مواد افزودنی شیمیایی زودگیر کننده بر سرعت واکنش های بین سیمان و آب تأثیر می‌گذارند تا به طور کلی میزان هیدراتاسیون را افزایش دهند. بنابراین، استفاده از شتاب دهنده ها در بتن و ملات های سیمانی باعث کوتاه شدن زمان گیرش در شرایط آب و هوای سرد و یخبندان زمستان و یا نقش افزایش مقاومت اولیّه در زمان کوتاه تر و شرایط عادی جهت شاتکریت مایع و پودری، دوغاب، گروت و خط تولید قطعات بتنی و سیمانی می شود.
در ادامه مروری بر تاریخچه، مشخصات و نکات فنی انواع زودگیر کننده، مقدار و نحوه عملکرد ترکیبات عمده مورد استفاده در فرمول ساخت ضد یخ بتن (بدون کلراید) و ضدیخ ملات (با کلراید) مخصوص بتن غیر مسلح مورد استفاده برای بتن، خواص، مزایا و معایب، قیمت، روش مصرف، استاندارد ها، طرز تهیه، درصد اختلاط، نسبت استفاده تفاوت و ویژگی های شتاب دهنده های امروزی ارائه می شود.
انواع ضد یخ و زودگیر کننده های بتن و ملات
بتن ریزی در هوای سرد
بتن ریزی در هوای سرد، به ویژه هنگامی که دمای محیط به زیر 0 درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) می رسد، رضایت بخش نیست مگر اینکه اقدامات پیشگیرانه خاصی انجام شود. روش های توصیه شده برای بتن ریزی در هوای سرد توسط کمیته 306 موسسه بتن آمریکا (ACl) برشمرده و گزارش شده است. موسسه ACI توصیه می‌کند که برای تولید بتن در هوای سرد و زمستانی، برخی الزامات کلی رعایت شود تا از آسیب به بتن در اثر یخ زدن و ذوب شدن در سنین اولیه جلوگیری شود.
درجه اشباع بتن تازه ریخته شده که به منبع خارجی آب دسترسی ندارد، با گیرش بتن و استفاده از آب موجود در خمیر سیمان طی فرآیند هیدراتاسیون افزایش می یابد. در چنین شرایطی، زمانی که درجه اشباع بیش از مقدار بحرانی باشد، بتن به طور حتم دچار انجماد و آسیب می‌شود، این درجه حساس از اشباع که شرح آن رفت تقریباً با زمانی که بتن به مقاومت فشاری 36 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع (500psi) می‌رسد، مطابقت دارد. در حالت معمول دمای 10 درجه سانتیگراد (50 درجه فارنهایت) یک بتن مناسب در روز دوم به این مقاومت می رسد.
پس از بتن ریزی و عبور از شرایط بحرانی اولیّه، عمل آوری را بدون گرمای بیش از حد و اشباع بحرانی تا رشد نرمال مقاومت فشاری بتن حفظ و پیش از بازگشایی قالب بندی برای استفاده مجدد و بارگذاری ایمن سازه از کسب مقاومت تعیین شده در طرح اختلاط بتن اطمینان حاصل شود.
ضد یخ بتن چیست
مواد افزودنی‌های متعددی با درجات مختلف کارایی برای کنترل آسیب به بتن‌ها و ملات‌هایی که در سنین اولیه در معرض دمای انجماد قرار می‌گیرند، استفاده می گردد. کلرید کلسیم (CaCl2) تا سال ها بهترین شتاب دهنده در دسترس بود، لیکن به دلیل خطرات خوردگی شدید برای فولاد مصرفی در بتن مسلح ، دیگر ضد یخ های حاوی کلراید گزینه مناسبی برای بتن آرمه نمی باشند.
بسیاری از ترکیبات معدنی و آلی برای تسریع هیدراتاسیون سیمان پرتلند گزارش شده است. برای دسته بندی راحت تر، می توان ترکیبات را به نمک های معدنی محلول و نمک ها و ترکیبات آلی محلول تقسیم کرد که اولین دسته بزرگترین آنها است.
نمک های معدنی نیتریت و نیترات (برای گیرش) و تیوسیانات (برای سخت شدن) جایگزین های رایج کلرید کلسیم هستند، اگرچه کارایی کمتری نسبت به کلرید کلسیم دارند. امروزه بسیاری از ضد یخ های بتن مسلح بدون کلراید از مخلوط نیترات و تیوسیانات ساخته می شوند.
در برخی موارد نیز ترکیبی از مواد شیمیایی کاهنده آب بر پایه لیگنو سولفونات اصلاح شده، نفتالین و پلی کربوکسیلات اتر با ترکیبات زودگیر کننده است که اثرات این هم افزایی علاوه بر تامین کارایی و کاهش نسبت آب به سیمان در ایجاد اثر زودگیری موثر است.
و در مورد زودگیر کننده های شاتکریت مایع و پودری بدون قلیایی بر پایه سولفات آلومینیوم به عنوان ماده اصلی هستند که اغلب با دی اتانول آمین و اسیدهای آلی (اگزالیک، فرمیک) و یا اسیدهای معدنی (فسفر، هیدروفلوریک) ترکیب می شوند.
ضد یخ بتن بدون کلراید
زودگیر کننده ها را می توان به روش های مختلفی طبقه بندی کرد. به عنوان مثال، استاندارد اروپایی EN 934-2:2001 جهت تعریف این گروه از مواد افزودنی بتن، بین ویژگی‌های گیرش و سخت شدن تمایز قائل می‌شود.
امروزه، اکثر تولید کنندگان افزودنی های بتن، ضد یخ بتن بدون کلراید با فرمولاسیون مبتنی بر نیترات کلسیم را ارائه می دهند، لزا اولین گروه از ضد یخ های فاقد کلراید جهت کاربرد در بتن مسلح را که در ادامه مورد بررسی قرار می دهیم نیترات کلسیم (Ca(NO3)2) است.
با توجه به داده های منحنی گرماسنجی تیتراسیون همدما نشان داده شده در نمودار ذیل، در مقایسه اثرات نمک های کلسیم مختلف بر سرعت هیدراتاسیون (C3S) خمیر سیمان، به وضوح نشان می دهد که نیترات کلسیم (Ca(NO3)2) نسبت به کلرید کلسیم (CaCl2) هم در گیرش و هم در سخت شدن موثرتر است.
همچنین ثابت شده است که نیترات کلسیم علاوه بر عدم ایجاد خوردگی در دوزهای نسبتاً بالا یک بازدارنده مؤثر در برابر خوردگی ناشی از کلرید آرماتورهای فولادی در بتن است، بر این اساس، نیترات کلسیم یک افزودنی شیمیایی چند منظوره برای بتن است.
یافته های آزمون ضد یخ بتن AG Antifeeze R در مورد نحوه عملکرد خمیر سیمان (OPC) به شرح زیر است:
- هیچ ارتباطی بین راندمان تسریع کننده مجموعه و محتوای (C3A) در سیمان وجود ندارد.
- زمان گیرش اولیه با افزایش محتوای (C2S) در سیمان کاهش می یابد.
- زمان گیرش اولیه با کاهش محتوای قلیایی در سیمان کاهش می یابد.
نیتریت ها از نظر شیمیایی با نیترات تنها در حالت اکسیداسیون نیتروژن متفاوت هستند. نیتریت کلسیم (Ca(NO2)2) احتمالاً محبوب‌ترین زودگیر کننده (ضد یخ غیر کلریدی) در ایالات متحده از اواخر دهه 1960 بوده است. امروزه بسیاری از شتاب‌دهنده‌های تجاری و به‌ویژه مواد افزودنی ضد یخ های مورد مصرف در بتن مسلح بر پایه نمک‌های نیتریت کلسیم و یا سدیم هستند.
همچنین ثابت شده است که نیتریت کلسیم یک بازدارنده خوردگی آندی موثر برای فلزات تعبیه شده در بتن است. تنها عیبی که در مقایسه با سایر مواد پایه ای مورد مصرف در ترکیبات ضد یخ بتن بدون کلراید به این گروه وارد است، می تواند این مورد باشد که: نیتریت ها سمی هستند و با الزامات زیست محیطی ناسازگار هستند.
ضد یخ بتن با کلراید
پرکاربردترین مواد اولیه شیمیایی مورد استفاده در فرمولاسیون انواع ضدیخ حاوی کلراید ملات و بتن غیر مسلح در هوای سرد کلرید کلسیم (CaCl2) و کلرید سدیم (NaCl) یا ترکیبی از این دو ماده شیمیایی است. مقدار کلرید کلسیم و سدیم مورد نیاز برای بتن ریزی موفق در هوای سرد با کاهش دما به زیر صفر درجه سانتیگراد افزایش می یابد.
کلرید کلسیم قدیمی ترین (اوایل سال 1886 گزارش شده است) ماده افزودنی شیمیایی زودگیر کننده بتن و ملات های سیمانی و رایج ترین ماده افزودنی مورد قبول برای تسریع توسعه مقاومت است، اما نباید در بتن پیش تنیده و سازه های بتن مسلح، استفاده شود.
برخی از ویژگی های ضد یخ بتن غیر مسلح AG Antifreeze C بر پایه کلرید کلسیم با موارد زیر مشخص می شود:
- زودگیر کننده ملات با کلراید هم گیرش و هم سخت شدن خمیر سیمان را تسریع می کند.
- قیمت ارزان تر در مقایسه با محصولات هم رده.
- زودگیر کننده های تولید شده بر مبنای کلرید کلسیم، هم واکنش (C3A) و (C3S) هیدراتاسیون بتن و ترکیب های سیمانی، و هم (CaSO4 ·2H2O) گچ، سرباره، سیمان پوزولانی و خاکستر بادی را تسریع می کند. اما هیدراتاسیون سیمان های با آلومینا بالا را تسریع نمی کند.
تفاوت ضد یخ ملات و بتن
تفاوت ضد یخ های بتن و ملات یا (ضدیخ بتن غیر مسلح) را در تفاوت شتاب دهنده های مبتنی بر کلرید با نیتریت و نیترات به عنوان مواد بر سازنده (constitutive) این مواد افزودنی جستجو کرد، این موارد را به اختصار می توان در موارد ذیل برشمرد:
- خطرات خوردگی شدید برای فولاد مصرفی تسلیح کننده بتن، در ضد یخ های باکلراید.
- نسبت هزینه خرید پایین به عملکرد بالا، برای ضد یخ های بتن غیر مسلح (بشرط انتخاب اصولی و استفاده در موارد مرتبط)
- بدون (یا کم) خطر در خوردگی برای شتاب دهنده های بدون کلراید.
همین تفاوت های است که پیمانکاران و مجریان عملیات ساختمانی را در عملیاتی همچون: بتن ریزی المان های بتنی غیر مسلح، ساخت دوغاب، ملات های گچی و سیمانی برای اندود سیمانکاری دیوار، سنگ کاری و اجرای کاشی و سرامیک، گروت ریزی در هوای سرد.
و یا تسریع در روند ساخت قطعات بتنی و سیمانی نظیر: انواع بلوک سبک و سنگین، کفپوش بتنی، جدول بتنی، کول چاه، موزاییک، واش بتن و سنگ مصنوعی به سمت استفاده از ضد یخ ملات و بتن غیر مسلح AG Antifreeze C سوق می دهد.