مطالعات تجربی و آزمایشگاهی بر روی خواص بتن با تغییر نوع فوق روان کننده ها

چکیده: به عنوان یک مهندس عمران وظیفه ما کشف و شناخت روش ساخت بتن با کمترین نسبت سیمان آب و در عین حال حفظ کارایی لازم آن است.این مهم اکنون با ظهور فوق روان کننده ها به عنوان یک افزودنی بتن که نسبت آب به سیمان را کاهش می دهد – کاهنده های آب- امکان پذیر است. همچنین این دسته از افزودنی های بتن برای تولید بتن هایی با مقاومت بالا و روانی مناسب حین اجرا به کار می رود. این فوق روان کننده ها با مخلوط ها و طرح های اختلاط بتنی که در آن از افزودنی های خشکی مانند  خاکستر بادی FLY ASH و الیاف پلی پروپیلن PPC استفاده می شود هم سازگارند. در این تحقیق آزمایشگاهی اثر فوق روان کننده ها در بتن تازه و سخت شده مورد بررسی قرار گرفته است. این برنامه تحقیقاتی شامل بررسی نتایج آزمونهای کارایی ، کاهش اسلمپ و مقاومت فشاری نمونه های بتنی با فوق روان کننده ها و ابر روان کننده ها و کاهنده های آب متفاوت است .

 در این مطالعه تجربی هدف ، مقایسه خواص بتن با استفاده از سه خانواده مختلف فوق روان کننده های بتن با پایه متفاوت و برند تجاری و سازنده مشترک استفاده شده است. می توان این آزمایشات را با MTO BUILD D10  - ابر روان کننده کربوکسیلاتی کلینیک بتن ایران    MTO CRETE N540  فوق روان کننده نفتالینی کلینیک بتن ایران- و MTO PLAST D130 روان کننده بتن بر پایه لیگنو سولفونات- نیز انجام داد. نتایج آزمون های نمونه های بتنی بدست آمده از این محصولات در داخل کشور موجود و از سایت شرکت کلینیک بتن ایران قابل استخراج است.

فوق روان کننده بتن و کاهنده آب بر پایه پلیمرهای نفتالین سولفونات

ابر روان کننده بتن و کاهنده آب بر پایه پلی کربوکسیلات اتر

روان کننده بتن  بر پایه لیگنو سولفات اصلاح شده

با دو طرح اختلاط با درجه M20  و M40 برای نسبت مخلوط بتن با وزن استفاده شد. نسبت آب به سیمان نیز40% در نظر گرفته شد و با توجه به اینکه شرایط در دوز استاندارد هر یک از افزودنی های فوق روان کننده بتن بررسی می شد این مقدار برابر 0.25 % وزن سیمان مصرفی یا به عبارتی 250 گرم به ازای هر 100 کیلوگرم سیمان برای ابر روان کننده کربوکسیلاتی ، 1% فوق روان کننده بتن نفتالینی و 2 درصد برای روان کننده بتن در نظر گرفته شد.

کلمات کلیدی: افزودنی های بتن، فوق روان کننده بتن، اسلمپ بتن، کاهش نسبت آب به سیمان ، کم کردن مصرف سیمان، مقاومت فشاری بتن،آزمون های بتن

مقدمه

 اولین مرجع منتشر شده و شناخته شده برای استفاده از مواد آلی که موجب افزایش روانی سیمان می گردد و حاوی نمکهای سولفونات نفتالین پلیمریزه بوده در سال 1932 به دست آمده است.

تا اوایل دهه 1940 استفاده از لیگنوسولفونات و ترکیبات پیشرفته تر و بهینه شده از آن دنبال شد و در دهه های بعد ، شرکت های ساختمانی در آمریکای شمالی ، بریتانیا و سایر کشورها به دلیل اثبات نقش موثر این افزودنی بتن ، علاقه زیادی به استفاده از ابر روان کننده ها و فوق روان کننده های بتن نشان داده اند. کاهنده آب و فوق روان کننده با دامنه زیاد توسط ASTMC494 ، به ماده ای اطلاق می شود که عمدتا آب را در ماتریس بتن پراکنده می کند .این خاصیت به عنوان  ویژگی پراکندگی- روان کننده گی در ترکیب بتن نامیده می شود. بر اساس اعلام سازمان ملل متحد تا سال 2025 حداقل 20 ابر شهر با بیش از ده میلیون ساختمان در جهان وجود خواهد داشت. بتن با سیمان پرتلند متداول ترین مصالح ساختمانی در سراسر جهان است و انتظار می رود که استفاده از آن به دلیل کم هزینه بودن ، در دسترس بودن آسان و تطبیق پذیری ، و دامنه مصرف گسترده از بسیاری از سدهای عظیم گرفته تا ساختمان های مرتفع همچنان باب روز باشد.

فوق روان کننده های بتن و ابر روان کننده های بتن در سه گروه اصلی زیر طبقه بندی می شوند.

نفتالین فرمالدهید سولفونات پلیمر ها  یاSNF

پلیمرهای اتر پلی کربوکسیلیک یاPCEP

لیگنو سولفات های اصلاح شده یا MLS

البته دسته ی چهارمی هم وجود دارد که به دلیل مصرف های ویژه در این تقسیم بندی به آنها اشاره نمی شود.

امروزه در کلیه پروژه های مهم در سراسر جهان، منجمله در ساختمان های مرتفع ، بتنی پیش تنیده ، اجزا و اعضای سازه ای با مقاطع باریک  و یا اعضا و سازه هایی با آرماتورهای متراکم ، تیرها که سطح مقطع کمی دارند و سازه های بتنی پیش ساخته با ضخامت ها و نحوه کیورینگ متفاوت و ستون های بلند از فوق روان کننده های بتن یا ابر روان کننده های بتن استفاده می شود.

ابر روان کننده های بتن هم در هنگام ساخت بر بتن تازه اثر می گذارند و هم خواص بتن سخت شده را دست خوش تغییر قرار می دهند. در زیر به مواردی که فوق روان کننده های بتن بر مخلوط بتن تاثیر می گذارند اشاره شده است:

الف- کاهش تنش بین سطحی.

ب- جذب چند لایه ای مولکولهای آلی یا اصلی.

ج-رهاسازی آب به دام افتاده در بین ذرات سیمانی.

د- اثر بازدارندگی یا تسریع در هیدراتاسیون سیمان.

ه-تغییر شکل  سیمان هیدراته.

الف) شیمی فوق روان کننده های بتن

 تا اوایل دهه 1930 ، ترکیب بتن در درجه اول شامل سیمان ، آب و سنگدانه ها بود. کشف تصادفی مزایای ورود هوا در بتن توسط مواد افزودنی شیمیایی در دهه 1940 اولین موفقیت بزرگ در فناوری بتن بود. این یافته به سرعت منجر به تولید چندین ماده شیمیایی و مواد افزودنی شده که باعث افزایش خاصیت های مختلف بتن مانند کارایی ، تنظیم زمان گیرش اولیه و مقاومت اولیه ی بتن گردید. در اوایل دهه 1960 ، سیستم ها و مواد كاهش دهنده آب ( نسبت آب به سیمان در بتن) یا ابر روان کننده های بتن تولید و وارد بازار فن آوری بتونی شدند. ابر روان کننده های بتن، مواد افزودنی شیمیایی هستند که می توانند در مجموعه پراکنده سازهای پلیمری دسته بندی شوند (polymeric dispersants)  شاخه ای از پلیمرها هستند که از ساختار مواد پلاستیکی به همراه یک ماده آزاد که معمولا با یک کلوئید متصل شده و به پراکندگی ذرات کمک می کند و معمولا از یک یا چند سورفاکتانت Surfactant – موادی که کشش سطحی مواد دیگر مانند آب را کاهش می دهند- تشکیل شده است .

از نظر ساختار شیمیایی ، ابر روان کننده های بتن را می توان به طور گسترده به دو دسته کلی طبقه بندی کرد.

 دسته اول ، ابر روان کننده ها بر پایه ی سولفونات ها ، مهمترین گروه ابر پلاستیزایسر های بتن هستند که هم اکنون در صنعت بتن مورد استفاده قرار می گیرند. اولین و مورد پذیرش ترین ترکیبات این گروه ، پلی سولفوناتهای پلی بی -نفتالین (PNS) است که ساخت ساختار مولکولی آن با سولفون شدن نفتالین مذاب با اسید سولفوریک غلیظ در دمای بالا و فشار برای چند ساعت آغاز  و به دنبال آن تراکم سولفونات های b-نفتالین با فرمالدئید و سپس خنثی سازی با یک قلیای مناسب و تصفیه برای از بین بردن سولفات کلسیم انجام می شود. محصول حاصل ، مایع با رنگ تیره است که حاوی 30 تا 40 درصد مواد جامد ( ماده موثر) است.

سولفوناتهای پلی ملامین (PMS ) دومین خانواده از فوق روان کننده های بتن بر پایه سولفونات ها هستند. ساختار مولکولی رایج PMS مشابه PNS است که شرح آن در بالا رفت. سنتز این superplasticizer شامل چندین مرحله است. اول ، فرمالدئید با گروه های آمینه ملامین در شرایط قلیایی واکنش نشان می دهد و سپس بسته به میزان فرمالدئید / ملامین ، یک محصول اضافی حاوی یک یا چند گروه متیلول CH2OH  نیز دارد. سپس سولفون شدن یکی از گروههای متیلول با استفاده از بیسولفیت سدیم در همان شرایط قلیایی انجام می شود.سپس پلیمریزاسیون واحدهای مونومر سولفوناتها با گرم کردن خفیف در شرایط کمی اسیدی آغاز شده و سرانجام ، هنگامی که درجه مطلوب پلیمریزاسیون به دست آمده است ، با افزایش pH واکنش متوقف می شود و محصول نهایی برای از بین بردن هرگونه فرآورده جانبی غیر مطلوب فیلتر می شود.

دسته دوم ابر روان کننده های بتن را پلیمر های آلی کربوکسیلیک اسید تشکیل می دهند. از اوایل دهه 1980 چندین پلیمر پلی کربوکسیلات و به ویژه پلی اکریلات به عنوان ابر پلاستیک کننده بتن پیشنهاد شده است. پلیمرهای اکریلات پلی اتیلن از پلیمریزاسیون از ترکیب رادیکالهای  آزادی ( free radicals یون ، اتم و یا مولکول هایی با پوسته الکترونی ناقص که تجمع آن برای بدن مضر است) از مونومرهای اکریلیک - سایپرز به دست می آید. واکنش پلیمریزاسیون بین واحدهای مونومر با به طور معمول اسید اکریلیک CH2 = CH-COOH  یا اسید متاکریلیک  CH = C (CH3) -COOH و مشتقات استر این مونومرها ، تصورت گرفته و  پراکسید رادیکال آزاد آکریلیک با یک مونومر اکریلیک واکنش نشان می دهد تا یک رادیکال آزاد تیره تر تشکیل شود که به نوبه خود با یک مونومر سوم و غیره واکنش می دهد. این واکنش زنجیره ای تا زمان خنثی شدن رادیکالهای آزاد ادامه می یابد .

ب. فوق روان کننده های بتن و افزودنیهای معدنی و حفظ محیط زیست

 همانطور که گفته شد ، صنعت سیمان پرتلند یکی از مهمترین عوامل تولید  CO2 ای است که انسان تولید می کرده و در جو آزاد می کند. سیمان پرتلند حجیم ترین ماده مخلوط بتن پس از مصالح سنگی است و بنابراین جایگزینی جزئی آن توسط دوده سیلیس ، خاکستر بادی یا سایر فرآورده های افزودنی بتنی با کاهش میزان تولید و هزینه و انرژی مصرفی در صنعت متالورژی ممکن است موجب صرفه جویی قابل توجهی در انرژی و کاهش قابل توجه. انتشار گاز CO2 در جهان گردد. در سالهای اخیر تحقیقات متعددی با هدف توسعه بتن انجام شده است که در آن بخش قابل توجهی از سیمان (به طور معمول بین 20 تا 60٪) توسط فرآورده های فرعی صنعتی جایگزین می شود.

ج) نحوه عملکرد ابر روان کننده بتن:

می دانیم مقاومت فشاری بتن با نسبت آب به سیمان (W/C) رابطه عکس دارد و این از آن جهت است که با بالا رفتن حجم آب در مخلوط بتن فیلم سیمان دور سنگدانه ها رقیق شده و در نتیجه باعث افت مقاومت فشاری می گردد . آب عنصر حیاتی بتن است که در آن دو نقش اساسی بازی می کند:

 1) خاصیت رئولوژیکی (rheology به معنای روانی) لازم را به بتن می دهد

 2) در واکنش های هیدراتاسیون شرکت می کند.

بدین ترتیب در بتن ایده آل فقط باید مقدار کمی از آب مورد نیاز برای اخذ حداکثر مقاومت سیمان ناشی از هیدراته شدن و در عین حال کارایی کافی برای قرارگیری فیلم سیمان به دور سنگدانه های مخلوط بتن را فراهم کند. با این حال ، از آنجا که ذرات سیمانی تمایل زیادی به لخته و سخت شدن در هنگام تماس با آب دارند ، برای دستیابی به سطح مشخصی از کارایی ، لازم است آب بیشتری اضافه شود . از آنجایی که این آب اضافی هرگز در واکنشهای هیدراتاسیون مورد استفاده قرار نمی گیرد ، باعث ایجاد تخلخل در خمیر سیمان آبرسان شده و در نتیجه موجب تضعیف خواص مکانیکی بتن و کاهش دوام آن می شود. ابر پلاستیک ها و فوق روان کننده های بتن عوامل پراکندگی قدرتمندی هستند که با شکستن کشش سطحی آب اجازه می دهند ملکول های آب خمیر سیمان را به دور سنگدانه ها انتقال دهند. مانند اکثر عوامل پراکنده کننده در محلول های آبی ، آنها ابتدا با جذب شدن روی سطح ذرات سیمان عمل کرده و با غلظت متداول در بتن بر روی ذرات سیمان جذب می نشینند. جذب PNS با بار منفی بر روی سطح ذرات سیمانی که بار منفی نیز دارند ، با حضور یون های کلسیم که در محلول سیمان  حل شده اند ، امکان پذیر است.

پس از جذب ابر روان کننده، چندین اثر فیزیکی و شیمیایی در خمیر سیمان رخ می دهد. به عنوان مثال ، مولکولهای فوق روان کننده ممکن است با به حداقل رساندن تماس بین ذرات خمیر سیمان از طریق نیروی دافعه الکترواستاتیک و یا القای نیروی دافعه در کوتاه مدت به حرکت خمیر بین لایه های پلیمری کمک کنند. همچنین ممکن است مولکولهای فوق روان کننده بتن بر روی آلومینات سیمان (بخصوص C3A)  نشسته و در واکنش هایی که کنترل هیدراتاسیون اولیه را C3A کنترل می کنند ، با یون های SO4 به رقابت بپردازند.

مصالح سنگی مورد استفاده برای ساخت نمونه های بتن

 سیمان پرتلند تیپ 2 ، مصالح متشکل از شن و ماسه طبیعی و درجه بندی و الک معمول مشابه آنچه در سایت های ساخت و ساز عمرانی استفاده می شود.

سری شماره 1 طراحی مخلوطهای درجه M20 و M40 تهیه شده در آزمایشگاه طبق IS 10262: 2009. چهار مخلوط با هر نوع سوپر پلاستیک سازها برای 12 مخلوط تولید شده است.

سری شماره 2 به منظور بررسی اثر سوپر پلاستیسایزرها در تست های اسلمپ کارآیی انجام شد و بررسی میزان افت اسلمپ در طی زمان مشاهده شد.

سری شماره 3 برای بررسی تأثیر مکعب های مقاومت فشاری 15×15×15 سانتیمتر در سنین 7 ، 14 ، 28 روز مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج در جدول نشان داده شده است.

نتیجه گیری و تحلیل

جدول 1 نتیجه آزمون مقاومت فشاری در نسبت w / c ثابت بتن با درجه M20

همانطور که در تصویر نشان داده شده بتن معمولی با آهنگ قابل پیش بینی در مقاومت 7 روزه کمی بالا تر است ( احتمالا ویژگی دیرگیری فوق روان کننده های بتن در کم تر بودن مقاومت فشاری نمونه های دارای افزودنی بی تاثیر نیست) و استحکام منطبق با طرح را در 28 روز به دست می آورد. بالاترین رنج مقاومت فشاری مربوط به ایر روان کننده کربوکسیلاتی است. که در مقاومت 28 روزه و 90 روزه فاصله زیادی ایجاد کرده است.

 جدول 2 نتیجه آزمایش نمودار نشانگر مقاومت فشاری در نسبت w / c ثابت بتن با درجه M40

مشابه طرح قبلی و مطابق انتظار در شرایط برابر نسبت آب به سیمان با افزایش غلظت سیمان در طرح ، بتن های دارای افزودنی فوق روان کننده بتن بهتر از بتن معمولی عمل کرده و از این جهت نوع کربوکسیلاتی به مراتب قوی تر است. البته باید به این نکته توجه کرد در شرایط اجرای واقعی ممکن است مقاومت 55 مگا پاسگال برای پروژه ضرورتی نداشته باشد لذا معیار انتخاب علاوه بر قدرت افزودنی، مقرون به صرفه بودن آن نیز هست.

جدول3 – اسلمپ بتن در هر 10 دقیقه پس از اختلاط فوق روان کننده بتن برای طرح M20 با نسبت آب به سیمان 40/0

نمودار فوق بیان می کند که بتن معمولی در لحظه ورود و در هوای نرمال بلافاصله می بایست مورد استفاده قرار گیرد، برای بتن ریزی های طولانی تر استفاده از فوق روان کننده های بتن الزامی است. افزایش اسلمپ و روانی بتن به علاوه مدت زمان روانی خوب مجددا از آن ابر روان کننده کربوکسیلاتی است لذا توصیه می شود برای بتن ریزی در ارتفاع، سازه هایی که طراحی پیچیده و یا تراکم میلگرد بالایی دارند و نیز سازه های عمودی با مقاطع کوچک مانند ستون ها حتما از فوق روان کننده بر پایه کربوکسیلات اتر استفاده شود. همچنین در طرح M40 با افزایش میزان سیمان عملا روان کننده لیگنو سولفات کارایی خود را از دست می دهد.

جدول4 – اسلمپ بتن در هر 10 دقیقه پس از اختلاط فوق روان کننده بتن برای طرح M40 با نسبت آب به سیمان 40/

 نتیجه گیری این مقاله به منظور بررسی تأثیر افزودنی فوق روان کننده در خواص بتن با استحکام مشخصه 20 و 40 N / mm انجام شد. خواص مورد بررسی کارایی (اسلمپ) و مقاومت فشاری بود. با توجه به شواهد در مورد نتیجه آزمایش می توان اظهار داشت که خصوصیات بتن در مراحل تازه و سخت شده با افزودن سه نوع روان کننده بتن،بهبود یافته است ، افزایش مقاومت فشاری ، کارایی ، کاهش آب ، نیاز به صرفه جویی در سیمان بتن. از نتایج استفاده از فوق روان کننده ها در مخلوط بتنی است که کاملا کارایی بتن را افزایش داد. با این حال ، برتری نسل سوم روان کننده های بتن، یعنی پایه پلی کربوکسیلات در نتایج بدست آمده مشهود می باشد.

مقاله مطالعات تجربی و آزمایشگاهی بر روی خواص بتن با تغییر نوع فوق روان کننده ها ،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.