مزایا و تاثیر چسب بتن بر کیفیت و مشخصات بتن

پلیمریزاسیونامولسیونی وینیل استات – بوتیل آکریلات

و کاربرد آن بهعنوان چسب بتن

واژه های کلیدی: لاتکس، ضد کف، پلیمریزاسیون امولسیونی، پلیمریزاسیون وینیل استات – بوتیل اکریلات، چسب بتن ، بتن

لاتکس های پلیمری بر پایه کوپلیمر وینیل استات – بوتیل اکریلات با نسبت 60:40 در دمای 73 درجهسانتی گراد و درصد تبدیل 95 با استفاده از روش پلیمریزاسیون امولسیونی نیمه پیوستهسنتز شد. هدف از ساخت این نوع امولسیون بررسی کاربرد آن به عنوان چسب بتن بوده کهمی تواند باعث بهبود کیفیت بتن و ارتقاء برخی از خصوصیات آن نظیرافزایش مقاومت فشاری آن گردد. تست اندازه ذرات نشان می دهد که اندازه ذرات سیستمامولسیون سنتز شده در مقیاس  تقریبی 150نانو متر می باشد. همچنین نتایج حاصل از اضافه کردن مقادیر مختلف این نمونه چسبنشان می دهد با اضافه کردن تنها 5% وزنی از آن نسبت به وزن سیمان به مخلوط بتنباعث افزایش مقاومت فشاری بتن به میزان تقریبی 24% شد. با این حال، اضافه کردن ایننوع پلیمر به مخلوط بتن باعث کاهش وزن مخصوص بتن می گردد که نشان دهنده افزایش خللو فرج های درون بتن می باشد و در نهایت باعث افزایش میزان نفوذ آب می گردد. بمنظورحل این مشکل از مقادیر مختلفی از ضد کف در لاتکس استفاده شد که در نهایت نتایجنشان می دهد استفاده از آن باعث افزایش مقاومت فشاری به میزان 100 مگا پاسکال وافزایش وزن مخصوص به میزان 3.2 % می گردد که نشان از کاهش جذب آب توسط این نمونهاز بتن دارد.

1.   مقدمه

سال های زیادی است که بتن به عنوان یکی از مواد ساختمانی مهم در انواع سازه ها مورد استفاده قرار می گیرد. به دلیل اهمیت بسیار زیاد بتن پروژه های تحقیقاتی وسیعی بر روی مواد مختلف تشکیلدهنده آن و آزمایش بتن های مختلف با مواد جدید در سال های اخیر منجر به پیدایش بتنهایی شده است که علاوه بر تامین مقاومت، خواص دیگری نظیر دوام، کارایی، مقاومت دربرابر عواملی نظیر آتش، شرایط محیطی و هوازدگی نقش و کاربرد آن را دستخوش تغییراتاساسی کرده است[1]. بیش از دو دهه است که استفاده از پلیمر در بتنبه منظور اصلاح خصوصیات بتن های رایج مورد توجه قرار گرفته است. از جمله مزایایبتن اصلاح شده بوسیله پلیمر در مقایسه با بتن های معمولی می توان به مواردی نظیردوام، چسبندگی بالا، مقاومت در برابر سرما و گرما شدید   و ... اشاره نمود[2]. پلیمرها هم بصورتمخلوط با سیمان و ماسه و یا بصورت یک پیوند دهنده مجزا در بتن مورد استفاده قرارمی یگرند. کامپوزیت هایی که از پلیمر به شکل مخلوط با سیمان و ماسه ساخته می شوندتحت عنوان بتن اصلاح شده پلیمری و یا ملات اصلاح شده پلیمری شناخته می شوند.درحالیکه، کامپوزیت هایی که متشکل از پلیمر و ماسه هستند  را ملات پلیمری و یا بتن پلیمری می نامند[3]. در سالهای اخیر، ترکیبات پلیمریگوناگونی توسعه پیدا کرده اند که به عنوان عامل اصلاح کننده سیمان تجاری سازی شدهاند. در نتیجه روش های مختلفی به منظور ساخت بتن اصلاح شده بوسیله پلیمر بوجودآمده است که از جمله آنها می توان به مواردی نظیر استفاده از لاتکس، امولسیون پودر شده پلیمر محلول در آب، رزینمایع و ملات سیمان و بتن اصلاح شده بوسیله منومر اشاره نمود[2].                                                                         لاتکس های پلیمری، ذرات پلیمری توزیع شده در آببه ابعاد 5 –5/0میکرومتر میباشند. به منظور ساخت ملات های پلیمری اصلاح شده در بسیاری تحقیقات از لاتکس هایحاوی پلیمر یا کوپلیمرهایی نظیر پلی وینیل استات، کوپلیمرهای پلی وینیل استات – اتیلن، استایرن – بوتا دی ان، استایرن – اکریلیک و سایر مشتقات اکریلیکی استفاده می گردد[4].                                                                                                                                پلیمرهای امولسیونی بر پایه منومر وینیل استاتبطور گسترده در بسیاری از کاربردها نظیر پوشش، چسب و رنگ بدلیل دوام و کارایی بالاو همین طور ارزان قیمت بودن مورد استفاده قرار می گیرند. بمنظور استفاده از ایننوع پلیمر در کاربردهای فوق بوسیله خشک کردن لاتکس فیلم پیوسته ای تشکیل می شود.خواص مکانیکی فیلم پلیمری وابسته به خواص مولکولی(مانند: ترکیب پلیمر، توزیع جرممولکولی و ...) و همین طور خواص شکل شناسی (مانند: توزیع اندازه ذرات) لاتکس است[5].                                                                                                                     در این پروژه از روش نیمه پیوسته به منظور سنتزلاتکس پلیمری بر پایه سیستم امولسیونی کوپلیمر پلی وینیل استات – بوتیل اکریلات استفاده شد. سیستم نیمهپیوسته به دلیل تزریق تدریجی مواد اولیه و کنترل دمایی مناسب در مواردآزمایشگاهی  و صنعتی بسیار مورد توجه قرارگرفته است.  در ابتدا به منظور دست یابی بهبهترین نوع چسب بتن درصد ترکیب های متفاوتی از منومرها، سورفکتانت ها، آغازگرها وسایر اجزا سیستم امولسیونی مورد آزمایش قرار گرفت تا در نهایت بهترین و پایدارترینسیستم امولسیونی بدست آمد. همچنین در این طرح به مطالعه و بررسی تاثیراستفاده از درصد های مختلفی از امولسیون پلیمری بر روی برخی از خصوصیات بتن نظیرمقاومت فشاری و وزن مخصوص به عنوان معیاری از نفوذ آب به درون بتن مورد بررسی قرارگرفت.        

2. بخش تجربی

1.2 مواد اولیه

در این پروژه از منومرهای وینیل استات تقطیر شده و  بوتیل اکریلات ساختپتروشیمی شازند (اراک- ایران) استفاده شد. همچنین آمونیوم پر سولفات(APS, 99%; Aldrich, Lancaster, UK) به عنوانآغازگر رادیکالی و هیدروکسی اتیل سلولز با نام تجاری Tylose  به عنوان پایدارکننده کلوئیدی مورد استفادهقرار گرفت. از سورفکتانت های غیر یونی نونیل فنول اتوکسیلات با نام تجاریKenon-30، کوپلیمری از پلیپروپیلن اکساید – پلی اتیلن اکسایدبا نام تجاری Genopol PF10 و سدیم وینیل استات به عنوان سورفکتانت فعال آنیونی ساخت شرکتکیمیاگران امروز (اراک- ایران) استفاده شد. بمنظور کنترل pH محیط واکنش ازبافر سدیم بی کربنات استفاده گردید. همچنین در طول آزمایش از آب مقطر نیز استفادهشد.

2.2 روش آزمایش

به منظور انجام فرایند کوپلیمریزاسیون امولسیونی از یک راکتورچهار دهانه  حاوی کندانسور جانبی استفاده شد.واکنش در دمای 73 درجه سانتی گراد و با دور هم زن 300 دور در دقیقه در طی مدتتقریبی 7 ساعت به انجام رسید.

 3. نتایج

در این پروژه سیستم های بسیار زیادی با درصد ترکیب هایمتفاوتی از منومرها سنتز و مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت نمونه حاوی درصدمنومر  60:40 (VAM/BUA) با توجه بهخاصیت چسبندگی بالا و پایداری مناسب به منظور انجام آزمایشات مربوط به بتن انتخابگردید. به منظور بررسی تکرار پذیری و انتخاب بهترین نمونه لاتکس، سیستم  60:40 به دفعات سنتز شد که سه مورد از آنها رادر جدول  1 نشان داده شده است. از بین سهنمونه فوق کد   L 5 – 3 بدلیل بدون ذرهبودن و درصد تبدیل بالا انتخاب گردید.

1.3   مقاومت فشاری

دراین پروژه بلوک های بتنی در ابعاد 5 * 5 * 5 سانتی متر ساخته شد و با هدف بررسیتاثیر لاتکس بر روی مقاومت بتن درصد های مختلفی از لاتکس نسبت به سیمان و همین طورنسبت های مختلف آب به سیمان مطابق جدول  2  مورد استفاده قرار گرفت. در جدول 1  تمامی نمونه ها دارای وزن سیمان و ماسه ثابت وبترتیب معادل 750  و 2063 گرم می باشد.

استفادهاز امولسیون پلیمری بر پایه کو پلیمر وینیل استات – بوتیل آکریلات با نسبت های پلیمر/ سیمانشامل 3%، 5% و 7% در ترکیب با بتن معمولی  نشانمی دهد که استفاده از درصد های مختلفی از این ترکیب پلیمری اثرات متفاوتی بر روی  متوسط مقاومت فشاری نمونه بتن دارد. نمودار  2 نشان می دهد که استفاده از این نوع پلیمر به میزان3% و 7% منجر به کاهش متوسط مقاومت فشاری بتن می گردد. درصورتی که استفاده از پلیمربه میزان 5% مقاومت بتن را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. کاهش میزان مقاومت در نمونه های حاوی 3 درصد لاتکس می تواند بهعلت حضور سورفکتانت ها در لاتکس باشد که با ایجاد ایجاد پیوند هیدروژنی با مولکول های آب باعث ایجاد اختلال در انجام فرایندهیدراته شدن سیمان می گردد. در نمونه حاوی 7درصد لاتکس به دلیل حضور آب بیش ازاندازه باعث کاهش استتحکام کلی بتن گردیده است. در میزان لاتکس 5% مقدار آب اضافهشده به سیستم  کمبود آب ناشی از ایجادپیوند هیدروژنی با سورفکتانت ها را جبران کرده و درنتیجه باعث افزایش استحکام وچسبندگی بتن شده است.

2.3 وزن مخصوص

تغییراتمیزان وزن مخصوص برای نمونه بتن های حاوی مقادیر مختلفی از لاتکس در نمودار  5  با نمونهفاقد لاتکس مقایسه شده است. این نمودار نشان می دهد که استفاده از این نوع لاتکس بهمیزان 3% بشدت باعث کاهش وزن مخصوص می شود که این موضوع نشان دهنده افزایش جذب آب توسطاین نوع بتن می باشد که بدلیل ایجاد خلل و فرج موجود در بتن ناشی حضور حجم قابل توجهیاز هوا در آن است[4]. استفاده از درصد های بالاتری از لاتکس میزان وزن مخصوص بتن رادر مقایسه با نمونه بتن حاوی 3% لاتکس بهبود می بخشد اما همچنان میزان وزن مخصوص بتنحاوی لاتکس پایین تر از بتن فاقد آن می باشد.

در ادامه بمنظور بهبود عملکرد لاتکس بر روی خصوصیات اصلیبتن از مقدار مشخصی از ضد کف پایه سیلیکونی در لاتکس استفاده شد و نتایج حاصل ازآن با نمونه های فاقد ضد کف مورد بررسی قرار گرفت[2]. در این پروژهاز درصد های مختلفی از ضد کف پایه سیلیکونی شامل 1%، 4% و 8% استفاده شده است.نتایج حاصل از استفاده از ضد کف در نمودار 7 نشان داده شده است.

4.   نتیجهگیری

 نتایج حاصلهاز تست های مقاومت فشاری نشان می دهد که استفاده از این نوع کوپلیمر  امولسیونی وینیل استات – بوتیل آکریلاتبه میزان 5% در نمونه بتن می تواند متوسط مقاومت فشاری آن را در مقایسه با بتن فاقدپلیمر به میزان 24.16% افزایش دهد. در حالیکه استفاده از 3% و 7% از این نمونه پلیمرباعث کاهش مقاومت بتن بترتیب به میزان 53.2% و 27.2% می شود. همچنین استفاده از پلیمردر بتن به منظور بررسی اثر آن بر روی تغییرات وزن مخصوص به عنوان معیاری از نفوذ آبدر بلوک های بتنی نیز مورد بررسی قرار گرفت . نتایج نشان می دهد استفاده از درصد ترکیبهای مختلف از این نوع پلیمر باعث کاهش وزن مخصوص می شود. به عبارت دیگر استفاده ازپلیمر منجر به افزایش خلل و فرج های موجود در بدنه پلیمر می گردد که ناشی از ایجادحباب هوا یا کف در حین اختلاط لاتکس با اجزا بتن می باشد. بمنظور جلوگیری از ایجادحباب هوا یا کف در حین اختلاط لاتکس با اجزا بتن از مقادیر مختلفی از ضد کف درترکیب لاتکس استفاده شد و نتایج حاصل از آن با نتایج بدست آمده از استفاده ازلاتکس فاقد ضد کف مقایسه شد.  نتایج نشانمی دهند که  استفاده از ضد کف باعث افزایشقابل توجهی در مقاومت بتن می گردد بطوری که نمونه بتن حاوی ضد کف در مقایسه با نمونهفاقد آن به میزان 100 مگا پاسکال مقاومت بیشتری نشان می دهد. علاوه بر این،  استفاده از ضد کف باعث افزایش وزن مخصوص بهمیزان 3.2%  شده است که نشان از تاثیر مثبتضد کف بر روی کاهش میزان جذب در بتن دارد.

منابع         

.[1]  عباس درب هنزی و سمیرا صالح آبادی، کاربرد مواد جدیددر بتن، سیزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور، دانشگاه کرمان ،1387.

[2]. F. Nabavi, Experimental Investigation on Mix Design andMechanical Properties of Polymer (Latex) Modified Concrete, Advanced MaterialsResearch Vol. 687, pp. 112-117, 2013.

[3]. M. Barbuta, Experimental studyon the characteristics of polymer concrete with epoxy resin, Bul. Inst. Polit.Iaşi, t. LIV (LVIII), f. 1, 2008.

 [4]. L.K. Aggarwal, Propertiesof Polymer-Modified Mortars using Epoxy and Acrylic Emulsions, Construction andBuilding Materials 21, pp.  379–383,2007.

[5]. N. Lazaridis, Semi – BatchEmulsion Copolymerization of Vinyl Acetate and Butyl Acrylate Using OligomerNonionic Surfactant, Macromol. Chem. Phys. 22, pp. 2614-2622, 2001. .1ن داده شده است. مختلف آب به سیمان مطابقجدول شماره و مورد استفاده قرار گرفتتاثیر لاتکس بر روی مقاومت بتن درصد هایمختلفی از چس