فوق روانساز بتن

مشخصات و خواص فیزیکی و مکانیکی بتن با استفاده از مواد افزدونی خصوصاً فوق روانسازها قابل تغییر و اصلاح است. توجه به این مطلب، ضرورت شناخت پایه‌ای و اساسی در مورد این نسل فوق روانسازها که برخی از آنها بر پایه پلی کربوکسیلات اتر است را ایجاب می‌نماید.

بتن یکی از پر مصرف ترین کالاهای جهان بوده و هر ساله حدود ۷ بیلیون متر مکعب بتن در دنیا تولید و مصرف می‌شود. جهت تصحیح مشخصات بتن از افزودنی‌های روان کننده و فوق روان کننده در بتن استفاده می‌شود که علاوه بر خاصیت کاهندگی آب، خاصیت حفظ کارایی و روانی‌، در بالا بردن کیفیت بتن، مقاومت و نفوذناپذیری بتن نقش موثر و ثابت شده‌ای دارند.

در مقایسه با پلی نفتالین سولفونات و پلی ملامین سولفونات‌ها‌، فوق روانسازهای بر پایه پلی کربکسیلات اتر از گستردگی بیشتری در موارد استفاده بر خوردار شدند و علت آنرا در قدرت فوق العاده این نوع ماده در میزان کاهش آب ملات سیمان و همچنین افزایش در مقاومت بتن تولید شده باید جستجو کرد‌. بتن‌های با نسبت‌های آب به سیمان بسیار پایین‌، مخلوط با افزودنی‌های پوزولان، خاکستر بادی، خود تراکم و…فقط با افزودن پلی کربوکسیلات اتر قابل دستیابی هستند.

گروه‌های سولفونات از پلیمرهای پلی نفتالین سولفونات و پلی ملامین سولفونات‌ها در سطح ذرات سیمان جذب می‌شوند و باعث ایجاد نیروی دافعه الکترواستاتیک بین ذرات سیمان میشوند. ولی پلیمرهای کربوکسیلیک به دلیل داشتن شاخه‌های فرعی آب دوست علاوه بر نیروی الکترواستاتیک‌، نیروی دفع استریک نیز ایجاد می‌ نمایند که باعث افزایش قدرت دافعه بین ذرات شده و روانی ملات سیمان را در مدت زمان بیشتری نسبت به روانساز‌های دیگر حفظ می‌نماید.

پلیمر پلی کربوکسیلات اتر به شکل‌های مولکولی مختلف و با مواد شیمیایی مختلفی سنتز می‌شود. و از این نظر کاملاً با ساختار پلی نفتالین سولفونات و پلی ملامین سولفونات‌ها که عمدتاً به یک شکل ساخته می‌شوند متفاوت است. زمانی که آب به سیمان اضافه می‌شود ذرات سیمان به طور یکنواخت در آب از هم جدا نمی‌شوند و تمایل به تشکیل توده و آگلومره شدن دارند. و مولکول‌های آب درون این توده‌ها درگیر شده و ملات سیمان خاصیت روانی خود را از دست می‌دهد.

مکانیسم اثر این ماده در کم کردن آب مورد نیاز بتن در از بین بردن این خاصیت ذرات سیمان در مواجهه با آب است. این مولکول‌های پلیمر به سطح ذرات سیمان می‌چسبند و باعث دفع ذرات از یکدیگر و خنثی شدن اثر آگلومریزاسیون در ذرات سیمان می‌شوند. و آب به دام افتاده آزاد شده و مخلوط همگنی ایجاد می‌شود. و روانی ملات افزایش می‌یابد. و بدلیل همگن شدن مخلوط و تماس یکنواخت آب با ذرات سیمان‌، هیدراتاسیون به شکل یکنواخت انجام می‌گیرد.

مقایسه عملکرد پلی کربوکسیلات اتر و سایر روان کننده‌ها در ملات سیمان

آب مورد نیاز برای واکنش شیمیایی هیدراتاسیون که به صورت صد درصد وارد واکنش می‌شود ۰/۲ درصد وزن سیمان است و آب اضافی استفاده شده برای ایجاد روانی و کارایی مطلوب است تا بتوان بتن را در قالب جا داده و مخلوط بتن به طور همگن در قالب جابجا شده و از فضای فشرده بین آرماتورها عبور نماید. روان کننده‌ها برای دستیابی به همین خاصیت بدون افزودن آب استفاده می‌شوند‌.

زمانی که یک مولکول ماده جامد که دارای بار سطحی است در یک حلال قرار می‌گیرد همین بار سطحی باعث ایجاد یک اختلاف پتانسیل الکتریکی بین سطح باردار ماده جامد و حلال میشود که در اصطلاح علمی به زتاپتانسیل تعریف میشود. هر چه پتانسیل زتا بیشتر باشد در نتیجه احتمال تشکیل دو لایه الکتریکی روی سطح ذره بیشتر می‌شود و تمایل برای لخته شدن و تجمع کم می‌شود و ذرات ریزتر می‌مانند و تجمع نمی‌کنند و توزیع اندازه ذرات باریکتر می‌شود‌. در واقع در علم شیمی کلوییدی این طور گفته می‌شود که پایدار سازی الکترواستاتیکی ایجاد شده است.

بررسی ساختار مولکول پلی کربوکسیلات اتر‌

ساختار تعریف شده و اصلی این ماده به شکل مولکول بزرگ از نوع Polymer Comb Type است که دارای یک شاخه اصلی به نام Back Bone و شاخه‌های فرعی ‌متصل به آن به نام Side Chain است که تفاوت در طول این شاخه اصلی و شاخه‌های فرعی و همچنین نسبت‌های بین آنها موجب بروز آثار متفاوتی در مشخصات بتن تولید شده میشود.

‌در ساختار این ماده از ترکیب جدیدی استفاده شده و به شکل قابل توجهی از افت اسلامپ بدون اثر کاهشی در مقاومت‌های سنین کم جلوگیری می‌نماید. و به عنوان ماده افزدونی مناسبی در تولید بتن‌های خود تراکم مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از مواد شیمیایی دیرگیر کننده جهت جلوگیری از افت اسلامپ اثر کاهشی در مقاومت‌های سنین پایین دارند ولی در ترکیب این نوع ماده‌ این عارضه مرتفع شده است.

نحوه عملکرد فوق روان کننده حاصل از این ترکیب به طول شاخه اصلی‌، تعداد و طول شاخه‌های فرعی‌ و میزان قلیاییت ماده بستگی دارد.

این ماده دارای خاصیت قطبی بوده و در محلول آبی ۲۰-۲۵ درصد ؛ دارای بیشترین میزان پولاریزاسیون است که نشان دهنده بیشترین میزان انتقال الکتریکی یا همان Conductivity است.

ساختار مولکول پلی کربوکسیلات نیز در توانایی ماده برای ایجاد بیشترین میزان پولاریزاسیون مولکول‌های آب نیز موثر است. بهترین ساختار طول زنجیره اصلی بلند، دانسیته شاخه‌های جانبی کم و میزان اسیدیته نزدیک به خنثی است.

همانطور که ملاحظه میشود قابلیت نگهداری روانی ارتباط مستقیمی با طول زنجیره مولکولی شاخه‌های فرعی دارد.در واقع هر چه شاخه اصلیو شاخه‌های فرعی بلندتر باشد. میزان نگهداری روانی بیشتر خواهد شد‌. ولی در صورتی که نسبت طول شاخه اصلی به دانسیته شاخه‌های جانبی از یک حد معینی فراتر رود. قابلیت کاهندگی آب تحت تاثیر قرار گرفته و برای رسیدن به درصد کاهش آب مطلوب مقدار بیشتری از فوق روانساز باید مصرف شود.

هوازایی در فوق روانساز‌های بر پایه پلی کربوکسیلات اتر ناشی از دو عامل است، اولین عامل خاصیت کاهش دهندگی جذب سطحی مولکول‌های کربوکسیلات به عنوان فعال کننده سطحی یا (Surfactant (surface active agent است که ایجاد هوازایی می‌کنند و عامل دوم خارج شدن آب از داخل آگلومره‌های سیمان و افزایش میزان آب آزاد بتن است که به خودی خود باعث افزایش هوازایی در بتن میشود.

میزان هوای ایجاد شده متناسب با موارد متعددی است که برخی از آنها به شرح زیر است.

1. طرح اختلاط و میزان قلیایی سیمان
2. مقدار سختی و سنگینی آب مصرفی
3. مقدار سیمان و بلین آن
4. مقدار ماسه طرح و حداکثر اندازه سنگدانه
5. نسبت آب به سیمان و مدت زمان مخلوط کردن و حمل بتن‌

جهت محدود نمودن هوازایی پلی کربوکسیلات‌ها از De-Foamer یا ضد کف استفاده می‌شود. ضد کف‌ها بر پایه مواد شیمیایی مختلفی ساخته می‌شوند که تشکیل Micelle را در محلول‌های آبی توسط مولکول‌های فعال کننده سطحی کنترل می‌کنند. و متعاقباً هوازایی پلی کربوکسیلات‌ها را کم می‌کنند. به دلیل متغیر بودن میزان هوازایی پلی کربوکسیلات اتر در بتن‌های مختلف‌، اکثر تولید کنندگان پلی کربوکسیلات اتر در دنیا، ضد کف را به همراه ماده فوق روانساز نیز عرضه می‌دارند و مصرف کننده به همراه آزمایش هوای بتن تازه، متوسط مقدار مورد نیاز را تعیین می‌کند. میزان مصرف بهینه ضد کف با توجه به طرح اختلاط و آب مصرفی و از همه مهمتر انجام حداقل سه بار آزمایش تعیین درصد هوای بتن در کارگاه در حدی تعیین می‌شود که کارایی بتن را بیش از حد تحت تاثیر قرار ندهد.

افت اسلامپ و کاهش کارایی و روانی بتن

پدیده افت اسلامپ به دلایل مختلف در بتن اتفاق می‌افتد. مهمترین دلیل شروع هیداراتاسیون سیمان و جذب آب توسط سیمان است و همینطور می‌توان به جذب آب توسط سنگدانه‌ها و تبخیر آب نیز اشاره کرد.

این پدیده خصوصاً در سیمان‌هایی که میزان C3A آنها زیادتر از ۵/۵٪ باشد بیشتر اتفاق می‌افتد‌. در واقع رسوب اترینگایت نه تنها باعث جذب آب به دلیل واکنش شیمیایی می‌شود بلکه به صورت سطحی نیز مولکول‌های آب را به خود جذب می‌نماید. ولی در بیشتر مواقع نیاز به نگهداری اسلامپ بتن حداقل به مدت ۴۱ دقیقه وجود دارد، که در واقع ناگزیر از استفاده از مواد دیرگیر کننده میباشیم تا هیدراتاسیون را به تاخیر انداخته و نهایتاً جذب آب توسط سیمان را به تعویق بیندازیم‌، ولی فقط در برخی مواقع خصوصاً در بتن ریزی‌های حجیم استفاده از فوق روان کننده به همراه دیرگیر کننده‌ها در جلوگیری از ایجاد درز سرد یا اصطلاحاً Cold joint مفید و غیر قابل اجتناب است.

نتیجه گیری‌

ماده پلی کربوکسیلات اتر به عنوان فوق روان کننده بتن به شکل‌های مختلف و با درصد ترکیب‌های متفاوتی از مواد شیمیایی خاصی ساخته می‌شود و هر نوعی از ساختار، وزن مولکولی و طول زنجیره‌های اصلی و فرعی، خواص متفاوتی را در بتن ایجاد می‌کنند و می‌توان سنتز این ماده را به نحوی تغییر داد که بیشترین کارایی متناسب با سیمان و مصالح مورد استفاده در بتن داشته باشد. و در واقع بتوان خواص بتن مورد نیاز را با تغییر در ساختار مولکولی پلی کربوکسیلات اتر بدست آورد.