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 چینی 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 (شکل‌های ۱ و ۲). 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

Concrete Admixtures 2, 1.

شکل ۱. از مواد افزودنی بتن برای تغییر برخی از ویژگی‌های آن می‌توان استفاده کرد

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.

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

شکل ۲. برای ترکیب و مخلوط کردن افزودنی‌های بتن می‌توان از میکسرها استفاده کرد

۱-۱-۳. انواع:

افزودنی‌های بتنی 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 (شکل ۳).

- 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.

SCANIA P310 B8X4 CS CP14L - BETONEIRA - CONCRESERV Concrete Admixtures 2, 3-2.

شکل ۳. استفاده از افزودنی‌های بتن باعث شده تا از آن بتوان در پروژه‌های مختلف استفاده نموده و به تناسب نوع پروژه، خواص بتن را اصلاح نموده و تغییر داد.

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 گرم و جابجایی که نیاز به گیرش سریع جهت بازنمودن قالب باشد و موارد دیگر، استفاده می‌شود (شکل ۴).

Concrete Admixtures 2, 4-1. Concrete Admixtures 2, 4-2.

شکل ۴. افزدودنی‌های بتن در کلیه پروژه‌های سبک و حجیم به دلیل بهبود و اصلاح خواص بتن، کاربرد گسترده‌ای یافته است.

۱-۲. افزودنی‌های بتن دیر گیرکننده

۱-۲-۱. تعریف:

این مواد برای کاهش سرعت فرایند آبگیری در بتن مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عبارت دیگر این مواد باعث به تاخیر انداختن زمان گیرش بتن می‌شوند. البته باید توجه داشت که برخی سیمان‌ها نیز خاصیت کندگیری دارند.

۱-۲-۲. کاربردها:

مواد افزودنی دیرگیر کننده بتن در بتن ریزی‌های حجیم مانند سدها استفاده می‌شود. همچنین این مواد برای جلوگیری از ترک‌های ناشی از گیرش در بتن ریزی‌های پشت سر هم مناسب می‌باشد. مواد افزودنی دیرگیرکننده بتن برای حمل بتن در فاصله‌های زیاد نیز استفاده می‌شود. در بتن ریزی‌های حجیم دمای ایجاد شده ناشی از آبگیری مقادیر زیاد سیمان باعث پدید آمدن اختلاف شدید دما بین هسته میانی و سطوح بیرونی شده و منجر به بروز ترک‌های حرارتی می‌شود که برای جلوگیری از آن می‌توان از مواد دیرگیر کننده استفاده نمود.

۱-۲-۳. مزایا و معایب:

۱-۲-۳-۱. مزایا:

- در بتن‌ریزی در هوای گرم یا بتن ریزی‌های حجیم یک امتیاز است.

- کاهش گرمای حاصل از هیدراتاسیون

- جلوگیری از ترک‌های ناشی از بتن ریزی‌های پشت سر هم و با فاصله زمانی (ترک سرد)

- امکان حمل بتن در فاصله‌های طولانی‌تر

- ایجاد زمان لازم جهت متراکم کردن و پرداخت بتن

- شستشوی راحت ادوات بتن ریزی مانند میکسر قبل از سفت شدن و …

۱-۲-۳-۲. معایب:

- در صورت استفاده بیش از حد موجب ناگیرایی و خراب شدن بتن می‌شود.

۱-۲-۴. اجزاء تشکیل دهنده:

  • مشخصات فنی: افزودني‌هاي کند گيرکننده، مواد آلي و يا تركيبي از مواد آلي و معدني هستند كه براي حفظ کارايی بتن و يا ملات تازه به مخلوط اضافه می‌شوند. رعايت دقيق دستورالعمل‌های سازنده و دقت در اندازه‌گيری مقادير مصرفی از اهميت بالايی برخوردار است، زيرا همواره خطر عدم گيرش ناشی از مصرف بيش از اندازه افزودنی‌های کند گيرکننده وجود دارد. معروف‌ترین دیر گیرکننده بتن، شکر می‌باشد. مقاومت نهایی بتن در حالت استفاده از دیر گیرکننده و بدون آن تفاوت خاصی ندارد. موادي كه بعنوان كند گيرکننده به‌كار مي‌روند، معمولاً شامل ترکيبات و مشتقات مواد شيميايي زير هستند كه ممكن است به تنهايي و يا در تركيب با ساير مواد آلي و يا معدنی مورد استفاده قرارگيرند:

- نمک‌ها و ترکيبات اسيد ليگنوسولفونيک

- برخی از نمک‌های اسيد نفتالين سولفونيک با جرم ملکولی سنگين

- هيدروکربورها و گلوکونات‌ها

- شکر، ملاس و انواع مواد قندی

- نمک‌های اسيد کربوکسيليک

- نمک‌های غير ارگانيک برخی از فسفات‌ها و بورات‌ها

افزودني‌های کند گيرکننده، روند کسب مقاومت‌های مکانيکی کوتاه مدت بتن را به تاخيرانداخته اما پس از عمرهای ۵ و ۷ روزه رشد مقاومت جبران شده و در اغلب موارد ايجاد آرامش در روند گيرش باعث حصول نتايج مقاومتی بهتر و توليد محصولاتی با تخلخل کمتر نسبت به نمونه‌های فاقد افزودنی می‌گردد. اگر چه در زمانی که افزايش مقاومت‌های مکانيکی نيز مد نظر قرار مي‌گيرد، استفاده از افزودنی‌های کاهنده آب با خاصيت کندگيری يا مصرف توام هر دو افزودنی توصيه می‌شود. رعايت دقيق دستورالعمل‌های سازنده و دقت در اندازه‌گيری مقادير مصرفی از اهميت بالايی برخوردار است، زيرا همواره خطر عدم گيرش ناشی از مصرف بيش از اندازه افزودنی‌های کند گيرکننده وجود دارد.

دما مهمترين عامل محيطی است که بر عملکرد کند گيرکننده تاثير مستقيم دارد. اصولاً يکی از دلايل توصيه مصرف کندگيرکننده، مقابله با مشکلات بوجود آمده در هوای گرم می‌باشد. رطوبت، سرعت وزش باد، ماشين آلات و تجهيزات توليد و انتقال بتن، زمان حمل و مهارت نيروهاي اجرايي از ديگر عوامل تاثير گذار در عملكرد افزودني‌های كند گيرگننده می‌باشند. به عنوان مثال مقدار مصرف کند گيرکننده در ساعات مختلف روز و شب متفاوت خواهد بود.

از آنجا که مصرف بيش از اندازه اغلب کند گيرکننده‌ها منجر به دير گيرکنندگی مضر خواهد شد، دقت اندازه‌گيری و پيمانه‌کردن از اهميت ويژه‌ای برخوردار است.

  • اصطلاحات بازار و نکات مهم خرید: عملكرد افزودني‌ها از هر نوع و طبقه با يكي از شيوه‌هاي زير بررسي مي‌شوند. اين شيوه‌ها ممكن است به تنهايي يا باهم در تشخيص و انتخاب يك افزودني مورد توجه قرار گيرند.

- نتايج حاصل از كاربرد موفقيت‌آميز يك افزودني در كارهاي مشابه قبلي كه تحت شرايط كنترل شده كارگاهي انجام شده باشد. در اين روش بايد تا حد امكان شرايط كار و مصالح مرجع انتخابي شبيه به شرايط كارگاه باشد.

- انجام آزمايش‌های كارگاهی با مصالح و شرايط موجود در محل كارگاه و در شرايط دمايی مختلف.

- كتب و نشريات فني و اطلاعات ارائه شده از سوي توليدكنندگان

با استفاده از روش‌هاي فوق محدوده مقادير مصرفي و حد بهينه آن تعيين مي‌شود و اثرات احتمالي ناشي از مصرف بيش از حد مورد بررسي قرار مي‌گيرد. ولي لازم است اطلاعات كاملي از عملكردهاي قبلي يك افزودني و نتايج آن كه بيانگر محدوده مقادير مصرف باشد، در اختيار مصرف‌كننده قرار گيرد. بديهي است كه نتايج تاثير يك افزودني معين بر انواع سيمان، مقدار سيمان، نوع سنگدانه‌ها، شرايط آب و هوا و شرايط ساخت بتن متفاوت است. ولي، محدوده تعيين شده از سوي توليدكننده مي‌تواند در هر کارگاه ملاك سنجش قرارگيرد.

تاخيري كه تحت تاثير مصرف کندگيرکننده درگيرش بتن بوجود مي‌آيد، موجب آرامش در روند كسب مقاومت اوليه مي‌شود. بتن‌هايي كه به آرامي‌كسب مقاومت اوليه مي‌كنند عموماً داراي مقاومت‌هاي دراز مدت بيشتري هستند.

  • شرایط حمل و نگهداری کارگاهی: يك سال در محيط‌هاي سر پوشيده و خشك می‌توان نگهداری کرد. در كيسه‌هاي پلاستيكي ۲۵ كيلویينوع پودری، بسته‌بندی می‌شوند.

۱-۲-۵. نحوه اجرای کلی:

عموماً به دو شکل زير به مخلوط‌های پايه سيمانی افزوده شده و گيرش آنها را به تاخير می‌اندازند:

- استفاده از روان کننده‌ها و يا فوق روان کننده‌هايی که تاثير جانبی کندگيری دارند.

- استفاده از يک ماده افزودنی کند گيرکننده مستقل.

معمولاً افزودني‌هاي كند گيرکننده در حالت مايع اندازه‌گيري و مصرف مي‌شوند و چنانچه اين افزودني‌ها به شكل جامد (پودر) تحويل گردد، لازم است ابتدا بر طبق پيشنهاد توليدكننده محلولي با درصد جامد مناسب از آن تهيه و سپس مصرف شود. افزودنی پودری را معمولاً به آب بتن اضافه و مایع می‌کنند و سپس مواد جامد را به آن می‌افزایند.

چگالي افزودني‌هاي ارسالي مايع و يا آنهايي كه در كارگاه به مايع تبديل شده‌اند بايد بر اساس معيار و استانداردي كه توليدكننده معرفي مي‌كند سنجيده و با آن مقايسه گردد. براي اين منظور مي‌توان به سهولت و با استفاده از وسايلي چون مايع‌سنج يا چگالي‌سنج، درصد جامد و غلظت مناسب آن را بررسي نمود. اين عمل بايد در دماي استاندارد انجام و نتايج آن به عنوان بخشي از كنترل كيفيت ثبت و نگهداري گردد. چنانچه اطلاعات كافي و معتبر از كاربرد يك افزودني در دسترس نباشد، بهترين روش براي بررسي تاثير افزودني بر خواص بتن، انجام آزمايش‌هاي كارگاهي است. لازم است اين آزمايش‌ها با توجه به اوضاع جوي پيش‌بيني شده، روش و امكانات عملي ساخت بتن و با استفاده از مصالح مصرفي كارگاه انجام پذيرد. پارامترهايي كه انتظار مي‌رود در اثر به كار بردن كند گيرکننده در طرح عمليات بتن‌ريزی تغيير‌كنند عبارتند از: زمان و روند گيرش، کاهش دما و اصلاح روند توليد آن، و تاخير در باز کردن قالب‌ها.

قبل از شروع كار اصلي بهتر است تعداد كافي طرح اختلاط در آزمايشگاه كارگاه تهيه و آزمايش گردد و با ثبت نتايج و مقايسه آنها طرح‌هاي بهينه براي اجرا برگزيده شوند. اگرچه راهنمايي‌هاي بسيار مفيدي در آيين‌نامه‌هاي معتبر بين‌المللي و استاندارد‌هاي ساختماني ايران براي كاربرد افزودني‌هاي شيميايي وجود دارد، ولي اغلب آنها در شرايط استاندارد و آزمايشگاهي كنترل شده نتيجه‌گيري شده‌اند. بنابراين، بهتر است ضمن پيروي از آنها نسبت به انجام آزمايش‌هاي كارگاهي نزديك به شرايط واقعي كاربردي در كارگاه اقدام نمود.

همواره لازم است طرح اختلاط اين گونه بتن‌ها مجدداً بررسي شود. چنانچه يك طرح بتن داراي كارآيي و قابليت پرداخت مناسب باشد و لازم شود که به آن ماده كندگيرکننده افزوده شود، تغييری در مقادير آب، سيمان و يا مقدار حباب‌های ريز به وجود نمی‌آيد و در نتيجه نيازی به تغيير در نسبت‌های اجزای بتن نمی‌باشد. با توجه به اينكه اغلب افزودني‌هاي کندگيرکننده مواد محلول در آب هستند، لازم است در هنگام محاسبه آب اختلاط و نسبت آب به سيمان، مقدار آب موجود در اين افزودني‌ها محاسبه و معادل آن از آب اختلاط كاسته شود. ولي بخش جامد آنها كه نسبت به حجم كل بتن بسيار ناچيز هستند، معمولاً ناديده گرفته مي‌شوند.

مخازن نگهداري افزودني‌ها بايد به آساني قابل شناسايي بوده و محلول‌ها در برابر آلودگي، تبخير، رقيق شدن، دماي بسيار بالا و يخ‌زدگي، محافظت شوند. توجه به زمان انبارداري هر افزودني براساس توصيه توليدكننده آن ضروري است. اختلاط دو يا چند افزودني با هم مجاز نمي‌باشد و بايد آنها را به طور جداگانه پيمانه و به مخلوط اضافه کرد. مگر اين كه سازگاري آنها با يكديگر قبلاً توسط توليدكننده مانعی نداشته باشد. برای مثال، ممكن است کند گيرکننده و روان‌كننده بخصوصی با هم سازگاري نداشته باشند و هر كدام در مخازن جداگانه نگهداري و با فاصله زماني مناسب به مخلوط كن بتن افزوده شوند.

با توجه به اين كه اين افزودني‌ها معمولاً در مقادير بسيار کم و بر اساس نسبت‌های كوچک به سيمان مصرف مي‌شوند، لازم است لوازم اندازه‌گيری دقيق برای پيمانه كردن آنها در كارگاه فراهم و در ضمن آموزش‌های لازم در مورد حساسيت و تاثيرات نامطلوب احتمالی ناشی از مصارف نادرست به كاربران ارائه شود.

تمامی افزودني‌های کندگيرکننده در محدوده زمانی معينی بر مخلوط بتن تاثير مي‌گذارند و به محض اتمام اين محدوده زمانی، آبگيری سيمان آغاز می‌شود. بنابراين، مقادير مصرف به گونه‌ای بايد تنظيم شود تا فرصت كافی برای ريختن، لرزاندن، پرداخت و كارهای تكميلی فراهم گردد. یكنواختي و ثابت بودن يك افزودني در مراحل مختلف پروژه و ارسال‌هاي متعدد به كارگاه بايستي كنترل شده و برابري آن با آزمايش‌هاي اوليه اثبات گردد. آزمون‌هاي لازم براي شناسايي و تاييد افزودني‌ها شامل تعيين درصد جامد، غلظت ظاهري، طيف سنجي براي مواد آلي، مقدار كلرايد، درجه قليايي (pH ) و برخي موارد ديگر مي‌باشند. آيين‌نامه‌هاي معتبر بين‌المللي و استاندارد‌هاي ساختماني ايران راهنمايي‌هاي لازم براي تعيين يكنواختي افزودني‌هاي شيميايي را به تفصيل بيان نموده‌اند. اگرچه با كنترل رنگ، بو، شكل ظاهري و اندازه‌گيري غلظت و مقدار pH  مي‌توان يكنواختي محموله‌هاي مختلف افزودني‌هاي وارده به كارگاه را تاييد يا رد نمود. مهمترين نقش افزودني‌هاي كندگيرکننده بر روی بتن تازه است، و چنانچه در بند ۵ بطور مشروح بيان گرديد کندگيرکننده‌ها تاثير غيرقابل انکاری بر روی بتن تازه در مراحل ساخت، حمل، انتقال، ريختن، پرداخت و روند کسب مقاومت دارند.

تاثير اين افزودنی‌ها بر روی بتن سخت شده نيز پيامد نقش آنها بر روی بتن تازه می‌باشد و از آن جمله می توان به موارد زير اشاره نمود:

- دوام: آرامش در روند گيرش باعث می‌شود تا بتن به تدريج در قالب جای گيرد و حباب‌های درشت و مضر از لايه‌های درونی به طرف سطح آمده و خارج شوند. اين پديده منجر به توليد بتنی با تخلخل و نفوذپذيری کمتر مي‌شود و در نتيجه آسيب پذيری بتن سخت شده بخصوص در مناطق دريايی کمتر خواهد بود. لازم به تاکيد است که در موضوع دوام بتن نقش ساير افزودنی‌های بتن مانند مواد هوازا و کاهنده‌های آب غير قابل انکار است.

- جمع‌شدگی و کنترل ترک: گيرش‌های سريع يا ناهماهنگ بخش‌های مختلف بتن منجر به بروز ترک‌هاي حرارتی و جمع‌شدگی می‌شود. اين پديده در بتن‌های حاوی کند گيرکننده به شکل قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌يابد. جمع‌شدگی در هنگام خشک شدن در بتن‌هايی که فرصت جاگيری بهتر در قالب را دارند کمتر است و به عبارت ديگر بخش عمده جمع‌شدگی در مرحله خميری اتفاق می‌افتد.

- مقاومت نهايی: اگرچه افزايش مقاومت مکانيکی بتن سخت شده با طراحی دقيق اجزای بتن و کاهش آب مصرفی رابطه مستقيم دارد، ولی بتن‌های حاوی کندگيرکننده به دليل گيرش يکنواخت و کاهش ترک‌های اجرايی و خشک شدن در مقايسه با بتن فاقد افزودنی، با وجود تاخير در کسب مقاومت اوليه، انتظار می‌رود دارای مقاومت فشاری وخمشی دراز مدت بيشتری باشند.

- سطوح بتن: خروج حباب‌های درونی بتن و جاگيری بهتر بتن باعث پيدايش سطوح صاف‌تر درون قالب و سطح رويی بتن می‌شود. ضمن اينکه بتن‌های حاوی کندگيرکننده در برابر تغيير شکل و خزش پايداری بهتری از خود نشان می‌دهند.