عوامل کاهنده آب در بتن

عوامل کاهنده آب در بتن

افزودنی های کاهنده آب آن دسته از فرآورده ها هستند که این قابلیت را دارند که بتنی با یک کارایی مشخص را تولید کنند، آن هم با نسبت آب به سیمان کمتری از نسبت آب به سیمان بتن کنترلی که حاوی هیچگونه افزودنی نباشد.
در سال 1932 اولین مراجع منتشر شده معروف برای کاربرد مقادیر پایین مواد ارگانیک به منظور افزایش روانی ترکیبات حاوی سیمان منتشر شد، که در آن ادعا شد که نمک های سولفونات فرمالدهید نفتالین پلیمری شده، نقش سودمندی در کارایی بتن دارند. این امر طی اواسط دهه 1930 تا اوایل دهه 1940 توسط چندین منبع که نسبت به کاربرد لیگنوسولفونات ها توجه داشتند پیگیری شد و ترکیبات بهبود یافت.
لیگنوسولفونات ها تقریبا اساس تمامی افزودنی های کاهنده آب در دسترس را تا دهه 1950 تشکیل می دادند که نمک های اسید هیدروکسی کربوکسیلیک توسعه پیدا کرد و توانست جایگاهی مهم، اما حداقلی را در این دسته از محصولات به خود اختصاص دهد. موادی همچون گلوکز و پلیمرهای هیدروکسی که از هیدرولیز نسبی پلی ساکاریدها به دست می آید. تا حد زیادی در شمال آمریکا مورد استفاده واقع شده اند. پلیمرها معمولا وزن مولکولی پایینی دارند و حاوی واحدهای گلوکسید در محدوده 3 تا 25 هستند. به علاوه، دیگر مواد شیمیایی و انواع افزودنی ها در فرمولاسیون افزودنی های کاهنده آب لحاظ شدند، تا پنج نوع در این دسته تولید شود.

فوق روان کننده نفتالینی

افزودنی های کاهنده آب معمولی این امکان را می دهند که نسبت آب به سیمان با یک کارایی مشخص، بدون اینکه چندان هم بر خصوصیات گیرش بتن تاثیر گذار شود، کاهش یابد. در عمل، این تاثیر به صورت زیر انجام می گیرد:
1- با اضافه کردن افزودنی به همراه کاهش در نسبت آب به سیمان، در شرایطی که مقاومت های فشاری غیر محصور شده در تمام سنین بتن از مقاومت های کنترلی بالاتر می رود، بتنی دارای کارایی یکسان (به مانند بتن کنترلی) می تواند حاصل شود.
2- چنانچه افزودنی مستقیما به بتن به عنوان قسمتی از آب اندازه گیری شده اضافه گردد (بی هیچ تغییر دیگری در نسبت های مخلوط) بتنی دارای خصوصیات مقاوتی مشابه بهتر حاصل می شود، درحالی که کارایی بسیار بیشتری از بتن کنترلی دارد.
3- می توان بتنی با کارایی مشابه و خصوصیات مقاومتی بهتر، در شرایطی که سیمان کمتری از بتن کنترلی داشته باشیم را به دست آورده، بی آنکه به طور معکوس بر دوام یا خصوصیات بتن تاثیر داشته باشد.
در هر یک از این سه راه کاربرد، این نوع افزودنی را می توان به عنوان عامل صرفه جویی در سیمان تلقی کرد، چنانچه در شکل 1-1 به تصویر کشیده شده است.

شکل 1-1 مفهوم مخلوط های متناظر

در نتیجه مخلوط های متناظر که عبارتند از مخلوط هایی که کارایی یکسان و خصوصیات مقاومتی 28 روزه مشابه دارند، و در عین حال مخلوط آنها حاوی افزودنی های کاهنده آب است، میزان سیمان کمتری نسبت به دیگر مخلوط ها خواهد داشت. البته در عمل، پارامترهای کارایی و مقاومت براساس ضوابط در موقعیت های ویژه دیکته می گردند؛ مثلا در مواردی که میزان فولاد بالا داریم، کارایی بالا هم مورد نیاز است. در حالی که در تولید تیرهای پیش تنیده، کارایی خیلی پایین مورد نیاز است. در هر دوی این حالت ها الزامات مربوط به بتن حاوی افزودنی ها، چه این بررسی مربوط به فاکتورهای مقاومتی باشد یا مربوط به دوام، یا مربوط به ملاحظات آماری همچون انحراف استاندارد، نتایج مخلوط های متناظر باید مدنظر قرار گیرد.
اگرچه مقایسه تصویری در شکل 1-1 نشان داده شده است و در قسمت فوق مورد بحث قرار گرفت، رسیدن به مقاومت و کارایی بالاتر، در مواردی که میانگین چگالی سیمان تا حدود kg/m3350 باشد، با افزایش بیشتر میزان سیمان مشکل می باشد. در همین محدوده است که افزایش های قابل توجهی در مقاومت به دست آمده می توانیم داشته باشیم، بی آنکه هزینه و اثرات جانبی نامطلوب ناشی از افزودنی های سیمان را شاهد باشیم.
دیگر اعضای گروه افزودنی های آب کاهنده دارای کاربردهایی هستند که نمی توان آنها را از ملاحظات طراحی مخلوط به دست بیاید. افزودنی های کاهنده آب تسریع کننده، از سویی دارای قابلیت آب کاهندگی دسته «معمولی» را داشته و از سویی دیگر مقاومت های بالاتری را در طی دوره هیدراتاسیون اولیه دارند و از زمان گیرش سریع تری برخوردارند. افزودنی مذکور این اجازه را می دهند که اتمام عملیات (به خصوص در دماهای پایین) به صورت زمان بندی شده انجام گیرد.
نوع خاصی از افزودنی های آب کاهنده تسریع کننده نیز هست که کاربری فرآینده ای دارد و در آمریکای شمالی به عنوان «افزودنی کاهنده ی آب حد میانی» شناخته می شود. این نوع فرآورده از مواد کاهنده آبی که اثرات تاخیری در زمان گیرش حداقلی دارند استفاده می کند. موادی (همچون لیگنوسولفونات های فرآوری شده با شکر کم، یا ترکیباتی از لیگنوسولفونات ها با فوق روان کننده ها) متشکل از نسبت های بالای تسریع کننده ها (کلرید یا غیر کلریدی)، و اغلب یک روکنشگر (surfactant) غیر یونی هستند. عامل کاهنده آب حد میانی می تواند در پیمانه های بالاتر (Higher Dosages) استفاده شود و از این رو کارایی بیشتری را ایجاد می کند. حالت دیگر اینکه کاهش آب بدون ادامه یافتن زمان گیرش به سطوح غیر قابل قبول صورت می گیرد.
افزودنی های کاهنده ی آب دیرگیر کننده هم به صورت مشابه با مواد "معمولی" رفتار می کنند. اغلب با ترکیب شیمیایی مشابهی استفاده می شوند و سطح پیمانه مصرفی بالتری قرار دارند، اما از طرفی مدت زمانی را که طی آن بتن در حالت شکل پذیر است را افزایش می دهد. این به آن معناست که زمان برای حمل و نقل، جابه جایی، تخلیه و اتمام کار، ��یشتر افزایش می یابد. در واقع، گرچه که چندین ماده موجود هستند که تنها اثری تاخیری بر بتن دارند و در ظرفیت کاهندگی آب یا هیچ تاثیری ندارند (یا اثر خیلی کمی دارند) اما اکثریت مواد (حدود 95%) به نام «دیرگیر کننده ها» در واقع افزودنی های کاهنده آب دیرگیر کننده هستند و در این کتاب با این خصوصیت مورد ملاحظه قرار گرفته اند.
چگونگی تاثیر چهار نوع افزودنی های آب کاهنده مورد بحث بر خصوصیات مقاومتی بتن حاوی آنها در شکل 2-1 نشان داده شده است. هر چهار مخلوط بتنی طوری طراحی شده اند که تقریبا مقاومت 28 روزه یکسانی دارند. یعنی مخلوط های حاوی افزودنی تقریبا به میزان 10 درصد، سیمان کمتری از مخلوط های کنترلی دارند. عوامل کاهنده آب محبوس کننده هوا دارای ااین قابلیت هسند که حباب های هوای میکروسکوپی را در خمیر سیمان نگه دارند. درحالی که امکان کاهش در نسبت آب به سیمان، بیش از آنچه که توسط خود هوای محبوس به دست می آید را دارند. این عوامل به فرم معمولی و تاخیری در دسترس هستند و همچنین در دو دسته قرار می گیرند. بسته به سطح هوای محبوس، ولین نوع تنها حدود 1 الی 2 درصد هوای اصافی را جذب می کند. معمولا برای افزایش سطح داخلی بتن به منظور پوشش مجدد هرگونه نقص و آسیب در دانه بندی ذرات ریزدانه از این نوع استفاده می شود. نوع دوم در بتن های حاوی 3 الی 6 درصد هوا است، و به منظور ارتقاء دوام بتن در شرایط ذوب- انجماد استفاده می گردد.

شکل 2-1- رشد مقاومت فشاری بتن حاوی انواع مختلف افزودنی های کاهنده آب

مزیت های استفاده از این نوع از مصالح و مواد که جایگزین عامل محبوس کننده هوای مستقیم هستند، بیشتر برپایه حداقل سازی اثرات تخریبی است که هوای محبوس بر روی مقاومت فشاری می گذارد. چنان که در شکل 3-1 هم نشان داده شده است. بنابراین در یک مخلوط بتن معمولی تا میزان 3 درصد هوا می تواند بی هیچ تغییری در طرح مخلوط یا کاهش در مقاومت فشاری، به هنگامی که افزودنی کاهنده آب محبوس کننده هوا استفاده می شود، باقی بمانند.

شکل 3-1- تاثیر محبوس شدن هوا بر روی مقاومت فشاری بتن حاوی عامل محبوس کننده هوای کاهنده ی آب و یک عامل محبوس کننده هوای معمولی

مباحث شیمیایی مربوط به افزودنی های کاهنده آب

اگرچه طیف وسیعی از افزودنی های بتن به لحاظ تجاری در بازار تحت چندین دسته بندی اقتصادی به نام های ضد آب ها، متراکم کننده ها، آسان ساز کارایی و ... در دسترس هستند.
در نتیجه می بینیم که تنها سه ماده شیمیایی مبنای همه افزودنی های کاهنده آب را شکل می دهند وجود دارند که عبارتند از لیگنوسولفونات، اسید هیدروکسی کربوکسیلیک و پلیمرهای هیدروکسی شده می باشند.