موسوی پورمهرام، سیدفرهود

مواد پرکننده بتن و تاثیر آنها در آب بندی سازه های بتنی

مقدمه

طبق برآوردهاي انجا­شده سالانه بيش از 1 متر مكعب بتن برای هر فرد ساکن زمین تولید مي­شود، و اين امر اين محصول را معروف ترین و پر استفاده ترین ماده دست­ساز بشر در كل دنيا نموده­است. از سوي ديگر عنصر کلیدی برای توليد اين حجم بتن سیمان است، سيمان به عنوان جز چسباننده بتن از جمله گران­ترين اجزاي بتن محسوب شده و استفاده بيس از حد آن در بتن هم افزايش هزينه­هاي توليد را در برداشته و هم موجب ايجاد برخي مشكلات از جمله افزايش نفوذپذيري بتن و به دنبال آن افزايش احتمال حمله يون­هاي مخرب به بتن و در نهايت كاهش طول عمر و دوام بتن خواهدشد.

از سوي ديگر، يكي از عمده­ترين اثرات زيست­محيطي ناشي از تولید سیمان، انتشار 5 تا 10 درصد از كل گاز  CO2 توليد شده در سراسر جهان است كه به دليل استفاده از سوخت­های فسیلی در كارخانه­هاي سيمان ايجاد مي­شود. همچنين بايد خاطر نشان ساخت يكي از مواد اوليه توليد سيمان سنگ ­آهك مي­باشد كه در زمره منابع محدود قرار دارد. بنابراین، مي­بايست به دنبال راه­كار مناسبي براي حل مشكلات اشاره شده بود. یکی از راه های حل اين مشكلات استفاده از يك ماده پركننده که به وفور در دسترس است مي­باشد. در این مقاله،به توضيح در خصوص  امکان افزودنی مواد پركننده (Filler) مانند  ماسه میکرونیزه (MS)  و مشخصات فني اين دسته از افزودني­ هاي بتن مي­پردازد و تاثيرات افزودن اين مواد را در فرايند واكنش هيدراسیون و بهبود ريزساختارهاي خمير سيمان  و در نهايت بهبود كارايي و  مقاومت فشاری بتن بررسي مي­كند.

تاريخچه استفاده از مواد پركننده

در حقیقت دقیقا مشخص نیست اولین بار چه کسی از مواد پرکننده استفاده نمود چرا که اگر بخواهیم به تاریخچه مواد پرکننده اشاره کنیم به ناچار می­بایست تاریخچه مواد کامپوزیتی را که ترکیبی از اجزای ذیل هستند بررسی کنیم

• اجزای ترکیبات کامپوزیتی:
  • جز چسباننده (Binder Component): همانطور که از نام آن پیداست وظیفه این جزء چسبانده باقی اجزا به همدیگر است که معمولا این فرایند طی یک واکنش شیمیایی صورت می­پذیرد.
  • جز محلول (Soluble Component) : این جز وطیفه حل نمودن جز چسباننده را دارد تا شرایط جهت انجام واکنش­های شیمیایی در راستای عملکرد جزء چسباننده فراهم گردد.
  • جزء پرکننده (Filler Component) :وظیفه این دسته از مواد در یک ماده کامپوزیتی صرفا وظیفه پرکنندگی فضاهای خالی را داشته و بایستی از نظر شیمیایی خنثی باشند تا با دیگر اجزای کامپوزیت وارد واکنش نشوند.
  • مواد افزودنی (Additive Coponent) : این مواد بر اساس نیاز ماده کامپوزیتی و جهت تقویت مشخصات فنی هر کدام از اجزای دیگر و در شرایط خاص به ترکیب اضافه می­شوند که ممکن است خودشان نیز دارای یک ترکیب کامپوزیتی باشند.

اولین ماده کامپوزیتی ساخته شده دست بشر بر اساس گزارش­های موجود نوع خاصی از ملات­های دست­ساز بشر بوده که در 3000 سال قبل از میلاد توسط مصری­های باستان از ترکیب کاه و مخلوط گل جهت چسباندن و روی هم قرار دادن آجر و سنگ سازه­های خود از آن استفاده می­کردند. لذا همانطور که در بالا بدان اشاره شد تاریخچه استفاده از مواد پرکننده به تاریخچه استفاده از اولین مواد کامپوزیتی دست­ ساز بشر برمی­گردد.

با توجه به موارد فوق­ الذکر می­توان استنباط نمود که سابق بر این ، پر کننده ها عمدتا برای ارزان شدن محصولات نهایی مورد استفاده قرار مي­گرفت ولیکن امروزه ، ثابت شده است که پر کننده ها نیز می توانند به منظور افزایش خواص فنی محصولات مورد استفاده قرار گيرند..در نتیجه نسبت به توليد بهينه انواع مواد پركننده به عنوان مثال مواد نانوپركننده اقدام گرديده است.

تعريف مواد پرکننده

در جدول ذيل انواع فیلر و جز چسباننده در برخی کامپوزیت­های مختلف طبقه­بندي شده است.

نوع کامپوزیت	جز چسباننده	ماده پرکننده	خصوصیات ویژه مواد پرکننده
بتن	سیمان	شن و ماسه	بهای تمام شده کمتر، افزايش مقاومت
Drywall	گچ	کاغذ و مقوا	سخت کننده و حجم­دهنده
نئوپان	چسب، رزین مصنوعی	خاک اره	سخت کننده و حجم­دهنده
لاستیک خودرو	رزین لاستیک	دوده	حجم دهنده و بهبود مشخصات مکانیکی
مواد اپوکسی	رزین پایه اپوکسی	میکرواسفر ها	بهبود ویسکوزیته رزین

 

 

همانطور که در بالا مشاهده می­گردد، به طور عام  مواد پركننده ذراتي هستند كه در ساختار مواد كامپوزيتي، از جمله پلاستيك و بتن برای کاهش مصرف مواد چسباننده گران تر یا افزايش بهبود برخی خواص اين مواد اضافه شده است. در سراسر جهان سالانه بیش از 50 میلیون تن از مواد پرکننده با صرف هزينه­اي قريب به 25 میلیارد یورو درصنايع مختلف مانند کاغذ ، پلاستیک ، لاستیک، رنگ و چسب، مصرف صرف مي­شود. به این ترتیب  مواد  پرکننده تولید شده توسط بیش از 700 شرکت، دراي رتبه­ي بالايي در میان عمده مواد خام جهان و در ميان انواع کالاي توليد شده  برای نیازهای مصرفی روزانه مي­باشد.

در میان چند ده نوع  از مواد پرکننده مهم، کربنات کلسیم (به دليل آن كه از نظر فراواني دومين ماده طبيعي در سراسر دنيا محسوب مي­شود.)، بيشترين حجم مبادلات بازار مواد پركننده را به خود اختصاص داده است و عمدتا در صنعت کاغذ و به طور فزاینده ای در بخش پلاستیک و پليمر استفاده می شود. در حالی که قبلا کربنات کلسیم طبيعي حاصل از استخراج سنگ آهك از معادن به عنوان ماده اوليه در توليد اين ماده پركننده مورد استفاده قرار مي­گرفت، امروزه رسوب کربنات کلسیم تولید شده از مواد معدنی طبیعی به طور فزاینده­اي  به منظور ارتقاء ویژگی های فنی محصول نهایی مورد استفاده قرار مي­گيرد.

از سوی دیگر در اين ميان مواد پركننده مورد استفاده در تكنولوژي بتن جايگاه ويژه­اي در اين صنعت دارند.مواد پرکننده بتن در حقیقت سنگدانه­های بتن می­باشند و لیکن مواد پرکننده­ای که به عنوان افزودنی در بتن مورد استفاده قرار می­گیرند نوعي از افزودني­ هاي معدني بتن هستند که به دلیل داشتن ویژگی­های مثبت فراوان در حال کسب محبوبیت گسترده­اي به عنوان فاكتوربسیار مهمي در بهبود ساختار بتن هستند. این مواد پركننده به بهبود خواص مخلوط بتن کمک نموده و موجب كاهش جز چسباننده (Binder)  كه معمولا گران­تر نيز هست، در مخلوط بتن مي­گردند.

• تعریف مواد پرکننده افزودنی بتن بر اساس آیین ­نامه بتن ایران

بر اساس بند  3-6-4-1 مندرج در صفحه 52 آيين­ نامه بتن ايران (آبا) مواد پركننده در دسته افزودني­هاي معدني خنثي طبقه ­بندي مي­شوند. اين مواد مانند كوارتز آسياب شده (سيليس ميكرونيزه)، معمولا از طريق واكنش شيميايي موجب افزايش مقاومت بتن نمي­شوند. همانطور كه در بالا بدان اشاره شد، مصرف اين افزودني­ها وجب بهبود كارايي و چسبندگي بتن­هايي مي­شود كه كمبود ريزدانه دارند. اين مواد در بسياري از موارد الزامات سنگدانه­هاي بتن را تامين نموده و از آن­ها به عنوان سنگدانه در بتن استفاده مي­شود.

البته باید به این نکته توجه داشت که در برخی متون (حتی در منابع انگلیسی) اثرات مواد پرکننده را صرفا به بهبود ویژگی­های فیزیکی بتن محدود ننموده و در خصوص  اثرات این ماده بر خواص شیمیایی خمیر سیمان نیز اشراه داشته­اند (مرجع 5). این امر از آن­جا نشات می­گیرد که در برخی از تحقیقات و مطالعات انجام شده موادی که از نظر شیمیایی خنثی نمی­باشند را در دسته مواد پرکننده طبقه­بندی نموده و نسبت به بررسی اثرات این مواد به عنوان مواد پرکننده (Filler)، در بتن و خمیر سیمان اقدام می­کنند. مواد کربناته که بیشتر به دلیل اثرات شیمیایی مثبت به عنوان یک پرکننده به بتن افزوده می­شوند از این دست هستند.

همچنین ذکر این نکته الزامی است که در ایران بسیاری از دست­اندرکاران صنعت بتن بر این باورند که استفاده از ماده دوده سیلیسی (که به میکروسیلیس معروف شده است)، دارای اثرات یک ماده پرکننده در بتن بوده و حتی می­تواند موجب کاهش نفوذپذیری بتن گردد. در حالی که چنین تصوری از نظر علمی درست نمی­باشد. چرا که استفاده از ماده دوده سیلیسی به تنهایی در بتن نه تنها موجب کاهش نفوذپذیری بتن نمی­گردد، بلکه به دلیل واکنشی که دوده سیلیسی دوده سیلیسیفعال با هیدروکسید کلسیم خمیر سیمان می­دهد افزایش چشم­گیر نفوذپذیری بتن و خمیر سیمان را در برخواهد داشت.

در اثر واکنش دوده سیلیسی و هیدروکسید کلسیم خمیر سیمان ملکول­های سیلیکات کلسیم هیدراته (S-C-H) ایجاد می­شوند که هرچند تشکیل این پیوندها موجب افزایش مقاومت فشاری خمیر سیمان می­گردد و لیکن به دلیل کوچکتر شدن ملکول تشکیل شده از نظر ابعاد نسبت به ملکول هیدروکسید کلسیمی که جای آن را در خمیر سیمان می­گیرد، در نهایت شاهد افزایش فضاهای میکروسکوپی موجود در خمیر سیمان و در نتیجه افزایش نفوذپذیری بتن خواهیم بود. پیشنهاد مناسب جهت تصحیح این مشکل در هنگام افزودن دوده سیلیسی به بتن،استفاده از یک ماده پرکننده (بر اساس تعریف آیین­نامه بتن)، است که بدون هیچ­گونه واکنش شیمیایی صرفا نقش پرکنندگی فضاهای خالی ایجاد شده در اثر واکنش دوده سیلیسی با خمیر سیمان را ایفا نماید. (با مراجعه به مرجع 6 می­توانید در خصوص ماده مکمل بتن که علاوه بر دوده سیلیسی حاوی پرکننده­های واترپروف نیز می­باشد، بیشتر مطالعه نمایید)

 

• انواع مواد پركننده بتن و مشخصات فنی و استاندارهاي مربوطه

انواع مواد پركننده­اي كه در صنعت بتن مورد استفاده قرار ي­گيرد شامل موارد ذيل است

• انواع ماسه ميكرونيزه (Micronized Sand)

همانطور که از نام این افزودنی پرکننده پیداست این ماده افزودنی طی فرآیند مکانیکی از خردشدن ماسه در ابعاد میکرون تولید می­گردد. ترکیب شیمیایی این مواد تقریبا معادل ترکیبات سنگدانه­های بتن بوده و می­بایست کلیه الزاماتی را که سنگدانه­ های ریز بتن را در استانداردهای موجود از جمله:

ISIRI 302-1381، ASTM C 33 و BS 882 و آیین ­نامه آبا درج گرديده است را رعایت نمایند. لذادر استفاده از  مواد افزودني پركننده از اين دست مي­بايست همانند سنگدانه ­هاي بتن نسبت به رعایت الزامات موجود در استانداردهاي فوق از جمله مقدار مواد زيان­ آور و ميزان مقاومت در برابر سولفاتها را اقدام لازم صورت پذیرد.

نتایج آزمايش­هاي انجام شده بر روي مواد پركننده به وضوح نشان می دهد كه استفاده از اين مواد موجب بهبود خواص بتن مي­شود. نتايجي كه از استفاده از مقادير متفاوت (بر اساس ميزان صرف سيمان دربتن و مقدار ريزدانه­ هاي موجود در سنگدانه­ه ا) حاصل مي­شود به شرح ذيل است:

• جبران كمبود ريزدانه­ هاي مصالح سنگي به ويژه در مناطقي كه به دلايل مختلف در فرايند توليد سنگدانه­ ها مقادير متنابهي از مواد ريزدانه مانده روي الك 200 (دانه­ هاي با ابعاد 075/0 ميلي­متر)
• جبران ميزان مصرف بالاي سيمان به عنوان پركننده
• كاهش نفوذپذيري
• حصول اسلامپ بالاتر و در نتيجه توليد بتن با كارايي بهتر
• كاهش نيبت آب به سيمان

  • انواع پودرهاي واترپروف

بر اساس استاندارد BS EN 934 بخش دوم مواد واترپروف در یکی از دسته­بندی­های انواع مواد افزودنی بتن طبقه­ بندی می­شوند.  شركت Cormix   محصولات خود را در زمينه مواد واتر پروف به چهار تيپ اصلي تقسيم ­بندي مي­نمايد كه با توجه به خاصيتي كه از مواد واترپروف به عنوان مواد پركننده در سيمان انتظار مي­رود تيپ اول تعريف شده در بين اين محصولات يعني مواد  دفع كننده ي آب مثل اسيدهاي اولئيك و استريك كه آب را با تنش سطح دفع مي كنند مي­تواند در اين طبقه­بندي قرار گيرد. به طور كلي مواد واترپروف زيرمجموعه مواد آب­گريز(Hydrophobic)  محسوب شده كه عملكردي اصلي اين مواد دور كردن ذرات آب از سطح بتن است. در زير تصويري از عملكرد بتني ساخته شده با مواد واترپروف كه در معرض آب قرار گرفته است را مشاهده مي­نماييد.

 

-اين تصوير مكانيسم عملكرد مواد واترپروف را در بتن نشان مي­دهد.

 

معمولا اين مواد را به دليل قيمت تمام شده بالا و عملكرد قوي در مقادير كم و در حدود 1 تا 3 درصد وزني سيمان به بتن مي­ افزاييم. در حقيقت جهت كاهش خلل و فرج ريز ميكروسكوپي بين سنگدانه­ ها كه عمدتا ناشي از كسري فيلر و ريزدانه­ ها در بتن مي­باشد و كاهش ميزان لوله ­هاي موييني كه به واسطه تبخير آب در بتن پديدار مي­گردند مي­توان از پودر واترپروف به عنوان يك پركننده ميكرونيزه ضد آب در بتن استفاده نمود.

نكته: بايد توجه داشت كه جهت بالارفتن كارايي بتن، توصيه مي­شود اين ماده پركننده را همراه يكي از مواد افزودني كاهنده آب بتن جهت كاهش نسبت آب به سيمان استفاده نمود.

از جمله خواص استفاده از مواد واترپروف در بتن

• جلوگيري از نفوذ آب
• جلوگيري از نفوذ يون كلر و ساير مواد شيميايي خورنده به داخل بتن (افزايش مقاومت بتن در مقابل حمله سولفاتها و سرطاني شدن)
• مقاوم سازي بتن در برابر نمك­هاي يخ­زدا
• افزايش مقاومت بتن در مقابل سيكل­هاي ذوب و يخبندان
• لازم به توضیح است ماده افزودنی مکمل بتن FARA GEL AC1 (تولید شرکت فرازپایه البرز) (مرجع 6) به دلیل داشتن مواد واترپروف در فرمول تولید خود، می­تواند در دسته­ بندی مواد حاوی افزودنی پرکننده بتن طبقه ­بندی گردد.

  • انواع الياف (مرجع 12)

به دليل تكنولوژي جديد ساخت انواع مختلف الياف مورد استفاده در بتن تا كنون استاندارد كامل و جاعي در خصوص انواع الياف از جمله الياف شيشه­اي، فولادي و پليمري ارائه نگرديده است وليكن از آن­جايي كه عملكرد اين مواد نيز مانند مواد پركننده بوده و بدون هيچ­گونه واكنش شيميايي در بتن صرفا عملكرد پركنندگي فضاهاي خالي را در بتن ايفا مي­كنند بايد به اين نكته اشاره نمود كه نقش اصلي اين مواد افزايش مقاومت كششي بتن بوده و خاصيت الاستيكي بتن را بهبود مي ­بخشند. لذا معمولا اين مواد در زمره مواد گران قيت جهت بتن­هاي خاص طبقه­ بندي مي­شوند. از جمله خواصي كه با استفاده از اين مواد در بتن حاصل مي­شود به شرح ذيل است.

• افزايش مقاومت كششي بتن
• كاهش نفوذپذيري بتن

 

محدوده پذيرش مواد پركننده افزودني بتن بر اساس استاندارد (مرجع 8، 9، 10 و 11)

در ذیل الزاماتی که در استاندارهای ISIRI 302 و ASTM C33 در خصوص سنگدانه­ های بتن بدان اشاره شده است آورده شده است. بر اساس تعاریف ذکر شده در بندهای قبلی مواد پرکننده به دلیل ایفای نفش مواد ریزدانه سنگدانه­های موجود در بتن باید الزامات مربوط به ویژگی­های شیمیایی و فیزیکی سنگدانه­ ها را رعایت نموده و بر اساس این استاندارها تولید شوند. (مراجع 8 و 9)

 

 

علاوه بر موارد فوق­الذکر لازم به ذکر است بر اساس استاندارد 206 BS EN کلیه مواد افزودنی می­بایست از نظر مشخصات ذیل بررسی شوند.

• اثر افزودن ماده بر زمان گیرش
• اثر افزودن ماده مضاف بر مقاومت فشاری
• اثر افزودن ماده افزودنی بر میزان هوای بتن تازه
• میزان کلرید قابل انحلال در آب
• میزان ترکیبات قلیایی نظیر اکسید سدیم

عملکرد افزودنی­ ها به کمک یک بتن شاهد با مقایسه آزمایش بر روی نمونه بدون افزودنی و نمونه ساخته شده با مواد افزودنی کنترل می­شود. همچنین میزان کلریدها و قلیایی­های مواد افزودنی می­بایست به دقت اندازه­گیری شود. روش انجام آزمایش بر روی مواد افزودنی در استاندارد سری  EN 480 با موضوع روش آزمون مواد افزودنی در بتن، ملات و گروت ، آورده شده است.

میزان کلر قابل انحلال مجاز در افزودنی کل بتن در جدول شماره 10 استاندارد BS EN 206-1 مشخص شده است. ولیکن مقدار کلرید قابل انحلال مجاز در مواد افزودنی بر اساس استاندارد BS EN 934-2 به مقدار بیشینه 1/0% مشخص شده است.

در خصوص محاسبه میزان قلیایی­های مواد افزودنی در بند 2-2-2-5 استاندارد BS 8500- 2  توضیحاتی ارائه شده است و در استاندارد BS EN 934-2  کارخانجات تولید مواد افزودنیملزم به مشخص نمودن میزان حداکثر قلیایی ­های هر کدام از افزودنی­ های تولیدی خود هستند.

جمع بندي و نتيجه­ گيري

با توجه به مطالب فوق­ الذکر می­توان این­گونه نتیجه­ گیری نمود که بهترین روش بررسی مواد پرکننده افزودنی بتن، ارائه تعریف کامل و جامعی از مواد پرکننده می­باشد. چرا که در خیلی از موارد تعریف مواد پرکننده و مواد دیگری از جمله مواد پوزولانی مبهم ارائه می­گردد و نتیجه این امر تحلیل­ های اشتباه را از ویژگی­ها و اثرات مواد پرکننده بر رفتار و مشخصات فنی بتن و خمیر سیمان در برخواهد داشت.

از سوی دیگر بنا به تعریف ارائه شده از مواد پرکننده در بتن، 3 گروه اصلی از این مواد پرکننده که به عنوان ماده افزودنی به بتن اضافه می­گردد شناسایی شد. این 3 گروه اصلی شامل ماسه­ های میکرونیزه، پودرهای واترپروف و الیاف بتنی می­باشند که مشخصات فنی، استاندارها و اثرات این مواد بر رفتار بتن بررسی گردید.

 

منابع و ماخذ

 

1. Larrard, F., “Ultrafine particles for the making of very high strength concretes”, Cem and Conc. Res., Vol. 19, No 2, pp 1612-172, 1989
2. Soroka, I., Setter, N., “The effect of filler on strength of cement mortars”, Cem. And Conc. Res., Vol. 7, No 4, pp 449-456, 1977.
3. Bjorn Lagerblad Professor, PhD, Fillers & Ultrafine Fillers to Save Cement & Improve Concrete Properties, Swedish Cement and Concrete Research Institute, Sweden Carsten VOGT M.Sc, Swedish Cement and Concrete Research Institute, Sweden
4. H. Moosberg-Bustnes, B. Lagerblad, E. Forssberg, “ The function of fillers in concrete” RILEM Publications SARL, 2004
5. Z. Guemmadi 1), M. Resheidat 2), H. Chabil 1) and B. Toumi 3) Modeling the Influence of Limestone Filler on Concrete: A Novel Approach for Strength and Cost  Jordan Journal of Civil Engineering, Volume 3, No. 2, 2009
6. www.farazpaye.com
7. www.cormix.com
8. ASTM C33
9. ISIRI 302-1381
10. BS EN 206, Specifying constituent materials for concrete
11. BS EN 934, Admixtures for concrete, mortar & grout

12- اشرف ذکري کارشناس مرکزتحقيقات مهندسي جهاد و دانشجوي کارشناسي ارشد خاک و پي دانشگاه تبريز، تاثير الياف فولادي بر رفتار بتن با مقاومت بالا