۱. افزودنی‌های بتن

۱-۱. كليات

۱-۱-۱. تعریف کلی:

مواد افزودنی بتن، موادی هستند که به عنوان یکی از مواد تشکیل دهنده بتن ریزی و برای اصلاح برخی خواص بتن کمی قبل از مخلوط کردن مواد سازنده بتن یا در زمان مخلوط کردن (داخل میکسر) به آن افزوده می‌شود. بنا بر تعریف استاندارد شماره ۲۹۳۰ موسسه استاندارد ایران، مواد افزودنی بتن موادی هستند که علاوه بر آب، سیمان و سنگدانه به مقدار جزئی حداکثر پنج درصد وزن سیمان، در زمان اختلاط به بتن اضافه شده و موجب اصلاح برخی از خواص بتن تازه یا سخت شده می‌شود. افزودنی‌های بتن به ۲ دسته معدنی و شیمیایی تقسیم می‌شوند که نوع شیمیایی به ۵ گروه تفکیک می‌شود که عبارتند از حباب هوا ساز، دیرگیر کننده، زودگیر کننده، روان کننده (کاهنده آب بتن)، لاتکس‌های آب بند یا نم بند.

همچنین گروه دیگری از مواد افزودنی بتن نیز تحت عنوان افزودنی‌های معدنی یا پوزولان‌ها در پروژه‌های عمرانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که نقش تکمیلی در واکنش‌های سیمانی داشته و بیشتر با هدف بهبود دوام و افزایش عمر مفید سازه بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پوزولان‌ها بر حسب منابع تهیه آنها به دو گروه عمده تقسیم‌بندی می‌شوند:

  1. پوزولان‌های طبیعی مانند زئولیت‌ها، تراس‌ها، توف‌های آتشفشانی، متاکائولن و سبوس برنج
  2. پوزولان‌های مصنوعی مانند خاکستر بادی، دوده سیلیسی یا میکرو سیلیس و سرباره کوره‌های ذوب فلزات

۱-۱-۲. اجزاء:

افزودنی‌های بتن یا به صورت شیمیایی و یا به صورت معدنی هستند که امروزه با پیشرفت علم پتروشیمی بیشتر از افزودنی‌های شیمیایی استفاده می‌شود.

۱-۱-۳. انواع:

افزودنی‌های بتن را می‌توان در ۵ شاخه اصلی بر حسب عملکرد آنها بررسی نمود. البته باید توجه داشت که برخی از محصولات دو یا چند کاره هستند و همزمان دو یا چند خاصیت از خواص بتن را بهبود می‌بخشند که یکی از عملکردهای ماده افزودنی چند منظوره توسط تولید کننده به عنوان عملکرد اصلی مشخص می‌شود و سایر عملکردها، عملکرد ثانویه نامیده می‌شود (شکل‌های ۱ و ۲).

- افزودنی‌های بتن حباب ساز

- افزودنی‌های بتن دیر گیر کننده

- افزودنی‌های بتن روان کننده (کاهنده آب بتن)

- افزودنی‌های بتن زود گیر کننده

- افزودنی‌های لاتکس‌های آب بند یا نم بند

- افزودنی‌های بتن افزاینده مقاومت بتن (بتن پر مقاومت)

دسته‌بندی مواد افزودنی بتن در استاندارد ASTM C494:

استانداردهای مختلف از جمله BS و ASTM اقدام به دسته‌بندی انواع افزودنی‌های بتن نموده‌اند. این دسته‌بندی در استاندارد ASTM تحت عنوان ASTM C494 به شرح زیر در ۷ گروه انجام شده است:

Type A :افزودنی کاهنده آب (Water reducing admixture): این مواد که به اصطلاح روان کننده نامیده می‌شوند، باعث کاهش آب طرح اختلاط بتن می‌شوند.

Type B : افزودنی تاخیردهنده گیرش (Retarding admixture): این مواد که به نام دیرگیر بتن شناخته می‌شوند، باعث به تعویق افتادن زمان گیرش اولیه و نهایی بتن می‌شود.

Type C : افزودنی تسریع کننده گیرش (Accelerating admixture): این مواد که به نام زودگیر بتن مشهور می‌باشند، باعث کاهش زمان گیرش اولیه و نهایی بتن و تسریع در روند کسب مقاومت در سنین کم بتن می‌شوند.

Type D : افزودنی کاهنده آب و تاخیر دهنده گیرش (Water reducing & Retarding admixture): این مواد که به روان کننده ـ دیرگیر بتن موسوم هستند، ضمن اینکه مقدار آب مورد نیاز برای ساخت بتن را کاهش می‌دهند، باعث به تعویق افتادن زمان گیرش اولیه و نهایی بتن نیز می‌شوند.

Type E : افزودنی کاهنده آب و تسریع کننده گیرش (Water reducing & Accelerating admixture): این مواد روان کننده ـ زودگیر بتن می‌باشند و ضمن اینکه مقدار آب مورد نیاز برای ساخت بتن را کاهش می‌دهند، باعث تسریع در زمان گیرش و نیز روند کسب مقاومت بتن در سنین کم می‌شوند.

Type F : افزودنی کاهنده آب به مقدار زیاد (Water reducing admixture- high range): این مواد که به عنوان فوق روان کننده‌ها مطرح می‌شوند، باعث کاهش آب مورد نیاز برای ساخت بتن به مقدار ۱۲ درصد یا بیشتر می‌شوند و نسبت به Type A از قدرت بیشتری برخوردارند.

Type G: افزودنی کاهنده آب به مقدار زیاد و تاخیردهنده گیرش (Water reducing admixture- high range & Retarding): این مواد که به عنوان فوق روان کننده ـ دیرگیر شناخته می‌شوند، ضمن آنکه باعث کاهش آب مورد نیاز برای ساخت بتن به مقدار ۱۲ درصد یا بیشتر می‌شوند، زمان گیرش را نیز به تاخیر می‌اندازند و نسبت به Type D از قدرت بیشتری برخوردارند.

۱-۱-۴. کاربردها:

افزودنی‌های بتن به طور کلی برای اصلاح خواص بتن و اضافه کردن به ویژگی‌های مثبت به بتن به کار می‌روند. مثلاً در بتن ریزی‌های حجیم (مانند سدها) یا بتن‌ریزی در هوای سرد یا در هوای گرم و جابجایی که نیاز به گیرش سریع جهت بازنمودن قالب باشد و موارد دیگر، استفاده می‌شود.

۱-۲. افزودنی‌های بتن حباب ساز

۱-۲-۱. تعریف:

افزودنی است که در بتن ایجاد حباب‌های ریز و یکنواخت هوا می‌نماید. به عبارت دیگر ماده‌ای که برای ایجاد حباب‌های ریز هوا در بتن به کار می‌رود، حباب ساز نامیده می‌شود. این حباب‌ها باید بعد از سخت شدن بتن با ملات در بتن باقی بمانند.

۱-۲-۲. کاربردها:

کاربرد اصلی حباب سازها بالا بردن دوام بتن در مقابل دوره‌های یخ بستن و ذوب شدن متوالی بتن می‌باشد. همچنین از این مواد برای افزایش مقاومت بتن در مقابل پوسته شدن سطح آن در اثر یخ زداهای شیمیایی و … می‌باشد. این ماده باعث افزایش کارایی بتن و نفوذ ناپذیر شدن و سخت شدن آن نیز می‌شود. به عبارت دیگر این مواد، روانی بتن را افزایش می‌دهند. همچنین این مواد باعث کاهش جدا شدن دانه‌های بتن و آب انداختن بتن تازه نیز می‌گردند. با توجه به این موارد استفاده از حباب‌ساز در بتن‌هایی که در معرض آب و دوره‌های یخ زدن و ذوب شدن و مواد یخ‌زدا قرار دارند، مانند جاده‌های بتن و جداول و دال پل‌ها و … توصیه می‌شود.

Concrete Admixtures 1 1-1. Concrete pour.

شکل ۱. در پروژه‌های بزرگ که مدت زمان گیرش بتن اهمیت زیادی می‌یابد ، نقش افزودنی‌های بتن بسیار بیشتر می‌شود.

Concrete Admixtures 1 2-1. Concrete Admixtures 1 2-2.

شکل ۲. افزدودنی‌های بتن، به منظور تغییر و اصلاح خواص بتن، امروزه در کلیه پروژه‌های سبک و حجیم کاربرد پیدا کرده است.

۱-۲-۳. مزایا و معایب:

۱-۲-۳-۱. مزایا:

- افزایش دوام بتن در مقابل دوره‌های یخ زدن و ذوب شدن: کاربرد اصلی مواد حباب ساز افزایش مقاومت بتن در مقابل دوره‌های یخ زدن و آب شدن می‌باشد. حباب هوا در بتن به صورت مخزنی است که آب منبسط شده در اثر سرما با فشار داخل آن شده و از فشار وارده بر بتن جلوگیری می‌گردد و مقاومت بتن در برابر یخ زدن و آب شدن افزایش می‌یابد. بنابراین بتن‌هایی که ممکن است با آب اشباع شده و در جریان دوره‌های یخ زدن و آب شدن قرار گیرند، باید حتما در آنها از مواد حباب ساز استفاده گردد تا دوام و پایایی بتن افزایش پیدا کند.

- افزایش مقاومت بتن در مقابل پوسته شدن: برای از بین بردن یخ و برف از سطح روسازی خیابان‌ها و جاده‌ها، باند فرودگاه‌ها و دال پل‌ها از مواد شیمیایی یخ‌زدا مانند کلروسدیم و کلروکلسیم استفاده می‌گردد. حال چنانچه این روسازی از بتن ساخته شده باشد، استفاده مداوم از این مواد باعث پوسته شدن سطح رویه می‌گردد. این خرابی عمدتاً فیزیکی بوده و متاثر از واکنش‌های شیمیایی و یا آثار کریستالی نیست. حباب‌های هوا در بتن برای جلوگیری از پوسته شدن بسیار موثر است. بتن هوادار برای تمام جاده‌های بتنی توصیه می‌شود و برای تمام بتن‌هایی که در معرض مواد یخ‌زدا قرار می‌گیرند، لازم می‌باشد.

- افزایش کارایی بتن (روانی بیشتر بتن): حباب‌های هوا بسیار ریز و غیر مرتبط ناشی از مصرف مواد حباب‌ساز، همانند بلبرینگ در بتن تازه عمل می‌کنند. این حباب‌های کروی به صورت ریزدانه‌هایی با اصطکاک سطحی خیلی کم و تراکم‌پذیری بالا در بتن‌ریزی عمل می‌نمایند و به طور موثری کارایی را افزایش می‌دهند. البته باید توجه داشت که هر چند کارایی افزایش می‌یابد، اما مقاومت کاهش می‌یابد. زیرا هر یک درصد هوا که به طور عمدی یا تصادفی داخل بتن گردد باعث از دست دادن ۴% مقاومت می‌شود. بنابراین باید نسبت آب به سیمان را کم کرد، که این امر نیز باعث کاهش کارایی (اسلامپ) می‌شود. بنابراین توصیه می‌شود که از حباب سازها فقط به نسبت افزایش کارایی استفاده نشود.

- کاهش جدا شدن دانه‌های بتن و آب انداختن بتن

- افزایش کارپذیری بتن: سطح بتن که دارای مواد حباب‌ساز است از کار پذیری بیشتری نسبت به بتن‌های معمولی برخوردار بوده و برداشت سطوح آن با راحتی بیشتری انجام می‌شود.

- کاهش وزن بتن (بتن سبک) که باعث کاهش وزن سازه و در نتیجه کاهش اثرات مخرب نیروی زلزله می‌شود.

۱-۲-۳-۲. معایب:

کاهش مقاومت فشاری بتن ـ افزایش هزینه تهیه بتن

۱-۲-۴. اجزاء تشکیل دهنده:

امروزه تعداد زیادی از انواع افزودنی‌های حباب‌ساز تجاری به صورت پودری یا مایع در بازار موجود است. منابع اصلی تولیدکننده مواد حباب ساز عبارتند از:

- چربی‌ها و روغن‌های گیاهی و حیوانی و اسیدهای چرب آنها

- رزین‌های طبیعی چوب که با آهک موجود در سیمان واکنش انجام داده و یک محلول رزین تشکیل می‌دهند. بعضی رزین‌های نامحلول در آب ممکن است از قبل توسط هیدرو اکسید سدیم خنثی شوند.

- مواد شیمیایی معدنی و آلی.

  • مشخصات فنی: مواد حباب‌ساز شیمیایی معمولاً به رنگ قهوه‌ای روشن بوده و وزن مخصوص حدود ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب دارد. این مواد باید فاقد کلر باشند. نقطه انجماد آن صفر و pH آن حدود ۷ است. باید توجه داشت که کاربرد مواد حباب‌ساز به دلیل کوتاه نمودن طول لوله‌های موئینه موجود در بتن می‌تواند در کاهش میزان نفوذپذیری بتن موثر باشد. اما این یکی از خاصیت‌های جانبی آن است و برای ساخت بتن نفوذناپذیر بهتر است از طرح اختلاطی با کمترین مقادیر آب به سیمان با استفاده از فیلرهای سنگی مناسب، استفاده از پودر سنگ مواد ریز معدنی مانند پوزولان‌ها و سرباره‌ها استفاده کنیم. در این راستا بهره‌گیری از مواد افزودنی کاهنده قوی آب مانند پودر ضد آب کننده، بتن مکمل بتن و ژل میکروسیلیس در مقایسه با حباب‌زا بسیار موثرتر خواهد بود.

مواد حباب‌ساز موجب ایجاد حباب‌های ریز، یکنواخت و مجزای هوا در داخل بتن تازه می‌شوند و مقدار هوای کنترل شده‌ای (معمولا حدود ۵% حجمی) به شکل میلیون‌ها حباب کوچک در اندازه‌های یکسان به طور یکنواخت در مخلوط بتن ایجاد می‌کنند. باید توجه نمود که مواد حباب هوا ساز نقشی در حفاظت بتن تازه در مقابل هوای سرد محیط بتن‌ریزی ندارند. اندازه این حباب‌ها کمتر از ۵۰ میکرون و فاصله آنها از یکدیگر حدود ۲۰۰ میکرون است.

  • اصطلاحات بازار و نکات مهم خرید: در هنگام خرید باید دقت کرد که مواد حباب‌زای بتن با مواد کف‌ساز مورد مصرف در فوم بتن اشتباه نشود. همچنین باید از مواد استاندارد استفاده نمود. اطلاعات مربوط به ماده افزودنی باید به وضوح روی بسته‌ها یا بشکه‌های مواد افزودنی درج گردد. در مواردی که مواد به صورت فله عرضه می‌شود، این اطلاعات در زمان تحویل باید به صورت مکتوب ارائه گردد. مواد افزودنی باید با اطلاعات زیر مشخص شوند:

- نام تجاری ماده افزودنی

- نوع ماده افزودنی

- شماره استاندارد ماده افزودنی

- خلاصه‌ای از توصیه‌ها و شرایط نگهداری در انبار

- هشدارهای ایمنی نظیر سوزاننده، سمی، خورنده و یا …

- توصیه تولیدکننده جهت میزان مجاز مصرف

نکته : استانداردهای مربوط به مواد افزودنی استاندارد ۵-۲۹۳۰ موسسه ملی استاندارد ایران می‌باشد.

  • شرایط حمل و نگهداری کارگاهی: ماده افزودنی حباب‌ساز به صورت مایع در گالن‌های ۲۰ لیتری و یا در بشکه‌های ۲۲۰ لیتری موجود می‌باشد و در صورت سفارش مشتری در بسته‌بندی خاص و یا بدون بسته‌بندی در تانکر نیز عرضه می‌شود. این مواد باید در دمای بالاتر از صفر نگهداری شود و در صورت یخ زدن حتماً نسبت به هم زدن و همگن کردن این افزودنی تحت توصیه‌های کارخانه اقدام شود. بهترین دمای نگهداری بین ۵ الی۳۷ درجه سانتیگراد و برای مدت ۱۲ ماه از تاریخ تولید می‌باشد. ماده افزودنی حباب‌ساز غیر قابل اشتعال می‌باشد.

۱-۲-۵. نحوه اجرای کلی:

مواد افزودنی حباب‌ساز بتن را می‌توان به تمام آب اختلاط بتن و یا بخشی از آن مخلوط کرد و سپس به بتن اضافه نمود و یا می‌توان آن را به مخلوط آماده بتن اضافه کرد و پس از اختلاط کامل عمل بتن‌ریزی را شروع نمود. به طور کلی بهترین مقدار مصرف ماده افزودنی حباب‌ساز برای کسب مشخصات خاص با انجام سلسله آزمایشات مختلف در شرایط کارگاهی تعیین می‌شود. ولی معمولاً در غیاب این آزمایشات کارگاهی می‌توان از دستوالعمل سازنده که میزان مصرف این ماده را به صورت درستی از وزن سیمان مصرفی در بتن ارائه می‌دهند، استفاده نمود. معمولاً مقدار مصرف مواد حباب‌ساز بین ۰۰۵/۰ تا ۰۵/۰ درصد وزن سیمان توصیه شده است. اما مقدار مصرف ماده حباب‌ساز به عوامل زیادی مانند شکل سنگدانه‌ها، نوع و مقدار و ریزی سیمان و درجه حرارت بتن و … بستگی دارد.

حباب‌های هوا باید تا حد امکان کوچک باشند زیرا حجم کل حباب‌ها مقاومت بتن را تحت تاثیر قرار می‌دهند. اندازه حباب‌ها به مقدار زیادی به نوع ماده حباب‌زای مورد استفاده بستگی دارد. تمام حباب‌ها به یک اندازه نبوده و اندازه آنها بر حسب کمیت سطح مخصوصی سنجیده می‌شود. به دلیل تاثیر منفی ناشی از استفاده ناصحیح از مواد حباب‌زا در مقاومت فشاری بتن، استانداردهایی مثل AC1 و BS استفاده از مواد حباب‌ساز را در چارچوب ضوابط خاصی مقدور می‌سازد. به طور کلی باید توجه نمود که حفره‌هایی که توسط مواد حباب‌ساز در بتن به طور عمدی ایجاد می‌شود، متفاوت با حفره‌هایی است که به دلیل محبوس شدن هوا در هنگام مخلوط کردن بتن و پس از جای گرفتن بتن در قالب به دلیل عدم تراکم کافی در بتن ایجاد می‌شود و باعث ناهمگنی و افت مقاومت بتن می‌شود. حفره‌های هوای عمدی از طریق استفاده از مواد افزودنی حباب هواساز در بتن ایجاد می‌شوند. این حباب‌های هوا باید به وضوح از هوای محبوس شده اتفاقی که بعد از تراکم بتن تازه به شکل حباب‌های بزرگتر در بتن باقی می‌ماند و به کرم‌خوردگی بتن معروف است، تشخیص داده شوند. همانطور که می‌دانیم ایجاد حباب در بتن (متخلخل کردن بتن) باعث کاهش مقاومت آن می‌شود. برای حل این مشکل باید نسبت وزنی آب به سیمان را در بتن با حباب هوا کاهش داد. کاهش نسبت آب به سیمان و در نتیجه افزایش مقاومت، کاهش مقاومتی را که عموماً با ایجاد حباب‌های هوا همراه است را جبران کرده و یا آن را به حداقل می‌رساند. این اثر جبرانی به مقدار سیمان مخلوط بستگی دارد. کاهش مقاومت مخلوط‌های پر سیمان بیش از مخلوط‌های کم سیمان است. زیرا در مخلوط‌های پر سیمان حباب زایی به مقدار کمتری کارایی را افزایش می‌دهد. بنابراین باید توجه کرد که در صورت نیاز به استفاده از مواد حباب‌ساز به خصوص در بتن‌های با عیار بیش از ۳۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، مقدار آب به سیمان را برای جبران کاهش مقاومت ناشی از مواد حباب‌ساز کاهش داد. به عبارت دیگر افزودنی‌های بتن موادی هستند که علاوه بر مواد اصلی تشکیل دهنده بتن به منظور افزایش ویژگی‌های مطلوب بتن و کاهش نارسایی‌های آن و یا تغییر بعضی از مشخصه‌های بتن به آن اضافه می‌شود.