افزودنی بتن ( انواع افزودنی های بتن )
فزودنی ماده‌ای به غیر از سیمان پرتلند، سنگدانه، و آب است که به صورت پودر (گَرد) یا مایع (آبکی)، به عنوان یکی از مواد تشکیل‌دهنده بتن و برای اصلاح خواص بتن، کمی قبل از اختلاط، در حین اختلاط و یا قبل از ریختن به آن افزوده می‌شود. به عبارت دیگر، افزودنی‌ها اجزایی از بتن به غیر از سیمان هیدرولیکی، آب، سنگدانه‌ها و الیاف هستند که برای اصلاح و بهبود خواص بتن و ملات تازه و سخت‌شده، به بتن افزوده می‌شوند. افزودنی‌های بتن به دو گروه مواد افزودنی شیمیایی و معدنی تقسیم می‌شوند.
افزودنی‌های شیمیایی از فرآوری، ترکیب یا آمیزه‌کاری مواد آلی و معدنی در یک فرآیند شیمیایی به دست می‌آیند و در حالتهای پودر یا مایع و در مقادیرکم معمولا تا حداکثر ۵ درصد وزن مواد سیمانی در زمان ساخت و اختلاط و یا درست پیش از ریختن بتن، به مخلوط اضافه می‌شوند.
افزودنی‌های معدنی که یا به طور طبیعی یافت می‌شوند و یا از محصولات جانبی صنعتی هستند، به سه دسته مواد خنثی، پوزولان‌ها، و مواد شبه سیمانی تقسیم می‌شوند و برای بهبود و اصلاح خواص مخلوط‌های سیمانی در مقادیر مصرف عموما بیشتر از ۵ درصد وزن سیمان و در زمان اختلاط به بتن افزوده می‌شوند.
گستره این نوشتار دربرگیرنده افزودنی‌های شیمیایی بتن است
۱-۱- اندرکنش بتن و افزودنی‌های شیمیایی
افزودنی‌های شیمیایی با مواد سیمانی در حال هیدراته شدن اندرکنش نشان می‌دهند و بر اساس نوع عملکردشان به سه رده مواد افزودنی با عملکرد فیزیکی، شیمیایی، و فیزیکی- شیمیایی تقسیم می‌شوند[۳].
مواد افزودنی با عملکرد فیزیکی آن رده از افزودنی‌های شیمیایی هستند که در فرآیند واکنش آبگیری سیمان تاثیر مستقیم ندارند گو اینکه ممکن است بر روند و آهنگ آن تاثیر بگذارند. این افزودنی‌ها عموما تا پیش از گیرش اولیه بتن، تاثیر و کارکرد خود را نشان می‌دهند و تاثیر آنها پس از گیرش، در بتن سفت‌شده و سخت‌شده ادامه نمی‌یابد. از جمله این افزودنی‌ها می‌توان به کاهنده‌های آب، هوازاها، گازسازها، کف‌زاها، هوازُداها، ضد آب‌شستگی‌ها، آسان‌کننده‌های پمپاژ، رنگ‌بخش‌ها، و پیوندزاها اشاره کرد.
مواد افزودنی با عملکرد شیمیایی یا در فرآیند و روند واکنش آبگیری سیمان پیش از گیرش تاثیر می‌گذارند و یا ریزساختار محصولات آبگیری را پیش و پس از گیرش، دستخوش تغییر می‌کنند. بنابراین واکنش افزودنی‌های شیمیایی علاوه بر زمان پیش از گیرش، ممکن است در مراحل سخت‌شدگی بتن نیز ادامه یابد. کُندگیرکننده‌ها، زودگیرکننده‌ها، زودسخت‌کننده‌ها، منبسط‌کننده‌ها، کنترل‌کننده‌های واکنش آبگیری، و ناگیرکننده‌ها در زمره افزودنی‌های با عملکرد شیمیایی هستند.
مواد افزودنی با عملکرد فیزیکی- شیمیایی اگرچه در فرآیند واکنش شیمیایی آبگیری سیمان دخالتی نمی‌کنند ولی با وارد کردن مواد شیمیایی ویژه به درون بتن، برخی از واکنش‌های شیمیایی یا رفتارهای فیزیکی بتن سخت‌شده را در آینده کنترل می‌کنند. بازدارنده‌های خوردگی، کاهنده‌های انبساط واکنش قلیایی سیلیسی، نم‌بندها، کاهنده‌های تراوایی، قارچ‌کُش‌ها،میکروب‌کش‌ها، و حشره‌کش‌ها در این رده از افزودنی‌ها قرار می‌گیرند.
۱-۲- دسته‌بندی‌افزودنی‌های شیمیایی
افزودنی‌های شیمیایی بر اساس نوع تاثیر و کارکرد اصلی که در بتن دارند به هفت دسته کلی تقسیم می‌شوند.
دسته ۱ – کاهنده‌های آب
افزودنی‌های کاهنده برای افزایش روانی بتن در مقدار آب معین، یا کاهش مقدار آب مصرفی با حفظ روانی، یا هر دو به کار می‌روند و شامل روان‌کننده‌ها، فوق روان‌کننده‌ها، و فراروان‌کننده‌ها می‌شوند.
دسته ۲ – هوازا
افزودنی است که در حین اختلاط، ساختاری همگن از ریزحباب‌های ناپیوسته در بتن، ملات، یا خمیر سیمان پدید می‌آورد و باعث بهبود کارآیی (کارپذیری) و افزایش پایایی در برابر چرخه‌های یخ‌زدن و آب‌شدن می‌شود.
دسته ۳ – کُندگیرکننده‌ها
کُندگیرکننده‌ها با کُندکردن روند آبگیری سیمان، گیرش بتن را به تاخیر می‌اندازند و شامل دیرگیرکننده‌ها و ناگیرکننده‌ها می‌شوند.
دسته ۴ – شتاب‌دهنده‌ها (تسریع‌کننده‌ها)
شتاب‌دهنده‌ها (تسریع‌کننده‌ها) با تندکردن روند آبگیری سیمان موجب زودگیری، زودسخت‌شدگی، یا هر دو می‌شوند. شتاب‌دهنده‌ها شامل زودگیرکننده‌ها، آنی‌گیرها، و زودسخت‌کننده‌ها هستند.
دسته ۵ – منبسط‌کننده‌ها
منبسط‌کننده‌ها برای افزایش حجم در بتن (ملات) تازه، جبران جمع‌شدگی بتن (ملات) سخت‌شده، یا ایجاد انبساط کنترل شده در بتن (ملات) سخت‌شده به کار می‌روند. این افزودنی‌ها دربرگیرنده شامل جبران‌کننده‌های جمع‌شدگی، گازسازها، و کف‌زاها هستند.
دسته ۶ – پایاگرها (دوام‌‌بخش‌ها)
پایاگرها با کاستن از درون‌رفت (نفوذ) عوامل زیان‌آور، پایش (محافظت) میلگردها، یا کنترل واکنش‌های زیانبار، پایایی بتن سخت‌شده را بهبود می‌بخشند. کاهنده‌های تراوایی، نم‌بندها، بازدارنده‌های خوردگی، و کاهنده‌های انبساط واکنش قلیایی سیلیسی در این دسته از افزودنی‌ها جای می‌گیرند.
دسته ۷ – افزودنی‌های خاص
افزودنی‌های خاص دسته‌ای از افزودنی‌های شیمیایی با کاربرد ویژه و محدود هستند. ضدیخ‌ها، رنگ‌بخش‌ها، هوازداها، آسان‌کننده‌های پمپاژ، ضد آب‌شستگی‌ها، کنترل کننده‌های واکنش آبگیری، پیوندزاها (لاتکس)، قوام‌بخش‌ها نمونه‌هایی از افزودنی های خاص هستند.
۱-۳- کارکرد افزودنی‌های شیمیایی
هر ماده افزودنی با کارکرد اصلی آن تعریف و گروه‌بندی می‌شود. کارکرد اصلی یک ماده افزودنی عمده‌ترین اثر مورد انتظاری است که بر بتن دارد و بیانگر عملکرد شاخص آن افزودنی است. کارکرد فرعی، اثر یا اثراتی است که ماده افزودنی در مقیاس کوچک‌تر از کارکرد اصلی بر بتن می‌گذارد. برخی از افزودنی‌ها ممکن است چند منظوره باشند و بر چند خاصیت بتن تازه یا سخت‌شده تاثیر بگذارند. برای نمونه، کاهنده‌های آب کُندگیر علاوه بر کاهش مقدار آب، موجب کُندگیری بتن نیز می‌شوند.
نکته ۱-۱- برخی از افزودنی‌ها ممکن است دارای اثرات جانبی باشند. به طور مثال کارکرد اصلی افزودنی‌های کاهنده آب، کاهش آب بتن است ولی ممکن است اثرات جانبی کُندگیری یا هوازایی نیز داشته باشند. اثر جانبی تاثیر ناخواسته و در مواردی حتی نامطلوبی است که افزودنی بر ویژگی‌های بتن دارد و باید به خاطر داشت که با کارکرد فرعی تفاوت دارد.
نکته ۱-۲ – گسترش روزافزون افزودنی‌ها و کاربردهای موثر آنها ممکن است به پیدایش افزودنی‌های جدیدی بیانجامد که در این دستهبندی هفت‌‌گانه جای نگیرند. در چنین مواردی نقش آیین‌نامه‌ها، دستورالعمل‌ها و مشخصات فنی خاص که از طرف تولیدکنندگان و یا مجامع علمی معتبر بین‌المللی صادر می‌شوند جایگاه ویژه‌ای برای ارزیابی و پذیرش این افزودنی‌ها به خود اختصاص می‌دهند و معیاری برای سنجش این نوع مواد به شمار می‌آیند.
۱-۴- دلایل و مزایای استفاده از افزودنی‌های شیمیایی
بتن باید همگن، کارآ، پرداخت‌پذیر، مقاوم، پایا، و کم‌تراوا باشد. در بسیاری از موارد با انتخاب مصالح و نسبت اختلاط مناسب و به کاربستن روش‌ها و استفاده از تجهیزات مناسب و افراد کارآزموده می‌توان به این ویژگی‌ها دست یافت. بهره‌گیری از افزودنی‌های شیمیایی در کنار مزایای بیشماری که دارند، دستیابی به این ویژگی‌ها را امکان‌پذیرتر و آسان‌تر خواهد کرد. در این راستا، مهمترین دلایل و مزایای استفاده از افزودنی‌های شیمیایی را می‌توان به شرح زیر دستهبندی کرد.
۱-۴-۱ – کاهش هزینه ساخت و ساز
کاربرد افزودنی‌ها می‌تواند موجب صرفه‌جویی‌های گوناگونی گردد و علاوه بر جبران هزینه‌های ناشی از خرید افزودنی، امتیازات اقتصادی نیز به همراه داشته باشد. کاهش هزینه‌های ساخت و ساز به سه دسته صرفه‌جویی مستقیم، غیرمستقیم، و نهان تقسیم می‌شوند.
صرفه‌جویی مستقیم آن بخش از کاهش هزینه‌ها است که به آسانی قابل محاسبه و سنجش است. از جمله این صرفه‌جویی‌ها می‌توان به کاهش مقدار سیمان و آب، افزایش بهره‌وری نیروی انسانی، کم‌شدن زمان اجرا، سهولت و افزایش راندمان عملیات بتنی، فراهم کردن امکان استفاده از سنگدانه‌ها و مصالح در دسترس، سهولت انتقال و ریختن بتن، سرعت بخشیدن در بازکردن قالب و سهولت در بسیاری دیگر از موارد اجرایی اشاره کرد.
صرفه‌جویی غیرمستقیم، کاهش هزینه‌های حاصل از بهبود کیفیت بتن، افزایش مقاومت‌های مکانیکی، اطمینان از یکنواختی تولید، کاهش مشکلات و کاستی‌های هنگام اجرا، کاهش یا حذف دوباره کاری‌ها، بهبود شکل ظاهری و کاهش تعمیرات سطوح بتنی، و موارد بیشمار دیگری را دربرمی‌گیرد.
صرفه‌جویی نهان دربرگیرنده کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری است. از جمله این موارد می‌توان به کاهش استهلاک تجهیزات و ماشین‌آلات، کاهش احجام و ابعاد اعضای سازه، امکان طراحی‌های متنوع، استفاده بهینه از زمین با طراحی سازه‌های بلندتر، و امکان حذف نماسازی اشاره کرد.
هر یک از افزودنی‌ها ممکن است تنها یک یا چند مزیت اقتصادی را به ارمغان آورند که بایستی در هنگام محاسبه هزینه‌های صرفه‌جویی شده مورد ارزیابی قرار گیرند.
۱-۴-۲ – تنظیم و بهبود ویژگی‌های بتن
اگرچه با انتخاب مصالح و نسبت اختلاط مناسب می‌توان به بسیاری از خواص مورد نظر بتن دست یافت ولی تنظیم و دستیابی به برخی از خواص بتن تازه و سخت‌شده با استفاده از افزودنی‌ها، کارآمدتر، اقتصادی‌تر، و موثرتر از هر روش دیگری است. با استفاده از افزودنی‌های شیمیایی می‌توان خواص بتن تازه را متناسب با شرایط اجرایی و محیطی تنظیم و ویژگی‌های بتن سخت‌شده را مطابق با ضوابط فنی و شرایط بهره‌برداری اصلاح کرد.
خواصی از بتن تازه را که می‌توان با استفاده از افزودنی‌های شیمیایی تنظیم کرد عبارتند از: افزایش کارآیی بدون مصرف آب اضافی، کاهش آب مصرفی بدون کاهش در کارآیی، تسریع و یا کندکردن گیرش اولیه و نهایی، ایجاد انبساط جهت جبران جمع‌شدگی، کاهش آب انداختن، حفظ قوام، کاهش جداشدگی دانه‌ها، بهبود پمپ‌شوندگی، اصلاح روند افت اسلامپ، و کنترل روند گرمازایی در سنین اولیه.
آن دسته از ویژگی‌های بتن سخت شده را که می‌توان با استفاده از افزودنی‌های شیمیایی اصلاح کرد یا بهبود بخشید عبارتند از: تسریع و یا تاخیر در روند کسب مقاومت، افزایش مقاومت‌های مکانیکی، بهبود پایایی، کاهش نفوذپذیری، کنترل انبساط و آسیب‌های ناشی از واکنش قلیایی، افزایش چسبندگی به فولاد، بهبود چسبندگی بتن جدید به بتن موجود، تولید بتن یا ملات رنگی، و کنترل خوردگی میلگرد.
۱-۴-۳ – امکان اجرا در شرایط سخت و دشوار
برخی از افزودنی‌های شیمیایی امکان اجرا و ادامه عملیات بتن‌ریزی را، با حفظ کیفیت خواسته‌شده، در شرایط آب و هوایی نامساعد فراهم می‌آورند. برای مثال با استفاده از روان‌کننده‌های کندگیر می‌توان بتن را در مسافت‌های طولانی حمل یا تا فواصل زیاد پمپ کرد؛ قوام‌بخش‌ها و ضد آب‌شستگی‌ها، عملیات بتن‌ریزی در زیر آب را آسان‌تر می‌کنند؛ زودسخت‌کننده‌ها امکان بتن‌ریزی در هوای سرد را فراهم می‌کنند؛ و با استفاده از فراروان‌کننده‌ها می‌توان بتن را در نقاط با دسترسی کم، مانند زیر لوله‌های آبرسان به توربین در نیروگاه‌های برق‌آبی، بدون نیاز به لرزاندن (بتن خودتراکم) اجرا کرد.
۱-۴-۴ – غلبه بر پیشامد‌های ناگهانی
در حین عملیات بتن‌ریزی، احتمال رخداد پیشامد‌های ناگهانی و پیش‌بینی نشده‌ای مانند گرفتگی لوله‌های پمپ، دررفتن قالب، افت ناگهانی دما و … وجود دارد. با کمک افزودنی‌های شیمیایی می‌توان بر برخی از این پیشامدها غلبه کرد. نمونه‌ای از این دست، استفاده از مواد کنترل‌کننده‌های آبگیری برای جلوگیری از گیرش و استفاده دوباره بتن ساخته شده در مواردی است که وقفه‌ای در اجرا پیش می‌آید.
۱-۴-۵ – دستیابی به خواص ویژه
برخی از خواص و ویژگی‌های بتن، هر چقدر هم که در انتخاب مصالح و نسبت اجزای بتن دقت شود، جز با استفاده از افزودنی‌ها قابل دستیابی نیستند. از جمله این ویژگی‌ها و خواص منحصر به فرد که تنها با استفاده از افزودنی‌های شیمیایی به دست می‌آیند می‌توان به هوازایی، کف‌زایی، خودتراکمی، زودگیری، زودسخت‌شدگی، کُندگیری، و انبساط‌زایی اشاره کرد.
۱-۴-۶ – هماهنگی با مسایل زیست محیطی و بهداشت کار
کاهش آلودگی‌های صوتی، افزایش ایمنی و بهره‌وری نیروهای کار (نیروی انسانی)، کاهش گرمای حاصل از اصطکاک تجهیزات و ماشین‌آلات، دور نریختن و استفاده از بتن باقیمانده در ماشین‌آلات برای نوبت کاری بعدی (افزودنی کنترل‌کننده آبگیری)، عدم نیاز به شستشوی تجهیزات بتن‌سازی در پایان هر نوبت‌کاری و عدم تخلیه آب شستشو در محیط (افزودنی ناگیرکننده)، از جمله موارد دوستی با محیط زیست است که با کمک افزودنی‌های شیمیایی قابل دستیابی هستند.
۱-۴-۷ – کمک به توسعه پایدار
کاهش مصرف سیمان از یک سو با صرفه‌جویی در مصرف منابع طبیعی (مواد خام اولیه) و از سوی دیگر با کاهش گازهای گلخانه‌ای ناشی از تولید سیمان، در راستای کمک به حفظ محیط زیست و توسعه پایدار است. دستیابی به مقاومت‌های زودرس با استفاده از افزودنی‌ها و بی‌نیازی به بخاردهی در روند تولید قطعات پیش‌ساخته که در اصطلاح “بی‌نیاز از انرژی”[۵] نامیده می‌شود، به صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌انجامد و به توسعه پایدار کمک می‌کند. بهبود پایایی سازه‌های بتنی در زمان بهره‌برداری که در اثر استفاده از مواد افزودنی به دست می‌آید نیز با افزایش عمر مفید سازه به توسعه پایدار کمک خواهد کرد.
نکته ۱-۳- صرف‌نظر از تمامی موارد گفته شده، باید به خاطر داشت که هیچ افزودنی را از هر نوع و مقداری که باشد، نمی‌توان جانشینی برای طرح مخلوط و اجرای مناسب بتن انگاشت.
۱-۵- مشخصات افزودنی‌های شیمیایی
افزودنی‌های مصرفی بایستی پاسخگوی نیازها و ضوابط آیین‌نامه بتن و استانداردهای ملی ایران و استانداردهای بین‌المللی معتبر مانند AASHTO, ASTM, BS, DIN, EN باشند. این منابع مشخصات فنی، حداقل انتظارات از مصرف، و نحوه تاثیرگذاری هر افزودنی را به تفصیل بیان می‌نمایند و راهنمای بسیار مناسبی برای استفاده افزودنی‌ها هستند. در کنار این استانداردها، تولیدکنندگان این افزودنی‌ها همواره مشخصات فنی دقیقی از محصولات خود و دامنه مصرف و تاثیر آنها در بتن را ارایه می‌نمایند که در مواردی می‌توانند راهگشا باشند. اگرچه مشخصات فنی ارایه‌شده توسط تولیدکنندگان دربردارنده‌ی دامنه مصرف پیشنهادی هستند ولی مقدار مصرف افزودنی باید بر اساس نتایج به دست آمده با مصالح مصرفی در کارگاه موردنظر تعیین شود. برخی از استانداردهای افزودنی‌های شیمیایی در جدول شماره ۱-۱ آورده شده است.
۱-۶- نمونه‌برداری
برای آزمودن، ارزیابی و بازرسی افزودنی‌ها بایستی نمونه‌هایی مطابق با دستورالعمل و مشخصات فنی از پیش تعیین شده برای هر افزودنی، برداشته شوند. چنین نمونه‌هایی باید به روش نمونه‌گیری اتفاقی از واحد تولید، بسته‌بندی‌ها یا ظروف بازنشده، یا از محموله‌های فله‌ای که تازه وارد کارگاه شده‌اند برداشته شوند.
۱-۷- آزمودن
مواد افزودنی با اهداف زیر آزموده می‌شوند:
الف- تعیین مطابقت با مشخصات فنی.
ب- ارزیابی تاثیر افزودنی روی خواص بتن ساخته شده با مصالح کارگاهی تحت شرایط محیطی و روش‌های اجرایی مورد انتظار (پیش‌بینی شده).
پ- کنترل کیفیت و اطمینان از یکنواختی محموله‌های متعدد وارده به کارگاه.
ت- آشکارشدن هر گونه ناسازگاری افزودنی با اجزای تشکیل دهنده بتن، به ویژه سیمان، و پدیدار شدن هر گونه اثر نامطلوب افزودنی بر روی بتن.
تولیدکننده مواد افزودنی ملزم است گواهی نماید که هر محموله‌ی جداگانه با استانداردهای ملی ایران یا با مشخصات فنی دیگر آیین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی پذیرفته شده در پروژه مطابقت دارد. مشخصات فنی ارایه شده از سوی تولیدکننده بایستی بیان‌کننده توانایی‌ها و محدودیت‌های کاربرد هر افزودنی باشد.
شیوه‌ها و دستورالعمل‌های کنترل کیفیت که توسط تولیدکنندگان مواد افزودنی به کار می‌روند باید تضمین‌کننده یکنواختی محصول تولیدی و مطابقت آن با ضوابط و دیگر شرایط استانداردهای ملی ایران یا با مشخصات فنی دیگر آیین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی باشند. از آن‌جا که روش‌های آزمایش و شیوه‌های کنترل کیفیت مورد استفاده تولید کنندگان ممکن است بر اساس خواص یک محصول ویژه پایه‌گذاری شوند، نمی‌توانند برای کاربرد عمومی یا استفاده توسط مصرف‌کنندگان به کار روند.
گو اینکه استانداردهای ملی ایران یا دیگر آیین‌نامه‌های معتبر و بین‌المللی دستورالعمل گام به گام با ارزشی برای ارزیابی و انتخاب مواد افزودنی فراهم می‌کنند، باید پیش از تولید بتن و استفاده مداوم از افزودنی‌ها در تولید بتن، آزمایش‌هایی که نشان دهنده عملکرد افزودنی در شرایط کارکرد واحد بتن‌ساز همراه با مصالح مورد استفاده در ساخت بتن باشند انجام گیرد. یکنواختی و ناپراکندگی نتایج مربوط به هر ویژگی مورد نظر افزودنی یا بتن، به همان اندازه‌ی میانگین این نتایج دارای اهمیت است.
نکته ۱-۴- نتایج حاصله از مصرف یک افزودنی در یک کارگاه به معنای ویژگی مطلق آن افزودنی نمی‌باشد و نمی‌توان این نتایج را به سایر کارگاه‌ها تعمیم داد و حتی تغییرات در نوع سیمان، سنگدانه‌ها، یا روش‌های بتن‌ریزی نیازمند تکرار آزمایش‌ها می‌باشد.
نکته ۱-۵- پس از اطمینان از عملکرد یک افزودنی در مراحل آزمایشگاهی، لازم است عملکرد آن در احجام واقعی ساخت بتن و در دستگاه بتن‌ساز نیز آزمایش و ارزیابی شود و در هنگام بتن‌ریزی با انجام نمونه‌گیری‌های منظم از یکنواختی بتن‌های تولید شده اطمینان حاصل گردد.
محمدرضا اصانلو
barazinco.ir
