فوق‌روان‌کننده‌ها (فوق‌کاهنده‌های آب)

2-2- فوق‌روان‌کننده‌ها (فوق‌کاهنده‌های آب)
2-2-1- تعریف
فوق‌روان‌کننده‌ها (فوق‌کاهنده‌های آب) موادی هستند که امکان افزایش کارایی یک مخلوط بتنی را در نسبت آب به سیمان ثابت و یا امکان کاهش مقدار آب را برای رسیدن به یک مقدار روانی مشابه با مخلوط شاهد را با تأثیر بیشتر در مقایسه با روان‌کننده‌ها فراهم می‌کنند. مدت اثر این مواد موقتی است و طول مدت اثر آن بسته به نوع و ترکیب شیمیایی این مواد متغیر می‌باشد.

2-2-2- مقدمه
فوق‌روان‌کننده‌ها (فوق‌کاهنده‌های آب) جهت حصول روانی بیشتر یک مخلوط بتنی بدون افزایش مقدار آب و با حفظ نسبت آب به سیمان در عملیات بتن‌ریزی و تسهیل مراحل اجرای بتن استفاده می‌شوند. در این صورت دستیابی به خواص مطلوب مقاومتی و دوام بتن با کاهش مقدار آب در یک مخلوط بتنی و با حفظ مقدار روانی امکان‌پذیر است. این مواد به دلیل خواص ممتاز در ایجاد روانی بیشتر و امکان کاهش بیشتر آب مخلوط از افزودنی‌های روان‌کننده متمایز گردیده‌اند.

2-2-3- ترکیب ‌
فوق‌روان‌کننده‌های (فوق‌کاهنده‌های آب) موجود و مورد مصرف را بطور کلی بر اساس ترکیبات شیمیایی موجود در آنها می‌توان در گروه‌های اصلی زیر طبقه‌بندی کرد:
- بتانفتالین سولفونات فرمالدئید تغلیظ شده
- ملامین سولفونات فرمالدئید تغلیظ شده
- لیگنوسولفونات‌های اصلاح شده
- استرهای اسیدهای سولفونیک
- نمک اسیدهای کربوکسیلیک/هیدروکربوکسیلیک
- اسیدهای پلی کربوکسیلیک

اگرچه انواع بسیاری از مواد با ترکیبات شیمیایی متفاوت نیز وجود دارد و ادعا شده است که قابلیت ایجاد روانی را در مخلوط‌های بتنی دارند اما هنوز به لحاظ تجاری نتوانسته‌اند جای خود را باز کنند و نمی‌توان آنها را در دسته‌های اصلی ذکر شده جای داد.

2-2-4- مکانیزم عملکرد
مکانیزم کار افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب با اساس نفتالین و ملامین بر پایه جذب سطحی قسمت آنیونی افزودنی و سطح تماس آن با آب خالص است و به سطح مشترک آنها بستگی دارد. سر غیرقطبی پلیمر قسمتی است که باعث جذب سطح سیمان می‌شود و آب‌دوست بودن این قسمت سبب میل مخلوط به سوی انحلال می‌شود. تأثیر اساسی را افزایش بار منفی روی دانه‌های سیمان می‌گذارد بدین ترتیب که ذرات سیمان یکدیگر را دفع می‌کنند (دافعه الکترواستاتیکی) و پراکندگی بوجود می‌آید. بنابراین نیاز به آب کمتر شده که برای تهیه بتن با کارایی مناسب یک عامل ایده آل محسوب می‌شود. بدون استفاده از افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب، این ذرات ریز گرایش به لخته شدن دارند که این پدیده اقتضای جاذبه نیروهای مخالف سطح ذرات مجاور است. افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب با اساس کربوکسیلیک بیش از افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب با اساس نفتالین یا ملامین، مکانیزم دوگانه الکترواستاتیک و دافعه را تقویت می‌نمایند و پراکندگی سیمان را کنترل می‌کنند. علاوه بر دافعه الکترواستاتیک، طرز قرار گرفتن مولکول‌ها و زنجیره فواصل آنها را نیز تنظیم می‌کند (طرز استقرار اجزاء اتم در فضا به واسطه دافعه) و این عامل به طور فیزیکی کمک می‌کند تا ذرات سیمان جدا از یکدیگر بمانند و این اجازه می‌دهد تا آب سطح تماس بیشتری از سیمان را احاطه کند.
مکانیزم عملکرد مواد فوق‌روان‌کننده (فوق کاهنده آب) اساساً به قابلیت آنها در جذب سطحی ذرات سیمان و اصلاح خواص و رفتار رئولوژی ماتریس سیمان مربوط است. مقدار و قدرت جذب سطحی این مواد بستگی به ترکیب شیمیایی و معدنی سیمان، ریزی آن و همچنین مقدار فاز C3A دارد.
تحقیقات نشان داده است که آلومینات کلسیم موجود در سیمان به سرعت مولکول‌های افزودنی فوق‌روان‌کننده (فوق‌کاهنده آب) را جذب می‌کند، حال آنکه سیلیکات‌های کلسیم در ساعات اولیه هیدراسیون فقط مقدار کمی از این مواد را به خود جذب می‌کنند.
افزایش روانی و کارایی بتن که با استفاده از این مواد بدست می‌آید را می‌توان به علل زیر مربوط دانست.
- به مقدار پتانسیل زتا (zeta) در لایه دوگانه الکتریکی که در سطح ذرات سیمان توسط گروه‌های قطبی زنجیره‌های فوق‌روان‌کننده جذب شده شکل گرفته است.
- به وزن مولکولی ماده افزودنی فوق‌روان‌کننده (فوق‌کاهنده آب)
افت کارایی در مخلوط به روند کند کردن هیدراسیون سیمان بوسیله این مواد مربوط می‌شود. با کند شدن هیدراسیون افت کارایی کمتری در بتن تازه رخ می‌دهد.

2-2-5- اثرات
مواد فوق‌روان‌کننده (فوق‌کاهنده آب) می‌توانند در دو حالت مورد استفاده قرار بگیرند. در یک حالت می‌توانند روانی بیشتری را در یک نسبت آب به سیمان ثابت در مقایسه با بتن شاهد ایجاد کند (فوق‌روان‌کننده) و در حال دیگر باید قادر باشند تا یک روانی ثابت را در مقایسه با یک بتن شاهد با کاهش آب مخلوط فراهم کنند (فوق‌کاهنده آب) که در هر یک از این حالات مورد استفاده قرار گیرند دارای اثراتی بر خواص بتن تازه و سخت شده هستند که در ادامه شرح داده می‌شود:


2-2-5-1- بتن تازه
الف) وزن مخصوص
وزن مخصوص بتن تازه در حالتی که از این مواد بعنوان فوق‌کاهنده آب استفاده شود، معمولاً افزایش می‌یابد.

ب) کارایی
- روانی: مواد فوق‌روان‌کننده بطور چشمگیری، قابلیت سیالیت و روانی بتن را افزایش می‌دهند. زمانی که یک افزودنی فوق روان‌کننده به بتن با مقدار آب ثابت اضافه می‌شود، اسلامپ افزایش می‌یابد. هر چه مقدار افزودنی بیشتر باشد اسلامپ نیز بیشتر می‌شود. معمولاً برای مقادیر بیش از مقدار توصیه شده توسط سازندگان، این افزودنی‌ها اثری در افزایش اسلامپ ندارند و حتی ممکن است باعث ایجاد مشکلاتی مانند جداشدگی با آب‌‌انداختگی شوند. مقدار مورد نیاز برای تولید بتن با روانی متفاوت به ویژگی‌های سیمان، اسلامپ اولیه، نسبت آب به سیمان (w/cm)، دما، زمان افزودن و تناسب ترکیبات بتن بستگی دارد.

- چسبندگی: با استفاده از مواد فوق‌کاهنده آب چسبندگی مخلوط به مقدار زیادی بهبود می‌یابد که این در نتیجه کاهش مقدار آب در مخلوط بتن است.

- مقدار هوا: مقدار هوا در مخلوط‌های دارای فوق‌روان‌کننده ممکن است به مقدار کمی افزایش یابد، بخصوص در مواردی که از فوق‌روان‌کننده به مقدار زیاد استفاده شود.

- افت اسلامپ: در یک کارایی اولیه مشابه، افت اسلامپ در یک مخلوط بتنی دارای فوق‌کاهنده آب ممکن است بیش از مخلوط شاهد باشد. در نسبت آب به سیمان مشابه نیز، افت اسلامپ در یک مخلوط دارای فوق‌روان‌کننده ممکن است بیشتر و یا کمتر از مخلوط شاهد باشد و این بستگی به عملکرد فوق‌روان‌کننده مصرفی دارد.

- پمپاژپذیری: پمپاژپذیری بتن با استفاده از فوق‌روان‌کننده‌ها و فوق‌کاهنده‌های آب افزایش می‌یابد که این در نتیجه افزایش کارایی و ناشی از چسبندگی بهتر در مواردی است که از فوق‌کاهنده‌ها استفاده می‌گردد.

- جدایی: جدایی در اثر استفاده از افزودنی‌های فوق‌روان‌کننده یا فوق‌کاهنده آب مشروط به اینکه نسبت‌های اجزاء مخلوط بتن بطور مناسب و صحیح طرح شده باشد، کاهش می‌یابد.

2-2-5-2- مرحله گیرش
الف) گیرش
بطور کلی افزودنی‌های فوق‌روان‌کننده به مقدار ناچیزی ممکن است زمان گیرش بتن را به تأخیر اندازند. در حالیکه این افزودنی بعنوان فوق‌کاهنده آب و یا مقدار مصرف معمول مورد استفاده قرار گیرند اثر قابل ملاحظه‌ای بر گیرش ندارند.

ب) جمع‌شدگی پلاستیک
ترک خوردگی ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک در صورت استفاده از مواد فوق‌کاهنده آب و در شرایطی که تبخیر از سطح بتن زیاد باشد ممکن است بیشتر شود، زیرا در اثر استفاده از این مواد، آب‌انداختگی در سطح بتن کاهش می‌یابد و سرعت تبخیر از سطح از مقدار آب‌انداختگی بیشتر خواهد شد.


پ) آب‌انداختگی:
آب‌انداختگی در صورت استفاده از مواد فوق‌کاهنده آب کاهش می‌یابد. در صورتیکه از این مواد بعنوان فوق‌روان‌کننده استفاده شود و در مخلوط بتنی دانه‌بندی سنگدانه مناسب نباشد آب‌انداختگی می‌تواند افزایش یابد.

2-2-5-3- مرحله سخت شدن
الف) مقاومت
در صورت استفاده از این مواد بعنوان فوق‌کاهنده آب، به دلیل کاهش نسبت آب به سیمان در مخلوط، مقاومت بتن بطور قابل توجهی افزایش می‌یابد. در حالیکه از این مواد بعنوان فوق‌روان‌کننده استفاده شود در خواص مقاومتی بتن تغییری عمده و قابل توجه حاصل نمی‌شود، اما افزایش جزئی مقاومت گزارش شده است که به دلیل پخش و توزیع بهتر سیمان در بتن، منطقی و قابل توجیه است.

ب) تخلخل
- جذب مویینه: جذب مویینه بتن در صورت استفاده از مواد افزودنی در حالت فوق‌کاهنده آب بشدت کاهش می‌یابد.

- نفوذپذیری
نفوذپذیری بتن بطور مستقیم با جذب مویینه که متأثر از نسبت آب به سیمان است، ارتباط دارد. لذا با استفاده از مواد افزودنی فوق‌کاهنده آب، نفوذپذیری بتن به مقدار زیادی کاهش می‌یابد.


2-2-6- نحوه مصرف
افزودنی های فوق‌روان‌کننده (فوق‌کاهنده آب) معمولاً بصورت محلول در آب می‌باشند که مقدار مواد خشک موجود در آنها 30 تا 40 درصد وزنی است. جهت مصرف این مواد آنها را معمولاً به آب طرح اضافه می‌کنند یا در مراحل پایانی اختلاط به مخلوط اضافه می‌نمایند. اضافه کردن در مراحل پایانی اختلاط، سبب عملکرد بهتر این مواد می‌شود و توصیه می‌شود این روش استفاده شود. بعضی از این مواد گاهی به شکل پودر مصرف می‌شوند که قبل از اضافه کردن آب مخلوط، به سیمان یا سنگدانه اضافه می‌شود که این حالت بیشتر در ملات‌های خشک آماده و یا بتن‌های خشک که آب مخلوط در محل بتن‌ریزی اضافه می‌گردد، بکار می‌رود.
مقدار مصرف بهینه این مواد بر حسب نوع و خواص و ترکیب شیمیایی آنها بسیار متفاوت است. همچنین به مواردی مانند نوع سیمان، دمای ساخت بتن و ... نیز بستگی دارد. مقدار مصرف صحیح این مواد باید قبلاً طبق توصیه‌های سازنده و در آزمایشگاه با در نظر داشتن شرایط محیطی و اقلیمی در محل مصرف تعیین شود.

2-2-7- توصیه‌های مصرف
• معمولاً زمانی که برای تهیه یک بتن مناسب از افزودنی فوق‌کاهنده آب استفاده می‌شود، جداشدگی اتفاق نمی‌افتد. با این وجود در نظر نگرفتن پیش بینی‌های لازم و عدم احتیاط می‌تواند سبب جداشدگی شود. نامتناسب بودن اجزاء بتن و اختلاط ناقص می‌تواند سبب آب‌انداختگی و جداشدگی شود.
• تناسب نادرست اجزاء بتن ممکن است در بتن‌های با اسلامپ کم آشکار نباشد، اما در بتن‌های روان با اسلامپ زیاد این نقص‌ها و کمبودها اهمیت پیدا می‌کنند و می‌توانند سبب جداشدگی و یا آب‌انداختگی شوند. به همین علت است که جداشدگی در بتن‌های روان که با افزودنی‌های فوق‌کاهنده آب ساخته می‌شوند، بیشتر مشاهده می‌شود. یک راه برای اطمینان یافتن از عدم جداشدگی، افزایش سنگدانه‌های ریز و استفاده از مصالح و سنگدانه‌ها با سطح زبرتر و توجه به دانه‌بندی سنگدانه و مواد ریز بتن است.
• استفاده از یک افزودنی فوق‌روان‌کننده/فوق کاهنده آب برای افزایش اسلامپ نباید سبب افزایش آب‌انداختگی در یک بتن با نسبت‌های مناسب شود. به همین علت، در هنگام کار با افزودنی‌هایی از نوع نمک اسیدهای کربوکسیلیک و هیدروکربوکسیلیک که میل به افزایش آب‌انداختگی بتن دارند باید توجه لازم را نمود. آب‌انداختگی را می‌توان از طریق تغییر ترکیب اجزاء بتن که در جلوگیری از جداشدگی نیز مؤثر است، کاهش داد.