افزودنی بتن چیست؟

 افزودنی های بتن موادی می باشند که به بتن اضافه شده و باعث می شوند که کیفیت و عمر بتن افزایش یابد. این مواد طی یک قرن گذشته بخصوص رشد چشمگیری در صنعت بتن داشته اند بطوریکه امروزه در تعریف بتن علاوه بر سه جزء اصلی، این ترکیبات نیز جای خود را باز کرده اند. اگرچه استفاده از افزودنی های بتن در بهای تمام شده اولیه بتن تاثیر قابل توجهی دارند ولی نسبت به افزایش کیفیت، دوام و راحتی اجرا بسیار اقتصادی می باشند و استفاده از آنها در دنیا خصوصا در کشورهای توسعه یافته بسیار رایج می باشد. نقشی که افزودنی بتن بازی می کند متمرکز بر خمیر سیمانی بتن می باشد و با بهود این بخش، ماموریت خود را ایفا می کنند.

مزیتهای کیفی و قیمتی بتن به گونه ای بوده است که پس از کشف آن طی صد و پنجاه سال گذشته، رشد بسیار زیادی داشته است و می توان ادعا کرد که هر کجا که ساخت و سازی هست بتن نقش کلیدی را بازی می کند. بتن بخشی از یک سازه می باشد که قابل تعویض نمی باشد و در بهترین حالت می توان آنرا تعمیر کرد، لذا در تولید آن باید به گونه ای عمل کرد که بالاترین عمر در آن سازه را داشته باشد. تکنولژی بتن به دنبال رسیدن به عمرهای بالاتر برای بتن است و این هدف رابطه مستقیم در بهره وری اقتصادی یک پروژه دارد و بهبود کیفیت بتن به گونه ای که علاوه بر کیفیت مناسب، دوام بیشینه را داشته باشد چالش اصلی صنعت ساخت و ساز هر کشوری می باشد.

استفاده از افزودنی های شیمیایی بتن نزدیک به یک قرن هست که وارد صنعت بتن شده است و با رشدی قابل توجه تا به امروز ادامه داشته است. بتن های امروزی چه از لحاظ مقاومت های مکانیکی و چه از نظر دوامی قابل قیاس با گذشته نیست و این کیفیت مدیون دانش شیمی افزودنی های بتن می باشد.

افزودنی های بتن:

هر ماده ای به غیر از سه جزء اصلی بتن یعنی آب، سیمان و سنگدانه که به بتن اضافه شود را افزودنی می نامند. کلمه افزودنی ناخودآگاه یادآور چاشنی است که به غذا می زنیم که طعم و عطر آن را بهتر کند ولی افزودنی های بتن ورای این مسئله است. این مواد، با منظورهای مختلف در بتن استفاده می شوند. بیشتر افزودنی های بتن به منظور تغییر و بهبود مکانیسم های واکنش هیدراتاسیون به بتن اضافه می شوند و برخی دیگر با تغییر در ساختار خمیر سیمان، بدون هیچگونه واکنش خاصی به بهبود کیفی بتن کمک می کنند و با این رویکرد این مواد به دو دسته تقسیم می شوند:

1. افزودنی هایی که نقش اصلاح واکنش را داشته و پس از سخت شدن بتن نقش ساختاری در بتن ندارند. این دسته شامل ترکیبات ذیل می باشند:
   1. روان کننده ها و فوق روان کننده های بتن: این ترکیبات که عمدتاً ترکیبات آلی با جرم مولکولی متوسط به بالا می باشند نقش بهبود خواص رئولوژی خمیر سیمان را بازی می کنند. رئولوژی بتن تا حد زیادی تحت تاثیر رئولوژی خمیر سیمان می باشد. با فرض ثابت بودن ساختار سنگدانه بتن، با بهبود روانی خمیر سیمان، بتن نیز روان تر می شود.
      • مکانیسم روانی در خمیر سیمان:

خمیر سیمان یک سوسپانسیون متشکل از آب و ذرات سیمان می باشد. آب نقش پخش کننده و ذرات سیمان نقش پخش شونده را دارند. نکته قابل توجه اینست که ذرات سیمان در تماس با آب بی اثر نبوده و شروع به واکنش کرده و سطح ذرات سیمان دستخوش تغییرات فیزیکوشیمیائی می شود و از نظر الکتریکی نیز تغییرات قابل توجهی را تجربه می کند. فارغ از واکنشهای سیمان و آب، با افزایش نسبت سیمان به آب، تدریجا خمیر سیمان سفت تر می شود و روانی کمتری را نشان می دهد. دلیل این مسئله نزدیکی ذرات سیمان به یکدیگر و اصطکاک حاصل از این نزدیکی می باشد. با انجام واکنش های هیدراتاسیون، محصولاتی در سطح سیمان شکل می گیرند که علاوه بر داشتن بار الکتریکی بالا، سطح مؤثر بسیار بالائی دارند.

سطح مؤثر بالای این ذرات باعث جذب زیاد آب در خود می شود و از طرفی بار الکرتیکی ایجاد شده سطحی بصورت ناهمگن بوده و دو قطبی های الکتریکی در سطح ذرات ایجاد می کند که باعث جذب الکتروستاتیکی بین ذرات سیمان می شود. با جذب ذرات سیمان به یکدیگر تشکیل کلوخه های بزرگتر شکل می گیرد. کلوخه ها به دو شکل روانی خمیر را کاهش می دهند. اول اینکه با به دام انداختن ذرات آب به داخل خود، مقدار آب مورد نیاز سیالیت خمیر را کاهش می دهد. از طرف دیگر تبدیل ذرات کوچک سیمان به ذرات بزرگ کلوخه، اصطکاک بین ذرات بیشتر شده و روانی خمیر کاهش می یابد. جمع بندی اینست که در سوسپانسیون آب و سیمان، افزایش جذب آب به محصولات هیدراتاسیون سطوح سیمان، به دام افتادن در کلوخه ها و اصطکاک بالاتر کلوخه های تشکیل شده سه عامل مؤثر در روانی خمیر سیمان می باشند.

روان کننده ها و فوق روان کننده ها ترکیباتی هستند که دارای جرم مولکولی نسبتا بالائی بوده و شکل زنجیر داشته و در ساختار خود گروه های عاملی با بار منفی دارند. از آنجا که بار سطحی ذرات سیمان مثبت می باشد، مولکولهای روان کننده به سطح سیمان جذب شده و بار الکتریکی سطح ذرات را خنثی کرده و باعث شکسته شدن کلوخه ها می شود. این اتفاق علاوه بر آزاد سازی آب به دام افتاده، سطح اصطکاک ذرات را کاهش می دهد و باعث روانی قابل توجه در خمیر سیمان می شود.

ساختار شیمیائی روان کننده ها و فوق روان کننده ها در اثربخشی آنها تاثیر بسزائی دارد. نمکهای پلی هیدروکسی اسیدها اولین دسته از روان کننده هائی بوده اند که در بتن به مصرف رسیده اند. پس از آنها لیگنو سولفوناتها که محصولات جانبی صنایع چوب و کاغذ می باشند به این صنعت راه یافتند که اثربخشی بهتری از خود داشتند و امروزه با تغییراتی که در ساختار و فرآیند تولید آنها شکل گرفته است، همچنان نقش مؤثری بعنوان روان کننده ها و فوق روان کننده ها بازی می کنند. لیگنوسولفوناتها و پلی هیدروکسی اسیدها ترکیباتی طبیعی بوده اند و تغییر در ماهیت آنها نسبتا محدود بوده است.

نفتالن فرمالدئید سولفوناتها و ملامین فرمالدئید سولفوناتها ترکیبات پلیمری سنتزی بودند که به صنعت بتن معرفی شدند. از آنجا که این ترکیبات سنتزی بودند تا حدودی توان تغییرات ساختاری به تولیدکنندگان داد و باعث اثربخشی بالاتری در روانسازی بتن ایجاد کردند.

پلی کربوکسیلاتها دسته سومی از روان کننده ها بودند که در دهه هشتاد میلادی معرفی شدن. این ترکیبات پلیمرهایی با گروه عاملی کربوکسیلیک می باشند که نسبت به دو نسل قبلی روان کننده ها بسیار مؤثرتر عمل کرده اند. توان ایجاد تنوع در ساختار این خانواده، ویژگی این ترکیبات می باشد که باعث شده است که انواع روان کننده ها با منظورهای مختلف را بتوان تولید کرد.

1. زودگیر و دیرگیرهای بتن: گیرش بتن ناشی از گیرش سیمان می باشد که حاصل واکنش هیدراتاسیون سیمان می باشد. سرعت این واکنش مثل هر واکنش شیمیائی تابعی از عوامل ترمودینامیکی و سینتیکی می باشد. افزایش عیار سیمان و کاهش نسبت آب به سیمان باعث افزایش غلظت واکنشگرها شده و همین عامل مهمی در افزایش سرعت گیرش می باشد. دومین عامل دما می باشد. با افزایش دمای محیط سرعت واکنش افزایش یافته و با کاهش آن سرعت کاهش می یابد. در فصل گرما نیاز می باشد که سرعت واکنش توسط کندگیرها، و در فصل سرما سرعت واکنش توسط زودگیرها تنظیم شود.

زودگیرها ترکیباتی معمولاً نمکهای معدنی غنی از یون کلسیم می باشند. افزایش غلظت یون کلسیم بر طبق اصل لوشاتلیه سرعت واکنش هیدراتاسیون را افزایش می دهند. در فصل سرما بهتر است که نسبت آب به سیمان به حداقل رسیده و عیار سیمان نیز بالای 375 باشد.

دیرگیرها ترکیباتی بوده که بر روی سطح سیمان جذب شده و سرعت رسیدن مواد واکنشگر به سطح سیمان را کاهش می دهند. این ترکیبات در فصل گرما و یا بتن ریزی حجیم که گرمای حاصل از هیدراتاسیون بالا می باشد استفاده می شوند. مقدار مصرف دیرگیر بسته به میزان گرمای محیط باید تنظیم شود و استفاده زیاد از حد باعث توقف در گیرش سیمان می شود.

1. ضدیخ بتن: این ترکیبات موادی می باشند که باعث کاهش نقطه انجماد آب بتن می شوند. عمدتا نمکهای معدنی بوده که در غلظتهای به بتن اضافه می شوند. ضدیخ معمولا در مناطقی که فصول سرد طولانی مدت داشته باید استفاده شود و مناطقی که مدت زمان سرما محدود است بهتر است که تا حد امکان از استفاده از این ترکیبات خودداری شود.

بطور طبیعی هرچه ناخالصی های غیر فرار آب افزایش می یابد نقطه انجماد آن کاهش یافته و نقطه جوش نیز افزایش می یابد. نمکهای محلول در آب نیز با ایجاد بی نظمی مولکولی، باعث این اتفاق می شوند.

1. هوازای بتن: این ترکیبات موادی می باشند که باعث کاهش در کشش سطحی آب شده و باعث پایداری حبابهای هوا در بتن می شوند. حضور حبابهای هوا در بتن سخت شده علیرغم کاهش مقاومت بتن، باعث افزایش دوام بتن در برابر انواع عوامل مخرب بتن می شود. با توجه به اینکه بتن دارای ساختار سخت و غیر منعطفی می باشد، هرگونه تنش داخلی که نیرویی بالاتر از مقاومت کششی خمیر سیمان داشته باشد می تواند باعث شکست های موئینه در خمیر شده و منجر به ترک در بتن شود. انقباض های ناشی از تغییرات دمائی، انبساط ناشی از یخ زدن آب در کانالهای موئینه بتن، واکنشهای انبساطی قلیائی سنگدانه، واکنش انبساطی یونهای سولفات، تبلور نمک در کانالها همگی عوامل مخرب بتن می باشند. حضور حباب هوا مانند یک شیر اطمینان عمل کرده که انبساط و انقباض ایجاد شده را در خود مستهلک می کند و باعث کاهش تنش وارده به خمیر سخت سیمان می شود. هوازاها یکی از مؤثرترین افزودنی های بتن در ایجاد دوام می باشند.

حبابهای هوا فقط در صورتی باعث دوام در بتن می شوند که خصوصیات معینی داشته باشند. اولین خصوصیت مهم، اندازه حبابها می باشد. چنانچه حبابها از حدی بزرگتر باشند، نه تنها به دوام کمکی نمی کنند، بلکه کاهش مقاومت و کاهش دوام نیز را باعث می شوند. دومین مسئله اینست که حبابها باید در فاصله معینی از یکدیگر باشند و چنانچه از این حد بالاتر باشند، اثر دوامی نخواهند داشت. مسئله آخر اینکه حبابها باید به هم ارتباطی نداشته باشند.

هوازاها دارای ساختار شیمیائی دو قطبی می باشند. یک سمت مولکول آب دوست و سمت دیگر آن آبگریز می باشد. تناسب اندازه بین این دو قطب، تعیین کننده اثربخشی هوازائی، سایز حبابها و پایداری آنها در بتن می باشد. این ترکیبات وقتی در آب حل می شوند از سمت آبگریز به هم چسبیده و تشکیل توده های کروی می کنند که سطح بیرونی آنها آبدوست است. با اختلاط بتن، هوا به داخل این کره ها نفوذ می کند و تدریجا رشد می کنند. پوسته ایجاد شده توسط هوازا مانع از خروج هوا از آنها شده و به پایداری این حبابها می انجامد.

1. بهبود دهنده های ویسکوزیته (VMA): افزودنی هائی می باشند که باعث افزایش ویسکوزیته آب در خمیر سیمان می شوند. ساختار شیمیائی این ترکیبات به گونه ای است که در آب حل شده و ایجاد شبکه های به هم پیوسته مولکولی کرده و یک ساختار منظمی به مولکولهای آب می دهند. این پیوستگی، باعث ایجاد مقاومت در حرکت آزاد مولکولهای آب می شود. افزایش ویسکوزیته آب در خمیر سیمان باعث می شود که سوسپانسیون حاصل پایدار بوده و ذرات سیمان به راحتی در سوسپانسیون ایجاد شده رسوب نکنند. جدایش ذرات سیمان و آب خود باعث کاهش کیفیتهای رئولوژی خمیر سیمان می شود.

بهبود دهنده های ویسکوزیته در زمانی که با بتنی که پایداری استاتیک و دینامیکی کمی دارند سروکار داریم اهمیت پیدا می کنند. نامناسب بودن دانه بندی و کیفیت پائین شن و ماسه، طرح اختلاط با روانی بالا، مسیر طولانی لوله ها در زمان پمپ بتن و هر عاملی که پایداری بتن را کاهش دهد نیازمند بهبود ویسکوزیته خمیر سیمان می باشد.

بتن ریزی در زیر آب هم نیازمند ویسکوزیته بالا در خمیر سیمان بتن می باشد. بالا بودن ویسکوزیته به چسبندگی و پیوستگی بتن در زیر آب کمک کرده که مانع از پخش شدن بتن در زیر آب می شود.

در خصوص هوازای بتن، اگرچه که خود ترکیبات در ساختار بتن سخت موثر نیستند ولی با ایجاد هوا در بتن، ساختار خمیر را تحت تاثیر دائمی قرار می دهند.

2- افزودنی هائی که در ساختار خمیر سیمان وارد شده و نقش ساختاری ایفا می کنند:

1. 1. مواد پوزولانی: ترکیبات معدنی سیلیسی یا آلومینوسیلیکاتی هستند که ساختار سیلیس آنها آمورف بوده و با آهک آزاد شده طی واکنش هیدراتاسیون سیمان واکنش کرده و تشکیل محصولات کلسیم سیلیکات هیدرات می کنند که محصول اصلی واکنش هیدراتاسیون می باشند. محصولات اصلی واکنش هیدراتاسیون سیمان از دو بخش اصلی تشکیل می شوند. محصول اصلی کلسیم سیلیکات هیدرات با سطح مؤثر بالا و حلالیت بسیار کم در آب بوده و عامل چسبندگی سنگدانه ها به یکدیگر و کسب مقاومت بتن می باشند. در کنار کلسیم سیلیکات هیدرات، آهک آزاد تولید می شود. این ماده به مقدار زیاد در خمیر سخت شده سیمان تشکیل می شود که دارای مقاومت مکانیکی پائینی نسبت به کلسیم سیلیکات هیدرات بوده و یک ماده قلیایی بوده که تمایل به واکنش با انواع مواد اسیدی دارد. حضور این ماده در بتن باعث بالا بودن قلیائیت در بتن می باشد و همین مسئله کمک به دوام میلگردهای مصرف شده در بتن است. میلگردها در قلیائیت ناشی از آهک آزاد در بتن در برابر زنگ زدگی مقاوم می باشند و چنانچه به هر دلیلی این قلیائیت کاهش یابد شروع به زنگ زدگی و ایجاد ترک در بتن می کنند.

پوزولانها موادی هستند که به تنهائی با آب هیچ واکنشی نمی دهند ولی در حضور یک ماده قلیائی مانند آهک با آب وارد واکنش شده و تشکیل کلسیم سیلیکات هیدراتی می کنند که محصول اصلی واکنش هیدراتاسیون سیمان هستند. این ترکیبات علاوه بر افزایش قابل ملاحظه خواص مکانیکی و مقاومتی بتن، نفوذپذیری بتن را کاهش می دهند. این ترکیبات در سازه هائی که در محیطهای خورنده همچون مناطق ساحلی، سازه های دریائی، سازه های نگهداری یا انتقال فاضلابهای شهری و صنعتی و دیگر مناطق خورنده کارائی بسیار خوبی دارند.

میکروسیلیس، خاکستر بادی، پوزولانهای طبیعی، سرباره های کوره های ذوب فلزات از مهمترین این پوزولانها می باشند.

1. فیلرها: ترکیبات معدنی بی اثر بوده که به منظور افزایش حجم خمیر سیمان اضافه می شوند. این ترکیبات به منظور بهبود کیفیت سوسپانسیون بتن در مراحل اولیه به مصرف می رسند که نقشی در واکنش نداشته ولی در ساختار خمیر سیمان سخت شده باقی مانده و نقش ماندگار دارند. فیلرها به پایداری استاتیکی و دینامیکی بتن نیز کمک می کنند. این ترکیبات که هیچ واکنشی در هیدراتاسیون سیمان در مرور زمان ندارند، در بتن ریزی های حجیم و فصل گرما می توانند به جذب حرارت کمک کرده و گیرش بتن را کاهش دهند.

فیلرها در تولید بتن های با روانی بالا بخصوص بتن های خودتراکم مورد توجه می باشند. از آنجا که در این نوع بتنها حجم خمیر سیمانی باید بالا باشد، جایگزین بخشی از سیمان با فیلرها به پایداری خمیر و کاهش نسبت آب به سیمان کمک می کنند.

1. آب بند کننده ها: ترکیبات آلی یا معدنی بوده که در کانالهای موئینه خمیر سیمان قرار می گیرند و با محدود سازی جریان آب در این کانالها، نفوذپذیری بتن را کاهش می دهند. کاهش نفوذپذیری بتن نقش بسزائی در مقابله با عوامل مهاجم بتن داشته و نقش دوامی در بتن ایفا می کنند.

آب بندکننده های بتن با دو مکانیسم به محدود سازی کانالها کمک می کنند:

• ایجاد یک سد آبگریز در مسیر کانال می کنند. این ترکیبات که عمدتا ساختار آلی دارند در هنگام ساخت بتن، در مخلوط به نسبت مناسب وارد می شوند. طی واکنش هیدراتاسیون، این ترکیبات که در واکنش شرکت نمی کنند تدریجا همراه با آب آزاد از خمیر دفع شده و در کانالها قرار می گیرند و با تبخیر آب در جداره کانالها رسوب می کنند و پس از خشک شدن کانالها، شکل گلوله به خود گرفته و مسیر کانال را مسدود می کنند
• دسته دیگر ترکیبات شیمیائی بوده که به مخلوط بتن اضافه شده و وارد واکنش هیدراتاسیون سیمان نمی شوند و با روند گیرش، همراه آب آزاد به کانالها نقل مکان می کنند و در آنجا با آهک آزاد محلول در آب آزاد واکنش کرده و محصولات نامحلول تولید کرده و تشکیل کریستالهای نامحلول در آب داده که مسیر کانالها را مسدود می کنند. این دسته به واترپروفهای کریستال ساز معروف می باشند.