افزودنی های تنظیم زمان گیرش بتن
انواع، خواص، استانداردها و کاربردها
۱. مقدمه
افزودنی های تنظیم زمان گیرش بتن : بتن، به عنوان یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی، همواره نیازمند بهینه‌سازی خواص خود برای پاسخگویی به چالش‌های مختلف اجرایی و محیطی بوده است. در این راستا، افزودنی های بتن نقش محوری ایفا می‌کنند. افزودنی های بتن به هر ماده‌ای اطلاق می‌شود که علاوه بر سیمان، شن، ماسه و آب به مخلوط بتن اضافه می‌گردد تا ویژگی‌ها و عملکرد آن را در حالت تازه یا سخت‌شده بهبود بخشد یا تغییراتی در خواص بتن ایجاد کند. این مواد، اگرچه از عناصر اصلی تشکیل‌دهنده بتن به شمار نمی‌آیند، اما استفاده از آن‌ها در تولید بتن مدرن به قدری رایج شده است که امروزه تولید بتن بدون افزودنی یک استثنا محسوب می‌شود. این واقعیت نشان‌دهنده تحول عمیق در فناوری بتن است؛ افزودنی‌ها دیگر صرفاً بهبوددهنده‌های اختیاری نیستند، بلکه به اجزای بنیادین برای دستیابی به عملکرد، کارایی و صرفه اقتصادی مطلوب در سناریوهای مختلف ساخت‌وساز معاصر تبدیل شده‌اند. آن‌ها مهندسان را قادر می‌سازند تا خواص بتن را (مانند کارایی، توسعه مقاومت، و دوام) به گونه‌ای دقیق تنظیم کنند که با مخلوط‌های سنتی امکان‌پذیر نیست و بدین ترتیب، بتن را با نیازهای خاص پروژه، شرایط محیطی (مانند دماهای شدید) و چالش‌های لجستیکی (مانند فواصل طولانی حمل‌ونقل) سازگار سازند.
در میان انواع مختلف افزودنی های بتن، افزودنی های تنظیم زمان گیرش بتن ، زیرمجموعه‌ای حیاتی از افزودنی های شیمیایی بتن هستند که به طور خاص برای کنترل سرعت واکنش هیدراتاسیون سیمان و در نتیجه، زمان گیرش بتن به کار می‌روند. این افزودنی‌ها با ایجاد تأخیر یا تسریع در هیدراته شدن سیمان، سرعت گیرش را تغییر می‌دهند. اهمیت این دسته از افزودنی‌ها در مدیریت دقیق فرآیندهای بتن‌ریزی، بهینه‌سازی زمان‌بندی پروژه، و تضمین کیفیت و دوام بتن در شرایط محیطی و اجرایی گوناگون است. به طور کلی، افزودنی‌ها می‌توانند مقاومت بتن را افزایش دهند (مانند پلی‌کربوکسیلات اتر که مقاومت فشاری را بهبود می‌بخشد)، کارایی و روانی آن را بهبود بخشند، مصرف آب را کاهش دهند، انقباش و ترک‌خوردگی را کم کنند، دوام و مقاومت در برابر شرایط محیطی را بالا ببرند، و در نهایت منجر به صرفه‌جویی در زمان و هزینه و افزایش عمر مفید سازه شوند.
این مقاله به بررسی جامع افزودنی های تنظیم زمان گیرش بتن، شامل افزودنی های زودگیرکننده و دیرگیرکننده، می‌پردازد. در ادامه، مکانیزم عمل، انواع رایج، خواص فیزیکی و شیمیایی، مزایا و معایب، کاربردها و استانداردهای مرتبط با هر یک از این افزودنی‌ها به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.
۲. افزودنی های زودگیرکننده بتن
افزودنی های زودگیرکننده بتن، موادی هستند که برای تسریع فرآیند گیرش و سخت شدن بتن به کار می‌روند. این مواد با افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی هیدراتاسیون سیمان، زمان لازم برای انتقال بتن از حالت خمیری به حالت جامد را کاهش می‌دهند و به سرعت بخشیدن به کسب مقاومت‌های اولیه کمک می‌کنند.
۲.۱. تعریف و مکانیزم عمل
افزودنی های زودگیرکننده (Accelerator) موادی هستند که زمان شروع انتقال مخلوط بتن از حالت پلاستیک به حالت صلب را کاهش می‌دهند (که به آن “افزودنی زودگیرکننده گیرش بتن” گفته می‌شود) و/یا سرعت توسعه مقاومت اولیه در بتن را افزایش می‌دهند (که به آن “افزودنی زودگیرکننده سخت شدن بتن” اطلاق می‌گردد). این مواد با افزایش سرعت فرآیند آب‌گیری (هیدراتاسیون) در بتن عمل می‌کنند.
مکانیزم اصلی عمل زودگیرکننده‌ها از طریق تسریع واکنش‌های هیدراتاسیون فازهای پیشروی سیمان، به خصوص تری‌کلسیم آلومینات (C3A) و سیلیکات‌های کلسیم (C2S و C3S)، صورت می‌گیرد. این تسریع منجر به کوتاه‌تر شدن زمان گیرش بتن و افزایش سرعت کسب مقاومت می‌شود. فرآیند هیدراتاسیون سیمان یک واکنش گرمازا است؛ بنابراین، تسریع این واکنش منجر به تولید گرمای بیشتر در مراحل اولیه می‌شود. این گرمای تولید شده به ویژه در هوای سرد برای جلوگیری از یخ‌زدگی بتن تازه و جبران اثر کندکنندگی دماهای پایین بر گیرش بتن بسیار مفید است.
۲.۲. انواع رایج و ترکیبات شیمیایی
انواع رایج افزودنی های زودگیرکننده شامل نمک‌های غیرآلی محلول مانند کلریدها، برومیدها، فلورایدها، کربنات‌ها، تیوسیانات‌ها، نیتریت‌ها و نیترات‌ها هستند. علاوه بر این، ترکیبات آلی مانند تری‌اتانول آمین و فرمات کلسیم نیز به عنوان زودگیرکننده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- کلرید کلسیم (CaCl2): این ماده به عنوان ارزان‌ترین و رایج‌ترین افزودنی زودگیرکننده شناخته می‌شود. با این حال، استفاده از آن به دلیل افزایش خطر خوردگی آرماتور در بتن مسلح محدود شده و در بسیاری از استانداردها مجاز نمی‌باشد.
- فرمت کلسیم (Calcium Formate): این یک زودگیرکننده بدون کلر است که از اواسط دهه ۱۹۶۰ مورد استفاده قرار گرفته و کارایی فراوانی دارد، به ویژه به شکل پودر برای موادی مانند آجر خشک و گچ.
- تیوسیانات سدیم، تری‌اتانول آمین، نیترات و نیتریت: این ترکیبات نیز از جمله زودگیرکننده‌هایی هستند که برای تسریع زمان گیرش بتن با موفقیت به کار رفته‌اند.
۲.۳. خواص فیزیکی و شیمیایی بتن حاوی زودگیرکننده
افزودنی های زودگیرکننده تأثیرات متعددی بر خواص بتن تازه و سخت‌شده دارند:
- مقاومت فشاری: زودگیرکننده‌ها عمدتاً مقاومت اولیه بتن را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند. این افزایش مقاومت اولیه برای قالب‌برداری سریع و بارگذاری زودهنگام سازه حیاتی است. تأثیر بر مقاومت درازمدت متغیر است؛ به عنوان مثال، کلرید کلسیم ممکن است مقاومت درازمدت را کاهش دهد، در حالی که فرمات کلسیم و نیتریت کلسیم می‌توانند مقاومت را تا ۲۸ روز یا بیشتر افزایش دهند.
- کارایی و روانی: تسریع‌کننده‌ها معمولاً تأثیر چندانی بر کارایی و مقدار هوای بتن ندارند. با این حال، برخی از انواع (مانند BETOCRETE–E100) می‌توانند ضمن تسریع گیرش، کارایی را نیز افزایش داده و مقدار آب اختلاط را کاهش دهند.
- جمع‌شدگی و ترک‌خوردگی:
- جمع‌شدگی حرارتی: مصرف تسریع‌کننده‌ها می‌تواند جمع‌شدگی حرارتی را تشدید کند. این پدیده به دلیل افزایش نرخ هیدراتاسیون و در نتیجه تولید سریع‌تر و بیشتر گرما در مراحل اولیه است. افزایش دمای داخلی بتن و سپس خنک شدن آن می‌تواند منجر به تنش‌های حرارتی و ترک‌خوردگی شود.
- جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن: سرعت اولیه جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن با مصرف تسریع‌کننده‌ها کم می‌شود، زیرا بتن زودتر می‌گیرد و مانع خروج آب از حجم خود می‌شود. این اثر دوگانه بر جمع‌شدگی، یک جنبه پیچیده و اغلب نادیده‌گرفته شده از رفتار زودگیرکننده‌ها است. در حالی که تسریع‌کننده‌ها با افزایش گرمای هیدراتاسیون، جمع‌شدگی حرارتی را تشدید می‌کنند، اما با تسریع گیرش، بتن سریع‌تر صلب شده و آب کمتری از سطح آن تبخیر می‌شود که این امر به کاهش نرخ اولیه جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن کمک می‌کند. این موضوع اهمیت طراحی دقیق مخلوط و اجرای صحیح عمل‌آوری را برای مدیریت کلی تغییرات حجمی بتن نشان می‌دهد.
- آب‌انداختگی و جدایی دانه‌ها: برخی زودگیرکننده‌ها (مانند BETOCRETE–E100) می‌توانند ریسک جداشدگی سنگدانه‌ها و آب‌انداختگی را کاهش دهند.
- دوام: استفاده از کلرید کلسیم با دوز بالا می‌تواند مقاومت سولفاتی را کاهش دهد. همچنین، مقاومت در برابر چرخه‌های یخ‌زدگی و ذوب شدن متوالی در سنین اولیه افزایش یافته، اما در درازمدت کاهش می‌یابد که در این صورت استفاده از مواد حباب‌هوازا توصیه می‌گردد. با این حال، برخی زودگیرکننده‌ها می‌توانند دوام بتن و نفوذپذیری آن را بهبود بخشند و ریسک پدیده‌هایی مانند قلیایی شدن سنگدانه‌ها، آب‌شستگی و حملات سولفاتی را کم کنند.
۲.۴. مزایا
استفاده از افزودنی های زودگیرکننده مزایای متعددی را در پروژه‌های بتنی به ارمغان می‌آورد:
- تسریع در زمان گیرش و دستیابی سریع به مقاومت اولیه بتن: این اصلی‌ترین مزیت است که امکان بارگذاری سریع‌تر سازه را فراهم می‌کند.
- امکان قالب‌برداری سریع‌تر و کاهش زمان عمل‌آوری بتن: این امر منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی در زمان و هزینه پروژه می‌شود.
- اصلاح خواص بتن در هوای سرد و جلوگیری از آسیب‌های ناشی از یخ‌زدگی بتن تازه: زودگیرکننده‌ها با افزایش گرمای هیدراتاسیون، دمای داخلی بتن را بالا می‌برند و از یخ‌زدگی آب اختلاط در دماهای پایین جلوگیری می‌کنند.
- تسهیل در تکمیل زودهنگام سطوح بتنی: سرعت گیرش بالاتر امکان پرداخت و تکمیل سریع‌تر سطوح را فراهم می‌کند.
- سودمند در ساخت‌وساز پیش‌ساخته و پیش‌تنیده: در این صنایع، نیاز به کسب مقاومت اولیه بالا برای جابجایی و پیش‌تنیدگی قطعات بسیار حیاتی است.
- امکان بتن‌ریزی در دمای پایین: برخی از انواع می‌توانند امکان بتن‌ریزی را تا دمای ۷- درجه سانتی‌گراد فراهم کنند.
- افزایش سرعت چسبندگی بتن جدید به قدیمی: این ویژگی در عملیات ترمیم و وصله کاری مفید است.
۲.۵. معایب
در کنار مزایا، استفاده از زودگیرکننده‌ها می‌تواند معایبی نیز داشته باشد:
- خطر خوردگی آرماتور: زودگیرکننده‌های حاوی کلرید کلسیم به دلیل افزایش خطر خوردگی آرماتور، محدود به بتن غیرمسلح هستند و در بتن‌های مسلح مجاز نمی‌باشند. این یک محدودیت حیاتی در کاربرد این نوع افزودنی است.
- کاهش مقاومت درازمدت: برخی از تسریع‌کننده‌ها، به ویژه کلرید کلسیم، ممکن است مقاومت درازمدت بتن را کاهش دهند.
- تشدید جمع‌شدگی حرارتی: همانطور که پیش‌تر ذکر شد، می‌توانند جمع‌شدگی حرارتی را افزایش دهند.
- نامگذاری غلط “ضدیخ”: یک تصور نادرست رایج این است که افزودنی های زودگیرکننده “ضدیخ” هستند. این مواد نقطه انجماد آب داخل بتن را به میزان چشمگیری کاهش نمی‌دهند. در واقع، عملکرد آن‌ها در هوای سرد از طریق تسریع هیدراتاسیون و تولید گرمای بیشتر است که از یخ زدن آب اختلاط جلوگیری می‌کند، نه اینکه نقطه انجماد آب را پایین بیاورند. این تمایز برای مهندسان بسیار مهم است تا در شرایط یخبندان، اقدامات حفاظتی لازم (مانند عایق‌بندی و گرمایش) را به درستی ارزیابی و اعمال کنند و صرفاً به افزودنی تکیه نکنند.
۲.۶. کاربردها
افزودنی های زودگیرکننده در طیف وسیعی از پروژه‌های عمرانی کاربرد دارند:
- بتن‌ریزی در هوای سرد و مناطق سردسیری: برای جبران اثر کندکنندگی دمای پایین بر گیرش بتن و جلوگیری از یخ‌زدگی.
- قالب‌برداری سریع‌تر و بارگذاری زودهنگام سازه: در مواردی که نیاز به سرعت بالای ساخت و ساز و بازگشت سریع به بهره‌برداری وجود دارد.
- تولید قطعات بتنی پیش‌ساخته و پیش‌تنیده: برای افزایش بهره‌وری و سرعت تولید در کارخانجات بتن.
- ترمیم سریع سازه‌های بتنی و بتن‌ریزی در شرایط اضطراری: در مواقعی که نیاز به تعمیرات فوری و کسب مقاومت سریع وجود دارد.
- شاتکریت (بتن پاششی): برای پایدارسازی شیب‌ها، گودبرداری‌ها، لاینینگ تونل‌ها و حفاری‌ها که نیاز به گیرش سریع برای پایداری فوری دارند.
- ضدآب کردن زیرزمین‌ها: در برخی موارد برای افزایش سرعت آب‌بندی.
- ساخت ملات‌های ترمیمی موقت و هرگونه ترکیب سیمانی که نیاز به تسریع در سرعت گیرش دارد: برای کاربردهای خاص که زمان گیرش کوتاه حیاتی است.
۳. افزودنی های دیرگیرکننده بتن
افزودنی های دیرگیرکننده بتن، موادی هستند که برای به تأخیر انداختن زمان گیرش اولیه بتن به کار می‌روند. این مواد با کنترل فرآیند هیدراتاسیون سیمان، زمان کارایی بتن را افزایش می‌دهند و امکان حمل‌ونقل طولانی‌تر و بتن‌ریزی در شرایط خاص را فراهم می‌کنند.
۳.۱. تعریف و مکانیزم عمل
افزودنی های دیرگیرکننده (Retarder) یا کندگیرکننده، موادی آلی یا ترکیبی از مواد آلی و معدنی هستند که با کنترل و ایجاد تأخیر در فرآیند هیدراتاسیون سیمان، سرعت گیرش بتن را کاهش می‌دهند و زمان کارایی بتن را افزایش می‌دهند. این تأخیر معمولاً بدون تأثیر منفی بر خواص مکانیکی طولانی‌مدت بتن است.
مکانیزم دقیق عمل کندگیرکننده‌ها هنوز به طور کامل شناخته نشده است، اما چندین روش اصلی برای توضیح رفتار آن‌ها پیشنهاد شده است:
- جذب (Adsorption): در این مکانیزم، افزودنی بر سطح ذرات سیمان جذب شده و یک لایه محافظ (پوست) در اطراف آن‌ها ایجاد می‌کند. این لایه به عنوان یک مانع انتشار عمل کرده و مانع از رسیدن مولکول‌های آب به سطح سیمان هیدراته نشده می‌شود. در نتیجه، فرآیند هیدراتاسیون کند می‌شود و خمیر سیمان برای مدت طولانی‌تری در حالت پلاستیک باقی می‌ماند.
- هسته‌زایی (Nucleation): هنگامی که آب به سیمان اضافه می‌شود، یون‌های کلسیم و هیدروکسیل از سطح ذرات سیمان آزاد می‌شوند و محصولات هیدراتاسیون شروع به تبلور می‌کنند. یک ماده افزودنی کندگیر که در سیمان ادغام می‌شود، توسط هسته‌های هیدروکسید کلسیم جذب می‌شود، که از رشد آن‌ها تا حدی از اشباع شدن جلوگیری می‌کند و تبلور محصولات هیدراتاسیون را به تأخیر می‌اندازد.
- کمپلکس شدن (Complexation): در دقایق اولیه پس از اختلاط، افزودنی با یون‌های کلسیم که توسط دانه‌های سیمان آزاد می‌شوند، کمپلکس تشکیل می‌دهد. تشکیل این کمپلکس‌ها باعث افزایش حلالیت سیمان می‌شود و به نوعی فرآیند گیرش را به تأخیر می‌اندازد.
- بهبود رشد بلورها: برخی افزودنی‌ها می‌توانند رشد بلورها یا نحوه شکل‌گیری آن‌ها را به نحوی بهبود دهند که مایع مؤثرتری برای جلوگیری از هیدراتاسیون ایجاد کنند.
نکته حائز اهمیت این است که اثرات مکانیسم‌های کندکنندگی موقتی هستند. پس از یک دوره قابل پیش‌بینی، اثرات آن‌ها از بین رفته و فرآیند هیدراتاسیون به طور طبیعی ادامه می‌یابد.
۳.۲. انواع رایج و ترکیبات شیمیایی
انواع رایج کندگیرکننده‌ها شامل شکر، مشتقات کربوهیدرات‌ها، نمک‌های روی محلول، جوهر، بوره محلول (بوراکس) و سایر مواد مشابه هستند. مقادیر زیاد شکر، به طور مثال ۰.۲ تا ۱ درصد جرم سیمان، می‌تواند به طور کامل از گیرش سیمان جلوگیری کند.
همچنین، بسیاری از افزودنی های کاهنده آب (روان‌کننده‌ها) نیز خود به عنوان دیرگیرکننده عمل می‌کنند و به نام روان‌کننده‌های دیرگیر شهرت دارند. لیگنوسولفونات‌ها از جمله ترکیبات رایج هستند که هم خاصیت کاهندگی آب و هم دیرگیرکنندگی دارند. هیدروکسی کربوکسیلیک اسیدها و پلی‌ساکاریدها نیز از جمله مواد تشکیل‌دهنده دیرگیرکننده‌ها هستند.
۳.۳. خواص فیزیکی و شیمیایی بتن حاوی دیرگیرکننده
افزودنی های دیرگیرکننده تأثیرات مهمی بر خواص بتن دارند:
- مقاومت فشاری: به علت عمل کندگیرکنندگی، مقاومت یک روزه بتن کاهش می‌یابد. این کاهش مقاومت اولیه به دلیل به تأخیر افتادن فرآیند هیدراتاسیون است. با این حال، اثر این مواد در مقاومت فشاری درازمدت ناچیز است و حتی در برخی موارد می‌تواند مقاومت‌های بلندمدت را بهبود بخشد. این بهبود به این دلیل است که گیرش آرام و یکنواخت منجر به تخلخل کمتر و ریزساختار بهتری در بتن سخت‌شده می‌شود.
- کارایی و روانی: دیرگیرکننده‌ها زمان کارایی و کارپذیری بتن را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند. این افزایش زمان کارایی برای حمل و نقل طولانی بتن، بتن‌ریزی‌های حجیم و پروژه‌هایی که نیاز به زمان بیشتری برای جایدهی و پرداخت دارند، بسیار حیاتی است.
- جمع‌شدگی و ترک‌خوردگی:
- دیرگیرکننده‌ها به دلیل طولانی‌تر کردن مرحله پلاستیک بودن بتن، تمایل به افزایش جمع‌شدگی پلاستیک و آب‌انداختگی دارند. این پدیده به دلیل نشست بیشتر ذرات جامد در فاز خمیری و خروج آب اضافی از سطح بتن رخ می‌دهد.
- با این حال، جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن بدون تأثیر باقی خواهد ماند.
- یک جنبه مهم این است که در حالی که دیرگیرکننده‌ها ممکن است با افزایش آب‌انداختگی و افت پلاستیک همراه باشند، می‌توانند به طور متناقضی منجر به کاهش ترک‌های حرارتی و ترک‌های ناشی از خشک شدن در بتن سخت‌شده شوند. این اثر به این دلیل است که فاز پلاستیک طولانی‌تر، امکان تراکم و نشست بهتر بتن در قالب را فراهم می‌کند. این فرآیند به خروج حباب‌های هوای محبوس و آب اضافی (آب‌انداختگی) کمک می‌کند. بتن حاصل از این فرآیند، متراکم‌تر و یکنواخت‌تر بوده و تنش‌های داخلی کمتری دارد. این ریزساختار بهبود یافته و کاهش تنش‌های داخلی، در نهایت به کاهش حساسیت بتن در برابر ترک‌خوردگی حرارتی (به دلیل اتلاف تدریجی‌تر گرما در بتن‌ریزی‌های حجیم) و ترک‌های ناشی از خشک شدن کمک می‌کند. این موضوع نشان می‌دهد که معایب اولیه یک افزودنی می‌توانند در صورت مدیریت صحیح، به مزایای بلندمدت منجر شوند.
- آب‌انداختگی و جدایی دانه‌ها: عوارض جانبی مواد افزودنی دیرگیرکننده شامل ایجاد یا افزایش میزان آب‌انداختگی و همچنین افزایش افت پلاستیک در بتن به دلیل طولانی‌تر کردن مرحله پلاستیک بودن بتن است. مصرف بیش از حد می‌تواند به آب‌انداختگی و روان شدن بتن منجر شود و حتی بتن را غیرقابل مصرف نماید.
- دوام: آرامش در روند گیرش بتن و جاگیری بهتر در قالب، منجر به تولید بتنی با تخلخل و نفوذپذیری کمتر می‌شود و در نتیجه آسیب‌پذیری بتن سخت‌شده، به ویژه در مناطق دریایی و در برابر عوامل خورنده، کمتر خواهد بود که به دوام آن کمک می‌کند.
- عوامل مؤثر بر عملکرد: میزان تأخیر ایجاد شده به عواملی چون غلظت افزودنی، مقدار استفاده، طرح اختلاط بتن، دمای محیط و بتن، و نوع سیمان (به ویژه مقدار تری‌کلسیم آلومینات (C3A) و قلیایی‌های سیمان (K2O, Na2O)) بستگی دارد. سیمان‌های مختلف مقادیر متفاوتی از افزودنی را برای دستیابی به تأخیر یکسان نیاز دارند. زمان اضافه کردن افزودنی نیز بر عملکرد تأثیرگذار است؛ بهترین عملکرد زمانی حاصل می‌شود که افزودنی کندگیرکننده بعد از مخلوط شدن سایر اجزا به طرح مخلوط اضافه شود.
۳.۴. مزایا
استفاده از افزودنی های دیرگیرکننده مزایای کاربردی و فنی مهمی را ارائه می‌دهد:
- جلوگیری از تشکیل درز سرد: در بتن‌ریزی‌های متوالی یا حجیم، دیرگیرکننده‌ها از گیرش زودهنگام لایه‌های زیرین جلوگیری کرده و امکان اتصال یکپارچه بین لایه‌ها را فراهم می‌کنند.
- بهبود شرایط پرداخت بتن در هوای گرم: در دماهای بالا که بتن به سرعت گیرش می‌یابد، دیرگیرکننده‌ها زمان کافی برای پرداخت و تکمیل سطح را فراهم می‌کنند.
- جلوگیری از تشکیل ترک: با کنترل گیرش و کاهش تنش‌های ناشی از تغییر شکل‌ها و قالب، به جلوگیری از ترک‌خوردگی کمک می‌کنند.
- مفید در بتن‌ریزی در هوای گرم: در این شرایط، زمان گیرش عادی بتن به دلیل دمای بالا کاهش می‌یابد و دیرگیرکننده‌ها این اثر را جبران می‌کنند.
- ایجاد سطوح پرداخت‌کاری با سنگدانه‌های نمایان: با به تأخیر انداختن گیرش سطح، امکان شستشو و نمایان کردن سنگدانه‌ها برای اهداف معماری فراهم می‌شود.
- امکان ریختن حجم‌های بزرگی از بتن: این افزودنی‌ها اجازه می‌دهند تا بتن در دوره‌های زمانی طولانی‌تری ریخته شود و نیاز به شکل‌دهی، ریختن و اتصال بخش‌های جداگانه را کاهش می‌دهد.
- امکان پمپ کردن بتن در مسافت‌های طولانی: با حفظ کارایی بتن، امکان انتقال آن به فواصل دورتر یا ارتفاعات بالاتر را فراهم می‌سازند.
- جلوگیری از گیرش بتن در مواقع اضطراری: در صورت خرابی میکسر یا کامیون حمل بتن، یا در شرایط ترافیکی، دیرگیرکننده‌ها می‌توانند از گیرش زودرس بتن جلوگیری کرده و آن را قابل استفاده نگه دارند.
- کنترل دمای هیدراتاسیون در بتن‌ریزی حجیم: در سازه‌های بتنی حجیم مانند سدها، دیرگیرکننده‌ها به کاهش دمای تولید شده در اثر هیدراتاسیون و جلوگیری از ترک‌های حرارتی ناشی از اختلاف دمای هسته و سطح کمک می‌کنند.
۳.۵. معایب
استفاده از دیرگیرکننده‌ها نیز با چالش‌ها و معایبی همراه است:
- خطر عدم گیرش (Non-setting): مصرف بیش از حد افزودنی کندگیرکننده ممکن است اخلال جدی در گیرش بتن به وجود آورد و حتی بتن را غیرقابل مصرف نماید. مقادیر زیاد شکر (۰.۲ تا ۱ درصد جرم سیمان) می‌تواند به طور کامل از گیرش سیمان جلوگیری کند. این خطر نیازمند کنترل دقیق دوز مصرفی و انجام آزمایشات کارگاهی است.
- افزایش آب‌انداختگی و افت پلاستیک: به دلیل طولانی‌تر کردن مرحله پلاستیک بودن بتن، می‌تواند میزان آب‌انداختگی و افت پلاستیک را افزایش دهد. این امر می‌تواند بر کیفیت سطح و یکنواختی بتن تأثیر بگذارد.
- نیاز به عمل‌آوری دقیق: هنگام استفاده از این مواد، باید در عمل‌آوری و محافظت، به علت استعداد زیاد ترک‌خوردگی ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک و آب‌انداختن دقت بیشتری به عمل آید.
- کاهش مقاومت اولیه: همانطور که ذکر شد، مقاومت یک روزه بتن را کاهش می‌دهد. این موضوع می‌تواند زمان بازگشت به بهره‌برداری یا قالب‌برداری را به تأخیر اندازد.
- تأثیر بر طراحی و روند بتن‌ریزی: استفاده از کندگیرکننده ممکن است بر طراحی و یا روند بتن‌ریزی تأثیر گذارد و نیازمند برنامه‌ریزی دقیق‌تر باشد.
۳.۶. کاربردها
افزودنی های دیرگیرکننده در شرایط مختلفی که نیاز به کنترل زمان گیرش بتن وجود دارد، به کار می‌روند:
- جبران اثرات هوای گرم در تسریع گیرش بتن و بتن‌ریزی در مناطق گرمسیر: این اصلی‌ترین کاربرد است تا زمان کارایی بتن در دماهای بالا حفظ شود.
- افزایش مدت زمانی که بتن دارای کارایی مناسبی برای جایدهی و تراکم است: این امر به ویژه در پروژه‌های بزرگ یا پیچیده که نیاز به زمان بیشتری برای عملیات اجرایی دارند، مفید است.
- بتن‌ریزی پی‌ها و پایه‌های بزرگ یا چاه‌های نفت: در این سازه‌ها، حجم بالای بتن و نیاز به یکپارچگی، استفاده از دیرگیرکننده را ضروری می‌کند.
- پمپ کردن بتن در مسافت‌های طولانی: برای حفظ روانی و کارایی بتن در طول فرآیند پمپاژ.
- تأخیر در گیرش برای امکان ایجاد سطوح بتنی با دانه‌های نمایان: در معماری بتنی برای ایجاد بافت‌های خاص.
- جلوگیری از گیرش بتن در مواقع اضطراری: مانند خرابی میکسر، ترافیک یا تأخیرهای غیرمنتظره در محل پروژه.
- بتن‌ریزی حجیم برای کنترل دمای هیدراتاسیون و جلوگیری از ترک‌های حرارتی: در سازه‌هایی مانند سدها و دیوارهای ضخیم.
۴. استانداردها و طبقه‌بندی افزودنی های تنظیم زمان گیرش بتن
برای اطمینان از کیفیت و عملکرد صحیح افزودنی های تنظیم زمان گیرش بتن ، استانداردهای ملی و بین‌المللی متعددی تدوین شده‌اند که به تعریف، طبقه‌بندی، الزامات عملکردی، و روش‌های آزمون این مواد می‌پردازند. دو استاندارد مهم در این زمینه، ASTM C494 و EN 934-2 هستند.
۴.۱. استاندارد ASTM C494: طبقه‌بندی و الزامات
استاندارد ASTM C494، یکی از مهم‌ترین مراجع بین‌المللی برای افزودنی های شیمیایی بتن است. این استاندارد افزودنی‌ها را بر اساس عملکرد اصلی آن‌ها به هشت دسته اصلی تقسیم می‌کند:
- تیپ A: کاهنده آب (Water-Reducer یا Plasticizer): این افزودنی‌ها میزان آب مورد نیاز در مخلوط بتن را کاهش می‌دهند.
- تیپ B: کندگیرکننده (Retarder): این نوع افزودنی زمان گیرش بتن را به تأخیر می‌اندازد.
- تیپ C: تندگیرکننده (Accelerator): این افزودنی زمان گیرش بتن را تسریع می‌کند.
- تیپ D: کاهنده آب و کندگیرکننده (Water-Reducer and Retarder): این دسته خواص کاهش آب و تأخیر در گیرش را به طور همزمان ترکیب می‌کند. این روان‌کننده‌های کندگیر در پروژه‌هایی که نیاز به حفظ کارایی برای مدت طولانی‌تری وجود دارد، مانند بتن‌ریزی‌های حجیم یا حمل‌ونقل‌های طولانی، بسیار مفید هستند.
- تیپ E: کاهنده آب و تندگیرکننده (Water-Reducer and Accelerator): این نوع افزودنی خواص کاهش آب و تسریع در گیرش را با هم دارد. روان‌کننده‌های زودگیر در شرایطی که نیاز به کسب مقاومت اولیه سریع و کاهش آب اختلاط وجود دارد، مانند بتن‌ریزی در هوای سرد یا تولید قطعات پیش‌ساخته، کاربرد فراوانی دارند.
- تیپ F: کاهنده قوی آب (High Range Water Reducer یا SuperPlasticizer): این افزودنی‌ها کاهنده‌های آب بسیار قوی‌تری هستند و قادرند میزان آب را به میزان قابل توجهی (۲۱ تا ۳۱ درصد) کاهش دهند، در حالی که روان‌کننده‌های معمولی ۵ تا ۱۲ درصد کاهش می‌دهند.
- تیپ G: کاهنده قوی آب و دیرگیرکننده (High Range Water Reducer and Retarder): این دسته ترکیب‌کننده خواص کاهش قوی آب و تأخیر در گیرش است.
- تیپ S: افزودنی های با عملکرد خاص (Special Performance Admixtures): این رده شامل افزودنی های با عملکردهای تخصصی است که در دسته‌های دیگر قرار نمی‌گیرند.
بر اساس این استاندارد، افزودنی های تنظیم زمان گیرش بتن به طور مستقیم در تیپ‌های B و C و به صورت ترکیبی در تیپ‌های D، E و G طبقه‌بندی می‌شوند. میزان مصرف افزودنی های کاهنده آب یا روان‌کننده‌ها به طرح اختلاط، مواد به کار رفته و اسلامپ مورد نظر بستگی دارد و حداکثر می‌تواند ۵ درصد وزن سیمان باشد.
۴.۲. استاندارد EN 934-2: الزامات عملکردی
استاندارد اروپایی EN 934 به شش بخش تقسیم می‌شود، که بخش EN 934-2 به طور خاص به افزودنی های بتن می‌پردازد. این استاندارد الزامات مشترک برای همه افزودنی‌ها را در محدوده استانداردهای EN 934-2 تا EN 934-5 شرح می‌دهد، از جمله الزامات خاص برای هر نوع افزودنی.
استاندارد EN 934-2 گروه‌های مختلف محصولات افزودنی را تعریف و الزامات عملکردی آن‌ها را مشخص می‌کند. افزودنی های تنظیم زمان گیرش در این استاندارد به شرح زیر تعریف می‌شوند:
- زودگیرکننده گیرش (Set Accelerator): افزودنی‌ای که زمان گیرش اولیه را کاهش می‌دهد و با افزایش مقاومت اولیه همراه است.
- زودگیرکننده سخت‌شدگی (Hardening Accelerator): افزودنی‌ای که توسعه مقاومت اولیه بتن را تسریع می‌کند، بدون اینکه تأثیر عمده‌ای بر زمان گیرش و خواص پلاستیک بتن تازه داشته باشد.
- دیرگیرکننده (Retarder): افزودنی‌ای که زمان گیرش اولیه را افزایش می‌دهد و منجر به افزایش زمان کارایی و تأخیر در توسعه مقاومت اولیه می‌شود.
الزامات این استاندارد شامل مواردی مانند محتوای کلراید، محتوای قلیایی، رفتار خوردگی، و مواد خطرناک است. همچنین، دوز مجاز افزودنی‌ها طبق EN 206، حداکثر ۵ درصد وزن سیمان است، مگر اینکه اثر دوز بالاتر بر عملکرد و دوام بتن تأیید شود. برای دوزهای پایین‌تر از ۰.۲ درصد وزن سیمان، افزودنی باید در بخشی از آب اختلاط حل شود. در صورت استفاده همزمان از چند افزودنی، سازگاری آن‌ها باید از طریق آزمایشات خاص تأیید شود.
استاندارد EN 934-2 همچنین روش‌های آزمایشی را که در سری استانداردهای EN 480 یافت می‌شود، برای ارزیابی عملکرد افزودنی‌ها ارجاع می‌دهد. این استانداردها چارچوبی جامع برای تضمین کیفیت و عملکرد افزودنی های بتن فراهم می‌کنند و به تولیدکنندگان و کاربران کمک می‌کنند تا محصولات مناسب را برای کاربردهای خاص انتخاب کنند.
۵. نتیجه‌گیری
افزودنی های تنظیم زمان گیرش بتن ، شامل زودگیرکننده‌ها و دیرگیرکننده‌ها، ابزارهای مهندسی حیاتی در صنعت ساخت‌وساز مدرن هستند. این مواد با تأثیرگذاری بر سرعت واکنش هیدراتاسیون سیمان، امکان کنترل دقیق زمان گیرش بتن را فراهم می‌آورند و بدین ترتیب، به مهندسان اجازه می‌دهند تا خواص بتن را متناسب با نیازهای خاص پروژه، شرایط محیطی و چالش‌های اجرایی تنظیم کنند.
افزودنی های زودگیرکننده با تسریع هیدراتاسیون، زمان گیرش را کاهش داده و به سرعت بخشیدن به کسب مقاومت اولیه کمک می‌کنند. این ویژگی در سناریوهایی مانند بتن‌ریزی در هوای سرد (با تولید گرما و جلوگیری از یخ‌زدگی آب اختلاط)، قالب‌برداری سریع، و تولید قطعات پیش‌ساخته بسیار ارزشمند است. با این حال، استفاده از برخی از آن‌ها (مانند کلرید کلسیم) در بتن مسلح به دلیل خطر خوردگی آرماتور محدودیت دارد. همچنین، باید توجه داشت که این مواد نقطه انجماد آب را به طور قابل توجهی کاهش نمی‌دهند و نباید به اشتباه “ضدیخ” نامیده شوند. تأثیر آن‌ها بر جمع‌شدگی نیز پیچیده است؛ در حالی که می‌توانند جمع‌شدگی حرارتی را تشدید کنند، ممکن است نرخ اولیه جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن را کاهش دهند.
در مقابل، افزودنی های دیرگیرکننده با به تأخیر انداختن هیدراتاسیون، زمان کارایی بتن را افزایش می‌دهند. این خاصیت در شرایطی مانند بتن‌ریزی در هوای گرم، حمل‌ونقل طولانی، بتن‌ریزی‌های حجیم (برای کنترل دمای هیدراتاسیون و جلوگیری از درز سرد)، و ایجاد سطوح خاص بتنی کاربرد دارد. اگرچه ممکن است مقاومت اولیه را کاهش دهند و در دوزهای بالا منجر به آب‌انداختگی یا حتی عدم گیرش شوند، اما می‌توانند به بهبود مقاومت درازمدت و کاهش ترک‌خوردگی‌های حرارتی و ناشی از خشک شدن در بتن سخت‌شده کمک کنند. این پدیده به دلیل فراهم آوردن زمان کافی برای تراکم بهتر و خروج حباب‌های هوا و آب اضافی است که منجر به بتنی متراکم‌تر و با دوام‌تر می‌شود.
استانداردهایی نظیر ASTM C494 و EN 934-2 چارچوبی جامع برای طبقه‌بندی، الزامات عملکردی و روش‌های آزمون افزودنی های تنظیم زمان گیرش بتن را فراهم می‌کنند. رعایت این استانداردها و درک دقیق مکانیزم عمل، خواص، مزایا و معایب هر نوع افزودنی، برای انتخاب صحیح و بهینه‌سازی طرح اختلاط بتن در پروژه‌های مختلف عمرانی ضروری است. در نهایت، استفاده هوشمندانه از افزودنی های تنظیم زمان گیرش، نه تنها به بهبود عملکرد و دوام سازه‌های بتنی کمک می‌کند، بلکه منجر به افزایش کارایی و صرفه‌جویی در منابع در فرآیند ساخت‌وساز می‌شود.
