انواع فوق روان کننده بتن بر پایه نفتالین و پلی کربوکسیلات مواد افزودنی پلیمری هستند که به بتن اضافه میشوند و میزان سیالیت (اسلامپ) بتن تازه را افزایش میدهند، ترکیبات شیمیایی مختلفی از فوق روان کننده ها به طور گسترده در چند دهه گذشته به منظور تولید بتن روان تر یا با حداکثر مقاومت فشاری و دوام بیشتر مورد استفاده قرار گرفته اند.
مصرف این محصولات در حالت معمولی با درصد کاربرد مجاز مندرج در مشخصات هر مایع فوق روان کننده اعم از نفتالینی یا کربوکسیلاتی نرمال بر سرعت سخت شدن مواد سیمانی تشکیل دهنده بتن تأثیر نمی گذارند، انواع زودگیر و دیرگیر که به ترتیب باعث تسریع و تاخیر در فرآیند هیدراتاسیون سیمان می گردند و با توجه به شرایط آب و هوایی محل ساخت و ساز، حجم بتن ریزی و میزان زمان مورد نیاز جهت گیرش مورد استفاده قرار می گیرند نیز معمول است.
استفاده از حداقل آب اختلاط باعث کاهش مضرات مصرف سیمان و در نتیجه افزایش فوق العاده میزان استحکام همراه با کاهش معایبی نظیر انقباض یا جمع شدگی، خزش در تولید بتن آببند، خود تراکم و خط تولید قطعات پیش ساخته صنعتی ضخیم می شود. در ادامه به تاریخچه، ویژگی های ظاهری، طریقه تست و محاسبه، نحوه عملکرد و تفاوت انواع روان ساز بتن می پردازیم.
فوق روان کننده های بتن
مشخصات فوق روان کننده بتن
بتن و ملات های سیمانی در طول فرآیند پمپاژ تحت فشار زیادی قرار می گیرند، خواص رئولوژیکی مواد تحت چنین فشارهای بالایی و تخمین کارایی مواد پس از پمپاژ یک مشکل پیچیده است، برای این منظور از پلیمرهای مختلف استفاده می شود.
موادی چون نفتالین فرمالدئید سولفونه (SNF) و ملامین فرمالدئید سولفوناته (SMF) از اولین موادی بود که به عنوان عامل کاهنده آب و پایه فوق روانکنندهها در دهه 1960 به ترتیب در ژاپن و آلمان توسعه یافتند، هر دو فوق روان کننده های مبتنی بر نفتالین و ملامین پلیمرهای آنیونی خطی با گروه های سولفونات در فواصل منظم هستند.
لیکن پلی نفتالین سولفونات در مقایسه با ملامین سولفونات فرمالدهید دارای وزن مولکولی بالاتری است، این محصولات در طول سالهای بعد با رفع برخی معایب موجود کاربرد گسترده ای در فرمولاسیون مواد افزودنی کاهنده آب و فوق روان کننده و در سراسر جهان پیدا کردند.
ترکیبات فوق روان کننده بتن
در ارتباط با فرمول فوق روان کننده بتن باید در نظر داشت که پلی نفتالین سولفونات یک مولکول پلیمری است که از تراکم نفتالین سولفونیک اسید و فرمالدئید تشکیل میشود و در آن گروههای آبدوست عمدتاً گروههای سولفونیک هستند، در حالی که بخش آبگریز آن نفتالین است.
وجود گروههای سولفونات مسئول مولکولهای دارای بار منفی در هر فوق روانکننده نفتالینی در محیط قلیایی سیمان است، بدین صورت که مولکول های فوق روان کننده با اتصال به ذرات دارای بار مثبت ماده سیمانی بار الکتریکی منفی خالص را به سطح ذرات سیمان مجاور القا و نیروی دافعه الکترواستاتیکی را تحریک کرده که مانع از تجمع مخلوط تازه می شود و در نتیجه با افزایش پراکندگی سیالیت مخلوط بتن تازه را افزایش می دهد.
تاثیر فوق روان کننده بر مقاومت بتن
نظریه های زیادی در مورد مکانیسم های اثر فوق روان کننده ها در بتن و فعالیت های شیمیایی آن طرح و مورد بحث قرار گرفته است، اما هنوز همه پدیده های موثر در این ضمینه به طور کامل شناخته نشده اند.
به بیان ساده میتوان فوق روان کننده ها را به عنوان عوامل فعال سطحی توصیف کرد که با جذب بارهای الکتریکی روی ذرات سیمان خیس شده (همانطور که در تصویر ذیل مشاهده می فرمایید) باعث افزایش پتانسیل زتا منفی و ایجاد نیروهای دافعه بین ذرات سیمان می شوند، نیروی دافعه حاصله سبب:
- پراکندگی ذرات سیمان و تامین کارایی (روانی) مخلوط بتن تازه شده و همچنین با جداسازی ذرات بسیار ریز موجب پیشگیری از لخته و کلوخه شدن خمیر سیمان میشود.
- در گام بعد با باز شدن کلوخه ها سبب انتشار هوای به دام افتاده، رها شدن آب اختلاط محبوس بین ذرات سیمان (و کاهش 16 تا 25 درصدی نسبت آب به سیمان) شده.
- و در نهایت با تشکیل برخی محصولات هیدراتاسیون اولیّه (نظیر اترینگایت) موجب افزایش استحکام نهایی بتن می شود.
تفاوت روان کننده و فوق روان کننده
پلی نفتالین سولفونات (PNS) و لیگنو سولفونات (LS) دو ماده پرکاربرد در زمینه ساخت فوق روان کننده و کاهنده آب برای اهداف ساختمانی هستند. ساختار شیمیایی لیگنوسولفونات شامل بخش های آبدوست (مانند گروه های سولفونیک، متوکسیل و هیدروکسیل) و همچنین یک زنجیره کربنی آبگریز (آلکیل بنزن) است.
از آنجا که فوق روان کننده های نفتالینی دارای معماری مولکولی متفاوت (شکل خطی) و چگالی بار آنیونی بالاتر هستند عموماً بهتر از انواع روان کننده بتن بر پایه لیگنو بر روی ذرات سیمان (C-S-H و C-S-A-H و C-A-H) جذب می شود.
لزا متعاقباً در روند آزمایشات انجام شده مشخص گردیده است که پلی نفتالن سولفونات به عنوان یک کاهش دهنده آب با برد بالا موجب کاهش 20 درصدی تقاضای آب می گردد، در حالی که لیگنو سولفونات به عنوان یک کاهش دهنده استاندارد آب سبب افت 12 درصدی تقاضای آب در شرایط مساوی می گردد.
زمان گیرش اولیه با افزودن انواع فوق روان کننده های بتن نفتالینی نسبت به روان کننده بتن بر پایه لیگنو کمتر تحت تأثیر قرار می گیرد، و مشاهده شد که روانساز های مبتنی بر لیگنو سولفونات کلسیم و سدیم با توجه به ترکیبات خود باعث تاخیر در زمان گیرش اولیه می شود.
همچنین با توجه به آنکه پلیمر لیگنو سولفونیک مقدار قابل توجهی Ca(OH)2 را حفظ میکند، میتواند گزینه خوبی برای به دست یافتن به دوغابهایی باشد که نیاز به مقاومت بالا در محیط سولفاتی دارند باشد.
کاربرد فوق روان کننده در بتن
- تامین روانی بیشتر: از جمله کاربردهای فوق روان کننده ها می توان به بتن ریزی در شرایط اجرایی دشوار به دلیل موقعیت قرار گیری سازه بتنی، شکل هندسی المان، آرماتور بندی متراکم عناصر سازه ای و مواردی نظیر بتن اکسپوز (نمایان) و غیره که معمولاً در سازه های مدرن مورد استفاده قرار می گیرند و الزامیست که علاوه بر عدم ظهور مشکلات فنی ناشی از کارایی پایین بتن نظیر شن نما شدن و غیره نیازمند ظاهری با کیفیت هستند. و از آنجا که افزودن آب اضافی باعث کاهش مقاومت بتن میشود می شود، از انواع نرمال، زودگیر و دیرگیر فوق روان کننده های بتن با توجه به شرایط استفاده می شود.
- تولید بتن با مقاومت فشاری بالاتر: همچنین برای تهیه بتن پرمقاومت مورد استفاده در ساخت پل ها، تونل ها و سازه های با اهمتیت بالا، کاهش شدید نسبت آب به سیمان (w/c) و در عین حال حفظ کارایی مورد نیاز طراحان را به سمت استفاده از محصولات این گروه سوق داده است.
خواص فوق روان کننده بتن
برخی از مزایای استفاده از فوق روان کننده بتن عبارت است از:
- خاصیت کاهش نسبت آب به سیمان و در نتیجه افزایش مقاومت اولیه و نهایی بتن.
- افزایش روانی (اسلامپ) بتن بدون نیاز به آب اضافی و در نتیجه بدون کاهش مقاومت.
- دستیابی به بالاترین سطح ممکن عملکرد سیمان به دلیل مرطوب سازی بهتر ذرات سیمان.
- کاهش قابل توجه جمع شدگی بتن در هنگام گیرش که پیامد آن جلوگیری از ترک است.
- پیشگیری از جداشدگی بتن از طریق اصلاح رئولوژی و بهبود حالت خمیری.
- تراکم بهتر بتن که حاصل آن نفوذپذیری کمتر و بهبود توانایی آب بندی بتن می باشد.
- عدم افزودن هوای اضافی به بتن و پخش آب و هوای حبس شده در خمیر سیمان.
- سازگاری با انواع سیمان پرتلند و سایر مواد افزودنی نظیر پودر و انواع ژل میکروسیلیس.
- بهبود قابلیت پمپاژ و جانمایی بتن تازه همراه با کیفیت بالای ظاهر سطح تمام شده.
- فاقد کلراید و غیر خورنده برای اجزای فولادی نظیر قالب بندی و میلگرد ها.
استاندارد فوق روان کننده بتن
با الزامات استاندارد های زیر مطابقت دارند:
ASTM C494
EN 934-2
تفاوت فوق روان کننده پایه نفتالین و پلی کربوکسیلات
در راستای بررسی تفاوف های فوق روان کننده های پایه نفتالین و پلی کربوکسیلات اتر در ابتدای امر به مسئله سیالیت یا روانی بتن با دوزهای مختلف پرداخته شد که نتایج در جدول ذیل نشان داده شده است. از نظر ماکروسکوپی، سیالیت دوغاب سیمان تازه مخلوط شده در طول زمان خیلی سریع از بین می رود.
این از دست دادن سیالیت در طول زمان عمدتاً ناشی از هیدراتاسیون سیمان است چرا که از یک طرف، با رشد ساختار شبکه ای و تولید محصولات هیدراتاسیون در فاز مایع باعث از بین رفتن سیالیت دوغاب سیمان در طول زمان می شوند.
از سوی دیگر، پوشش محصولات هیدراتاسیون تشکیل شده بر روی لایه جذب اثر دافعه الکترواستاتیکی ناشی از حضور فوق روان کننده ها را تا حد زیادی کاهش میدهد، که منجر به کاهش سریع پتانسیل زتای سیستم میشود.
زمان گیرش فوق روان کننده های پلی نفتالین سولفونات و پلی کربوکسیلات با دوزهای مختلف در جدول ذیل نشان داده شده است، بدیهی است که با افزایش مقدار فوق روان کننده نفتالینی، زمان گیرش به طور کلی طولانی شده و بارزترین اثر زمانی است که مقدار مصرف 1.7٪ نسبت به وزن سیمان مصرفی بوده، با این دوز زمان گیرش اولیه 32 دقیقه و گیرش نهایی به 39 دقیقه می رسد.
این مسئله را می توان با این واقعیت توضیح داد که با افزایش مقدار فوق روان کننده بر پایه نفتالین، فوق روان کننده بیشتری روی سطح ذرات سیمان جذب می شود، سپس آب آزاد بیشتری موجود می شود، بنابراین زمان گیرش تحت اثر دافعه الکترواستاتیک طولانی می شود.
همان طور که از تحلیل نتایج جدول ذیل بر می آید متفاوت از فوق روان کننده بتن بر پایه نفتالین، زمان گیرش با اضافه شدن فوق روان کننده پلی کربوکسیلات اتر به طور قابل توجهی افزایش نمی یابد و در محدوده دوز 0.08٪ تا 0.20٪، زمان گیرش اولیه و نهایی در عرض 3 دقیقه تغییر می کند.
به منظور بررسی و مقایسه تفاوت حداقل و حداکثر دوز های مصرف انواع فوق روانکنندهها بتن با بنیان شیمیایی نفتالین و کربوکسیلاتی در قیاس با نتایج مقاومت فشاری بدون حضور فوق روان کننده، چنانکه در جدول زیر مشهود است.
مقاومت فشاری بتن های حاوی هر دو فوق روان کننده در مقایسه با نمونه های فاقد فوق روان کننده در سن یک روز و هفت روزه افزایش یافته است، چه فوق روان کننده 0.8٪ نفتالین باشد یا 0.02% کربوکسیلات.
طرز تهیه فوق روان کننده بتن
برای تصمیم گیری در ارتباط با انتخاب نوع فوق روان کننده مرتبط با شرایط محل بتن ریزی و متعاقبا محاسبه مقدار مورد نیاز و خرید با کارشناسان فروش بخش شیمی ساختمان گروه مهندسی بتن آزما تماس بگیرید.
میزان مصرف فوق روان کننده در بتن
- به عنوان کاهنده شدید آب و دیرگیر با دوز ۰.۶٪ -۰.۸٪ نسبت به وزن سیمان (مطابق با ASTM C-494 Type G—Water-reducing, high range, and retarding admixtures)
- جهت کاهش معمولی تقاضای آب و دیرگیر با دوزهای کمتر ۰.۳٪ -۰.۵٪ به وزن سیمان (طبق ASTM C-494 Type A & D)
- به منظور کاهنده شدید نسبت آب با دوز ۱.۲٪ -۱.۷٪ به وزن سیمان (طبق ASTM C-494 Type F—Water-reducing, high range admixtures)
- و مقدار ۰.۶٪ -۰.۹٪ در تناسب با وزن سیمان به عنوان کاهنده معمولی آب (طبق ASTM C-494 Type A—Water-reducing admixtures)
طرح اختلاط بتن با فوق روان کننده
در مثال زیر نسبت های وزنی برای طرح اختلاط بتن با عیار 350 (رده مقاومتی c25) طبق آیین نامه بتن آمریکا (به روش aci – 211) و آبا همراه فوق روان کننده برای یک مترمکعب بتن در جدول آورده شده است.
| مصالح مصرفی | مقدار |
| شن (با حداکثر اندازه 12.5 میلیمتر) | 880kg |
| ماسه (با ضریب نرمی 2.8) | 883kg |
| سیمان (پرتلند تیپ دو) | 417kg |
| آب | 199lit |
| فوق روان کننده نرمال (AG PNSN 201) | 2.5kg |
- مقاومت فشاری در مثال فوق f’c=25N⁄mm² و وزن مخصوص بتن تازه 2328kg⁄m² و اسلامپ اولیه 50mm است.
طریقه مصرف فوق روان کننده
بسته به هدفی که در استفاده از محصول پیگیری می نمایید یکی از روش های استفاده را انتخاب فرمایید:
- برای کاهش نسبت آب به سیمان، حفظ اسلامپ و در نتیجه افزایش مقاومت فشاری، بدون تغییر در کارایی (روانی) در کارخانه تولید بتن آماده (بچینگ پلانت)
- جهت افزایش سیالیت یا روانی بتن بدون کاهش مقاومت در محل تخلیه، پیش از پمپاژ.
- استفاده ترکیبی از روش های فوق برای حصول توأمان روانی و کاهش نسبت آب به سیمان مصرفی.
سولات متداول
انواع فوق روان کننده های بتن کدام است ؟
گذشته از اینکه فرمول مواد تشکیل دهنده فوق روان کننده ها بر پایه پلی کربوکسیلات اتر باشند یا نفتالین به لحاظ تنظیم زمان گیرش به سه دسته نرمال، زودگیر و دیرگیر تقسیم می شوند.
بهترین فوق روان کننده بتن چیست ؟
انتخاب بهینه بین انواع فوق روان کننده بسته به تاثیری که از کاربرد به دنبال آن هستیم اعم (افزایش روانی، کاهش نسبت آب به سیمان و افزایش مقاومت) همراه با در نظر داشتن الزامات کارگاهی نظیر فاصله حمل بتن، نوع سازه و شرایط آب و هوایی محل بتن ریزی متفاوت است.
معایب فوق روان کننده بتن چیست ؟
در گزینش نوع فوق روان کننده باید به زمانی که برای تسریع یا تاخیر در فرآیند هیدراتاسیون به طور مثال با توجه به گرما و سرمای محل بتن ریزی در نظر می گیرید توجه ویژه ای مبذول دارید، چرا که انتخاب نادرست گیرش را با اشکال مواجه خواهد ساخت. همچنین دوز بیش از حد ممکن است زمان گیرش و کیورینگ را طولانی کند، اما بدون تأثیر منفی بر مقاومت نهایی بتن می باشد.