کاربرد مواد شیمیایی ساختمان و تاریخچه

هدف از کاربرد مواد افزودنی بهبود یک یا چند خاصیت بتن تازه یا سخت شده است . برخی از افزودنی ها برای بهبود یک ویژگی به کار می روند در حالیکه بعضی دیگر به صورت همزمان بر چند ویژگی بتن تاثیر می گذارند . از طرف دیگر برخی مواد افزودنی بر خواص بتن تازه تاثیر می گذارند در حالیکه برخی دیگر برای بهبود خواص بتن سخت شده به کار می روند . اصلی ترین اهداف کاربرد افزودنی های شیمیایی دربتن تازه را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد.

- تغییر زمان گیرش ( کند گیری یا تندگیری ) شامل کنترل زمان گیرش اولیه و یا نهایی هم چنین دسترسی به زمان گیرش آنی

- تغییر در خواص رئولوژی بتن تازه نظیر بهبود کارایی شامل روانی ، تراکم پذیری ، قابلیت جایگیری در قالب

- کنترل آب انداختگی و جداشدگی ، بهبود پرداخت پذیری و افزایش قابلیت پمپ پذیری

- کاهش میزان مصرف آب با حفظ کار پذیری بتن

- تغییر در خواص جمع شدگی خمیری و عمدتا کاهش آن

- تغییر در لزجت بتن شامل کاهش یا افزایش آن

- کاهش حرارت هیدراتاسیون از طریق کاهش مصرف سیمان

- ایجاد انبساط جزئی در بتن

به صورت مشابه مهمترین تاثیرات مواد افزودنی شیمیایی در بتن سخت شده به شرح زیر است .

- افزایش مقاومت بتن اعم از مقاومت کوتاه مدت و مقاومت نهایی

- افزایش دوام بتن در شرایط محیطی سخت نظیر سیکل های یخ زده و آب شدن ، واکنش های قلیانی سنگدانه ها ، سایش ، حملات سولفات ها

- بهبود سطح ظاهری بتن و نمای تمام شده آن

- کاهش نفوذ پذیری در برابر آب و هوا و کاهش انتشار پذیری در برابر یون کلرید و سایر ترکیبات زیان آور محلول در آب

- ایجاد انبساط و یا حذف جمع شدگی ناشی از خشک شدن

- کنترل جذب آب مویینه در بتن و افزایش آب بندی

- کنترل خوردگی میلگردها در بتن در معرض یون کلراید

   کنترل واکنش های قلیایی – سیلیکاتی سنگدانه ها
 

پیشرفت های انجام شده در دانش فناوری بتن بدون شک مرهون استفاده از انواع مختلف مواد افزودنی است که با استفاده صحیح از آنها امکان دستیابی به ویژگیهایی چون مقاومت ، پایانی ، کارپذیری عالی و نظایر آن فراهم می گردد . در واقع استفاده از مواد افزودنی باعث می گردد از ظرفیت واقعی مصالح مصرفی شامل سنگدانه ها و سیمان به نحو موثر تری استفاده شود . البته از این مطلب نباید اینطور برداشت شود که می توان در خواص مصالح مصرفی در بتن ضعف هایی را پذیرفت و انتظار داشت با کاربرد مواد افزودنی آن کاستی ها به طور کامل برطرف گردد . به عبارت دیگر استفاده از مواد افزودنی جای دانش و خرد مهندسی که هوشمندانه مصالح مناسب را انتخاب کرده نسبت بندی می نماید را پر نمی کند . دامنه کاربرد مواد افزودنی شیمیایی و معدنی تا اندازه ای گسترده شده است که امروزه ساخت بتن بدون مواد افزودنی نوعی اتلاف منابع تلقی شده و بنابراین بتنهای حاوی مواد افزودنی سهم عمده ای از ساخت بتن را به خود اختصاص می دهند.

آقای مهتا در کتاب معروف " بتن ، خواص ، کاربرد و ریز ساختار " در سال 2006 آورده است :

" امروزه در سطح جهانی بیشتر بتن های تولیدی حاوی یک یا چند افزودنی شیمیایی است و برآورد می شود در کشورهای پیشرفته 80 تا 90 درصد بتنهای تولیدی حاوی مواد افزودنی شیمیایی باشند ." اگر چه در کشور ایران آمار منتشر شده ای از مصرف مواد افزودنی شیمیایی در دسترس نیست ولی متاسفانه به طور قطع در کمتر از 5 درصد بتن های تولیدی از مواد افزودنی شیمیایی استفاده می شود . دلیل عمده عدم استفاده از مواد افزودنی در ایران نا آشنایی مهندسین و دست اندرکاران ساخت و ساز با فناوریهای نوین در دانش بتن است . با توجه به مزیتهای بی بدیل استفاده از مواد افزودنی لازم است فرهنگ سازی های لازم جهت آشنایی مهندسین با فناوریهای استفاده از مواد افزودنی در بتن انجام پذیرد . یکی از اهداف کتاب حاضر برداشتن گامی در این راستا است.

تاریخچه

سابقه استفاده از مواد افزودنی در ساخت و ساز بسیار طولانی است . معروف است که رومیان از چربی های حیوانی ، شیر و خون برای بهبود مشخصات مصالح ساختمانی خود استفاده می کرده اند . استفاده از این مواد عمدتا به بهبود کارایی می انجامید ، علاوه بر آن خون به دلیل دارا بودن هموگولوبین می توانست به نوعی تولید حباب های هوا بنماید که دوام مصالح ساختمانی را بهبود می بخشید . چینی ها از خمیر برنج ، روغن تانگ و ملاس برای بهبود خواص مصالح استفاده می کردند . در ایران نیز از تخم مرغ ، خاکستر کوره حمام ، پشم حیوانات و مواد مشابه برای ساخت ساروج و بهبود ویژگیهای مصالح مورد استفاده در ساخت و ساز استفاده می نمودند . معماران قدیمی با استفاده از این مواد شاهکارهایی در دوره ه های مختلف تاریخی را بناکرده اند که شاید بدون استفاده از این مواد ساخت این سازه ها امکان پذیر نمی بود . نمونه هایی از این سازه ها گنبد پانتئون رم (شکل 1-4-الف) در دوران امپراتوری رم که در زمان خود بلندترین ارتفاع گنبد را داشته است و طاق عباسی طبس (شکل 1-4-ب) دوره صفویه که بلندترین سد دوقوسی دنیا در زمان خود بوده است و گنبد سلطانیه زنجان که در زمان خود بزرگترین گنبد آجری دنیا بود و اکنون بعد از سانتامار دلفیوره و ایاصوفیه سومین گنبد بزرگ دنیاست می باشند.استفاده از این مواد در برخی ساخت و سازهای سنتی هنوز هم ادامه دارد.

پس از انقلاب صنعتی و تحول روشهای ساخت و ساز از یک سو و نیاز به سازه های خاص با ویژگیهای جدید از سوی دیگر فصل جدیدی در کاربرد استفاده از مواد افزودنی ایجاد نمود . اندیشه تحقیق و مطالعه درباره افزودنی ها بعد از تولید صنعتی سیمان در نیمه دوم قرن نوزدهم و شناخت ترکیبات و فرایند هیدراتاسیون ، ابتدا در مراکز علمی و آکادمیک مورد بررسی قرار گرفت و به تدریج کاربرد آن ها در صنعت رواج پیدا کرد . روان کننده ها ، زودگیر کننده ها ، کند گیر کننده ها و حباب سازها به عنوان افزودنی های شیمیایی متداول در نخستین سال های دهه سوم قرن بیستم اختراع شدند . قدیمی ترین مستند علمی و فنی معتبر حکایت از آن دارد  که روان کننده بر پایه نفتالین فرمالدهید سولفونات اولین ترکیبات آلی است که در سال 1932 توسط یک شرکت آمریکایی اختراع و ثبت گردید و سپس در طول دهه های 1930 و 1940 مصرف روان کننده های دیگر که بر اساس لیگنوسولفونات ها بودند رواج پیدا کرد . پس از آن در حدود سال های 1950 بود که مشتقات آلی دیگری مثل هیدروکسی کربوکسیلیک ، ترکیبات پلیمری و اسیدهای چرب رواج یافتند . بعضی از مواد افزودنیدیگر نظیر حباب سازها بطور اتفاقی با مشاهده و بررسی دوام بعضی رویه های بتنی در شمال آمریکا کشف شد . داستان کشف این مواد به این ترتیب بود که بررسی ها نشان می داد بعضی از این رویه ها در برابر شرایط محیطی سرما و یخبندان پایایی بیشتری دارند. رجوع به مدارک فنی پروژه و انجام آزمایشها نشان داد که در تهیه سیمان این بخش از رویه ها ی بتنی از چربی گاو به عنوان کمک آسیاب در عملیات سایش و آسیاب کردن کلینکر استفاده شده است. بررسی های جدید تر نشان داد که این سیمان ها به دلیل تولید حباب های هوا موجب افزایش دوام بتن در برابر چرخه ذوب و یخ شده است.

انتشار گزارش های علمی مقالات پژوهشی در مورد افزودنی های شیمیایی در سال های دهه 40 میلادی آغاز شد که از میان آنها میتوان به نخستین گزارش تفضیلی کمیته فنی شماره 212 موسسه ACI در سال 1944 و اولین سمپوزیم ASTM با عنوان اثر افزودنی های کاهنده آب و کنترل گیرش بتن در سال 1959 اشاره کرد.

متعاقب این سمپوزیسم ، موسسه ASTM استاندارد C494 را در سال 1962 تدوین نمود که به موضوع افزودنی های شیمیایی بتن و معیارهای پذیرش آن می پرداخت . این استاندارد به عنوان یکی از قدیمی ترین استانداردهای موجود در مورد مواد افزودنی شیمیایی بتنطی سالهای مختلف با توجه به پیشرفت های انجام گرفته در دانش مواد افزودنی و بر مبنای تجربیات به دست آمده مورد بازنگری و تصحیح قرار گرفته است. آخرین نسخه این استاندارد در سال 2011 به روز شده است . استاندارد های مشابهی نیز در اروپا ، استرالیا ، هند ، ژاپن و سایر کشورهای دنیا تدوین شده است.

اولین شواهد از کاربرد مواد افزودنی شیمیایی در ایران به دهه 1350 برمی گردد .در دهه 1360 کاربرد این افزودنی ها با گسترش چشم گیری مواجه نبود . از دهه 1370 به بعد مشخصا در ساخت سد های بتنی روان کننده ها و مواد حباب ساز به کار رفته اند و در حال حاضر هم پروژه های سد سازی بزرگترین محل استفاده از این نوع افزودنی ها هستند . البته در ساخت اسکله های بتنی و سازه های جنوب کشور مخصوصا به جهت لزوم ساخت بتن های پایا و با نسبت کم آب به سیمان ، کاربرد فوق روان کننده ها اجتناب ناپذیر است . در حال حاضر در کشور بیش از 40 شرکت تولیدی و فروش مواد افزودنی شیمیایی به فعالیت مشغول هستند . با این همه همانگونه که قبلا ذکر شد در کشورمان ایران ، میزان مصرف مواد افزودنی شیمیایی تا متوسط درصد مصرف در کشورهای دیگر در فاصله معناداری قرار دارد و خصوصا صنعت بتن آماده که سهم قابل ملاحظه ای از تولید و مصرف بتن را در کشور به خود اختصاص می دهد از مستعدترین بخش هایی است که باید به ویژگی های ارزشمند افزودنی های شیمیایی بپردازد و آن را مورد مصرف قرار دهد.

پیشرفت هایی که طی چند دهه اخیر در تکنولوژی بتن به وجود آمده است بدون شک به پیدایش و نوآوری های فراوانی که عرصه تکنولوژی مواد شیمیایی پدید آمده ارتباط دارد.استفاده از افزودنی های شیمیایی جدید موجب دستیابی به برتری های فنی و ویژگی های رفتاری برتر بتن و همچنین سهولت در اجرا و صرفه جویی در نیروی کار شده است ، بنابراین ضروری است که دانش و فناوری کاربرد مواد افزودن شیمیایی در ایران بیش از گذشته توسعه یابد.

تاریخچه بتن خود تراکم

تاریخچه بتن خود تراکم

 بتن یکی از مسائل مهم است که دهه‌ها توجه و تحقیقات را به خود اختصاص داده است. در ژاپن نیز سالهای متمادی بر روی این موضوع پژوهش صورت گرفته است. یکی از معیارهای مهم برای رسیدن به بتن با دوام مناسب، متراکم کردن بتن است. اما کاهش تعداد کارگران فنی و حرفه ای که بتوانند این کار را به نحو مناسب انجام دهند، مشکلات زیادی را در سالهای قبل بوجود آورده بود. یکی از راههای اساسی برای رفع این مشکل، استفاده از بتن هایی بود که بتوانند تحت وزن خود در قالب و در تمام زوایا و گوشه‌ها متراکم شوند. بدون اینکه نیاز به لرزش و  نیروی خارجی داشته باشند. به این علت بتن خود تراکم نخست در سال 1986 توسط اوکامورا (okamura) در ژاپن پیشنهاد شد. در پی آن مطالعات و آزمایش‌های اساسی در دانشگاه توکیو توسط اوزاوا (ozawa) و میکاوا (meakawa) برای توسعه این بتن صورت گرفت. اولین نمونه این نوع بتن در سال 1988 با استفاده از مواد  و مصالح موجود در بازار ساخته شد و نتایج مناسبی از نظر جمع شدگی ناشی از خشک شدن و سخت شدن، گرمای هیدراسیون، سختی و سایر خواص به دست آمد که در مقاله ای منتشر شد. در ابتدا این بتن، بتن توانمند[1] (HPC) نامگذاری شد و سه خاصیت اصلی برای تعریف آن در نظر گرفته شد:

بتن تازه : تراکم پذیر

سنین اولیه: جلوگیری از معایب اولیه

بتن سخت شده: محافظت در برابر عوامل خارجی

اما همزمان، آیتسین و همکارانش، بتن HPC را به عنوان بتنی معرفی کردند که دارای مقاومت و دوم بالا در اثر نسبت آب به سیمان پایین باشد. بنابراین نام این نوع بتن توسط اوکامورا و همکارانش تغییر یافت و تحت عنوان «بتن خود تراکم توانمند» یا بطور خلاصه «بتن خود تراکم» نامگذاری شد. تفاوت بتن SCC با بتن HPC در این است که در بتن توانمند، جریان پذیری تنها تا حدودی بهبود یافته است، اما این بتن نمی‌تواند تحت وزن خود، قالب و یا فواصل بین تقویت کننده ها را پر کند، به عبارت دیگر بتن HPC کماکان به عملیات لرزش نیاز دارد.

در سال 1989پروفسور اوکامورا و همکارانش، یک کارگاه تخصصی در زمینه بتن SCC در دانشگاه توکیو ارائه کردند، بیش از 100 متخصص از مراکز تحقیقاتی و شرکت های بزرگ در این کارگاه شرکت داشتند، که باعث گسترش تحقیقات روی این موضوع در مراکز مختلف شد. در اوایل دهه 1990، استفاده از بتن خود تراکم در برخی پلها و سازه ها در ژاپن آغاز شد. ارائه مقالات تخصصی در کنفرانس بین المللی CANMET & ACI در سال 1992 و به دنبال آن کارگاه تخصصی بانکوک در 1994 و کنفرانس ACI در سال 1996 توجه به بتن خود تراکم را در سطح دنیا افزایش داد. در سال 1996 کشورهای اروپایی یک کنسرسیوم تشکیل داده و پروژه‌ای را با عنوان «تولید و محیط کاری بهبود یافته با استفاده از بتن خود تراکم» آغاز کردند. موفقیت این پروژه باعث گسترش سریع‌تر SCC در پروژه های مختلف ساختمانی اعم از پیش ساخته یا بتن‌ریزی در جا شد. امروزه بتن خود تراکم همزمان با کشور ژاپن، در مراکز دانشگاهی و تحقیقاتی کشورهای اروپایی، کانادا و آمریکا موضوع بحث بررسی و اجرایسازه‌های بتنی است. دستورالعمل‌هایی مانند (EFNARC) برای این بتن تهیه شده و استفاده از آن در بسیاری از کشورهای دنیا رو به توسعه است.

در ایران نیز استفاده از بتن خود تراکم از چند سال قبل آغاز شده و از مزایای آن بهره گرفته شده است. برای مثال می‌توان از مصرف بتن خود تراکم در لاینینگ تونل رسالت تهران، کتیبه‌ها و عناصر تزئینی در طرح توسعه حرم حضرت معصومه و قطعات پیش ساخته‌ برای عبور دستگاههای حفاری متروی شیراز را نام برد.