مقدمه مواد افزودنی کاهنده جمع ‌شدگی بتن

جمع شدگی بتن، تغییر حجم بتن است که به دلایل مختلفی و در زمان‌های متفاوتی از سن گیرش بتن رخ می‌دهد. از جمله عوامل موثر در جمع‌شدگی بتن به موارد زیر اشاره کرد:

  • نسبت آب به سیمان
  • عیار سیمان و نوع سنگدانه‌ها
  • طرح اختلاط
  • نسبت سطح به حجم
  • رطوبت نسبی و سایر شرایط محیط پیرامون بتن

جمع شدگی در بتن و لات در سه حالت رخ می‌دهد: در فاز پلاستیک، خود به خودی و در زمان خشک شدن. در ادامه هرکدام از انواع جمع شدگی مختصرا توضیح داده می‌شود:

جمع‌شدگی پلاستیک زمانی اتفاق می‌افتد که نرخ تبخیر آب از سطح بتن تازه بیشتر از نرخ آب‌انداختگی باشد. این جمع شدگی در بیشتر مواقع قبل از گیرش نهایی به دلیل تبخیر سریع آب از سطح بتن که در معرض هوا قرار دارد، رخ می‌دهد [۱]. دمای زیاد بتن، سرعت زیاد باد و رطوبت کم نرخ تبخیر آّب از سطح بتن را افزایش می‌دهند. نرخ آب‌انداختگی نیز به عواملی همچون اجزای تشکیل‌دهنده بتن، نسبت‌های اختلاط، ضخامت المان مورد نظر و نوع تراکم و پرداخت سطح بتن بستگی دارد [۲]. ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک معمولا موازی یکدیگر بوده و فاصله آنها ۳/۰ الی ۱ متر است. این ترک‌ها سطحی بوده و عمق آنها ۲۵ الی ۵۰ میلیمتر می‌باشد. اما در مواردی که علاوه بر جمع‌شدگی پلاستیک، جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن نیز باعث تشدید شرایط می‌شود ترک‌ها می‌توانند تا عمق بیشتری نفوذ کنند [۳]. این ترک‌ها معمولا در المان‌های بتنی نازک مانند دال‌ها روسازی‌ها، عرشه پل‌ها، کف‌های صنعتی، پوشش تونل‌ها و سطوح ترمیمی که نسبت سطح به حجم زیادی دارند مشاهده می‌شود. بتن‌های پرمقاومت که دارای نسبت آب به سیمان کم و حاوی مواد پوزولانی (روباه، خاکستر بادی و دوده سیلیس) هستند بیشتر در معرض ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک قرار دارند. این نوع جمع شدگی در بیشتر مواقع در ۷ روز اول پس از قالب گیری بتن رخ می‌دهد (شکل ۱۰-۴-۱) [۴].

جمع شدگی خود به خودی در زمانی بتن هنوز به حالت مایع می‌باشد، رخ می‌دهد. این نوع جمع شدگی در واقع به سبب تغییر در اندازه ساختار خلل و فرج ریز بتن یا به عبارت دیگر به دلیل کاهش اندازه تخلخل و نافذ بتن رخ می‌دهد. این نوع از جمع شدگی به عنوان تابعی از میزان هیدراتاسیون سیمان در نظر گرفته می‌شود [۵]. در واقع محرک ایجاد این نوع جمع شدگی واکنش‌های شیمیایی است، هرچه هیدراتاسیون توسعه می‌یابد، حجم مطلق کاهش می‌یابد [۶]. این تغییر حجم به علت انجام واکنش بین آب و مواد سیمانی و تغییر چگالی محصولات واکنش نسبت به مواد واکنش دهنده می‌باشد. به دلیل اینکه چگالی مواد اولیه واکنش از محصولات حاصل از آن کمتر است در نتیجه حجم مصالح موجود در مخلوط بتنی کاهش یافته و جمع شدگی خود به خودی در بتن رخ می‌دهد [۷].

ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک
ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک

در آب و هوای خشک زمانی که اختلاف رطوبت نسبی بین بتن و هوای اطراف آن وجود داشته باشد، جمع‌شدگی حاصل از خشک شدن رخ می‌دهد. به طور خلاصه، این پدیده به تبخیر آب از سیمان هیدراته شده مرتبط می‌باشد [۳]. هنگامی که سیمان اشباع در معرض رطوبتی که کمتر از اشباع است قرار گیرد، بتن رطوبت را از منافذ مویینه بزرگ از دست می‌دهد و به دنبال آن جمع‌ شدگی در بتن ایجاد می‌شود. در واقع بعد از گیرش نهایی بتن به دلیل تبخیر آب در خلل و فرج بتن و به دنبال آن کاهش حجم بتن به وقوع می‌پیوندد. در بتن‌های پرمقاومت با مقدار آب کم، جمع شدگی حاصل از خشک شدن و جمع شدگی خود به خودی به دلیل اینکه احتمال وقوع ترک‌های شدید را افزایش می‌دهند، بسیار مضر و خطرناک هستند. در بتن‌های با مقاومت معمولی (مقاومت ۲۸ روزه کمتر از ۳۴ مگاپاسکال) جمع شدگی خود به خودی نسبت به جمع شدگی حاصل از خشک شدن از اهمیت کمتری برخوردار است. جمع شدگی به تنهایی باعث ایجاد ترک خوردگی در بتن نمی‌شود. ایجاد ترک در بتن به این موضوع بستگی دارد که بتن مقید شده است یا نه. در واقع نیروهای ناشی از قیدهای خارجی یا داخلی که به واسطه جمع‌شدگی بتن مقید شده ایجاد می‌شوند، باعث ایجاد ترک در عضو بتنی می‌گردد. به دلیل که بیشتر سازه‌های بتنی توسط زمین، شالوده، آرماتور و یا سایر اعضای سازه مقید شده‌اند و این مسئله باعث ایجاد تنش‌های کششی می‌شود که در صورتی که مقدار تنش از مقدار مقاومت کششی بتن فراتر رود، سبب پیدایش ترک در سازه بتنی می‌گردند شکل (۱۰-۴-۲) [۸].

بیشتر بخوانید  منابع تامین سنگدانه بتن

یکی از راه‌هایی که به منظور کاهش ترک‌های جمع شدگی به کار می‌رود استفاده از کاهنده‌های قوی آب یا فوق روان کننده‌ها است که به منظور کاهش نسبت آب به سیمان و مقدار سیمان در بتن به کار می‌روند. یکی دیگر از رویش‌هایی که برای کم کردن اثر جمع شدگی در بتن به کار می‌رود، استفاده از بتن جبران کننده جمع شدگی[۱] است.

 

ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک
ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک

 

این روش بر اساس انبساط بتن به جای جمع شدگی آن می‌باشد. انبساط بتن در این روش به واسطه تشکیل اتریگایت (نوع K، کلسیم سولفو آلومینات یا ترکیبات بر اساس کلسیم آلومینات) یا تشکیل کلسیم هیدرروکسید (ترکیبات بر اساس آهک) به دست می‌آید. در ایم روش باید مراقبت‌های ویژه‌ای در زمینه جلوگیری از گیرش سریع، کاهش کارپذیری و از همه مهم‌تر، زمانی که انسباط توسط این روش رخ می‌دهد، صورت گیرد. روش دیگر استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی[۲] است که در سال ۱۹۸۵ در ژاپن معرفی شدند و در سال ۱۹۹۵ به بازار آمریکای شمالی راه پیدا کردند [۹]. این افزودنی‌های به طور شیمیایی مکانیزم جمع شدگی را بدون ایجاد انبساط تغییر می‌دهند.

ساختار شیمیایی

افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی به طور کلی شامل پلی آکسی آلکیلین آلکیل اثر و ترکیبات مشابه هستند. بر اساس دستور العمل‌های منتشر شده ترکیب کلی افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی به صورت R1 O(AO)nR2 می‌باشد. در این ترکیب A نشان دهنده گروه آلکیل با زنجیره‌ای از کربن بوده و R1 و R2 شامل هیدروژن، هیدروکسیل، آلکیل؛ فنیل و سیکلو آلکیل هستند. همچنین n نشان دهنده عدد صحیح بین ۲ تا ۱۰ می‌باشد که درجه پلیمریزاسیون ترکیب را مشخص می‌کند. بسیاری از افزودنی‌های ماهنده جمع شدگی تجاری موجود در بازار حاوی ترکیبات مخلوط گلیکول اثر می‌باشند [۱، ۶ و ۹]. در این فصل نوع سوم افزودنی‌های کاهنده جمع‌شدگی که مکانیزم جمع‌شدگی را تحت تاثیر قرار می‌دهند، بررسی می‌کنیم.

نحوه عملکرد

علت اصلی جمع شدگی ناشی از خشک شدن، تبخیر آب از منافذ موئینه در خمیر سیمان هیدراته شده در سطحی از بتن که در معرض هوای محیط با رطوبت نسبی کمتر از منافذ مویینه قرار دارد می‌باشد. آب داخل منافذ مویینه که آب آزاده نامیده می‌شود توسط نیروی مویینگی نگه داشته می‌شود که هر چه قطر منفذ کمتر باشد، این نیرو قوی‌تر خواهد بود. زمانی که تنش کششی توسط نیروی کشش مویینه در خمیر سیمان هیدراته شده ایجاد می‌شود، تنش حاصله از مقاومت کششی موضعی بیشتر شده و سبب ایجاد ترک در سازه بتنی می‌گردد [۱۰].

براساس تئوری کشش مویینگی، مکانیزم جمع شدگی ناشی از خشک شدن بر اساس توسعه تنش سطحس در منافذ کوچک در خمیر سیمان موجود در بتن می‌باشد. هنگامی که آب داخل منافذ در اثر تبخیر کاهش می‌یابد. شکلی هلال مانند در سطح مشترک آب و هوا تشکیل می‌شود. کشش سطحی در قسمت هلالی دیواره‌های منفذ را به سمت داخل می‌کشد و به این ترتیب در اثر این نیروی داخلی وارده، جمع شدگی در بتن رخ می‌دهد. مکانیزم این نوع از جمع شدگی فقط در منافذ مویینه که اندازه آن‌ها در محدوده خاصی می‌باشد، رخ می‌دهد. مقدار جمع شدگی خمیر سیمان که توسط کشش سطحی رخ می‌دهد عمدتا به نسبت آب به سیمان بستگی دارد. از طرفی مکمل وابسته می‌باشد. این موارد بر پراکندگی و توزیع اندازه منافذ تاثیر می‌گذارد [۸].

افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی با کاهش نیروی کشش سطحی آب در منافذ، جمع شدگی را کاهش می‌دهد. افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی در داخل مخلوط بتنی در طول اختلاط ریخته می‌شود. بعد از اینکه بتن سخت شد، این افزودنی در منافذ همچنان باقی مانده و کشش سطحی که منجر به جمع شدگی در اثر خشک شدن می‌شود را کاهش می‌دهد. بر اساس نتایج آزمونه‌های بتنی که در شرایط آزمایشگاهی و در شرایط گارگاهی به دست آمده است، در صورت استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی در دامنه ۵/۱ تا ۲ درصد بر اساس وزن سیمان، جمع شدگی به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد [۱و۶]. همچنین بر اساس برخی دیگر از تحقیقات انجام شده، در صورت استفاده از این نوع افزودنی‌ها در محدوده ۱ تا ۵/۲ درصد می‌توان به مقدار دلخواهی از جمع شدگی بدون اثرات جانبی دست یافت [۹و۱۱].

بیشتر بخوانید  افزودنی‌های بتن پاششی (شاتکریت)

کاربرد

استفاده از افزودنی‌های جمع شدگی در بسیاری از موارد کاربرد دارد. از جمله این موارد می‌توان به سازه‌های بتنی پیش‌ساخته، سازه‌های نگه‌دارنده‌های آب و بسیاری از دال‌های افقی از قبیل سقف، کف و عرشه پارکینگ اشاره کرد. این نوع افزودنی به دلیل حداقل کردن ترک‌ها، سبب کاهش درزهای انقباض و انحنا در دال می‌شود. در ساز‌ه‌هایی که مشکل نشتی آب وجود دارد استفاده از این نوع افزودنی‌ها سبب کاهش ترک‌ها خواهد شد. همچنین از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی در سازه‌های پیش‌تنیده به منظور کاهش از دست رفتن نیروی پیش‌تنیدگی به کار می‌رود [۱۲]. علاوه بر آن از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی برای جبران اثر استفاده از سنگدانه‌هایی با جمع شدگی زیاد استفاده می‌شود. در مورد آخرین کاربرد ذکر شده باید هزینه استفاده از این نوع افزودنی‌ها در مقایسه با استفاده از سنگدانه‌هایی با جمع شدگی کمتر بررسی شود [۱۳].

توصیه می‌شود که افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی بعد افزودن کلیه افزودنی‌ها به مخلوط بتنی اضافه گردد. هرچه درصد استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی افزایش یابد، جمع شدگی کاهش می‌یابد، به شرط آنکه میزان افزودنی در محدوده مجاز باشد. مخلوط‌های آزمایشی برای تنظیم میزان سیمان، سنگدانه و افزودنی‌های جمع شدگی باید ساخته شود تا طرح مخلوط بهینه برای دستیابی به جمع شدگی مدنظر تعیین گردد. باید توجه داشت افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی می‌تواند با افزودنی‌های حباب‌ساز واکنش داده و حباب‌های هوا را ناپایدار کند.

تاثیر مواد افزودنی بر بتن تازه و در حال سخت شدن

هرچند که هدف اصلی استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی، کاهش جمع شدگی، خود به خودی و ناشی از خشک شدن است، این افزودنی می‌تواند بر مشخصات بتن تازه اثر گذارد. زمانی که این افزودنی به مقدار ۲ درصد وزن سیمان بدون تنظیم حجم آب در مخلوط بتنی به کار می‌رود سبب افزایش اسلامپ می‌شود. هنگامی که حجم آب ثابت نگه داشته شود، استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی بر اسلامپ اثر ندارد. برخی از انواع افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی اثر اندکی بر تعویق انداختن هیدراتاسیون نیز دارند و ممکن است زمان گیرش را تا حدود یک ساعت افزایش دهند [۱۲]. افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی همچنین ممکن است مقدار و توزیع هوا در بتن یا پارامترهای بتن تازه را دستخوش تغییر کنند. هنگامی که از این نوع افزودنی در بتن دارای مواد افزودنی حباب‌ساز استفاده می‌شود، در اغلب موارد نیاز است که مقدار استفاده از مواد افزودنی حباب‌ساز افزایش یابد تا بتوان به فاکتور فاصله دلخواه دست یافت.

اثر مواد افزودنی بر بتن سخت شده

جمع شدگی در اثر خشک شدن- مقدار کاهش جمع شدگی به شرایط هوای پیرامون بتن (دما و رطوبت نسبی)، طرح اختلاط و مصالح به کار رفته بسیار وابسته است. به طور کلی در صورت استفاده از مواد افزودنی کاهش دهنده جمع شدگی، میزان جمع‌شدگی بتن حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد کمتر می‌شود. دستیابی به مقدار بیشتر کاهش جمع شدگی مستلزم استفاده از مصالح و طرح اختلاط ویژه می‌باشد. اما باید به این نکته توجه کرد که مصالح را باید در مقادیر توصیه شده برای آن‌ها به کار برد [۸].

مقاومت فشاری- تجربه نشان داده است که افزودن مواد کاهنده جمع شدگی به بتن تا مقدار ۲ درصد بر اساس وزن سیسمان می‌تواند مقاومت فشاری ۲۸ روزه را تا حدود ۱۵ درصد کاهش دهد [۱۴]. به طور کلی کاهش مقاومت در بتن‌هایی با نسبت آب به سیمان کم، کمتر خواهد بود. کاهش مقاومت را می‌توان با کاهش نسبت به سیمان با استفاده از افزودنی ‌های کاهنده آب و با کاهش جزیی مقدار افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی به کار رفته خنثی کرد [۱۲]. برخی از تولید کننده‌ها پیشنهاد می‌کنند که با افزودن مقدار کافی افزودنی کاهنده آب  و ثابت نگه داشتن مقدار سیمان، می‌توان مقدار آب اختلاط را تا حدود ۱۰درصد کاهش داد.

ترک‌های حرارتی- مقدار زیادی از ترک‌های بتن ناشی از اثرات حرارتی هستند. ترک‌های حرارتی به دو دلیل عمده ایجاد می‌شوند: قطهات بتنی حجیم به دلیل تفاوت دمایی که داخل و خارج قطعه بتنی وجود دارد و در قطعات بتنی نازک به دلیل سرمایش کل صفحه بتنی دچار تغییر حجم می‌شود. افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی سبب تاخیر در هیدراتاسیون سیمان شده و در نتیجه منجر به کاهش دمای حداکثر بتن می‌شوند. استفاده از این افزودنی‌ها سبب کاهش انفباض بتن در هنگام خشک‌شدن شده و در نتیجه منجر به کاهش ترک‌های حرارتی می‌شوند.

بیشتر بخوانید  دیرگیر کننده و روان کننده بتن | انواع، کاربرد، اثرات و اجزای تشکیل دهنده آن ها

انحنا- انحنای دال‌های بتنی به دلیل خشک شدن سطح بالایی دال و جمع شدگی سریع‌تر این بخش از دال رخ می‌دهد. در آزمایش انجام شده در دالی به ابعاد ۴۴/۲  ۲۲/۱ متر، استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی سبب کاهش انحنای ایجاده شده در دال می‌شود [۶].

پارامترهای توزیع تخلخل، مقاومت در برابر چرخه ذوب و یخ و مقاومت در برابر پوسته شدگی ناشی از نمک-به طور کلی مخلوط‌های بتنی شامل ۶ درصد هوا یا بیشتر دارای فاکتور فاصله کافی در محدوده ۱۰۰ تا ۳۰۰ میکرون متر می‌باشند. بنابراین در برابر چرخه ذوب و یخ بخصوص درحضور نمک‌های یخ‌زدا مقاومت مناسبی از خود نشان می‌دهند. سورفکتانت‌های به کاررفته در افزودنی کاهنده جمع شدگی اگرچه سبب دستیابی به فاکتور فاصله مناسب می‌شوند اما باعث می‌شوند که حفره‌های موجود در بتن راحت‌تر اشباع شوند و به این دلیل بیشتر در معرض آسیب ناشی از چرخه ذوب و یخ قرار گیرند. به نظر می‌رسد سورفکتانت‌های به کاررفته در افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی به عنوان عامل مرطوب کننده عمل کرده و ورود آب به داخل بتن را تسهیل می کند. در این وضعیت دو مشکل ممکن است پدید آید. یکی آنکه به دلیل اشباع سطح رویه بتن، سیکل ذوب و یخ باعث ایجاد آسیب بشود حتی اگر توزیع تخلخل و فاصله آن‌ها مناسب باشد. مشکل دوم این است که مواد افزودنی کاهنده جمع شدگی بر توزیع تخلخل‌ها تاثثیر می‌گذارد و بنابراین بتن در برابر شرایط ذوب و یخ آسیب‌پذیرتر می‌شود [۸]. به این دلیل ساخت مخلوط‌های آزمایشی برای اطمینان از ایجاد تخلخل مناسب در بتن برای مقاومت در برابر شرایط سرما و یخبندان توصیه می‌گردد.

مراجع:

  1. Tomita, r. a., (1992), study of the mechanism of the mechanism of drying shrinkage through the use of an organic shrindage reducing agent, concrete library of japan of civil engineering, no, 19, no. 6, pp 233-245.
  2. Aci 305r-99 , hot weather concreting, American concrete institute, Farmington hills.
  3. Mehta, p.k. and monteiro, p.j.m., (2006), concrete microstructure, properties and materials, 3rd edition, mcgraw hill, 2006.
  4. Banthia, n.and cupta, r., (2006) influence of polypropylene fiber geometry on plastic shrinkage cracking in concrete, cement and concrete research, vol. 36, pp. 1263-1267.
  5. Yang, y., sato, r., and kavai, k., (2005), autogenous shrinkage of high strength concrete containing silica fume under drying at early ages, cement and concrete research, vol. 35, pp. 449-456.
  6. Berke, n.s., dallaire, m.p., and kerkar, a., (1997), new development in shrinkage reducing admixture, superplasticizeer and other chemical admixture in concrete, proceeding of fifth canmet/aci intenational conference, sp-173, v. m. malnotra, ed., American concrete institute, Farmington hill, ml, pp-973-1000
  7. Xie, l. and yang, l., (2011) research on autogenous volume deformation,s influence on thermal creep stress of concrete high arch dam, advanced materials research, vol. 283, pp.367-370
  8. Aci 212.3r-10, (2010). Chemical admixtures for concrete, American concrete institute, farmingtion hills
  9. Rexom, r., mailvaganam, n., (100), chemical admixture for concrete, third edition, chapter 6, 14-21
  10. Aitcin, p.c., Neville, a. m., and acker, p., (1997), integrated view of shrinkage deformation, concrete international, v. 19, no.9, sept., pp.35-41.
  11. Bentz, d.p., geiker, m.r., and Hansen, k. k., (2001), shrinkage reducing admixture and early age desiccation in cement paste and mortars, cement and concrete research, v. 31, no. 7, pp. 1075-1085.
  12. Nmai, c.k, tomita, r., fumiaki, h., buffenbarger, i., (1998), shrinkage reducing admixture, concrete international, v. 20, no. 4, apr., pp. 31-37
  13. Golland, t., (1999), using shrinkage reducing admixture, concrete construction, v. 44, no. 3, mar., pp. 15-18
  14. Balogh, a., (1996), new admixture combats concrete shrinkage, concrete construction, pp. 546-551.

[۱] Shrinkage-compensated concrete

[۲] Shrinkage reducer admixture

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Share via
Copy link
Powered by Social Snap