فوق روان کننده بتن

فوق روان کننده بتن یا همان کاهنده قوی آب افزودنی جدیدی است که تاثیر به سزایی دارد. فوق روان کننده بتن به ترتیب در سال‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ در ژاپن و آلمان توسعه یافتند. از نظر شیمیایی آن‌ها با روان کننده‌های معمولی متفاوت هستند. سطوح دوز فوق روان کننده معمولا بالاتر از (۰.۵ تا ۳ درصد) کاهنده‌های آب معمولی است و (۰.۱۸ تا ۰.۴۷) اثرات جانبی نامطلوب بسیار کمتری بر خواص بتن دارند. از آنجایی که فوق روان کننده بتن کشش سطحی آب را تا حد زیادی کاهش نمی‌دهند، نمی‌توانند مقدار قابل توجهی هوا را در بتن جذب کنند.
استفاده از فوق روان کننده بتن می‌تواند باعث کاهش آب در مخلوط بتن تا ۳۰ درصد شود بدون اینکه اثر بدی بر کارایی بتن ایجاد کند، یعنی بدون کاهش کارایی بتن، در حالی که روان کننده‌های بتن معمولی با دزهای ۰.۱ تا ۰.۴ درصد وزن سیمان می‌تواند محتوای آب را از ۵ تا ۱۵ درصد کاهش دهد.
فوق روان کننده بتن برای تولید بتن روان برای استفاده در مکان‌های غیرقابل دسترس، طبقات یا جاهایی استفاده می‌شود که نیاز به قرار دادن بسیار سریع است. به بتن خود تراز و خود تراکم بتن روان گفته می‌شود. همچنین از فوق روان کننده بتن برای تولید بتن با مقاومت بالا و کارایی بالا استفاده می‌شود. با استفاده از فوق روان کننده ها، بتن روان را می‌توان با نسبت آب به سیمان ۰.۲۵ یا حتی کمتر تولید کرد. مقاومت چنین بتن ۱۲۰ مگاپاسکال (۱۲۰۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع) یا بیشتر یافت شد. همچنین استفاده از فوق روان کننده بتن امکان استفاده از خاکستر بادی، سرباره و ژل میکروسیلیس را برای تولید بتن با کیفیت بالا فراهم کرد.

فوق روان کننده بتن چیست؟

فوق روان کننده بتن (SPs) که به عنوان کاهنده آب با برد بالا نیز شناخته می‌شوند، افزودنی‌هایی هستند که در ساخت بتن با مقاومت بالا استفاده می‌شوند. روان کننده‌های بتن ترکیبات شیمیایی هستند که امکان تولید بتن با تقریبا ۱۵ درصد آب کمتر را فراهم می‌کنند. فوق روان کننده بتن امکان کاهش محتوای آب را تا ۳۰ درصد یا بیشتر فراهم می‌کنند. این افزودنی‌ها در سطح چند درصد وزنی به کار می‌روند. روان کننده‌های بتن و فوق روان کننده بتن عمل آوری بتن را به تاخیر می‌اندازند.
به طور کلی، فوق روان کننده بتن را می‌توان به انواع مختلفی طبقه‌بندی کرد که لیگنوسولفونات‌های خالص، پلیمرهای مصنوعی کربوکسیلات، پلیمرهای مصنوعی سولفونه و پلیمرهای مصنوعی با مواد سیمانی با عملکرد مخلوط شامل می‌شود.
ابر روان کننده‌های بتن در جایی استفاده می‌شوند که تعلیق ذرات به خوبی پراکنده شده برای بهبود ویژگی‌های جریان (رئولوژی) تعلیق‌ها مانند بهبود کارایی بتن مورد نیاز است. افزودن آن‌ها به بتن یا ملات امکان کاهش نسبت آب به سیمان را بدون تأثیر منفی بر کارایی مخلوط فراهم می‌کند و امکان تولید بتن خودگیر و بتن با کارایی بالا را فراهم می‌کند. ابر روان کننده‌های بتن عملکرد خمیر تازه سخت شونده را تا حد زیادی بهبود می‌بخشند. هنگامی که نسبت آب به سیمان کاهش می‌یابد، مقاومت بتن افزایش می‌یابد.
افزودن ابر روان کننده‌های بتن در کامیون در حین حمل و نقل یک پیشرفت نسبتا مدرن در صنعت است. مواد افزودنی اضافه شده در ترانزیت از طریق سیستم‌های مدیریت اسلامپ خودکار، به تولیدکنندگان بتن اجازه می‌دهد اسلامپ را تا زمان تخلیه بدون کاهش کیفیت بتن حفظ کنند.

آشنایی با انواع فوق روان کننده بتن

طبقه‌بندی فوق روان کننده بتن به صورت زیر است و پلیمرهای زیر معمولا به عنوان پایه برای فوق روان کننده بتن استفاده می‌شوند:

میعانات ملامین فرمالدئید سولفونه (SMF)؛
میعانات نفتالین فرمالدئید سولفونه (SNE)؛
لیگنوسولفونات های اصلاح شده (MLS)؛
انواع دیگر.

علاوه بر موارد فوق، فوق روان کننده‌های بتن نسل جدید زیر نیز استفاده می‌شوند:

چند کربوکسیلاتترها (MCE)؛
کوپلیمر کربوکسیلیک اسید اکریلیک با اکریلیک استر (CAE)؛
استر پلی کربوکسیلات (PC)؛
پلیمر اکریلیک متقاطع (CLAP)؛
مبتنی بر پلیمر اکریلیک (AP)؛
ترکیبی از موارد فوق.

چهار فوق روان کننده بتن اول به دلیل اجزای پایه یا به دلیل وزن مولکولی متفاوت با یکدیگر متفاوت هستند. احتمالا میعانات نفتالین فرمالدئید سولفونه شده (SNF) در پراکندگی سیمان مؤثرتر است. همچنین ثابت شده است که دارای برخی از خواص نگهداری است. عمل پراکندگی عمدتا توسط اسید سولفونیک ایجاد می‌شود. اسید سولفونیک بر روی سطح ذرات سیمان جذب می‌شود و آن‌ها را دارای بار منفی و متقابلا دافعه می‌کند.
این عمل کارایی را در یک نسبت آب به سیمان معین افزایش می‌دهد و اسلامپ را از ۷۵ میلی متر به ۲۰۰ میلی متر افزایش می‌دهد. بتن حاصل منسجم است و در معرض نشت و جداسازی بیش از حد نیست. اگر سنگدانه ریز ۴ تا ۵ درصد افزایش یابد و از سنگدانه‌های درشت بسیار زاویه دار و پوسته پوسته پرهیز شود، انسجام حاصل می‌شود.
مشخص شده است که هر محصول تجاری عملکرد متفاوتی روی سیمان دارد. دوز روان کننده‌های بتن معمولی در مورد لیگنوسولفانات‌ها از ۰.۲۵ درصد وزنی سیمان و در مورد اسیدهای کربوکسیلیک از ۰.۱ درصد تجاوز نمی‌کند. دوزهای فوق نرم‌کننده‌های بتن مانند SMF و NSF به میزان ۰.۵ تا ۳.۰ درصد استفاده می‌شوند، زیرا هوا را به داخل نمی‌برند، اما در دوزهای نسبتا بالا می‌توانند اثرات نامطلوبی مانند تسریع یا تأخیر در زمان گیرش ایجاد کنند. با این حال آن‌ها باعث افزایش حباب هوا در بتن می‌شوند. روان کننده‌های بتن و فوق روان کننده‌های بتن بر پایه آب هستند. محتویات جامد ممکن است در یک محصول تولید شده توسط شرکت‌های مختلف به هر میزانی متفاوت باشد.

اهداف فوق روان کننده بتن
فوق روان کننده‌های بتن برای اهداف زیر استفاده می‌شوند:

افزایش کارایی بتن بدون تغییر در ترکیب مخلوط.
کاهش محتوای آب اختلاط آب، کاهش نسبت آب به سیمان و در نتیجه افزایش مقاومت و دوام بتن.
کاهش محتوای سیمان و آب در بتن برای کاهش هزینه تولید بتن. کاهش محتویات سیمان و آب باعث کاهش خزش، انقباض و گرمای هیدراتاسیون می شود.

یکی از مهمترین نقاط ضعف فوق روان کننده‌های بتن سنتی مانند میعانات ملامین فرمالدئید سولفونه (SMF) یا میعانات نفتالین فرمالدئید سولفونه شده (SNF) و لیگنو سولفات اصلاح شده (MLS) از دست دادن اسلامپ است. از دست دادن اسلامپ با گذشت زمان یک محدودیت جدی در مزایای این فوق روان کننده‌های بتن ایجاد می‌کند. برای غلبه بر این محدودیت، آزمایش‌هایی در اروپا و ژاپن انجام شد و آن‌ها اخیرا نسل جدیدی از فوق روان‌کننده بتن را کشف کردند.
تمام نسل جدید فوق روان کننده‌های بتن ساخته شده بر پایه خانواده پلیمرهای اکریلیک (A،P) هستند. از بین این فوق روان کننده‌های بتن، خواص دو فوق روان کننده بتن کوپلیمر کربوکسیله اکریلیک استر (CAE) و چند کربوکسیلاتتر (MCE) در ادامه مورد بحث قرار می‌گیرد.

استر اکریلیک کربوکسیله حاوی گروه‌های کربوکسیلیک (COO) به جای سولفوریک (SO3) موجود در SNF و SMF است. در مورد SNF و SMF پراکندگی دانه سیمان ناشی از دافعه الکترواستاتیکی در نظر گرفته شد، اما آزمایش‌های اخیر انجام شده، فرضیه فوق را برای مکانیسم عمل پلاستیک‌سازی پلیمرهای اکریلیک اثبات می‌کند.
تولید نیروی دافعه معروف به پتانسیل زتا تولید شده توسط پلیمرهای اکریلیک (AP) و در فوق روان کننده بتن مبتنی بر SNF در جدول زیر نشان داده شده است، از جدول مشاهده می‌شود که فوق روان کننده بتن مبتنی بر AP تغییر پتانسیل زتا ناچیز (۰.۳ تا ۵ mv) ایجاد می‌کنند. بر خلاف فوق روان کننده بتن مبتنی بر SNF (۲۳.۰-۲۸.۰ mv) در سوسپانسیون آبی ذرات سیمان که توسط Sakai E و Daiman M در سال ۱۹۹۷ گزارش شده است.
شکل ۶.۲۱ جذب CAE و SNF روی سیمان را به عنوان تابعی از دز پلیمر نشان می‌دهد. از شکل ۶.۲۱ مشاهده می‌شود که جذب CAE حدود ۸۵٪ و SNF به عنوان ۷۵٪ است. یعنی جذب CAE بسیار بیشتر از SNF است. شکل ۶.۲۲ پتانسیل زتا CAE و SNF را بر روی ذرات سیمان به عنوان تابعی از دز پلیمر نشان می‌دهد. از این شکل ۶.۲۲ مشاهده می‌شود که پتانسیل زتا ذرات سیمان مخلوط شده با CAE بسیار کمتر از SNF است.

مزایا فوق روان کننده بتن شامل چه چیزی می شود؟

فوق روان کننده بتن میزان آب مصرفی را کاهش می‌دهند.
استفاده از فوق روان کننده بتن میزان سیمان مصرفی را کاهش می‌دهد.
ابر روان کننده بتن کارایی بتن را افزایش می‌دهد.
نفوذپذیری بتن را کاهش می‌دهد.
قرار دادن فوق روان کننده بتن آسان است.
قدرت اولیه را توسعه می‌دهد.

مکانیزم عمل فوق روان کننده بتن چگونه است؟

در روان کننده‌های بتن سنتی لیگنوسولفونات‌ها به عنوان نمک سدیم آن‌ها هستند. فوق روان کننده‌های بتن پلیمرهای مصنوعی هستند. ترکیباتی که به عنوان فوق روان کننده بتن استفاده می‌شوند شامل میعانات نفتالین فرمالدئید سولفونه، میعانات ملامین فرمالدئید سولفونه، میعانات استون فرمالدئید و اترهای پلی کربوکسیلات می‌شوند. ملامینه یا نفتالین سولفونات‌های متقاطع که به ترتیب PMS (پلی ملامین سولفونات) و PNS (پلی نفتالین سولفونات) نامیده می‌شوند، توضیح دهنده هستند. آن‌ها با اتصال عرضی مونومرهای سولفونه شده با استفاده از فرمالدئید یا با سولفون کردن پلیمرهای شبکه‌ای مربوطه تهیه می‌شوند.
پلیمرهایی که به عنوان روان کننده بتن عمل می‌کنند، خاصیت سورفکتانت را نشان می‌دهند. آن‌ها اغلب آینومر هستند. آن‌ها به عنوان پخش کننده عمل می‌کنند تا جداسازی ذرات (شن، ماسه‌های درشت و ریز) را به حداقل برسانند. ستون فقرات پلیمری با بار منفی روی ذرات کلوئیدی با بار مثبت جذب می‌شود. با این حال، مهندسان به طور کامل مکانیسم‌های کاری خود را درک نمی‌کنند که در موارد خاص، ناسازگاری سیمان و فوق روان کننده بتن را در پی دارد.
عوامل مختلفی بر عملکرد مواد افزودنی تأثیر می‌گذارد. به طور عمده، آن‌ها را می‌توان به شرح زیر شناسایی کرد:

نوع و دوز افزودنی؛
ماهیت سیمان و سنگدانه ها؛
نسبت آب به سیمان؛
شرایط محیطی؛
روش افزودن مواد افزودنی بتن.

ویژگی های فوق روان کننده ی بتن شامل چه مواردی است؟
فوق روان کننده بتن مبتنی بر پلیمرهای اکریلیک ویژگی‌های زیر را نشان می‌دهند:

بتن روان را می توان با نسبت آب به سیمان کمتر تولید کرد.
اثربخشی فوق روان کننده بتن به روش افزودن (فوری یا تاخیری) همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است، بستگی ندارد.
تلفات اسلامپ در مقایسه با فوق روان کننده های بتن سنتی سولفونه بسیار کاهش می یابد.

نوع

مخلوط

آب/سیمان

اسلامپ (میلی متر)

دوز

روش اضافه کردن

CAE

0.3

فوری

0.39

230

CAE

0.3

با تاخیر

0.39

235

NSF

0.48

فوری

0.4

100

NSF

0.48

با تاخیر

0.4

230

از جدول فوق مشاهده می‌شود که اسلامپ یعنی کارایی بتن با افزودن NSF پس از مخلوط کردن به مدت ۱ دقیقه به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. افزایش اسلامپ از ۱۰۰ تا ۲۳۰ میلی‌متر مشاهده می‌شود، در حالی که در مورد CAE اثر افزودن تاخیری فوق روان‌کننده بتن غیرقابل محسوس است، یعنی افزایش فقط از ۲۳۰ به ۲۳۵ میلی‌متر است.

کاربرد فوق روان کننده بتن
فوق روان کننده بتن برای اهداف زیر استفاده می‌شوند:

تولید بتن کارآمدتر از بتن بدون استفاده از فوق روان کننده بتن با نسبت آب به سیمان یکسان.
برای کارایی یکسان، استفاده از فوق روان کننده بتن اجازه استفاده از نسبت آب به سیمان کمتر را می‌دهد.
استفاده از فوق روان کننده بتن نیز به دلیل افزایش استحکام باعث کاهش محتوای سیمان می‌شود.
استفاده از پلاستیسایزرها نیز بتنی همگن و منسجم را بدون تمایل به جداسازی و نشت تولید می‌کند.
فوق روان کننده‌های بتن سیمان را پراکنده می‌کنند، موادی با مقاومت اولیه بالاتری نسبت به بتن آزاد با نسبت W/C یکسان ارائه می‌دهند.
فوق روان کننده‌های بتن ادکتورهایی هستند که باعث تاخیر در زمان گیرش مخلوط بتن مرطوب می‌شوند.

بهترین فوق روان کننده بتن کدام اند؟

برای تولید بتن با کارایی بالا، فوق روان کننده بتن نسل جدید به نام مولتی کربوکسیلاتتر (MCE) موثرتر یافت می‌شود. خواص این فوق روان کننده‌های بتن به شرح زیر است:

کاهش آب زیاد است.
در نسبت آب به سیمان کم، توانایی جریان آنها عالی است.
کاهش افت اسلامپ با گذشت زمان مشاهده می شود.
قدرت اولیه بسیار بالا مشاهده می شود.
مقدار دوز کم است.

معایب استفاده از فوق روان کننده بتن
استفاده از فوق روان کننده بتن ممکن است مشکلاتی به همراه داشته باشد که برخی مهم‌ترین آن‌ها را در ادامه بیان کردیم:

اسلامپ بتن بدون افزودنی بتن به عنوان مخلوط مرجع شناخته می شود.
میکسر ناکارآمد مورد استفاده برای آزمایش ممکن است رخ دهد.
انتخاب پلاستیزر و فوق روان کننده گاهی اوقات دشوار است.
تعیین مقدار مصرف.
از دست دادن اسلامپ.
کاهش افت اسلامپ.
تراکم بتن در محل.
جداسازی و نشت.
ترتیب اضافه کردن افزودنی بتن.
مشکل با گرد و غبار دارد.
مشکل ماسه خرد شده دارد.
درجه بندی سنگدانه های درشت.
سازگاری با سیمان.

از میان مشکلات فوق، حفظ اسلامپ مناسب در محل بتن ریزی بسیار مهم است. بنابراین کاهش افت اسلامپ را می‌توان با انجام یک یا چند مرحله زیر بررسی کرد:

بالا نگه داشتن اسلامپ اولیه.
استفاده از کندکننده ها.
نگه داشتن دمای پایین.
استفاده از روان کننده های کندکننده یا فوق روان کننده ها.
استفاده از فوق روان کننده بتن در نقطه نهایی.
استفاده از دوز تکراری و غیره.

قبل از خرید فوق روان کننده بتن باید به چه نکاتی توجه کرد؟
مواد افزودنی فوق روان کننده بتن یا کاهنده قوی آب را می‌توان بر اساس یکی از اهداف زیر به کار گرفت: