مقایسۀ تأثیر روان‌کننده‌های نفتالینی و پلی‌کربوکسیلاتی بر خواص بتن: روانی، رئولوژی و مقاومت
این
تحقیق به مقایسه‌ای جامع و دقیق میان دو نوع رایج از افزودنی‌های شیمیایی
بتن، یعنی فوق‌روان‌کننده‌های نفتالین سولفونات (NSF) و پلی‌کربوکسیلات اتر
(PCE) اختصاص دارد. این دو ماده، به عنوان نمایندگان خانواده‌های شیمیایی
مختلف، عملکرد متفاوتی در بهبود خواص بتن تازه و سخت‌شده از خود نشان
می‌دهند. هدف از این مطالعه، بررسی تأثیر این فوق‌روان‌کننده‌ها بر
جنبه‌های کلیدی مانند روانی بتن، رفتار رئولوژیکی، روند گیرش، فرآیند
هیدراسیون و توسعه مقاومت فشاری در سنین مختلف است. یافته‌های حاصل از این
پژوهش می‌توانند به‌عنوان مرجع مفیدی برای مهندسان، طراحان و مجریان
پروژه‌های عمرانی در انتخاب افزودنی مناسب بر اساس نیازهای اجرایی و شرایط
محیطی عمل کنند، به‌ویژه در پروژه‌هایی که به بتن‌های با عملکرد بالا (High
Performance Concrete – HPC) نیاز دارند.
آزمایش‌های انجام‌شده:
برای
تحلیل دقیق‌تر تأثیر این افزودنی‌ها، مجموعه‌ای از آزمایش‌های استاندارد و
تخصصی روی سیستم‌های سیمانی حاوی NSF و PCE انجام شد که شامل موارد زیر
است:
• جریان خمیر (Paste Flow Test): در این آزمون، قابلیت
پخش‌پذیری اولیۀ خمیر سیمانی حاوی افزودنی بررسی شد. این پارامتر نقش مهمی
در ارزیابی روانی اولیه بتن دارد و معیار مناسبی برای مقایسۀ عملکرد فوری
روان‌کننده‌ها محسوب می‌شود.
• اندازه‌گیری ویسکوزیته پلاستیک و تنش
جاری: این آزمون‌ها با استفاده از رئومتر بتن انجام شدند تا مقاومت مخلوط
در برابر جریان تحت تنش‌های مختلف ارزیابی شود. این پارامترها به‌ویژه برای
بتن‌ریزی در مقاطع پیچیده یا استفاده در قالب‌های خاص اهمیت زیادی دارند.
•
زمان گیرش (Initial & Final Setting Time): به کمک دستگاه ویکات،
زمان شروع و پایان سخت شدن خمیر سیمان ثبت شد. بررسی تأثیر افزودنی‌ها بر
kinetics هیدراسیون سیمان از طریق این آزمون امکان‌پذیر بود.
• تست
حرارت‌زایی (Isothermal Calorimetry): برای ثبت الگوی گرمای آزاد شده طی
فرآیند هیدراسیون سیمان استفاده شد. این داده‌ها نقش حیاتی در شناخت رفتار
حرارتی بتن و پیش‌بینی ترک‌های ناشی از گرمای زودهنگام دارند.
•
مقاومت فشاری در سنین ۲، ۷ و ۲۸ روزه: این آزمون برای تحلیل چگونگی رشد
مقاومت مکانیکی بتن در کوتاه‌مدت و بلندمدت به کار رفت. انتخاب این سه سن
رایج به دلیل اهمیت آن‌ها در ارزیابی اولیه، میان‌مدت و نهایی عملکرد
سازه‌ای بتن است.
نتایج به‌دست‌آمده:
• PCE روانی بالاتری
نسبت به NSF ایجاد می‌کند. ساختار شیمیایی پیشرفته‌تر پلی‌کربوکسیلات، که
دارای زنجیره‌های جانبی با عملکرد بازدارندگی فضایی است، باعث پراکندگی
مؤثرتر ذرات سیمان و ایجاد روانی قابل توجه در مخلوط سیمانی می‌شود. این
روانی بالا بدون نیاز به افزایش نسبت آب به سیمان حاصل می‌شود، که مزیت
بسیار مهمی در حفظ مقاومت و دوام است.
• ویسکوزیته پلاستیک و تنش
جاری در بتن حاوی PCE کمتر است. بتن حاوی پلی‌کربوکسیلات در مقایسه با
نمونه‌های دارای نفتالین سولفونات، رفتار نرم‌تر و روان‌تری از خود نشان
داد، که اجرای آسان‌تر، پمپ‌پذیری بهتر و تراکم مطلوب‌تر را به‌دنبال دارد.
این ویژگی به‌ویژه در سازه‌هایی با تراکم آرماتور بالا یا در پروژه‌های
بلندمرتبه حائز اهمیت است.
• NSF باعث گیرش سریع‌تر سیمان شده؛
درحالی‌که PCE گیرش را به‌تاخیر می‌اندازد. این تفاوت ناشی از آن است که
ساختار ساده‌تر NSF تعامل ضعیف‌تری با سطح ذرات سیمان دارد، در حالی‌که
زنجیره‌های جانبی PCE، با جذب روی سطح ذرات سیمان، از آغاز سریع واکنش‌های
هیدراسیون جلوگیری کرده و روند گیرش را به تعویق می‌اندازند. تأخیر در گیرش
می‌تواند در برخی موارد مثل بتن‌ریزی در شرایط گرم یا با فاصله زمانی زیاد
بین بچینگ و اجرا، مزیت تلقی شود.
• گرمای هیدراسیون اولیه در مخلوط
NSF بیشتر و پیک حرارتی زودتر اتفاق می‌افتد. این نشان‌دهندۀ آغاز سریع‌تر
واکنش‌های شیمیایی بین آب و کلینکر سیمان در حضور NSF است. اگرچه این گرما
در کوتاه‌مدت ممکن است به رشد سریع مقاومت کمک کند، اما می‌تواند خطر
ترک‌های حرارتی اولیه را در بتن افزایش دهد، به‌ویژه در سازه‌های حجیم.
•
PCE نرخ گرمازایی کندتر اما پایدارتر در طول زمان ایجاد می‌کند. گرمای
هیدراسیون در حضور PCE به‌صورت تدریجی و یکنواخت آزاد می‌شود. این ویژگی
موجب کاهش تنش‌های حرارتی، کاهش انقباض‌های زودرس، و بهبود عملکرد دوام بتن
در طولانی‌مدت می‌شود.
• مقاومت فشاری در سن ۲۸ روزه برای بتن با
PCE بیشتر از بتن با NSF است. اگرچه ممکن است مقاومت اولیۀ بتن حاوی NSF
کمی بیشتر باشد، اما بتن حاوی PCE به‌دلیل پراکندگی بهتر ذرات سیمان، تراکم
بالاتر و ساختار هیدراتی مستحکم‌تر، در درازمدت مقاومت بیشتری کسب می‌کند.
این ویژگی به‌ویژه در سازه‌های باربر بلندمدت بسیار مهم است.
• بتن
حاوی PCE توزیع یکنواخت‌تری از ذرات سیمان دارد. این یکنواختی به‌واسطه
ساختار مولکولی پیچیده و خاصیت پراکندگی مؤثر PCE به‌دست آمده و موجب بهبود
فرآیند هیدراسیون و کاهش نقاط ضعف موضعی در ساختار ماتریسی بتن می‌شود.
•
NSF اگرچه روانی اولیه را افزایش می‌دهد، اما در نگهداری اسلامپ عملکرد
ضعیف‌تری نسبت به PCE دارد. این بدان معناست که بتن حاوی NSF در فاصله
زمانی کوتاهی پس از ساخت، افت روانی پیدا می‌کند و ممکن است در حین اجرا
نیاز به افزودن مجدد آب یا افزودنی داشته باشد؛ امری که به کاهش مقاومت و
کیفیت نهایی منجر می‌شود.
• PCE برای بتن‌هایی با نیاز به کارپذیری
بالا، زمان اجرای طولانی و دوام بیشتر توصیه می‌شود. بتن حاوی
پلی‌کربوکسیلات قابلیت حفظ روانی در مدت زمان طولانی‌تری دارد، بدون اینکه
کیفیت سازه‌ای یا مقاومت آن آسیب ببیند. این ویژگی باعث شده که PCE گزینه‌ی
مطلوبی برای پروژه‌های عظیم عمرانی، پل‌سازی، تونل‌سازی، بتن پیش‌تنیده و
سازه‌های در معرض شرایط محیطی سخت باشد.
• NSF گزینه‌ای مناسب برای
پروژه‌های سریع و اقتصادی است ولی کارایی آن در درازمدت محدودتر است. در
شرایطی که سرعت اجرا، هزینه پایین و در دسترس بودن اولویت دارند – و دوام
بلندمدت اهمیت کمتری دارد – استفاده از نفتالین سولفونات توجیه‌پذیر است.
نتیجه‌گیری کلی:
پلی‌کربوکسیلات‌اتر
(PCE) با ایجاد پراکندگی یکنواخت‌تر در ذرات سیمان، کاهش محسوس ویسکوزیته
پلاستیک، تأخیر کنترل‌شده در گیرش و رشد پایدار مقاومت فشاری، برتری مشخصی
نسبت به نفتالین سولفونات (NSF) در بتن‌های با عملکرد بالا از خود نشان
می‌دهد. این افزودنی به‌ویژه برای شرایطی که دوام، مقاومت نهایی و قابلیت
اجرایی در بازه زمانی طولانی اهمیت دارد، انتخاب مناسبی به‌شمار می‌رود.
در
سوی دیگر، نفتالین سولفونات (NSF) با فراهم کردن روانی اولیه مطلوب، سرعت
گیرش بالا و هزینه پایین‌تر، هنوز هم در بسیاری از پروژه‌های معمولی و
کم‌هزینه جایگاه دارد. با این حال، در کاربردهایی که کیفیت بلندمدت، حفظ
کارایی و کاهش ترک‌خوردگی حرارتی مدنظر است، انتخاب PCE به‌مراتب منطقی‌تر
خواهد بود.
منبع:
Effect of Naphthalene-Based Superplasticizer
and Polycarboxylic Ether on the Properties of Cementitious Systems
.Materials, 2021, Volume 14, Article 662
برای دریافت مشاوره و اطلاعات بیشتر، همین حالا با ما تماس بگیرید.