mojtaba_br
14th May 2016, 05:43 PM
روان کننده بتن (افزودنی های کاهنده آب) و کند گیر کننده
روان کننده بتن (افزودنی های کاهنده آب) و کند گیر کننده: افزودنی های کاهنده آب که با نام افزودنی های روان کننده بتن نیز شناخته می شوند مانند گروت (http://zhikavaco.com/%D8%AE%D8%AF%D9%85%D8%A7%D8%AA/%DA%AF%D8%B1%D9%88%D8%AA) ها یکی از پرکاربردترین افزودنی های مورد استفاده در بتن می باشند.
روان کننده بتن چیست؟
افزودنی های کاهنده آب که با نام افزودنی های روان کننده بتن نیز شناخته می شوند یکی از پرکاربردترین افزودنی های مورد استفاده در بتن می باشند. روان کننده بتن , برای کاهش آب اختلاط در اسلامپ ثابت , ساخت بتنی با مقاومت بیشتر , دستیابی به مقاومت ثابت در عیار سیمان کمتر و یا افزایش اسلامپ بتن بدون نیاز به اضافه کردن آب به مخلوط بتنی استفاده می گردد. این افزودنی ها موجب بهبود خواص سخت شده بتن و به خصوص افزایش مقاومت و دوام آن می شود. همچنین با توجه به امکان کاهش عیار سیمان در صورت به کارگیری این افزودنی ها , استفاده از این افزودنی ها در بتن ریزی حجیم و بتن ریزی در هوای گرم برای کاهش گرمای هیدراتاسیون بسیار مناسب می باشد.در صورت استفاده از این افزودنی ها در مخلوط بتنی بدون تغییر مقدار آب اختلاط , این افزودنی ها به عنوان روان کننده بتن عمل کرده که این ویژگی به بتن ریزی در سازه ای با تراکم آرماتور زیاد کمک کرده و عملیات تراکم را ساده تر می کند.
روان کننده بتن در استاندارد ASTM C494 در سه دسته A,D و E که به ترتیب مربوط به روان کننده بتن معمولی , روان کننده بتن کندگیر کننده و روان کننده بتن تندگیر کننده هستند, قرار می گیرند. این افزودنی ها علاوه بر دارا بودن خواص معمول روان کننده ها بر اساس نوعشان می توانند روند هیداتاسیون سیمان را دستخوش تغییراتی کرده و موجب تاخیر یا تسریع آن شده و یا بر آن تاثیری نداشته باشند.
تاثیر این افزودنی ها بر مقاومت بتن در نسبت آب به سیمان مشابه با بتن شاهد : تاثیر روان کننده بتن کندگیر کننده بیشتر در سنین اولیه بوده که در هفت روز نخست کمتر از مقدار مقاومت در حالت های دیگر است و با توجه به یکسان بودن نسبت آب به سیمان مقاومت دراز مدت نمونه ها تقریبا یکسان می باشد.
تاثیر این افزودنی ها بر مقاومت بتن در اسلامپ مشابه با بتن شاهد : در اسلامپ ثابت ,روان کننده بتن امکان کاهش نسبت آب به سیمان را فراهم کرده و بدین ترتیب مقاومت نمونه ها دارای افزودنی بیش از مقاومت نمونه شاهد خواهد بود.همچنین تاثیر روان کننده بتن تند گیر کننده بیشتر در هفته اول و تاثیر روان کننده بتن کندگیرکننده بیشتر در سه روز اول می باشد.
افزودنی های کندگیر کننده برای جبران اثرات منفی ناشی از هوای گرم همچون تسریع زمان گیرش و کاهش مقاومت 28 روزه و نیز برای حفظ کارایی بتن در طول زمان قراردهی و تراکم استفاده می شوند. از مزایای بکارگیری این افزودنی ها جلوگیری از تشکیل درز سرد با به تاخیر انداختن زمان گیرش , تسهیل عملیات پرداخت در بتن ریزی در هوای گرم و جلوگیری از ترک خوردن بتن می باشد. این افزودنی ها در استانداردASTM C494 با عنوان افزودنی های تیپ B طبقه بندی می شوند.
بر اساس الزامات ذکر شده در استاندارد ASTM C494 , روان کننده بتن باید قادر باشند تا مقدار آب اختلاط را حداقل به میزان 5 درصد کاهش دهند. با توجه به اینکه افزودنی های فوق روان کننده بتن قادر هستند تا مقدار آب اختلاط را به میزانی بیش از 12 درصد کاهش دهند , مقدار کاهش آب برای روان کننده بتن بین 5 تا 12 درصد در نظر گرفته می شود. به طور کلی استفاده از مقادیر زیاد روان کننده بتن موجب کندگیر شدن مخلوط های بتنی می گردد. از این رو با استفاده از این افزودنی ها به طور معمول نمی توان به میزان کاهش آبی بیش از 10درصد دست پیدا کرد. معمولا برای برطرف کردن خاصیت دیرگیری روان کننده بتن , این افزودنی ها را با ترکیبات تندگیر کننده ترکیب می کنند. تاثیر این افزودنی ها بر زمان گیرش به مقدار ترکیباتی که در ساخت آنها به کار رفته است بستگی دارد. معمولا به افزودنی های کاهنده آبی که برای ایجاد خواص گیرش عادی تنظیم شده و دارای سورفاکتانت های غیر یونی برای بیشتر کردن خاصیت کاهندگی آب هستند , کاهنده آب متوسط گفته می شود. این افزودنی ها قادر هستند تا میزان آب اختلاط را تا 12 درصد کاهش داده بدون اینکه تغییری در زمان گیرش مخلوط های بتنی ایجاد کنند. در این استاندارد برای افزودنی های کندگیر کننده الزاماتی در مورد میزان کاهش آب اختلاط نبوده اما این افزودنی ها باید قادر باشند تا زمان گیرش اولیه و نهایی مخلوط های بتنی را بر مبنای حدود ذکر شده در استاندارد تغییر دهند. افزودنی های کاهنده آب کندگیر کننده از نظر ویژگیهای مربوط به کاهش مقدار آب اختلاط مشابه روان کننده بتن و از نظر ویژگی های مربوط به گیرش اولیه و نهایی مشابه با افزودنی های کندگیر کننده می باشند. الزامات مقاومتی این افزودنی ها نیز مشابه با الزامات مربوط به افزودنی های کاهنده آب می باشد.بیشتر افزودنی های کاهنده آب , همانند بیشتر افزودنی های کندگیر کننده ترکیبات آلی و انحلال پذیر در آب هستند و بسیاری از ترکیبات شیمیایی این افزودنی ها بر پایه ترکیباتی مشابه همچون لیگنوسولفونات , هیدروکسی کربوکسیلیک اسید ها , کربوهیدرات ها و غیره می باشد.با توجه به مشابهت موجود در ترکیبات شیمیایی این افزودنی ها , عملکرد آن ها نیز در برخی موارد مشابهت هایی داشته به طوری که استفاده از روان کننده بتن در مقادیری بیش از 2/0 درصد وزنی سیمان , معمولا گیرش بتن را با تاخیر همراه می کند.به دلیل تشابهات موجود در عملکرد و ترکیبات مورد استفاده در ساخت افزودنی های کاهنده آب و افزودنی های کندگیر کننده , خواص و ویژگی های این دو افزودنی در یک فصل بررسی می گردد.
ترکیبات شیمیایی روان کننده بتن
فورمول بندی های مختلفی در مورد روان کننده بتن یا کندگیر کننده ها وجود دارد. معمولا اصلی ترین جزء تشکیل دهنده این فورمول بندی ها ترکیبات آلی محلول در آب هستند. اولین مراجع منتشر شده درباره استفاده از افزودنی های کاهنده آب در دهه سی میلادی به پلیمر های خاصی از اسید سولفونیک های نفتالین تغلیظ شده اشاره داردکه در مقادیر جزئی 1/0 درصد وزن سیمان استفاده شده است. این پلیمر ها پیش از دهه هفتاد میلادی در مقیاس وسیع به عنوان روان کننده یا افزودنی کاهنده آب مورد استفاده قرار نگرفتند تا زمانیکه در دهه هفتاد استفاده از این ترکیبات به عنوان افزودنی های فوق روان کننده بتن ( با تغییراتی در درجه پلیمریزاسیون و مقدار مصرف ) در مقیاس وسیع آغازز شد.
ترکیبات اصلی مورد استفاده در تولید روان کننده بتن را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد :نمک های کلسیم , سدیم و آمونیوم اسید لیگنوسولفونیک اسید های هیدروکسی کربوکسیلیک که عموما به شکل نمک های تری اتانول آمین , آمونیوم و سدیم هستند, کربوهیدرات ها نظیر شکر , اسید های شکر و پلی ساکارید ها نمک های ملامین تغلیظ شده ی سولفوناته شده و نمک های نفتالین تغلیظ شده ی سولفوناته شده و سایر ترکیبات مشابه. معمولا تمامی افزودنی های کاهنده آب به صورت یک محلول آبی با وزن مخصوصی در حدود 1/1 تا 3/1 میلی گرم بر لیتر توسط تولید کننده ارائه می گردد. در ادامه به تشریح ترکیبات شیمیایی عمده تشکیل دهنده این افزودنی ها پرداخته می شود.
لیگنوسولفونات ها در روان کننده بتن
با وجود اینکه استفاده از لیگنوسولفونات به عنوان روان کننده بتن در دهه سی میلادی آغاز شده بود اما همچنان این ماده به عنوان رایج ترین ترکیب در تولید این افزودنی به کار می رود. وزن مولکولی لیگنوسولفونات از چند صد تا حدود صد هزار تغییر می کند اما به طور میانگین دارای وزن مولکولی در حدود 20000 تا 30000 می باشد. مولکول لیگنوسولفونات بسیار پیچیده بوده و می توان آن را به صورت پلیمری که واحد فنیل پروپان آن با هیدروکسیل (OH) , متوکسیل (OCH3), حلقه فنیل (C6H5) و گروه اسید های سولفونیک (SO3H) جایگزین شده است نشان داد.
لیگنوسولفونات ها از چربی زائد به دست آمده در فرآیند تولید کاغذ از خمیر بدست آمده از چوب درختی که دارای 20 تا 30 درصد لیگنین است گرفته می شود. این ماده ترکیب پیچیده ای از محصولات حاصل از تجزیه سلولز و لیگنین , کربوهیدرات های مختلف و اسید های گوگرد و سولفات های آزاد است. ترکیبات سازنده لیگنوسولفونات با توجه فرآیندهای پی در پی خنثی سازی , ته نشینی و تخمیری که این محصول جانبی صنعت کاغذ تجربه می کند و همچنین بر اساس سن و نوع چوب استفاده شده به عنوان ماده اولیه متفاوت خواهد بود. جدول زیر نتایج تحلیل شیمیایی یک افزودنی پودری لیگنو سولفوناتی رایج را نشان می دهد.
لیگنوسولفونات های تجاری که در فورمول بندی های روان کننده بتن به کار می روند , دارای تا 30 درصد کربوهیدرات هستند. در نمک های لیگنوسولفونات استفاده شده به عنوان افزودنی یک فلز یا کاتیون آمونیوم جایگزین هیدروژن در گروه سولفونیکی می شود. نمک های کلسیم و سدیم رایج ترین کاتیون های مورد استفاده در فورمول بندی افزودنی های کاهنده آب هستند. نتایج رسانایی الکتریکی نشان می دهد که لیگنوسولفونات ها تنها به میزان 20 تا 30 درصد یونیزه شده و درجه یونیزه شدن در محلول برای نمک های سدیم بیش از کلسیم لیگنوسولفونات است.این مطلب علت نیاز به مقدار بیشتر نمک های کلسیم برای دستیابی به مقدار مشابه کاهش آب در مقایسه با نمک های سدیم را توضیح می دهد. با این حال کلسیم لیگنوسولفونات نسبت به سدیم لیگنوسولفونات ارزان تر می باشد.به طور کلی لیگنوسولفونات به تنهایی به عنوان افزودنی کندگیر کننده یا افزودنی کاهنده آب کندگیر به کار میرود. عموما در فورمول بندی روان کننده بتن معمولی یا افزودنی های کاهنده آب و تند گیر کننده ,برای جبران تاثیر لیگنوسولفونات در به تاخیر انداختن زمان گیرش و همچنین کاهش مقاومت اولیه , از افزودنی های تندگیر کننده مانند تری اتانول آمین که موجب تسریع گیرش می گردد , و کلسیم کلرید , فرمات یا نمک های دیگر که زمان گیرش و سخت شدن را سرعت می بخشند استفاده می شود.
به طور کلی افزودنی های کاهنده آب بر پایه لیگنوسولفونات , مقدار مشخصی از هوا را به بتن اضافه می کنند. این ویژگی در مواردی که به مقاومت در برابر چرخه ذوب و یخ نیاز بوده و یا برای افزایش چسبندگی چسب کاشی (http://zhikavaco.com/%D9%85%D8%AD%D8%B5%D9%88%D9%84%D8%A7%D8%AA/%DA%86%D8%B3%D8%A8-%DA%A9%D8%A7%D8%B4%DB%8C) و بتن های کم عیار و بتن های با ماسه زبر و دانه بندی نا مناسب مطلوب می باشد.با این وجود استفاده همزمان از یک افزودنی حباب ساز با روان کننده بتن (http://zhikavaco.com/%D8%AE%D8%AF%D9%85%D8%A7%D8%AA/%D8%B1%D9%88%D8%A7%D9%86-%DA%A9%D9%86%D9%86%D8%AF%D9%87-%D8%A8%D8%AA%D9%86) و افزودن آن ها به طرح مخلوط به طور جداگانه تا زمانی که مقدار هوای مورد نیاز در بتن تامین شود مطلوب تر خواهد بود. جهت کاهش مقدار هوای وارد شده در بتن , مقدار مشخصی از عامل ضد کف در فرآیند تولید افزودنی های کاهنده آب تجاری با پایه لیگنوسولفونات به آنها افزوده می شود. تریبوتیل فسفات ,دی بوتیل فتالات , استر های بورات و مشتقات سیلیکون با مقادیر حدود یک در صد لیگنوسولفونات برای این منظور استفاده می شوند. با توجه به قیمت مناسب لیگنوسولفونات , علاقه به استفاده از این ترکیب , حتی در زمینه ساخت افزودنی های فوق روان کننده , همواره وجود داشته است. لیگنوسولفونات های اصلاح شده که از طریق انجام فرآیند های فیلتراسیون , شکر زدایی و یا سولفوناتاسیون به دست می آیند قابلیت رقابت با افزودنی های بر پایه سولفونات ملامین و سولفونات نفتالین را دارا هستند.
هیدروکسی کربوکسیلیک اسید ها
نمک های اسید های هیدروکسی کربوکسیلیک آلی در دهه پنجاه میلادی به عنوان کندگیر کننده و افزودنی های کاهنده آب توسعه یافتند. با وجود افزایش کاربرد این ماده , میزان استفاده از آن به اندازه لیگنوسولفونات نمی باشد. همانطور که از نام آنها بر می آید, اسید های هیدروکسی کربوکسیلیک دارای چند گروه هیدروکسیل (OH) و یک یا دو گروه کربوکسیلیک اسید (COOH) در انتهای زنجیره می باشد که به یک زنجیره کربنی کوتاه متصل شده است. شکل زیر برخی هیدروکسی کزبوکسیلیک اسید های رایج را که به عنوان کندگیر کننده یا روان کننده بتن استفاده می شود را نشان می دهد. احتمالا اسید گلوکونیک رایج ترین ترکیب مورد استفاده می باشد. اسید های سیتریک , تارتاریک , میوسیک, مالیک, سالیسیلیک, هپتونیک , ساکاریک و تانیک نیز برای هدف مشابهی مورد استفاده قرار می گیرند. این ترکیبات معمولا به صورت محلول آبی 30 درصد نمک های سدیم و گاهی نیز به صورت نمک های آمونیا و تری اتانول آمین مورد استفاده قرار می گیرند. عموما این ترکیبات به صورت مصنوعی ساخته شده و از آنجا که به عنوان ماده اولیه در صنایع دارویی و غذایی استفاده می شوند دارای درجه خلوص بالایی هستند. با این وجود می توان هیدروکسی کربوکسیلیک اسید های الیفاتیک را از تخمیر و اکسیداسیون کربوهیدرات ها تولید کرد و به همین دلیل به آن هااسید های شکر نیز گفته می شود. هیدروکسی کربوکسیلیک اسید ها می توانند به تنهایی به عنوان کندگیر کننده و یا افزودنی های کاهنده آب کندگیر مورد استفاده قرار بگیرند. برای استفاده به عنوان روان کننده بتن معمولی یا تند گیر کننده , این ترکیبات باید همانند افزودنی های کاهنده آب با پایه لیگنوسولفونات , با یک افزودنی تندگیر کننده ترکیب شوند.
کربوهیدرات ها
این ترکیبات دارای بخش های طبیعی مانند گلوکز و ساکاروز و پلیمر های هیروکسیلاته , که از هیدرولیز جزیی پلی ساکارید هایی مشابه با پلی ساکارید های موجود در نشاسته ذرت به دست می آیند , تشکیل می شوند. در تولید روان کننده بتن معمولی یا تند گیر کننده کربوهیدرات ها باید با مقادیر کمی از تری اتانول آمین یا کلسیم کلرید یا نمک های دیگر مخلوط شود تا اثر دیرگیرکنندگی آنها را کاهش دهد. نمونه ای از فورمول مولکولی این کربوهیدرات ها در شکل زیر نشان داده شده است.
روان کننده بتن (افزودنی های کاهنده آب) و کند گیر کننده: افزودنی های کاهنده آب که با نام افزودنی های روان کننده بتن نیز شناخته می شوند مانند گروت (http://zhikavaco.com/%D8%AE%D8%AF%D9%85%D8%A7%D8%AA/%DA%AF%D8%B1%D9%88%D8%AA) ها یکی از پرکاربردترین افزودنی های مورد استفاده در بتن می باشند.
روان کننده بتن چیست؟
افزودنی های کاهنده آب که با نام افزودنی های روان کننده بتن نیز شناخته می شوند یکی از پرکاربردترین افزودنی های مورد استفاده در بتن می باشند. روان کننده بتن , برای کاهش آب اختلاط در اسلامپ ثابت , ساخت بتنی با مقاومت بیشتر , دستیابی به مقاومت ثابت در عیار سیمان کمتر و یا افزایش اسلامپ بتن بدون نیاز به اضافه کردن آب به مخلوط بتنی استفاده می گردد. این افزودنی ها موجب بهبود خواص سخت شده بتن و به خصوص افزایش مقاومت و دوام آن می شود. همچنین با توجه به امکان کاهش عیار سیمان در صورت به کارگیری این افزودنی ها , استفاده از این افزودنی ها در بتن ریزی حجیم و بتن ریزی در هوای گرم برای کاهش گرمای هیدراتاسیون بسیار مناسب می باشد.در صورت استفاده از این افزودنی ها در مخلوط بتنی بدون تغییر مقدار آب اختلاط , این افزودنی ها به عنوان روان کننده بتن عمل کرده که این ویژگی به بتن ریزی در سازه ای با تراکم آرماتور زیاد کمک کرده و عملیات تراکم را ساده تر می کند.
روان کننده بتن در استاندارد ASTM C494 در سه دسته A,D و E که به ترتیب مربوط به روان کننده بتن معمولی , روان کننده بتن کندگیر کننده و روان کننده بتن تندگیر کننده هستند, قرار می گیرند. این افزودنی ها علاوه بر دارا بودن خواص معمول روان کننده ها بر اساس نوعشان می توانند روند هیداتاسیون سیمان را دستخوش تغییراتی کرده و موجب تاخیر یا تسریع آن شده و یا بر آن تاثیری نداشته باشند.
تاثیر این افزودنی ها بر مقاومت بتن در نسبت آب به سیمان مشابه با بتن شاهد : تاثیر روان کننده بتن کندگیر کننده بیشتر در سنین اولیه بوده که در هفت روز نخست کمتر از مقدار مقاومت در حالت های دیگر است و با توجه به یکسان بودن نسبت آب به سیمان مقاومت دراز مدت نمونه ها تقریبا یکسان می باشد.
تاثیر این افزودنی ها بر مقاومت بتن در اسلامپ مشابه با بتن شاهد : در اسلامپ ثابت ,روان کننده بتن امکان کاهش نسبت آب به سیمان را فراهم کرده و بدین ترتیب مقاومت نمونه ها دارای افزودنی بیش از مقاومت نمونه شاهد خواهد بود.همچنین تاثیر روان کننده بتن تند گیر کننده بیشتر در هفته اول و تاثیر روان کننده بتن کندگیرکننده بیشتر در سه روز اول می باشد.
افزودنی های کندگیر کننده برای جبران اثرات منفی ناشی از هوای گرم همچون تسریع زمان گیرش و کاهش مقاومت 28 روزه و نیز برای حفظ کارایی بتن در طول زمان قراردهی و تراکم استفاده می شوند. از مزایای بکارگیری این افزودنی ها جلوگیری از تشکیل درز سرد با به تاخیر انداختن زمان گیرش , تسهیل عملیات پرداخت در بتن ریزی در هوای گرم و جلوگیری از ترک خوردن بتن می باشد. این افزودنی ها در استانداردASTM C494 با عنوان افزودنی های تیپ B طبقه بندی می شوند.
بر اساس الزامات ذکر شده در استاندارد ASTM C494 , روان کننده بتن باید قادر باشند تا مقدار آب اختلاط را حداقل به میزان 5 درصد کاهش دهند. با توجه به اینکه افزودنی های فوق روان کننده بتن قادر هستند تا مقدار آب اختلاط را به میزانی بیش از 12 درصد کاهش دهند , مقدار کاهش آب برای روان کننده بتن بین 5 تا 12 درصد در نظر گرفته می شود. به طور کلی استفاده از مقادیر زیاد روان کننده بتن موجب کندگیر شدن مخلوط های بتنی می گردد. از این رو با استفاده از این افزودنی ها به طور معمول نمی توان به میزان کاهش آبی بیش از 10درصد دست پیدا کرد. معمولا برای برطرف کردن خاصیت دیرگیری روان کننده بتن , این افزودنی ها را با ترکیبات تندگیر کننده ترکیب می کنند. تاثیر این افزودنی ها بر زمان گیرش به مقدار ترکیباتی که در ساخت آنها به کار رفته است بستگی دارد. معمولا به افزودنی های کاهنده آبی که برای ایجاد خواص گیرش عادی تنظیم شده و دارای سورفاکتانت های غیر یونی برای بیشتر کردن خاصیت کاهندگی آب هستند , کاهنده آب متوسط گفته می شود. این افزودنی ها قادر هستند تا میزان آب اختلاط را تا 12 درصد کاهش داده بدون اینکه تغییری در زمان گیرش مخلوط های بتنی ایجاد کنند. در این استاندارد برای افزودنی های کندگیر کننده الزاماتی در مورد میزان کاهش آب اختلاط نبوده اما این افزودنی ها باید قادر باشند تا زمان گیرش اولیه و نهایی مخلوط های بتنی را بر مبنای حدود ذکر شده در استاندارد تغییر دهند. افزودنی های کاهنده آب کندگیر کننده از نظر ویژگیهای مربوط به کاهش مقدار آب اختلاط مشابه روان کننده بتن و از نظر ویژگی های مربوط به گیرش اولیه و نهایی مشابه با افزودنی های کندگیر کننده می باشند. الزامات مقاومتی این افزودنی ها نیز مشابه با الزامات مربوط به افزودنی های کاهنده آب می باشد.بیشتر افزودنی های کاهنده آب , همانند بیشتر افزودنی های کندگیر کننده ترکیبات آلی و انحلال پذیر در آب هستند و بسیاری از ترکیبات شیمیایی این افزودنی ها بر پایه ترکیباتی مشابه همچون لیگنوسولفونات , هیدروکسی کربوکسیلیک اسید ها , کربوهیدرات ها و غیره می باشد.با توجه به مشابهت موجود در ترکیبات شیمیایی این افزودنی ها , عملکرد آن ها نیز در برخی موارد مشابهت هایی داشته به طوری که استفاده از روان کننده بتن در مقادیری بیش از 2/0 درصد وزنی سیمان , معمولا گیرش بتن را با تاخیر همراه می کند.به دلیل تشابهات موجود در عملکرد و ترکیبات مورد استفاده در ساخت افزودنی های کاهنده آب و افزودنی های کندگیر کننده , خواص و ویژگی های این دو افزودنی در یک فصل بررسی می گردد.
ترکیبات شیمیایی روان کننده بتن
فورمول بندی های مختلفی در مورد روان کننده بتن یا کندگیر کننده ها وجود دارد. معمولا اصلی ترین جزء تشکیل دهنده این فورمول بندی ها ترکیبات آلی محلول در آب هستند. اولین مراجع منتشر شده درباره استفاده از افزودنی های کاهنده آب در دهه سی میلادی به پلیمر های خاصی از اسید سولفونیک های نفتالین تغلیظ شده اشاره داردکه در مقادیر جزئی 1/0 درصد وزن سیمان استفاده شده است. این پلیمر ها پیش از دهه هفتاد میلادی در مقیاس وسیع به عنوان روان کننده یا افزودنی کاهنده آب مورد استفاده قرار نگرفتند تا زمانیکه در دهه هفتاد استفاده از این ترکیبات به عنوان افزودنی های فوق روان کننده بتن ( با تغییراتی در درجه پلیمریزاسیون و مقدار مصرف ) در مقیاس وسیع آغازز شد.
ترکیبات اصلی مورد استفاده در تولید روان کننده بتن را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد :نمک های کلسیم , سدیم و آمونیوم اسید لیگنوسولفونیک اسید های هیدروکسی کربوکسیلیک که عموما به شکل نمک های تری اتانول آمین , آمونیوم و سدیم هستند, کربوهیدرات ها نظیر شکر , اسید های شکر و پلی ساکارید ها نمک های ملامین تغلیظ شده ی سولفوناته شده و نمک های نفتالین تغلیظ شده ی سولفوناته شده و سایر ترکیبات مشابه. معمولا تمامی افزودنی های کاهنده آب به صورت یک محلول آبی با وزن مخصوصی در حدود 1/1 تا 3/1 میلی گرم بر لیتر توسط تولید کننده ارائه می گردد. در ادامه به تشریح ترکیبات شیمیایی عمده تشکیل دهنده این افزودنی ها پرداخته می شود.
لیگنوسولفونات ها در روان کننده بتن
با وجود اینکه استفاده از لیگنوسولفونات به عنوان روان کننده بتن در دهه سی میلادی آغاز شده بود اما همچنان این ماده به عنوان رایج ترین ترکیب در تولید این افزودنی به کار می رود. وزن مولکولی لیگنوسولفونات از چند صد تا حدود صد هزار تغییر می کند اما به طور میانگین دارای وزن مولکولی در حدود 20000 تا 30000 می باشد. مولکول لیگنوسولفونات بسیار پیچیده بوده و می توان آن را به صورت پلیمری که واحد فنیل پروپان آن با هیدروکسیل (OH) , متوکسیل (OCH3), حلقه فنیل (C6H5) و گروه اسید های سولفونیک (SO3H) جایگزین شده است نشان داد.
لیگنوسولفونات ها از چربی زائد به دست آمده در فرآیند تولید کاغذ از خمیر بدست آمده از چوب درختی که دارای 20 تا 30 درصد لیگنین است گرفته می شود. این ماده ترکیب پیچیده ای از محصولات حاصل از تجزیه سلولز و لیگنین , کربوهیدرات های مختلف و اسید های گوگرد و سولفات های آزاد است. ترکیبات سازنده لیگنوسولفونات با توجه فرآیندهای پی در پی خنثی سازی , ته نشینی و تخمیری که این محصول جانبی صنعت کاغذ تجربه می کند و همچنین بر اساس سن و نوع چوب استفاده شده به عنوان ماده اولیه متفاوت خواهد بود. جدول زیر نتایج تحلیل شیمیایی یک افزودنی پودری لیگنو سولفوناتی رایج را نشان می دهد.
لیگنوسولفونات های تجاری که در فورمول بندی های روان کننده بتن به کار می روند , دارای تا 30 درصد کربوهیدرات هستند. در نمک های لیگنوسولفونات استفاده شده به عنوان افزودنی یک فلز یا کاتیون آمونیوم جایگزین هیدروژن در گروه سولفونیکی می شود. نمک های کلسیم و سدیم رایج ترین کاتیون های مورد استفاده در فورمول بندی افزودنی های کاهنده آب هستند. نتایج رسانایی الکتریکی نشان می دهد که لیگنوسولفونات ها تنها به میزان 20 تا 30 درصد یونیزه شده و درجه یونیزه شدن در محلول برای نمک های سدیم بیش از کلسیم لیگنوسولفونات است.این مطلب علت نیاز به مقدار بیشتر نمک های کلسیم برای دستیابی به مقدار مشابه کاهش آب در مقایسه با نمک های سدیم را توضیح می دهد. با این حال کلسیم لیگنوسولفونات نسبت به سدیم لیگنوسولفونات ارزان تر می باشد.به طور کلی لیگنوسولفونات به تنهایی به عنوان افزودنی کندگیر کننده یا افزودنی کاهنده آب کندگیر به کار میرود. عموما در فورمول بندی روان کننده بتن معمولی یا افزودنی های کاهنده آب و تند گیر کننده ,برای جبران تاثیر لیگنوسولفونات در به تاخیر انداختن زمان گیرش و همچنین کاهش مقاومت اولیه , از افزودنی های تندگیر کننده مانند تری اتانول آمین که موجب تسریع گیرش می گردد , و کلسیم کلرید , فرمات یا نمک های دیگر که زمان گیرش و سخت شدن را سرعت می بخشند استفاده می شود.
به طور کلی افزودنی های کاهنده آب بر پایه لیگنوسولفونات , مقدار مشخصی از هوا را به بتن اضافه می کنند. این ویژگی در مواردی که به مقاومت در برابر چرخه ذوب و یخ نیاز بوده و یا برای افزایش چسبندگی چسب کاشی (http://zhikavaco.com/%D9%85%D8%AD%D8%B5%D9%88%D9%84%D8%A7%D8%AA/%DA%86%D8%B3%D8%A8-%DA%A9%D8%A7%D8%B4%DB%8C) و بتن های کم عیار و بتن های با ماسه زبر و دانه بندی نا مناسب مطلوب می باشد.با این وجود استفاده همزمان از یک افزودنی حباب ساز با روان کننده بتن (http://zhikavaco.com/%D8%AE%D8%AF%D9%85%D8%A7%D8%AA/%D8%B1%D9%88%D8%A7%D9%86-%DA%A9%D9%86%D9%86%D8%AF%D9%87-%D8%A8%D8%AA%D9%86) و افزودن آن ها به طرح مخلوط به طور جداگانه تا زمانی که مقدار هوای مورد نیاز در بتن تامین شود مطلوب تر خواهد بود. جهت کاهش مقدار هوای وارد شده در بتن , مقدار مشخصی از عامل ضد کف در فرآیند تولید افزودنی های کاهنده آب تجاری با پایه لیگنوسولفونات به آنها افزوده می شود. تریبوتیل فسفات ,دی بوتیل فتالات , استر های بورات و مشتقات سیلیکون با مقادیر حدود یک در صد لیگنوسولفونات برای این منظور استفاده می شوند. با توجه به قیمت مناسب لیگنوسولفونات , علاقه به استفاده از این ترکیب , حتی در زمینه ساخت افزودنی های فوق روان کننده , همواره وجود داشته است. لیگنوسولفونات های اصلاح شده که از طریق انجام فرآیند های فیلتراسیون , شکر زدایی و یا سولفوناتاسیون به دست می آیند قابلیت رقابت با افزودنی های بر پایه سولفونات ملامین و سولفونات نفتالین را دارا هستند.
هیدروکسی کربوکسیلیک اسید ها
نمک های اسید های هیدروکسی کربوکسیلیک آلی در دهه پنجاه میلادی به عنوان کندگیر کننده و افزودنی های کاهنده آب توسعه یافتند. با وجود افزایش کاربرد این ماده , میزان استفاده از آن به اندازه لیگنوسولفونات نمی باشد. همانطور که از نام آنها بر می آید, اسید های هیدروکسی کربوکسیلیک دارای چند گروه هیدروکسیل (OH) و یک یا دو گروه کربوکسیلیک اسید (COOH) در انتهای زنجیره می باشد که به یک زنجیره کربنی کوتاه متصل شده است. شکل زیر برخی هیدروکسی کزبوکسیلیک اسید های رایج را که به عنوان کندگیر کننده یا روان کننده بتن استفاده می شود را نشان می دهد. احتمالا اسید گلوکونیک رایج ترین ترکیب مورد استفاده می باشد. اسید های سیتریک , تارتاریک , میوسیک, مالیک, سالیسیلیک, هپتونیک , ساکاریک و تانیک نیز برای هدف مشابهی مورد استفاده قرار می گیرند. این ترکیبات معمولا به صورت محلول آبی 30 درصد نمک های سدیم و گاهی نیز به صورت نمک های آمونیا و تری اتانول آمین مورد استفاده قرار می گیرند. عموما این ترکیبات به صورت مصنوعی ساخته شده و از آنجا که به عنوان ماده اولیه در صنایع دارویی و غذایی استفاده می شوند دارای درجه خلوص بالایی هستند. با این وجود می توان هیدروکسی کربوکسیلیک اسید های الیفاتیک را از تخمیر و اکسیداسیون کربوهیدرات ها تولید کرد و به همین دلیل به آن هااسید های شکر نیز گفته می شود. هیدروکسی کربوکسیلیک اسید ها می توانند به تنهایی به عنوان کندگیر کننده و یا افزودنی های کاهنده آب کندگیر مورد استفاده قرار بگیرند. برای استفاده به عنوان روان کننده بتن معمولی یا تند گیر کننده , این ترکیبات باید همانند افزودنی های کاهنده آب با پایه لیگنوسولفونات , با یک افزودنی تندگیر کننده ترکیب شوند.
کربوهیدرات ها
این ترکیبات دارای بخش های طبیعی مانند گلوکز و ساکاروز و پلیمر های هیروکسیلاته , که از هیدرولیز جزیی پلی ساکارید هایی مشابه با پلی ساکارید های موجود در نشاسته ذرت به دست می آیند , تشکیل می شوند. در تولید روان کننده بتن معمولی یا تند گیر کننده کربوهیدرات ها باید با مقادیر کمی از تری اتانول آمین یا کلسیم کلرید یا نمک های دیگر مخلوط شود تا اثر دیرگیرکنندگی آنها را کاهش دهد. نمونه ای از فورمول مولکولی این کربوهیدرات ها در شکل زیر نشان داده شده است.