افزودنی های کاهنده آب

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.

افزودنی های کاهنده آب بتن معمولی این امکان را می دهند که نسبت آب به سیمان با یک کارایی مشخص، بدون اینکه چندان هم بر خصوصیات گیرش بتن تأثیر گذار شود، کاهش یابد. در عمل، این تأثیر به صورت زیر انجام می گیرد:

با اضافه کردن افزودنی های کاهنده آب بتن 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.

چنانچه افزودنی های کاهنده آب بتن مستقیماً به بتن به عنوان قسمتی از آب اندازه گیری شده اضافه گردد (بی هیچ تغییرر دیگری در نسبت های مخلوط) بتنی دارای خصوصیات مقاومتی مشابه بهتر حاصل می شود، در حالی که کارایی بسیار بیشتری از بتن کنترلی دارد.

با استفاده از افزودنی های کاهنده آب 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 افزودنی های کاهنده آب بتنبه طور معکوس بر دوام یا خصوصیات بتن تأثیر داشته باشد.

در هر یک از این سه راه کاربرد، افزودنی های کاهنده آب بتن را می توان به عنوان عامل صرفه جویی در سیمان تلقی کرد.

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.

کاهنده های آب

سیمان برای آبگیری کامل و انجام واکنش های شیمیایی خود به 23 تا 27  درصد وزنی آب نیاز دارد. آب مصرفی اضافی در مخلوط بتن صرف ایجاد بستری برای انجام واکنش (جذب سطح ملکولی)، روانی و کارآیی می شود. محبوس شدن آب اضافی در بتن منجر به پیدایش حفره ها و حباب های بزرگ در بتن سخت شده می شود و کاهش مقاومت های مکانیکی و پایایی (دوام) بتن را به همراه دارد. از سوی دیگر، تئلید و به کارگیری بتن با حداقل آب، همواره افزایش مشکلات و هزینه های اجرایی را به دنبال دارد. رایج ترین، اقتصادی ترین و آسان ترین روش برای حل این معضلات، استفاده از افزودنی های کاهنده آب است که از دهه 1930 میلادی به کار گرفته شده اند.

افزودنی های کاهنده آب مواد آلی یا ترکیبی از مواد آلی و معدنی هستند که برای افزایش روانی بتن در مقدار آب معین، یا کاهش مقدار آب مصرفی با حفظ روانی، یا هر دو به کار می روند. برخی از این افزودنی ها ممکن است دارای تاثیرات جانبی کُندگیری، زودگیری، زود سخت کنندگی یا هوازایی در بتن باشند که در هنگام مصرف بایستی در نظر گرفته شوند. ترکیبات و فرآیندهای مختلفی برای تولید کاهنده های آب به کار می روند که می توانند منجر به خواص جانبی گوناگون شوند. با اصلاح ساختار برخی از افزودنی های کاهنده آب که دارای اثر کندگیری هستند، می توان آنها را به کاهنده های آب خنثی یا حتی زودگیر تبدیل کرد یا اثر هوازایی آنها را به غیر هوازایی و در مواردی حتی هوازدایی (کاهش مقدار هوا) تغییر داد.

دسته بندی

افزودنی های کاهنده آب به سه گروه اصلی و هر گروه نیز بسته به خواص جانبی خود به دسته های دیگری تقسیم می شوند.

الف)روان کننده ها

روان کننده ها که نخستین گروه کاهنده های آب هستند و کاربرد آنها از دهه 1930 میلادی آغاز شده است، بسته به خواص جانبی خود و براساس استاندارد ASTM C494 به دسته های زیر تقسیم می شوند:

    روان کننده (کاهنده آب) معمولی (Type A)

    روان کننده (کاهنده آب) کندگیر (Type D)

    روان کننده (کاهنده آب) زودگیر (Type E)

روان کننده ها در بسیاری از پروژه های کوچک و بزرگ و به ویژه در بتن های حجیم مانند بدنه سدها و تولید قطعات بزرگ بتنی به کار می روند و می توان آنها را پر مصرف ترین کاهنده های آب به شمار آورد. این افزودنی ها در مقادیر مصرف متعارف، مقدار آب اختلاط بتن را 5 تا 12 درصد کاهش می دهند و در مقادیر زیاد مصرف ممکن است تاثیرات جانبی همچون کندگیری بیش از اندازه یا هوازایی داشته باشند. به همین دلیل دامنه مقدار مصرف آنها محدود است. این افزودنی ها با نام های پلاستی سایرز، کاهنده آب یا روان کننده بتن عرضه و مصرف می شوند.

ب)فوق روان کننده ها

فوق روان کننده ها که دومین گروه کاهنده های آب هستند و از دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفته اند با عنوان بساکاهنده های آب شناخته می شوند. فوق روان کننده ها براساس استانداردهای ASTM C494 & C1017 به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

    فوق روان کننده معمولی (ASTM C494: Type F)

    فوق روان کننده کندگیر (ASTM C494: Type G)

این افزودنی ها در مقادیر مصرف متعارف، مقدار آب اختلاط بتن را 12 تا 25 درصد کاهش می دهند و نسبت به روان کننده ها تاثیرات جانبی کمتری دارند ولی برخی از آنها در مقادیر مصرف بیش از اندازه موجب کندگیری یا هوازایی می شوند. از خصوصیات فوق روان کننده ها می توان گفت که عموماً فوق روان کننده ها در مقادیر مصرف خیلی کم، روانی کمتری نسبت به روان کننده ها (در مقدار یکسان) ایجاد می کنند.

نکته: به دلیل اثرات نامطلوب مصرف بیش از اندازه روان کننده ها، نمی توان آنها را در مقادیر زیاد به جای فوق روان کننده ها به کار برد.

نکته: در مقادیر مصرف بیش از اندازه فوق روان کننده ها در مخلوط های بتن با دانه بندی نامناسب، ممکن است جداشدگی و آب انداختگی افزایش یابد.

فرا روان کننده ها ج)

این افزودنی ها که سومین گروه کاهنده های آب هستند از دهه ی 1990 میلادی مورد استفاده قرار گرفته اند و با نام های فوق روان کننده توانمند یا ابر روان کننده نیز شناخته می شوند. هر چند این افزودنی ها ویژگی های منحصر به فردی نسبت به فوق روان کننده ها دارند ولی در حال حاضر در همان دسته بندی فوق روان کننده ها یعنی ASTM C494: Type F & G و ASTM C1017: Type I & II جای می گیرند.

اگر چه می توان آنها را در گروه افزودنی های خاص (Type S) که از سال 2011 میلادی به استاندارد ASTM C494 اضافه شد قرار داد. این افزودنی ها مقدار آب اختلاط بتن را بیش از 25 درصد کاهش می دهند و نسبت به روان کننده ها و فوق روان کننده ها تاثیرات جانبی کمتری دارند. عموماً فرا روان کننده ها (در مقدار مصرف یکسان) دارند. ویژگی های منحصر به فرد این افزودنی ها از جمله تولید بتن های توانمند، خود تراز، خود متراکم و با مقاومت های خیلی زودرس و خیلی زیاد از یک سو و صرفه جویی در انرژی مصرفی، کاهش هزینه های اجرایی و سازگاری زیست محیطی از سوی دیگر، باعث گسترش روز افزون کاربرد آنها در کشورهای مختلف جهان شده است.

نکته: فرآیند تولید این افزودنی ها این امکان را فراهم می آورد که براساس نیاز هر صنعت یا مشخصات فنی و شرایط اجرایی هر پروژه، فرا روان کننده ای سازگار و مناسب تولید کرد (برازش پذیری).

نکته: مراکز تحقیقاتی جهان، شرکت های تولید کننده افزودنی های بتن و سازمان های مرتبط با صنعت ساخت و ساز همواره در جستجوی یافتن مواد شیمیایی جدید با کارآیی و تاثیر بهتر بر عملکرد مخلوط های بتنی هستند و احتمال پیدایش و عرضه محصولات جدید همچنان وجود دارد.

نکته: با توجه به خاصیت پخش کنندگی بسیار زیاد فرا روان کننده، تاثیر آن بر احتمال جداشدگی و آب انداختگی در مخلوط های بتن با دانه بندی نامناسب به مراتب بیشتر از سایر کاهنده های آب است.

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

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.

افزودنی های کاهنده آب بتن معمولی این امکان را می دهند که نسبت آب به سیمان با یک کارایی مشخص، بدون اینکه چندان هم بر خصوصیات گیرش بتن تأثیر گذار شود، کاهش یابد. در عمل، این تأثیر به صورت زیر انجام می گیرد:

با اضافه کردن افزودنی های کاهنده آب بتن 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.

چنانچه افزودنی های کاهنده آب بتن مستقیماً به بتن به عنوان قسمتی از آب اندازه گیری شده اضافه گردد (بی هیچ تغییرر دیگری در نسبت های مخلوط) بتنی دارای خصوصیات مقاومتی مشابه بهتر حاصل می شود، در حالی که کارایی بسیار بیشتری از بتن کنترلی دارد.

با استفاده از افزودنی های کاهنده آب 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 افزودنی های کاهنده آب بتنبه طور معکوس بر دوام یا خصوصیات بتن تأثیر داشته باشد.

در هر یک از این سه راه کاربرد، افزودنی های کاهنده آب بتن را می توان به عنوان عامل صرفه جویی در سیمان تلقی کرد.

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.

کاهنده های آب

سیمان برای آبگیری کامل و انجام واکنش های شیمیایی خود به 23 تا 27  درصد وزنی آب نیاز دارد. آب مصرفی اضافی در مخلوط بتن صرف ایجاد بستری برای انجام واکنش (جذب سطح ملکولی)، روانی و کارآیی می شود. محبوس شدن آب اضافی در بتن منجر به پیدایش حفره ها و حباب های بزرگ در بتن سخت شده می شود و کاهش مقاومت های مکانیکی و پایایی (دوام) بتن را به همراه دارد. از سوی دیگر، تئلید و به کارگیری بتن با حداقل آب، همواره افزایش مشکلات و هزینه های اجرایی را به دنبال دارد. رایج ترین، اقتصادی ترین و آسان ترین روش برای حل این معضلات، استفاده از افزودنی های کاهنده آب است که از دهه 1930 میلادی به کار گرفته شده اند.

افزودنی های کاهنده آب مواد آلی یا ترکیبی از مواد آلی و معدنی هستند که برای افزایش روانی بتن در مقدار آب معین، یا کاهش مقدار آب مصرفی با حفظ روانی، یا هر دو به کار می روند. برخی از این افزودنی ها ممکن است دارای تاثیرات جانبی کُندگیری، زودگیری، زود سخت کنندگی یا هوازایی در بتن باشند که در هنگام مصرف بایستی در نظر گرفته شوند. ترکیبات و فرآیندهای مختلفی برای تولید کاهنده های آب به کار می روند که می توانند منجر به خواص جانبی گوناگون شوند. با اصلاح ساختار برخی از افزودنی های کاهنده آب که دارای اثر کندگیری هستند، می توان آنها را به کاهنده های آب خنثی یا حتی زودگیر تبدیل کرد یا اثر هوازایی آنها را به غیر هوازایی و در مواردی حتی هوازدایی (کاهش مقدار هوا) تغییر داد.

دسته بندی

افزودنی های کاهنده آب به سه گروه اصلی و هر گروه نیز بسته به خواص جانبی خود به دسته های دیگری تقسیم می شوند.

الف)روان کننده ها

روان کننده ها که نخستین گروه کاهنده های آب هستند و کاربرد آنها از دهه 1930 میلادی آغاز شده است، بسته به خواص جانبی خود و براساس استاندارد ASTM C494 به دسته های زیر تقسیم می شوند:

    روان کننده (کاهنده آب) معمولی (Type A)

    روان کننده (کاهنده آب) کندگیر (Type D)

    روان کننده (کاهنده آب) زودگیر (Type E)

روان کننده ها در بسیاری از پروژه های کوچک و بزرگ و به ویژه در بتن های حجیم مانند بدنه سدها و تولید قطعات بزرگ بتنی به کار می روند و می توان آنها را پر مصرف ترین کاهنده های آب به شمار آورد. این افزودنی ها در مقادیر مصرف متعارف، مقدار آب اختلاط بتن را 5 تا 12 درصد کاهش می دهند و در مقادیر زیاد مصرف ممکن است تاثیرات جانبی همچون کندگیری بیش از اندازه یا هوازایی داشته باشند. به همین دلیل دامنه مقدار مصرف آنها محدود است. این افزودنی ها با نام های پلاستی سایرز، کاهنده آب یا روان کننده بتن عرضه و مصرف می شوند.

ب)فوق روان کننده ها

فوق روان کننده ها که دومین گروه کاهنده های آب هستند و از دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفته اند با عنوان بساکاهنده های آب شناخته می شوند. فوق روان کننده ها براساس استانداردهای ASTM C494 & C1017 به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

    فوق روان کننده معمولی (ASTM C494: Type F)

    فوق روان کننده کندگیر (ASTM C494: Type G)

این افزودنی ها در مقادیر مصرف متعارف، مقدار آب اختلاط بتن را 12 تا 25 درصد کاهش می دهند و نسبت به روان کننده ها تاثیرات جانبی کمتری دارند ولی برخی از آنها در مقادیر مصرف بیش از اندازه موجب کندگیری یا هوازایی می شوند. از خصوصیات فوق روان کننده ها می توان گفت که عموماً فوق روان کننده ها در مقادیر مصرف خیلی کم، روانی کمتری نسبت به روان کننده ها (در مقدار یکسان) ایجاد می کنند.

نکته: به دلیل اثرات نامطلوب مصرف بیش از اندازه روان کننده ها، نمی توان آنها را در مقادیر زیاد به جای فوق روان کننده ها به کار برد.

نکته: در مقادیر مصرف بیش از اندازه فوق روان کننده ها در مخلوط های بتن با دانه بندی نامناسب، ممکن است جداشدگی و آب انداختگی افزایش یابد.

فرا روان کننده ها ج)

این افزودنی ها که سومین گروه کاهنده های آب هستند از دهه ی 1990 میلادی مورد استفاده قرار گرفته اند و با نام های فوق روان کننده توانمند یا ابر روان کننده نیز شناخته می شوند. هر چند این افزودنی ها ویژگی های منحصر به فردی نسبت به فوق روان کننده ها دارند ولی در حال حاضر در همان دسته بندی فوق روان کننده ها یعنی ASTM C494: Type F & G و ASTM C1017: Type I & II جای می گیرند.

اگر چه می توان آنها را در گروه افزودنی های خاص (Type S) که از سال 2011 میلادی به استاندارد ASTM C494 اضافه شد قرار داد. این افزودنی ها مقدار آب اختلاط بتن را بیش از 25 درصد کاهش می دهند و نسبت به روان کننده ها و فوق روان کننده ها تاثیرات جانبی کمتری دارند. عموماً فرا روان کننده ها (در مقدار مصرف یکسان) دارند. ویژگی های منحصر به فرد این افزودنی ها از جمله تولید بتن های توانمند، خود تراز، خود متراکم و با مقاومت های خیلی زودرس و خیلی زیاد از یک سو و صرفه جویی در انرژی مصرفی، کاهش هزینه های اجرایی و سازگاری زیست محیطی از سوی دیگر، باعث گسترش روز افزون کاربرد آنها در کشورهای مختلف جهان شده است.

نکته: فرآیند تولید این افزودنی ها این امکان را فراهم می آورد که براساس نیاز هر صنعت یا مشخصات فنی و شرایط اجرایی هر پروژه، فرا روان کننده ای سازگار و مناسب تولید کرد (برازش پذیری).

نکته: مراکز تحقیقاتی جهان، شرکت های تولید کننده افزودنی های بتن و سازمان های مرتبط با صنعت ساخت و ساز همواره در جستجوی یافتن مواد شیمیایی جدید با کارآیی و تاثیر بهتر بر عملکرد مخلوط های بتنی هستند و احتمال پیدایش و عرضه محصولات جدید همچنان وجود دارد.

نکته: با توجه به خاصیت پخش کنندگی بسیار زیاد فرا روان کننده، تاثیر آن بر احتمال جداشدگی و آب انداختگی در مخلوط های بتن با دانه بندی نامناسب به مراتب بیشتر از سایر کاهنده های آب است.

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