در دنیای امروز ساخت‌وساز، استفاده از بتن‌های مقاوم و با کیفیت بالا خیلی اهمیت پیدا کرده است. یکی از مهم‌ترین راه‌هایی که برای بهتر شدن بتن استفاده می‌شود، اضافه کردن موادی به اسم فوق روان‌کننده است. این مواد کمک می‌کنند بتن راحت‌تر حرکت کند و شکل بگیرد، بدون اینکه کیفیت یا مقاومتش پایین بیاید. دو مدل اصلی از این فوق روان‌کننده‌ها وجود دارد: یک نوع که قدیمی‌تر است و به اسم نفتالین سولفونات (NSF) شناخته می‌شود، و نوع جدیدترش که پلی‌کربوکسیلات (PCE) نام دارد. هر دو نوع باعث می‌شوند ذرات سیمان بهتر پخش شوند و بتن روان‌تر و کاربردی‌تری ساخته شود.
تحقیقات نشان می‌دهد که هر کدام از این فوق روان‌کننده‌ها به روش خودشون روی بتن اثر می‌گذارند. NSF بیشتر با ایجاد دافعه الکتریکی ذرات سیمان رو از هم دور می‌کند، در حالی که PCE هم با نیروی الکتریکی و هم با ایجاد فاصله بین ذرات این کار را انجام می‌دهد. به همین خاطر PCE معمولاً با مقدار کمتر، نتیجه بهتری در روان شدن بتن می‌دهد. البته در بعضی پروژه‌ها مثل بتن‌های خودتراکم، NSF به خاطر سازگاری بهتر با مواد دیگر، گزینه مناسبی است. دانستن این تفاوت‌ها کمک می‌کند انتخاب درستی داشته باشیم و کیفیت نهایی کار را بالا ببریم.
علاوه بر روانی بتن، خاصیتی به نام تیکسوتروپی هم مهم است. این خاصیت یعنی بتن وقتی حرکت داده می‌شود راحت‌تر جریان پیدا کند ولی وقتی در جای خودش قرار می‌گیرد، سریع محکم شود و شکلش را حفظ کند. این ویژگی برای پمپاژ بتن، قالب‌بندی و حتی تکنولوژی‌های جدید مثل چاپ سه‌بعدی بتن خیلی حیاتی است. در این تحقیق، رفتار فوق روان‌کننده‌های NSF و PCE روی میزان روانی، تنش تسلیم و تیکسوتروپی خمیر سیمان بررسی شده تا بهتر بفهمیم کدام ماده در چه شرایطی بهترین عملکرد را دارد و چطور می‌توانیم بتن‌هایی با کیفیت‌تر و بادوام‌تر بسازیم.
در صنعت بتن مدرن، استفاده از افزودنی‌های شیمیایی مانند فوق روان‌کننده‌ها نقش حیاتی در بهبود کیفیت، دوام و عملکرد بتن ایفا می‌کند. فوق روان‌کننده‌ها به طور ویژه طراحی شده‌اند تا میزان آب مورد نیاز در مخلوط بتن را کاهش دهند، بدون اینکه خواص مکانیکی آن نظیر مقاومت فشاری کاهش یابد. این کاهش نسبت آب به سیمان (w/c) منجر به افزایش چشمگیر دوام، مقاومت و کارایی بتن می‌شود. از میان انواع مختلف فوق روان‌کننده‌ها، دو گروه اصلی یعنی فوق روان‌کننده نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) و فوق روان‌کننده پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) به دلیل عملکرد قابل توجه خود در پروژه‌های مختلف، توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده‌اند.
ترکیب شیمیایی:
فوق روان‌کننده‌های نوع نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) بر پایه پلیمرهای سولفوناته حاصل از واکنش نفتالین و فرمالدهید ساخته می‌شوند. این ترکیب شیمیایی موجب ایجاد یک شبکه یونی قوی در اطراف ذرات سیمان شده و به بهبود پراکندگی آن‌ها کمک می‌کند.
مکانیزم عملکرد:
مکانیسم اصلی عملکرد نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) ایجاد دافعه الکترواستاتیکی بین ذرات سیمان است. این دافعه باعث جدا شدن ذرات از یکدیگر و افزایش روانی مخلوط می‌شود، بدون اینکه نیاز به افزایش مقدار آب باشد. البته این نوع فوق روان‌کننده ممکن است در برابر تغییرات دما و محیط حساسیت بیشتری نشان دهد.
کاربرد:
این نوع فوق روان‌کننده بیشتر در بتن‌های معمولی، بتن‌های روان و پروژه‌های اقتصادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در پروژه‌هایی که کنترل هزینه اهمیت دارد و نیازی به بتن‌های خودتراکم یا بتن‌های با خواص ویژه نیست، نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) انتخاب مناسبی خواهد بود.
ترکیب شیمیایی:
فوق روان‌کننده‌های نوع پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) دارای ساختاری پیشرفته شامل یک ستون فقرات اصلی و زنجیره‌های جانبی پلی‌اتری بلند هستند. این طراحی مولکولی پیشرفته باعث بهبود چشمگیر کارایی و کنترل بهتر خواص بتن می‌شود.
مکانیزم عملکرد:
مکانیزم عملکرد پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) ترکیبی از دافعه الکترواستاتیکی و ممانعت فضایی است. این مکانیزم دوگانه، پراکندگی بسیار بهتری از ذرات سیمان ایجاد می‌کند و باعث کاهش قابل توجه تنش تسلیم و افزایش روانی بتن می‌شود. همچنین جذب چندلایه‌ای آن روی ذرات سیمان، پایداری طولانی‌مدت خواص بتن را تضمین می‌کند.
کاربرد:
فوق روان‌کننده پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) در پروژه‌های خاص مانند بتن خودتراکم (SCC)، بتن‌های مقاوم و بادوام، و پروژه‌های فناورانه مانند چاپ سه‌بعدی بتن کاربرد فراوان دارد. این نوع فوق روان‌کننده برای پروژه‌هایی که کیفیت، دوام، و کارایی بالایی لازم دارند، انتخاب ایده‌آلی به شمار می‌آید.
برای انجام این تحقیق، از سیمان پرتلند نوع I به عنوان ماده‌ی اصلی استفاده شد. آب مقطر برای تهیه مخلوط‌های سیمانی به کار رفت تا تأثیر ناخالصی‌های احتمالی موجود در آب معمولی حذف شود. همچنین، فوق روان‌کننده‌های تجاری از دو نوع مختلف، یعنی نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) و پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE)، جهت اصلاح خواص رئولوژیکی خمیر سیمان مورد استفاده قرار گرفتند.
در گام اول، خمیر سیمان با نسبت آب به سیمان 0.35 ساخته شد تا یک محیط مناسب برای بررسی اثر فوق روان‌کننده‌ها فراهم شود. مقادیر مختلفی از فوق روان‌کننده‌های NSF و PCE به نمونه‌های مختلف اضافه شدند تا بتوان اثر هرکدام را به طور دقیق مقایسه کرد. برای سنجش ویژگی‌های رئولوژیکی خمیر سیمان، از یک رئومتر چرخشی پیشرفته استفاده شد. این دستگاه امکان اندازه‌گیری دقیق روانی، تنش تسلیم و رفتار جریان خمیر را در شرایط کنترل‌شده فراهم کرد.
علاوه بر آزمایش‌های رئولوژیکی، برای بررسی میزان جذب سطحی فوق روان‌کننده‌ها روی ذرات سیمان، از تحلیل کربن آلی کل (TOC) استفاده شد. همچنین، مقاومت فشاری نمونه‌های سیمانی در سنین 1، 3، 7 و 28 روز مورد آزمون قرار گرفت تا تأثیر افزودنی‌ها بر استحکام نهایی ارزیابی شود. به منظور درک بهتر فرآیند هیدراتاسیون سیمان در حضور فوق روان‌کننده‌ها، از تکنیک‌های آنالیز پراش پرتو ایکس (XRD) و گرماسنجی (TG) نیز بهره گرفته شد. این مجموعه آزمایش‌ها، تصویری جامع از رفتار رئولوژیکی، مکانیکی و شیمیایی خمیر سیمان در شرایط مختلف فراهم کرد.
در این بخش، نتایج آزمایش‌های جذب سطحی، رفتار رئولوژیکی، تیکسوتروپی، هیدراتاسیون، مقاومت فشاری و پایایی بتن بررسی شده است تا تفاوت‌های عملکردی بین فوق روان‌کننده نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) و پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) بهتر روشن شود.
جذب سطحی به فرایندی گفته می‌شود که در آن ذرات یا مولکول‌های یک ماده (مثل فوق روان‌کننده‌ها) روی سطح ذرات دیگر (مانند ذرات سیمان) تجمع پیدا می‌کنند. این پدیده نقش مهمی در تعیین کارایی افزودنی‌ها در بتن دارد.
نتایج:
بررسی رفتار جذب نشان داد که نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) به صورت یکنواخت جذب شده و با افزایش مقدار مصرف، به حالت اشباع نزدیک می‌شود. در مقابل، پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) در ابتدا جذب بالایی داشت اما با افزایش دوز مصرفی، درصد جذب آن کاهش یافت که نشان‌دهنده اشباع سریع‌تر سطح ذرات سیمان است.
رئولوژی علم بررسی جریان و تغییر شکل مواد است. در بتن، رفتار رئولوژیکی به چگونگی روانی، مقاومت در برابر جریان و تنش‌های وارده به خمیر سیمان تازه مربوط می‌شود.
نتایج:
افزودن NSF باعث کاهش تدریجی تنش جاری بتن شد، به طوری که حتی در دوزهای بالاتر نیز کاهش آرامی مشاهده شد. اما در نمونه‌های حاوی PCE، تنش جاری بسیار سریع‌تر و حتی با دوزهای پایین کاهش پیدا کرد. این رفتار در نمودارهای تغییرات تنش جاری در برابر درصد افزودنی به خوبی دیده می‌شود.
تیکسوتروپی به خاصیتی از مواد گفته می‌شود که در آن ویسکوزیته (گرانروی) در اثر اعمال تنش کاهش یافته و پس از برداشتن تنش، دوباره بازیابی می‌شود. در بتن، این ویژگی برای پمپاژ راحت و حفظ شکل پس از اجرا اهمیت زیادی دارد.
نتایج:
نتایج نشان داد که بتن‌های حاوی NSF توانستند در دوزهای پایین، تیکسوتروپی مناسبی حفظ کنند که برای پایداری شکل بتن بسیار مفید است. در مقابل، استفاده از PCE باعث کاهش سریع‌تر تیکسوتروپی شد که این ویژگی، بتن را برای کاربردهایی مانند بتن خودتراکم (SCC) و چاپ سه‌بعدی بتن بسیار مناسب می‌کند.
هیدراتاسیون فرآیند شیمیایی واکنش سیمان با آب است که منجر به سخت شدن بتن و تشکیل محصولات بلوری مانند C-S-H و اتترینگیت می‌شود. این واکنش تعیین‌کننده خواص نهایی بتن است.
نتایج:
آزمایش‌های XRD و TG نشان داد که افزودن NSF باعث تسریع تشکیل فازهای اولیه مانند اتترینگیت شده و در نتیجه فرایند سخت شدن اولیه سریع‌تر انجام شده است. اما در نمونه‌های حاوی PCE، تغییرات چندانی در روند کلی هیدراتاسیون مشاهده نشد.
مقاومت فشاری، یکی از مهم‌ترین خواص مکانیکی بتن است و بیانگر میزان تحمل بتن در برابر نیروهای فشاری قبل از شکست است.
نتایج:
نمونه‌های حاوی NSF در سنین اولیه (1 و 3 روز) مقاومت فشاری بیشتری نسبت به نمونه‌های دارای PCE داشتند. در حالی که در سن 28 روز، نمونه‌های PCE مقاومت نهایی بالاتر و پایدارتری نشان دادند، که این ویژگی در پروژه‌های نیازمند دوام بلندمدت اهمیت دارد.
پایایی بتن به توانایی بتن برای حفظ خواص خود در طول زمان و در برابر عوامل محیطی مانند نفوذ یون‌های مهاجم، سیکل‌های ذوب و یخبندان یا تغییرات دما گفته می‌شود.
نتایج:
بتن‌های ساخته شده با پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) مقاومت بهتری در برابر نفوذ یون کلرید و سیکل‌های یخبندان-ذوب نشان دادند، که این ویژگی برای سازه‌های زیرساختی یا محیط‌های خورنده حیاتی است. در مقابل، بتن‌های حاوی نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) عملکرد مناسبی در شرایط محیطی معمولی داشتند.
انتخاب نوع فوق روان‌کننده بر اساس نیاز پروژه و شرایط اجرایی، نقش مهمی در موفقیت عملیات بتن‌ریزی دارد. هرکدام از فوق روان‌کننده‌های نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) و پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) کاربردهای خاص خود را دارند که در ادامه توضیح داده می‌شود.
فوق روان‌کننده‌های NSF به دلیل ویژگی‌های خاص خود، گزینه‌ای مناسب برای پروژه‌هایی هستند که شرایط اجرایی نسبتاً ساده‌تری دارند. این نوع فوق روان‌کننده به طور گسترده در بتن‌ریزی‌های حجیم، مانند سدسازی، دیوارهای حائل و فونداسیون‌های بزرگ در مناطق با آب‌وهوای معتدل استفاده می‌شود. همچنین در پروژه‌هایی که تمرکز بر صرفه‌جویی اقتصادی وجود دارد و الزامات فنی خیلی سختگیرانه نیست، NSF انتخاب مناسبی است. این ماده امکان تولید بتن‌های روان‌تر با هزینه‌ی مناسب‌تر را فراهم می‌کند بدون اینکه نیاز به افزودنی‌های خاص دیگر باشد.
فوق روان‌کننده‌های PCE به دلیل عملکرد فوق‌العاده در بهبود روانی و دوام بتن، در پروژه‌های تخصصی و پیشرفته‌تر کاربرد دارند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای PCE، تولید بتن‌های خودتراکم (SCC) برای سازه‌های پیچیده با تراکم آرماتور بالا، دیوارهای باربر، و بخش‌های معماری خاص است. علاوه بر این، در پروژه‌های دریایی، پل‌ها و سازه‌های زیرساختی که دوام طولانی‌مدت و مقاومت در برابر محیط‌های مهاجم اهمیت زیادی دارد، بتن‌های ساخته شده با PCE عملکرد بسیار بهتری از خود نشان می‌دهند.
از سوی دیگر، فناوری‌های نوین مانند چاپ سه‌بعدی قطعات بتنی نیز به شدت وابسته به خواص رئولوژیکی بتن هستند که با استفاده از PCE بهینه می‌شود. بتن‌های حاوی PCE روانی بالا و حفظ شکل مناسبی دارند که برای تولید اجزای چاپ‌شده دقیق و بادوام ضروری است.
ویژگی | NSF | PCE |
نوع جذب | تک‌لایه‌ای (لانگمویر) | چندلایه‌ای |
کاهش تنش جاری | نیاز به دوز بالاتر | دوز بسیار کمتر موثر |
حفظ روانی | متوسط | عالی |
دوام بتن | خوب | بسیار عالی |
مقاومت اولیه | بالاتر | کمتر |
مناسب برای | بتن معمولی | بتن خودتراکم، پروژه‌های ویژه |
با توجه به نتایج به‌دست‌آمده از این مطالعه، می‌توان دریافت که انتخاب نوع فوق روان‌کننده باید متناسب با نیازهای خاص پروژه انجام شود. فوق روان‌کننده پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) به دلیل توانایی بالا در ایجاد روانی پایدار و افزایش دوام بتن، بهترین گزینه برای پروژه‌هایی است که طول عمر طولانی، مقاومت در برابر عوامل محیطی، و کیفیت اجرایی بالا مورد انتظار است. این نوع افزودنی برای کاربردهایی مانند بتن‌های خودتراکم، پروژه‌های دریایی، سازه‌های پل و فناوری چاپ سه‌بعدی بتن بسیار ایده‌آل محسوب می‌شود.
در مقابل، فوق روان‌کننده نفتالین سولفونات فرمالدهید (NSF) به عنوان یک گزینه مقرون به صرفه، عملکرد بسیار خوبی در پروژه‌های معمولی که تمرکز بر دست‌یابی به مقاومت اولیه مناسب و کاهش هزینه‌ها است، ارائه می‌دهد. این افزودنی به ویژه در بتن‌ریزی‌های حجیم و سازه‌های عمرانی عمومی که نیاز به روانی متوسط دارند، قابل توصیه است.
در نهایت، ترکیب هوشمندانه این فوق روان‌کننده‌ها با سایر افزودنی‌های تخصصی مانند افزودنی‌های افزایش‌دهنده ویسکوزیته (VMA) یا نانومواد می‌تواند بتن‌هایی با کارایی بسیار بالا، تیکسوتروپی مطلوب، دوام فوق‌العاده و ویژگی‌های رئولوژیکی کنترل‌شده ایجاد کند. این راهکار ترکیبی می‌تواند افق‌های تازه‌ای برای ساخت و سازهای مدرن و پروژه‌های زیرساختی پیشرفته فراهم سازد.
منابع علمی
پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) تولیدی شرکت پارسمان شیمی، نسل سوم فوق روان‌کننده‌های بتن است که با ساختار مولکولی پیشرفته شامل ستون فقرات پلی‌اکریلیک و زنجیره‌های جانبی پلی‌اتری، عملکرد برجسته‌ای در بهبود خواص بتن دارد. این افزودنی با کاهش قابل توجه نسبت آب به سیمان، افزایش روانی، حفظ اسلامپ و بهبود دوام بتن، گزینه‌ای ایده‌آل برای پروژه‌های نیازمند کیفیت بالا مانند بتن خودتراکم (SCC)، بتن با مقاومت بالا (HPC) و سازه‌های پیش‌ساخته محسوب می‌شود. همچنین، فرآیند تولید PCE در پارسمان شیمی با رعایت استانداردهای زیست‌محیطی، محصولی پایدار و دوستدار محیط زیست ارائه می‌دهد.
