در این مقاله بررسی مواد افزودنی بتن، به‌منظور تشخیص و شناخت مواد افزودنی معدنی مانند خاکستر بادی (فلای اش) است. در بتن سیمانی می‌توان مزایای فنی و اقتصادی مواد افزودنی را به حداکثر رساند. این فناوری در داخل و خارج از کشور توجهات زیادی را به خود جلب کرده است و اکنون جزء لاینفک بتن است. این افزودنی‌ها می‌توانند استفاده از بتن سیمانی را در مهندسی کاهش دهند، در نتیجه بتن عملکردهای عملی‌تری داشته باشد و همچنین بتن بتواند کیفیت خوبی را تحت روش‌های مختلف ساخت‌و‌ساز مهندسی حفظ کند تا نیازهای موردنظر از بتن در طول ساخت‌و‌ساز برآورده شود، و در نهایت باعث کاهش استفاده از سیمان و کاهش هزینه‌های ساخت می‌شود. این مقاله به بررسی انواع، خواص، مزایا و معایب افزودنی‌های بتن می‌پردازد و دانش حرفه‌ای را برای مطالعه کاربرد انواع افزودنی‌های بتن در مهندسی راه و پل و همچنین استفاده انواع افزودنی‌های بتن در ساخت‌و‌سازهای واقعی به کار می‌گیرد. برخی از مشکلات باعث شده است که مواد افزودنی مختلف بتن به‌طور گسترده در مهندسی راه و پل مورد استفاده قرار گیرند.
افزودنی‌های بتن که به‌عنوان افزودنی‌های شیمیایی نیز شناخته می‌شوند، نقش مهمی در بتن دارند. در مهندسی راه و پل، اثرات فنی و اقتصادی استفاده از افزودنی‌ها مشهود است و مورد توجه گسترده افراد مرتبط در حوزه‌های مختلف قرار گرفته است.
استفاده از انواع افزودنی‌های بتن در کشورهای مختلف در ده‌های اخیر، بسیار بیشتر و بیشتر شده است و تأثیرات آن نیز آشکارتر شده است، و علاوه بر آب، سیمان، ماسه (سنگدانه ریز) و شن (سنگدانه درشت) به یکی از مهمترین اجزا در بتن تبدیل شده است.
افزودنی بتن ماده‌ای است که همزمان یا از قبل با مخلوط شدن بتن اضافه می‌شود و مقدار پایه آن در حدود 5 درصد جرم سیمان است که می‌تواند کارایی استفاده از بتن را افزایش دهد. در حال‌حاضر، انواع افزودنی‌های بتن عبارتند از: افزودنی‌های کاهنده آب از جمله: روان‌کننده‌ها-فوق‌روان‌کننده‌ها–ابرروان‌کننده‌ها، و انواع مختلفی از افزودنی‌های دیگر عبارتند از: هوازا، زودگیرکننده‌ها، دیرگیرکننده‌ها، فوم بتن، ضد آب و ضد یخ می‌باشد. مواد افزودنی بتن همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است به دو دسته تقسیم می‌شوند:
| مبانی طبقه‌بندی | نوع افزودنی |
طبقه‌بندی شده توسط تابع افزودنی | بهبود خواص رئولوژیکی بتن: افزودنی نگهدارنده آب، کاهش دهنده آب و پمپاژ |
| بهبود دوام بتن: مواد دافع آب و مواد افزودنی معدنی | |
| طبقه‌بندی شده بر اساس ترکیب شیمیایی مواد افزودنی | تنظیم مقدار گاز در بتن: افزودنی کف‌زا، هوازا، کف‌زدا تنظیم زمان گیرش یا سرعت سخت شدن بتن: افزودنی زود‌گیر‌کننده، افزودنی افزایش مقاومت اولیه و دیرگیرکننده خواص ویژه بتن: مواد رنگی، افزودنی ضد آب و ضد یخ و مواد حجیم کننده ترکیبات معدنی: عوامل استحکام اولیه CaCl2 و Na2SO4 ترکیبات ترکیبی آلی: سورفکتانت‌ها و ترکیبات آلی مخلوط کامپوزیت معدنی |
جدول 1. طبقه‌بندی مواد افزودنی
افزودنی کاهنده آب برای کاهش آب اختلاط بتن با این فرض که کارایی بتن تحت‌تأثیر قرار نمی‌گیرد، اطلاق می‌شود. عملکرد اصلی این افزودنی افزایش دوام و مقاومت بتن است. وظایف اصلی افزودنی کاهنده آب: (1) با افزودن افزودنی کاهنده آب، نسبت آب به سیمان کاهش می‌یابد، کارایی بتن بدون تغییر باقی‌می‌ماند، امّا مقاومت در هر سن افزایش می‌یابد. (2) ترکیب بتن در شرایط متغیر نیست، امّا مقاومت بتن بدون تغییر است، درحالی که کارایی بهبود می‌یابد. (3) تحت شرایط حفظ کارایی و خواص مقاومتی، افزودنی کاهنده آب برای کاهش مصرف سیمان و مصرف آب اضافه می‌شود. افزودنی کاهنده آب برای بتن مسلح، بتن پیش‌تنیده، بتن هیدرولیک، بتن جرمی، بتن پمپ شده و بتن‌ریزی در محل مناسب است.
مواد افزودنی با توجه به الزامات مهندسی واقعی برای عملکرد بتن، مانند چسبندگی، مقاومت، نفوذ‌ناپذیری، سیالیت و تغییرات فصلی در ساخت‌و‌ساز، تکنیک‌ها و مشخصات ساختمانی و الزامات مهندسی انتخاب می‌شوند. موادی مانند نوع و کیفیت سیمان، سنگدانه‌های ریز و سنگدانه‌های درشت و همچنین انتخاب مواد افزودنی بتن سازگار با ساخت پروژه مورد نظر ضروری است. انتخاب ماده افزودنی باید با الزامات عملکردی استفاده مهندسی مطابقت داشته باشد همانطور که در جدول 2 مشاهده می‌شود، زمانی که کارایی و دوز افزودنی ثابت است، نوع دوم افزودنی کاهنده آب تاثیر بهتری دارد و نوع چهارم بدترین کاهش آب را دارد.
| دوزها ثابت هستند | ||||
| نرخ کاهش آب – % | نسبت آب به سیمان | اسلامپ – میلی‌متر | کاهنده آب معمولی | شماره افزودنی |
| – | 0/68 | 95 | خالی | 1 |
| 10/3 | 0/61 | 100 | گلوکونات سدیم | 2 |
| 7/3 | 0/63 | 95 | گلوکوز | 3 |
| 4/4 | 0/65 | 100 | سدیم– بدون شکر | 4 |
جدول 2. میزان کاهش آب انواع مختلف کاهنده‌های معمولی آب زمانی که کارایی و دوز ثابت هستند.
بهترین اثر افزودنی، به مقدار بهینه افزودنی بستگی دارد. افزودنی‌های بتنی که به بهترین نحو با عملکرد بتن مطابقت دارند و همچنین دوز بهینه آنها از طریق آزمایشات تعیین می‌شوند. در مجموع، تا زمانی که سازگاری و تنوع بتن و مواد افزودنی مشخص باشد، نسبت‌ها، تا حصول نتیجه مطلوب از طریق آزمایش به‌دست می‌آید. با در نظر گرفتن افزودنی کاهنده آب معمولی با محتویات مختلف در جدول 3 نمایش داده شده است، جدول 3 مخلوطی از دوزهای مختلف افزودنی کاهنده آب معمولی در بتن با نسبت سنگدانه/سیمان 5/85، نسبت آب به سیمان 0/55 و اسلامپ 50 میلی‌متر، اثر کاهش آب مشاهده می‌شود. همچنین اگر اسلامپ مشخص باشد، هر چه مقدار افزودنی کاهنده آب معمولی بیشتر باشد، میزان کاهش آب نیز بیشتر خواهد شد. هنگامی که دوز از مقدار معینی فراتر رود، روند آهسته‌تر پیش خواهد رفت.
| نسبت آب به سیمان | دوز | نوع افزودنی کاهنده آب |
| 0/51 | ثابت | |
| 0/49 | دو برابر ثابت | کلسیم چوب |
| 0/47 | پنج برابر ثابت | |
| 0/48 | دو برابر ثابت | هیدروکسی کربوکسیلات |
| 0/46 | پنج برابر ثابت |
جدول 3. اثر افزودنی کاهنده آب با دوزهای مختلف
چهار راه برای ترکیب مواد افزودنی وجود دارد: روش اختلاط پودر خشک، روش اختلاط محلول، روش حفظ آب و روش پس از اختلاط.
افزودنی‌ها به روش‌های مختلف اضافه می‌شوند و اثرات آنها بسیار متفاوت است. تنها با انتخاب یک روش اختلاط مناسب می‌توان اثر افزودنی را برای بهبود تاثیر آن در ساخت‌و‌ساز، بیشتر کرد. به‌عنوان مثال، روش اختلاط افزودنی کاهنده آب معمولی متفاوت است و بنابراین اثر کاهنده آب نیز متفاوت خواهد بود. از جدول 4 می‌توان دریافت که همان افزودنی کاهنده آب معمولی می‌تواند اثر کاهنده آب بهتری نسبت به روش اختلاط مشابه داشته باشد.
| نسبت کاهش | |||
| نرخ کاهش آب (%) | اسلامپ (mm) | نسبت آب به سیمان | روش اختلاط |
| – | 100 | 0/59 | بدون اختلاط |
| 6/8 | 88 | 0/55 | اختلاط با آب |
| 6/8 | 163 | 0/55 | اختلاط 2 دقیقه قبل |
| 13/6 | 81 | 0/51 | اختلاط 2 دقیقه با تاخیر |
جدول 4. اثر ترکیب افزودنی کاهنده آب معمولی بر کارایی بتن و آب
با توسعه ساخت‌و‌ساز مهندسی راه و پل، نقش افزودنی‌های بتن به‌طور فزاینده‌ای مهم شده است و الزامات برای آن بیشتر و بیشتر شده است. در حال حاضر کاربرد افزودنی های بتن در مهندسی راه و پل به شرح زیر است:
بتن از چهار نوع ماده سیمان، آب، سنگدانه ریز (ماسه) و سنگدانه درشت (شن) تشکیل شده است. در کلِ هزینه مهندسی بتن، سیمان سهم زیادی را به خود اختصاص می‌دهد و میزان سیمان نیز تعیین کننده مقاومت فشاری و سهولت کارایی و عملکرد بتن است. استفاده علمی از افزودنی‌های بتن می‌تواند نسبت سیمان استفاده شده در طرح اختلاط را کاهش دهد و در نتیجه هزینه ساخت‌و‌ساز نیز کاهش خواهد یافت. برای مثال می‌توان افزودنی‌های فوق‌روان‌کننده را نام برد.
| صرفه‌جویی در مصرف سیمان (%) | مقاومت فشاری | اسلامپ (cm) | دوز فوق‌روان‌کننده (C×%) | دوز سیمان (Kg/m3) | نوع سیمان | ||
| 28 روز | 7 روز | 1 روز | |||||
| – | 30/4 | 21/5 | 3/8 | 11 | 0 | 380 | سیمان معمولی |
| 5 | 31/2 | 22/2 | 3/5 | 9/7 | 0/05 | 360 | |
| 7/9 | 30/9 | 20 | 3/3 | 9/5 | 0/1 | 350 | |
| 14/5 | 30/4 | 20/9 | 3/1 | 13 | 0/3 | 325 | |
| 19/5 | 28/3 | 2-/5 | 3/4 | 15/2 | 0/5 | 306 | |
| 22/1 | 29/8 | 19/5 | 3 | 13 | 0/7 | 296 | سیمان سرباره‌ای |
| 0 | 20/2 | – | 3 | 5/5 | 0 | 380 | |
| 13 | 29/1 | – | 2/6 | 5/5 | 0/3 | 330 | |
| 19/5 | 20 | – | 3 | 7 | 0/5 | 306 | |
| 22/6 | 21/2 | – | 2/4 | 16 | 0/7 | 294 | |
جدول 5. نتایج تجربی صرفه‌جویی در مصرف سیمان با استفاده از افزودنی فوق‌روان‌کننده
از جدول 5 می‌توان نتیجه گرفت که تحت همان مقاومت مورد نیاز، نسبت آب به سیمان و کارایی بتن بدون تغییر نگه‌داشته می‌شود، سپس فوق‌روان‌کننده اضافه می‌شود، در نتیجه مقاومت بتن افزایش می‌یابد و هر چه فوق‌روان‌کننده بیشتر اضافه شود، سیمان فازبندی می‌شود و به‌همین ترتیب میزان مصرف سیمان کاهش می‌یابد. نتایج تجربی فوق‌روان‌کننده نشان می‌دهد که 0/3٪ از فوق‌روان‌کننده می‌تواند 50 تا 55 کیلوگرم بر متر مکعب سیمان، 0/5٪ فوق‌روان‌کننده می‌تواند 74 کیلوگرم بر متر مکعب و 0/7٪ فوق‌روان‌کننده می‌تواند 84 تا 86 کیلوگرم بر متر مکعب از مصرف سیمان را صرفه‌جویی کند.
نقش اصلی افزودنی‌ها، بهبود عملکرد بتن در مهندسی و ساخت راه و پل است. با توجه به الزامات عملکردی بتن در پروژه‌های مختلف، فرآیند ساخت نیز دارای استانداردهای متفاوتی است. تاثیر دیر گیر کننده متفاوت است و همچنین میزان دز آن نیز متفاوت خواهد بود. در نتیجه در زمان گیرش بتن نیز اثرات متفاوتی خواهد داشت. جدول 6 اثرات دیر گیر کنند‌های مختلف بر زمان گیرش بتن را نمایش می‌دهد.
| نام | دز (C×%) | زمان گیرش / دقیقه | |||||||
| گیرش اولیه | گیرش نهایی | فاصله گیرش اولیه و نهایی | |||||||
| پایه (خالی) | 0 | 440 | 610 | 170 | |||||
| کلسیم چوب | 0/3 | 630 | 835 | 205 | |||||
| قند کلسیم | 0/3 | 1135 | 1435 | 300 | |||||
| ساکارز | 0/05 | 685 | 890 | 215 | |||||
| کربوکسی‌متیل‌سلولز | 0/05 | 590 | 895 | 305 | |||||
| تری‌پلی‌فسفات‌سدیم | 0/1 | 590 | 990 | 400 | |||||
| پلی‌وینیل‌الکل | 0/1 | 480 | 670 | 190 | |||||
جدول 6. اثر دیر گیر کننده بر زمان گیرش بتن
در مهندسی و ساخت‌و‌ساز راه و پل، فرآیند مهندسی اهمیت ویژه‌ای دارد. این فرآیند می‌تواند باعث صرفه‌جویی در زمان و هزینه شود و کیفیت را تضمین کند. روند کند ساخت‌و‌ساز منجر به نتیجه معکوس خواهد شد. به‌عنوان مثال با در نظر گرفتن اثر مقاومت اولیه تری‌اتانول‌آمین و کلریدسدیم، از جدول 7 می‌توان دریافت که در شرایط دمایی یکسان، و افزودن افزودنی، زمان ساخت بتن را تا حد زیادی کاهش دهد و روند مهندسی را سرعت بخشد.
| تعداد روزهای مورد نیاز برای رسیدن به مقاومت %70 بتن 28روز/روز | نسبت مقاومت فشاری در سنین مختلف (%) | دمای عمل‌آوری (e/°C) | دوز افزودنی افزایش مقاومت اولیه (%) | ||||||
| 28 روز | 10 روز | 7 روز | 5 روز | 3 روز | 2 روز | N(C2H4OH)3 | NaCl | ||
| 10 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | – | – | |
| 4 | 135 | 153 | 144 | 150 | 157 | 156 | 25~20 | 0/5 | 0/5 |
جدول 7. اثر مقاومت اولیه تری‌اتانول‌آمین و کلریدسدیم بر بتن
مهمترین شاخص خواص مکانیکی بتن پس از اختلاط در مهندسی راه و پل، مقاومت فشاری بتن است. به‌منظور بررسی مقاومت فشاری اولیه بتن پس از افزودن مواد افزودنی، نتایج آزمایش تراکم بتن با استفاده از افزودنی کاهنده آب بتن برای انجام آزمایش مقاومت فشاری، زمانی که نسبت آب به سیمان به‌ترتیب 0/42، 0/47، 0/52، 0/57 بوده، به‌دست آمده است که در جدول 8 نشان داده شده است.
| تست | نسبت آب به سیمان (%) | نرخ جایگرینی سنگدانه‌ها (%) | مقدار فلای‌اش (%) | مقدار میکروسیلیس (%) | مقدار پودر معدنی (%) | دز افزودنی کاهنده آب (%) | مقاومت فشاری (MPa) |
| 1 | 0/42 | 25 | 5 | 2 | 2 | 1/5 | 44/2 |
| 2 | 0/42 | 50 | 10 | 4 | 4 | 1/5 | 31/2 |
| 3 | 0/42 | 75 | 15 | 6 | 6 | 1/5 | 40/2 |
| 4 | 0/42 | 100 | 20 | 8 | 8 | 1/5 | 32/7 |
| 5 | 0/47 | 25 | 10 | 6 | 8 | 1/5 | 34/8 |
| 6 | 0/47 | 50 | 5 | 8 | 6 | 1/5 | 43/6 |
| 7 | 0/47 | 75 | 20 | 2 | 4 | 1/5 | 37/6 |
| 8 | 0/47 | 100 | 15 | 4 | 2 | 1/5 | 37/9 |
| 9 | 0/52 | 25 | 15 | 8 | 4 | 1/5 | 27 |
| 10 | 0/52 | 50 | 20 | 6 | 2 | 1/5 | 26/8 |
| 11 | 0/52 | 75 | 5 | 4 | 8 | 1/5 | 32/1 |
| 12 | 0/52 | 100 | 10 | 2 | 6 | 1/5 | 33/4 |
| 13 | 0/57 | 25 | 20 | 4 | 6 | 1/5 | 28/5 |
| 14 | 0/57 | 50 | 15 | 2 | 8 | 1/5 | 30/4 |
| 15 | 0/57 | 75 | 10 | 8 | 2 | 1/5 | 23/8 |
| 16 | 0/57 | 100 | 5 | 6 | 4 | 1/5 | 33 |
جدول 8. نتایج آزمایش مقاومت فشاری مکعب بتن
به منظور درک واضح‌تر از تغییر عملکرد مقاومت فشاری بتن پس از اختلاط، در شکل 1، نرخ جایگزینی سنگدانه‌ها محور x و مقاومت فشاری محور y است و نسبت آب به سیمان به‌ترتیب خواص مقاومت فشاری: 0/42، 0/47، 0/52، 0/57 است.
شکل 1. خواص مقاومت فشاری افزودنی بتن
از شکل 1 مشاهده می‌شود که هنگامی که ماده افزودنی به بتن اعمال می‌شود، مقاومت فشاری بتن با نسبت آب به سیمان 0/42 و 0/52 روندی را نشان می‌دهد که ابتدا کاهش و سپس افزایش می‌یابد و نسبت آب به سیمان 0/47 و 0/57 است که تمایل به افزایش و سپس کاهش را نشان می‌دهد. این به این دلیل است که وقتی نسبت آب به سیمان 0/47 و 0/57 باشد، برای کاهش رطوبت و در نتیجه افزایش مقاومت فشاری بتن، افزودنی به بتن اضافه می‌شود. در مورد نسبت‌های 0/42 و 0/52، نرخ جایگزینی سنگدانه‌ها به‌تدریج افزایش می‌یابد و در نتیجه نسبت کل افزایش می‌یابد. برخی از ایرادات کوچک، یعنی افزایش شکاف رخ می‌دهد، به‌طوری که آب به‌تدریج به داخل ترک نفوذ می‌کند، بنابراین مقاومت سنگدانه کمتر می‌شود که منجر به کاهش درجه مقاومت بتن می‌شود. و افزایش مقاومت بتن در دوره بعدی به این دلیل است که مقدار معقولی از افزودنی باعث افزایش مقاومت فشاری بتن می‌شود. نتایج آزمایش نشان می‌دهد که افزودنی بتن تأثیر قابل‌توجهی در مهندسی و ساخت‌و‌ساز راه و پل دارد. استفاده معقول از افزودنی نه تنها می‌تواند هزینه ساخت پروژه را کاهش دهد و روند ساخت را تسریع کند، بلکه عملکرد بتن را در پروژه مورد نظر تقویت کرده و طول عمر را طولانی‌تر می‌کند.
مواد افزودنی نقش مهمی در کیفیت بتن دارند که به نوبه خود به‌طور غیرمستقیم بر کیفیت کلی مهندسی راه و پل تأثیر می‌گذارد.
ترکیب مواد افزودنی می‌تواند هزینه مهندسی راه و پل را کاهش دهد و در عین حال عملکرد مطلوب بتن را در اختلاط نامطلوب به‌دست آورد. در مورد حمل‌و‌نقل، بتن‌ریزی و عمل‌آوری، کیفیت کارهای بتن تضمین می‌شود. نیازهای خاص از بتن در ساخت راه‌ها و پل‌ها برآورده می‌شود، میزان مصرف سیمان کاهش می‌یابد و در نتیجه هزینه مهندسی و ساخت‌و‌ساز نیز کاهش می‌یابد.
بنابراین هنگام استفاده از افزودنی‌های بتن در مهندسی راه و پل، با مناسب‌ترین مقدار و بهره‌برداری در طول فرآیند ساخت همراه خواهد بود. علاوه بر این، یکی از مهمترین نکاتی که باید در نظر گرفت میزان تطابق بین سیمان و افزودنی است. حل این مشکل می‌تواند مهندسی راه و پل را از کیفیت مهندسی خوبی برخوردار کند.
M.Gh.
[1] Wang Xiaogang. The role and development of concrete admixtures [J]. Urban construction theory research, 2013 (26): 1-4.
[2] Wang Na. Classification and development trend of concrete admixtures [J]. China Building Materials Science and Technology, 2017 (6): 42-44.
[3] Zhang Bin. Concrete admixture and its application manual [M]. Tianjin: Tianjin University Press, 2012.
[4] Medina C. Gas permeability in concrete containing recycled ceramic sanitary ware aggregates[J]. Construction and Building Materials, 2016(37): 597-605.
[5] Olorunsogo F T. Performance of recycled aggregate concrete monitored by durability indexes[J]. Cement and Concrete Research, 2015, 32(2): 179-185.
