های کششی می شود که در صورتی که مقدار تنش از مقدار مقاومت کششی بتن فراتر رود سبب پیدایش ترک در سازه بتنی می گردند.
یکی از راه هایی که به منظور کاهش ترکهای جمع شدگی به کار می رود استفاده از کاهنده های قوی آب یا فوق روان کننده ها است که به منظور کاهش نسبت آب به سیمان و مقدار سیمان در بتن به کار میروند. یکی دیگر از روش هایی که برای کم کردن اثر جمع شدگی در بتن به کار میرود استفاده از بتن جبران کننده جمع شدگی است.این روش بر اساس انبساط بتن به جای جمع شدگی آن می باشد. انبساط بتن در این روش به واسطه تشکیل اترینگایت (نوع K ، کلسیم سولفو آلومینات یا ترکیبات بر اساس کلسیم آلومینات ) یا تشکیل کلسیم هیدروکسید (ترکیبات بر اساس آهک ) به دست می آید. در این روش باید مراقبت های ویژه ای در زمینه جلوگیری از گیرش سریع، کاهش کارپذیری از همه مهمتر زمانی که انبساط توسط این روش رخ میدهد صورت گیرد. روش دیگر استفاده از افزودنی های کاهنده جمع شدگی است که در سال ۱۹۸۵ در ژاپن معرفی شدند و در سال ۱۹۹۵ به بازار آمریکای شمالی راه  پیدا کردند. این افزودنی ها به طور شیمیایی مکانیزم جمع شدگی را بدون ایجاد انبساط تغییر می دهند.

✔ نحوه عملکرد افزودنی های کاهنده ی جمع شدگی

علت اصلی جمع شدگی ناشی از خشک شدن، تبخیر آب از منافذ مویینه در خمیر سیمان هیدراته شده در سطحی از بتن که در معرض هوای محیط با رطوبت نسبی کمتر از منافذ مویینه قرار دارد می باشد. آب داخل منافذ مویینه که  آب آزاد نامیده می شود توسط نیروی مویینگی نگه داشته می شود که هرچه قطر منفذ کمتر باشد، این نیرو قوی تر خواهد بود زمانی که تنش کششی توسط نیروی کشش مویینه در خمیر سیمان هیدراته شده ایجاد میشود ، تنش حاصله از مقاومت کششی موضعی بیشتر شده و سبب ایجاد ترک در سازه بتنی می گردد.
بر اساس تئوری کشش مویینگی، مکانیزم جمع شدگی ناشی از خشک شدن بر اساس توسعه تنش سطحی در منافذ کوچک در خمیر سیمان موجود در بتن می باشد . هنگامی که آب داخل منافذ در اثر تبخیر کاهش می یابد، شکلی هلال مانند در سطح مشترک آب و هوا تشکیل می شود . کشش سطحی در قسمت هلالی دیواره های منفذ را به سمت داخل می کشد و به این ترتیب در اثر این نیروی داخلی وارد شده، جمع شدگی در بتن رخ می دهد . مکانیزم این نوع از جمع شدگی خمیر سیمان که توسط کشش سطحی رخ می دهد عمدتا به نسبت آب به سیمان بستگی دارد . از طرفی به نوع و نرمی سیمان و همچنین به سایر مواد به کار رفته در بتن از قبیل افزودنی ها و مواد سیمانی مکمل وابسته می باشد . این موارد بر پراکندگی و توزیع اندازه تاثیر می گذارد .
افزودنی های کاهنده جمع شدگی با کاهش نیروی کشش سطحی آب در منافذ، جمع شدگی را کاهش می دهد. افزودنی های کاهنده جمع شدگی در داخل مخلوط بتنی در طول اختلاط ریخته می شود . بعد از اینکه بتن سخت شد، این افزودنی در منافذ همچنان باقی مانده و کشش سطحی که منجر به جمع شدگی در اثر خشک شدن می شود را کاهش می دهد . بر اساس نتایج آزمونه های بتنی که در شرایط آزمایشگاه بتن و در شرایط کارگاهی به دست آمده است ، در صورت استفاده از افزودنی های کاهنده جمع شدگی در دامنه 5/1 تا 2 درصد بر اساس وزن سیمان ، جمع شدگی به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد . همچنین بر اساس برخی دیگر از تحقیقات انجام شده در صورت استفاده از نوع افزودنی ها در محدوده 1 تا 5/2 درصد می توان به مقدار دلخواهی از جمع شدگی بدون اثرات جانبی دست یافت .

✔ کاربرد افزودنی های کاهنده ی جمع شدگی بتن

استفاده از افزودنی های کاهنده های جمع شدگی در بسیاری از موارد کاربرد دارد . از جمله این موارد می توان به ترمیم سازه های بتنی پیش ساخته، سازه های نگهدارنده ها ی آب و بسیاری از دال های افقی از قبیل سقف، کف و عرشه پارکینگ اشاره کرد . این نوع افزودنی به دلیل حداقل کردن ترک ها، سبب کاهش درزهای انقباض و انحنا در دال میشود. در سازه هایی که مشکل نشتی آب وجود دارد استفاده از این نوع افزودنی ها سبب کاهش ترک ها خواهد شد. همچنین از افزودنی های کاهنده جمع شدگی در سازه های پیش تنیده به منظور کاهش از دست رفتن نیروی پیش تنیدگی به کار می رود . علاوه بر آن از افزودنی های کاهنده جمع شدگی برای جبران اثر استفاده از سنگدانه هایی با جمع شدگی زیاد استفاده می شود . در مورد آخرین کاربرد ذکر شده باید هزینه استفاده از این نوع افزودنی ها در مقایسه با استفاده از سنگدانه هایی با جمع شدگی کمتر بررسی شود.توصیه میشود که افزودنی های کاهنده جمع شدگی بعد افزودن کلیه افزودنی ها به مخلوط بتنی اضافه گردد . هرچه درصد استفاده از افزودنی های کاهنده جمع شدگی افزایش یابد ، جمع شدگی کاهش می یابد ، به شرط آنکه میزان سیمان, سنگدانه و افزودنی های کاهنده جمع شدگی باید ساخته شود تا طرح مخلوط بهینه برای دستیابی به جمع شدگی مد نظر تعیین گردد . باید توجه داشت افزودنی های کاهنده جمع شدگی می تواند با افزودنی های حباب ساز واکنش داده و حباب های هوا را ناپایدار کند.

✔ تاثیر مواد افزودنی کاهنده ی جمع شدگی بر بتن تازه و در حال سخت شدن

هرچند که هدف اصلی استفاده از افزودنی های کاهنده جمع شدگی ، کاهش جمع شدگی خود به خودی و ناشی از خشک شدن است ، این افزودنی می تواند بر مشخصات بتن تازه اثر گذارد . زمانی که این افزودنی به مقدار 2 درصد وزن سیمان بدون تنظیم حجم آب در مخلوط بتنی به کار میرود سبب افزایش اسلامپ می شود. هنگامی که حجم آب ثابت نگه داشته شود، استفاده از افزودنی های کاهنده جمع شدگی بر اسلامپ اثر ندارد . برخی از انواع افزودنی های کاهنده جمع شدگی اثر اندکی بر تعویق انداختن هیدراتاسیون نیز دارند و ممکن است زمان گیرش را تا حدود یک ساعت افزایش دهند . افزودنی های کاهنده جمع شدگی همچنین ممکن است مقدار و توزیع هوا در بتن یا پارامترهای بتن تازه را دستخوش تغییر کنند. هنگامی که از این نوع افزودنی در بتن دارای مواد افزودنی حباب ساز استفاده میشود، در اغلب موارد نیاز است که مقدار استفاده از مواد افزودنی حباب ساز افزایش یابد تا بتوان به فاکتور فاصله دلخواه دست یافت.

✔ اثر مواد افزودنی کاهنده ی جمع شدگی بر بتن سخت شده

جمع شدگی در اثر خشک شدن - مقدار کاهش جمع شدگی به شرایط هوای پیرامون بتن ( دما و رطوبت نسبی ) ، طرح اختلاط و مصالح به کار رفته بسیار وابسته است . به طور کلی در صورت استفاده از مواد افزودنی کاهش دهنده جمع شدگی ، جمع شدگی بتن حدود 30 تا 50  درصد کمتر می شود . دستیابی به مقدار بیشتر کاهش جمع شدگی مستلزم استفاده از مصالح و طرح اختلاط ویژه می باشد . اما باید به این نکته توجه کرد که مصالح را باید در مقادیر توصیه شده برای آن ها به کار برد .
مقاومت فشاری – تجربه نشان داده است که افزودن مواد کاهنده جمع شدگی به بتن تا مقدار 2 درصد بر اساس وزن سیمان می تواند مقاومت فشاری 28 روزه را تا حدود 15 درصد کاهش دهد . به طور کلی کاهش مقاومت در بتن هایی با نسبت آب به سیمان کم ، کمتر خواهد بود . کاهش مقاومت را میتوان با کاهش نسبت آب به سیمان با استفاده از افزودنی های کاهنده آب و یا کاهش جزیی مقدار افزودنی های کاهنده جمع شدگی به کار رفته خنثی کرد . برخی از تولید کننده ها پیشنهاد می کنند که با افزودن مقدار کافی افزودنی کاهنده آب و ثابت نگه داشتن مقدار سیمان ، می توان مقدار آب اختلاط را تا حدود  10 درصد کاهش داد.
ترک های حرارتی – مقدار زیادی از ترک های بتن ناشی از اثرات حرارتی هستند . ترک های حرارتی به دو دلیل عمده ایجاد می شوند : قطعات بتنی حجیم به دلیل تفاوت دمایی که داخل و خارج قطعه بتنی وجود دارد و در قطعات بتنی نازک به دلیل سرمایش کل صفحه بتنی دچار تغییر حجم می شود . افزودنی های کاهنده جمع شدگی سبب تاخیر در هیدراتاسیون سیمان شده و در نتیجه منجر به کاهش دمای حداکثر بتن می شوند . استفاده از این افزودنی ها سبب کاهش انقباض بتن در هنگام  خشک شدن شده و در نتیجه منجر به کاهش ترک های حرارتی می شوند.
انحنا – انحنای دال های بتنی به دلیل خشک شدن سطح بالایی دال و جمع شدگی سریع تر این بخش از دال رخ می دهد . در آزمایش انجام شده در دالی به ابعاد 44/2 × 22/1 متر ، استفاده از افزودنی های کاهنده جمع شدگی سبب کاهش انحنای ایجاد شده در دال می شود.
پارامترهای توزیع تخلخل، مقاومت در برابر چرخه ذوب و یخ و مقاومت در برابر پوسته شدگی ناشی از نمک 
به طور کلی مخلوط های بتنی شامل 6 درصد هوا یا بیشتر دارای فاکتور فاصله کافی در محدوده 100 تا 300 میکرون متر می باشند . بنابراین در برابر چرخه ذوب و یخ بخصوص در حضور نمک های یخ زدا مقاومت مناسبی از خود نشان می دهند . سورفکتانت های به کار رفته در افزودنی کاهنده جمع شدگی اگر چه سبب دستیابی به فاکتور فاصله مناسب می  شوند اما باعث می شوند که حفره های موجود در بتن راحت تر اشباع شوند و به این دلیل بیشتر در معرض آسیب ناشی از چرخه ذوب و یخ قرار گیرند . به نظر می رسد سورفکتانت های به کار رفته در افزودنی های کاهنده جمع شدگی به عنوان عا��ل مرطوب کننده عمل کرده و ورود آب به داخل بتن را تسهیل می کند . در این وضعیت دو مشکل ممکن است پدید آید . یکی آنکه به دلیل اشباع سطح رویه بتن ، سیکل ذوب یخ باعث ایجاد آسیب بشود حتی اگر توزیع تخلخل و فاصله آنها مناسب باشد . مشکل دوم این است که مواد افزودنی کاهنده جمع شدگی بر توزیع تخلخل ها تاثیر می گذارد و بنابر این بتن در برابر شرایط ذوب و یخ آسیب پذیر تر می شود . به این دلیل ساخت مخلوط های آزمایشی برای اطمینان از ایجاد تخلخل مناسب در بتن برای مقاومت در برابر شرایط سرما و یخبندان توصیه می گردد .

مواد افزودنی های کاهنده‌ی جمع شدگی بتن نیز در دهه 1980 میلادی معرفی شدند. از این مواد در پل‌ها، سازه‌ها و ساختمان‌هایی که ترک خوردگی و آسیب دیدگی بایستی به حداقل برسد، استفاده می‌شود. پروپیلین گلیکول و پلی اکسی‌آلکلین الکل از مواد معمولی هستند که از آن‌ها به عنوان کاهنده‌ی جمع شدگی در بتن استفاده می‌شود. آزمایش‌ها نشان داده که این نوع مواد، جمع شدگی را در بتن بین 25 تا 50 درصد کاهش می‌دهند. این افزودنی‌ بتن تاثیر چندانی بر روی اسلامپ و کاهش هوای بتن ندارند، اما گیرش بتن را به تاخیر می‌اندازند. اکثر افزودنی‌های کاهنده‌ی جمع شدگی بتن با دیگر افزودنی‌ها سازگار هستند و مشکلی ایجاد نمی‌کنند.

✔ افزودنی‌های شیمیایی کاهنده‌ی واکنش‌های قلیایی

افزودنی‌های شیمیایی که باعث کاهش و کنترل واکنش‌های قلیایی در بتن می‌شوند (افزایش حجم سنگدانه‌ها) در دهه 90 میلادی معرفی شدند. لیتیم نیتریت، لیتیم کربنات، لیتیم هیدروکسید، لیتیم آلومینیوم سیلیکات و نمک‌های باریم از موادی هستند که در آزمایش‌ها نشان داده شده باعث کاهش واکنش‌های قلیایی در بتن می‌شوند. برخی از این مواد پتانسیل این را نیز دارا هستند که از آن‌ها به عنوان جایگزینی برای قسمتی از سیمان نیز استفاده شود. به علت مصرف کم از این مواد، تجربه‌های زیادی از استفاده از آن‌ها در پروژه‌ها در دست نیست.

✔ افزودنی‌های رنگ‌افزون (رنگدانه‌ها)

از انواع رنگ‌های طبیعی و مصنوعی برای رنگ کردن بتن برای مقاصد امنیتی و ظاهری استفاده می‌شود. به طور مثال از بتن قرمز در اطراف خطوط برق یا لوله‌های گاز استفاده می‌شود تا به کسانی که نزدیک این سازه‌ها می‌شوند، اخطار داده شود. از بتن زرد برای ساخت موانع جاده‌ای استفاده می‌شود. به طور کلی، مقدار رنگدانه‌ی مورد استفاده در بتن نباید از 10 درصد از وزن سیمان تجاوز کند. رنگدانه‌هایی که مقدارشان از 6 درصد کمتر باشد، تاثیری بر روی دیگر خواص بتن نمی‌گذارند.
کربن اصلاح نشده برای مشکی کردن بتن به کار می‌رود. این ماده باعث کاهش هوای بتن نیز می‌شود. پیش از استفاده از این گونه مواد، بایستی بر روی آن‌ها آزمایش‌هایی صورت بگیرد تا پایداری شیمیایی، مقاومتشان در برابر آفتاب و تاثیرهای شان بر روی دیگر خصوصیات بتن مشخص شود. همچنین به همراه رنگدانه‌ها، نبایستی از کلسیم کلرید در بتن نیز استفاده کرد؛ زیرا باعث به هم ریختگی رنگ بتن می‌شود.

✔ افزودنی‌های کاهنده‌ی نفوذپذیری

افزودنی‌های کاهنده‌ی نفوذپذیری، نرخی را که در آن آب تحت فشار به بتن نفوذ می‌کند را کاهش می‌دهند. یکی از بهترین روش‌های کاهش نفوذپذیری در بتن، افزایش رطوبت بتن در هنگام عمل‌آوری و کاهش نسبت آب به سیمان به کم‌تر از 0٫5 می‌باشد. بیشتر افزودنی‌هایی که نسبت آب به سیمان را در بتن کاهش می‌دهند، به طور اتوماتیک میزان نفوذپذیری بتن در برابر آب را نیز کاهش می‌دهند.
برخی از مواد که از آن‌ها به عنوان جانشین سیمان در مخلوط بتن استفاده می‌شود مانند دوده‌ی سیلیس، به وسیله‌ی هیدراسیون و واکنش پوزولانی، نفوذپذیری بتن را کاهش می‌دهند. افزودنی‌های که با پر کردن فضاهای خالی در بتن، نفوذپذیری آن را کاهش می‌دهند؛ باعث کاهش خوردگی فولاد در بتن نیز می‌شوند. این افزودنی‌ها که برای استفاده در بتن‌هایی با نسبت آب به سیمان بالا و یا پایین تولیده شده‌اند، حاوی اسیدهای چرب، امولسیون پلیمری و مواد آروماتیک هستند.