انواع افزودنی کاهنده جمع شدگی بتن؛ عملکرد و تأثیر آن در بتن چگونه است؟

جمع‌شدگی بتن به معنای تغییر حجم بتن است که به دلایل مختلف رخ می‌دهد. این فرایند، از مهم‌ترین مشکلات رایج در بتن‌ریزی است که عدم توجه به آن و همچنین، عدم انجام تمهیدات لازم، ممکن است هزینه‌های زیادی برای پروژه به ارمغان آورد. حال سؤال این‌جاست که برای جلوگیری از بروز چنین مشکلی، باید چه اقداماتی انجام شود؟ در این مقاله از بلاگ رامکا درصدد هستیم ضمن تبیین چیستی جمع‌شدگی بتن، انواع افزودنی کاهنده جمع شدگی بتن و ساختار شیمیایی آن را بررسی کنیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

جمع‌شدگی بتن

منظور از جمع‌شدگی بتن، تغییر حجم بتن است که به دلایل مختلف و در زمان‌های متفاوت از سن گیرش بتن رخ می‌دهد. از جمله عوامل مؤثر در جمع‌شدگی بتن، می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

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

جمع‌شدگی در بتن و ملات نیز در سه حالت رخ می‌دهد:

• در فاز پلاستیک
• خود به خود
• در زمان خشک شدن

که در ادامه، به اختصار هر یک از انواع جمع‌شدگی را تبیین خواهیم نمود.

جمع‌شدگی پلاستیک زمانی اتفاق می‌افتد که نرخ تبخیر آب از سطح بتن تازه بیشتر از نرخ آب‌انداختگی باشد. این جمع‌شدگی در بیشتر مواقع، پیش از گیرش نهایی و به دلیل تبخیر سریع آب از سطح بتن که در معرض هوا قرار دارد، رخ می‌دهد. دمای زیاد بتن، سرعت زیاد باد و رطوبت کم، نرخ تبخیر آب از سطح بتن را افزایش می‌دهد. نرخ آب‌انداختگی نیز به عواملی چون اجزای تشکیل‌دهنده بتن، نسبت‌های اختلاط، ضخامت المان مورد نظر و نوع تراکم و پرداخت سطح بتن وابسته است.

ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک، معمولاً موازی یکدیگر بوده و فاصله آنها ۰٫۳ 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. این ترک‌ها معمولاً 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 نسبت آب به سیمان کمی داشته و حاوی مواد پوزولانی (روباره، خاکستر بادی و دوده سیلیس) هستند، بیشتر در معرض ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک قرار دارند. این نوع جمع‌شدگی در بیشتر مواقع در ۷ روز اول پس از قالب‌گیری بتن رخ می‌دهد.

جمع‌شدگی خود به خودی، زمانی که بتن هنوز به حالت مایع ‌باشد، رخ می‌دهد. این نوع جمع‌شدگی به سبب تغییر در اندازه ساختار خلل و فرج ریز بتن یا به عبارت دیگر، به دلیل کاهش اندازه تخلخل بتن رخ می‌دهد. این نوع جمع‌شدگی به عنوان تابعی از میزان هیدراتاسیون سیمان در نظر گرفته می‌شود. در واقع محرک ایجاد این نوع جمع‌شدگی، واکنش‌های شیمیایی است. هر چه هیدراتاسیون توسعه یابد، حجم مطلق کاهش پیدا می‌کند.

این تغییر حجم به دلیل انجام واکنش بین آب و مواد سیمانی و تغییر چگالی محصولات واکنش نسبت به مواد واکنش‌دهنده است. در واقع از آن‌جا که چگالی مواد اولیه واکنش از محصولات حاصل از آن کمتر است، حجم مصالح موجود در مخلوط بتنی کاهش یافته و جمع‌شدگی خود به خودی در بتن رخ می‌دهد.

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 است. 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، جمع‌شدگی در بتن ایجاد می‌شود.

در واقع بعد از گیرش نهایی بتن، تبخیر آب در خلل و فرج بتن، باعث کاهش حجم بتن می‌شود. در بتن‌های پرمقاومت با مقدار آب کم، جمع‌شدگی حاصل از خشک شدن و جمع‌شدگی خود به خودی، به واسطه اینکه احتمال وقوع ترک‌های شدید را افزایش می‌دهند، بسیار مضر و خطرناکند.

در بتن‌های با مقاومت معمولی (مقاومت ۲۸ روزه کمتر از ۳۴ مگاپاسکال)، جمع‌شدگی خود به خودی نسبت به جمع‌شدگی حاصل از خشک شدن از اهمیت کمتری برخوردار است. جمع‌شدگی به تنهایی باعث ایجاد ترک‌خوردگی 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 می‌گردند. از آن‌جا که بیشتر سازه‌های بتنی با زمین، شالوده، آرماتور یا سایر اعضای سازه مقید شده‌اند، تنش‌های کششی ایجاد شده و در صورتی که مقدار تنش فراتر از مقدار مقاومت کششی بتن باشد، ترک در سازه بتنی ایجاد می‌شود.

یکی از روش‌هایی که به منظور کاهش ترک‌های جمع‌شدگی استفاده می‌شود،استفاده از کاهنده‌های قوی آب یا انواع ابر روان کننده بتن است که به منظور کاهش نسبت آب به سیمان و مقدار سیمان در بتن به کار می‌رود. اما از دیگر روش‌های کاهش اثر جمع‌شدگی در بتن، بکارگیری بتن جبران‌کننده جمع‌شدگی است.

این روش بر اساس انبساط بتن، به جای جمع‌شدگی آن است. در این روش، انبساط بتن به واسطه تشکیل اترینگایت (نوع K، کلسیم سولفو آلومینات یا ترکیباتی بر اساس کلسیم آلومینات) یا تشکیل کلسیم هیدروکسید (ترکیبات بر اساس آهک) به دست می‌آید.

در این روش باید مراقبت‌های ویژه‌ای در زمینه جلوگیری از گیرش سریع و کاهش کارپذیری انجام شود. روش دیگر، استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع‌شدگی است که در سال ۱۹۸۵ در ژاپن معرفی شدند و در سال ۱۹۹۵ به بازار آمریکای شمالی راه یافتند. این افزودنی‌های به طور شیمیایی مکانیزم جمع‌شدگی را بدون ایجاد انبساط تغییر می‌دهند.

 بیشتر بخوانید: افزودنی کاهنده خوردگی بتن

ساختار شیمیایی افزودنی کاهنده جمع شدگی

انواع افزودنی‌ کاهنده جمع شدگی، شامل پلی آکسی آلکیلین آلکیل اتر و ترکیبات مشابه است. بر اساس دستورالعمل‌های منتشر شده ترکیب کلی افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی به صورت R₁ O(AO)nR₂ می‌باشد. در این ترکیب، A نشان‌دهنده گروه آلکیل با زنجیره‌ای از کربن بوده و R₁ و R₂ شامل هیدروژن، هیدروکسیل آلکیل، فنیل و سیکلو آلکیل هستند.

همچنین n نشان‌دهنده عدد صحیح بین ۲ تا ۱۰ است که درجه پلیمریزاسیون ترکیب را مشخص می‌کند. بسیاری از افزودنی‌های کاهنده جمع‌شدگی تجاری موجود در بازار، حاوی ترکیبات مخلوط گلیکول اتر هستند. در این بخش از مقاله، نوع سوم افزودنی‌های کاهنده جمع‌شدگی که مکانیزم جمع‌شدگی را تحت‌تأثیر قرار می‌دهند، بررسی می‌نماییم.

نحوه عملکرد افزودنی کاهنده جمع شدگی بتن

علت اصلی جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن، تبخیر آب از منافذ مویینه در خمیر سیمان هیدراته شده در سطحی از بتن است که در معرض هوای محیط با رطوبت نسبی کمتر از منافذ مویینه قرار دارد. آب داخل منافذ مویینه که آب آزاد نامیده می‌شود، با نیروی مویینگی نگه داشته شده و هر قدر قطر منفذ کمتر باشد، این نیرو قوی‌تر خواهد بود. زمانی که تنش کششی با نیروی کشش مویینه در خمیر سیمان هیدراته شده ایجاد می‌شود، تنش حاصله از مقاومت کششی موضعی بیشتر شده و باعث ایجاد ترک در سازه بتنی می‌گردد.

بر اساس تئوری کشش مویینگی، مکانیزم جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن بر اساس توسعه تنش سطحی در منافذ کوچک در خمیر سیمان موجود در بتن است. 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، جمع‌شدگی در بتن رخ می‌دهد. مکانیزم این نوع جمع‌شدگی، فقط در منافذ مویینه که اندازه آن‌ها در محدوده خاصی است، رخ می‌دهد. مقدار جمع‌شدگی خمیر سیمان که با کشش سطحی رخ می‌دهد، عمدتاً به نسبت آب به سیمان بستگی دارد. این موارد بر پراکندگی و توزیع اندازه منافذ تأثیر می‌گذارد.

افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی با کاهش نیروی کشش سطحی آب در منافذ، جمع‌شدگی را کاهش می‌دهد. این افزودنی‌ها در طول اختلاط در داخل مخلوط بتنی ریخته می‌شود. بعد از اینکه بتن سخت شد، همچنان در منافذ باقی می‌ماند و کشش سطحی که منجر به جمع‌شدگی در اثر خشک شدن می‌شود را کاهش می‌دهد.

بر اساس نتایج آزمونه‌های بتنی که در شرایط آزمایشگاهی و کارگاهی به دست آمده است، در صورت استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی در دامنه ۱٫۵ تا ۲% بر اساس وزن سیمان، جمع‌شدگی به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد. همچنین بر اساس برخی دیگر از تحقیقات انجام شده، در صورت استفاده از این نوع افزودنی‌ها در محدوده ۱ تا ۲٫۵%، می‌توان به مقدار دلخواهی از جمع‌شدگی بدون اثرات جانبی دست یافت.

کاربرد افزودنی کاهنده جمع شدگی بتن

استفاده از افزودنی‌های جمع‌شدگی 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 بتنی می‌شود. در ساز‌ه‌هایی که مشکل نشتی آب وجود دارد، استفاده از این نوع افزودنی‌ها سبب کاهش ترک‌ها می‌گردد. همچنین به منظور کاهش از دست رفتن نیروی پیش‌تنیدگی در سازه‌های پیش‌تنیده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی استفاده می‌شود.

علاوه بر این از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی برای جبران اثر استفاده از سنگدانه‌هایی با جمع‌شدگی زیاد استفاده می‌شود. در مورد آخرین کاربرد ذکر شده، باید هزینه استفاده از این نوع افزودنی‌ بتن در مقایسه با استفاده از سنگدانه‌هایی با جمع‌شدگی کمتر بررسی شود. توصیه می‌شود افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی بعد از اضافه شدن کلیه افزودنی‌ها به مخلوط بتنی اضافه شود. هر چه درصد استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی افزایش یابد، جمع‌شدگی کاهش می‌یابد؛ البته به شرط آنکه میزان افزودنی در محدوده مجاز باشد.

مخلوط‌های آزمایشی برای تنظیم میزان سیمان، سنگدانه و افزودنی‌های جمع‌شدگی باید ساخته شود تا طرح مخلوط بهینه برای دستیابی به جمع‌شدگی مدنظر تعیین گردد. باید توجه داشت افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی می‌تواند با افزودنی‌های حباب هوا ‌ساز بتن واکنش داده و حباب‌های هوا را ناپایدار کند.

تأثیر مواد افزودنی بر بتن تازه و در حال سخت شدن

هر چند هدف اصلی استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی، کاهش جمع‌شدگی خود به خودی و ناشی از خشک شدن است، اما این افزودنی می‌تواند بر مشخصات بتن تازه اثر گذارد. زمانی که این افزودنی به مقدار ۲% 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 مؤثر نخواهد بود. برخی از انواع افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی، اثر اندکی بر تعویق انداختن هیدراتاسیون نیز دارند و ممکن است زمان گیرش را تا یک ساعت افزایش دهند.

افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی ممکن است مقدار و توزیع هوا در بتن یا پارامترهای بتن تازه را دستخوش تغییر کنند. هنگامی که از این نوع افزودنی در بتن حاوی مواد افزودنی حباب‌ساز استفاده می‌شود، در اغلب موارد نیاز است مقدار استفاده از مواد افزودنی حباب‌ساز افزایش یابد تا بتوان به فاکتور فاصله دلخواه دست یافت.

تأثیر مواد افزودنی بر بتن سخت شده

جمع‌شدگی در اثر خشک شدن

مقدار کاهش جمع‌شدگی به شرایط هوای پیرامون بتن (دما و رطوبت نسبی)، طرح اختلاط و مصالح به کار رفته وابسته است. به طور کلی در صورت استفاده از انواع افزودنی کاهنده جمع ‌شدگی بتن، میزان جمع‌شدگی بتن حدود ۳۰ تا ۵۰% کمتر می‌شود. دستیابی به مقدار بیشتر کاهش جمع‌شدگی، مستلزم استفاده از مصالح و طرح اختلاط ویژه است. اما باید به این نکته توجه نمود که مصالح را باید در مقادیر توصیه شده برای آن‌ها به کار برد.

مقاومت فشاری

تجربه نشان داده افزودن مواد کاهنده جمع شدگی به بتن تا مقدار ۲% بر اساس وزن سیمان، می‌تواند مقاومت فشاری ۲۸ روزه را تا حدود ۱۵% کاهش دهد. به طور کلی کاهش مقاومت در بتن‌هایی با نسبت آب به سیمان کم، کمتر خواهد بود. کاهش مقاومت را می‌توان با کاهش نسبت آب به سیمان با استفاده از افزودنی‌‌های کاهنده آب و با کاهش جزئی مقدار افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی خنثی کرد. برخی از تولیدکننده‌ها پیشنهاد می‌کنند با افزودن مقدار کافی افزودنی کاهنده آب و ثابت نگه داشتن مقدار سیمان، می‌توان مقدار آب اختلاط را تا حدود ۱۰% کاهش داد.

ترک‌های حرارتی

مقدار زیادی از ترک‌های بتن، ناشی از تأثیرات حرارتی است. ترک‌های حرارتی به دو دلیل عمده ایجاد می‌شوند: در قطعات بتنی حجیم، به دلیل تفاوت دمایی موجود در داخل و خارج قطعه بتنی و در قطعات بتنی نازک، به دلیل سرمایش کل صفحه بتنی. افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی سبب تأخیر در هیدراتاسیون سیمان شده و در نتیجه، منجر به کاهش دمای حداکثر بتن می‌شوند. استفاده از این افزودنی‌ها سبب کاهش انقباض بتن در هنگام خشک ‌شدن شده و در نتیجه، منجر به کاهش ترک‌های حرارتی می‌شوند.

انحنا

انحنای دال‌های بتنی به دلیل خشک شدن سطح بالایی دال و جمع‌شدگی سریع‌تر این بخش از دال رخ می‌دهد. در آزمایش انجام شده در دالی به ابعاد ۲٫۴۴ در ۱٫۲۲ متر، استفاده از افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی سبب کاهش انحنای ایجاد شده در دال می‌شود.

بیشتر بخوانید: افزودنی پمپ بتن

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% هوا یا بیشتر، از فاکتور فاصله کافی در محدوده ۱۰۰ تا ۳۰۰ میکرون متر برخوردارند. بنابراین در برابر چرخه ذوب و یخ، بخصوص در حضور نمک‌های یخ‌زدا مقاومت مناسبی از خود نشان می‌دهند. سورفکتانت‌های به کار رفته در افزودنی کاهنده جمع شدگی بتن، گرچه سبب دستیابی به فاکتور فاصله مناسب می‌شوند، اما باعث می‌گردند 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 کار رفته در افزودنی‌های کاهنده جمع شدگی، به عنوان عامل مرطوب‌کننده عمل کرده و ورود آب به داخل بتن را تسهیل می‌کند. در این وضعیت، ممکن است دو مشکل ایجاد شود؛ یکی آنکه به دلیل اشباع سطح رویه بتن، سیکل ذوب و یخ باعث ایجاد آسیب شود، حتی اگر توزیع تخلخل و فاصله آن‌ها مناسب باشد. دیگر اینکه مواد افزودنی کاهنده جمع شدگی بتن بر توزیع تخلخل‌ها مؤثر بوده و بتن در برابر شرایط ذوب و یخ آسیب‌پذیرتر ‌شود. از این رو، ساخت مخلوط‌های آزمایشی برای اطمینان از ایجاد تخلخل مناسب در بتن برای مقاومت در برابر شرایط سرما و یخبندان توصیه می‌شود.

همان‌طور که گفته شد، جمع‌شدگی بتن ممکن است به دلایل مختلف در بسیاری از سازه‌های بتنی ایجاد شود، اما برای کاهش میزان جمع‌شدگی، باید از انواع افزودنی کاهنده جمع‌شدگی استفاده نمود؛ افزودنی‌هایی که بر پایه پلی اکسی آلکیلین آلکیل اتر ساخته شده باشند. در این مقاله از بلاگ رامکا تلاش شد انواع افزودنی کاهنده جمع‌شدگی، ساختار و ترکیب شیمیایی آن و همچنین مکانیزم عملکرد آن مورد بررسی قرار گیرد. امیدواریم اطلاعات این مقاله برای شما کارا و مفید باشد.