پلی کربوکسیلات در روان کننده های نسل جدید

امروزه استفاده از پلی کربوکسیلات‌ها که به عنوان نسل سوم روان‌کننده‌های بتن شناخته می‌شوند به عنوان عنصر اصلی فوق روان‌کننده است. مهم‌ترین تفاوت این روان‌کننده با روان‌کننده های نسل قبل مقدار کاهندگی آب آنها و روانی بخشی بالای آنها می باشد.مکانیسم اثر این ماده در كم كردن آب مورد نیاز بتن در از بین بردن این خاصیت ذرات سیمان در مواجهه با آب است. این مولکول‌های پلیمر به سطح ذرات سیمان می‌چسبند و باعث دفع ذرات از یکدیگر و خنثی شدن اثر آگلومریزاسیون در ذرات سیمان می‌شوند. و آب به دام افتاده آزاد شده و مخلوط همگنی ایجاد می‌شود. و روانی ملات افزایش می‌یابد. و بدلیل همگن شدن مخلوط و تماس یکنواخت آب با ذرات سیمان‌، هیدراتاسیون به شکل یکنواخت انجام می‌گیرد.پلی کربوکسیلات مایعی با رنگ قهوه‌ای روشن و وزن مخصوص ۱,۰۵کیلوگرم است. پلی کربوکسیلات کلر و نقطه اشتعال ندارد. قدرت این ترکیبات، نسبت به محصولات قدیمی‌تر که بر پایه‌ی نفتالن فرمالدئید سولفونه شده و ملامین فرمالدئید سولفونه شده بوده‌اند بسیار بالاتر است. به تازگی تحقیقات گسترده‌ای در زمینه‌ی مخلوط کردن روان کننده‌های و پلی کربوکسیلات انجام شده است و این تلفیق باعث شده است که علاوه بر بهبود روانی محصول، گیرش آن نیز قابل تنظیم شده و بهبود یابد.یکی از بهترین ویژگی‌های رزین‌های پلی کربوکسیلات نسبت به دیگر روان‌کننده‌ها امکان سنتز متنوع آن‌هاست. برای تولید روان‌کننده‌های لیگنو، نفتالن و ملامین تنوع محدودی وجود دارد، اما در تولید رزین‌های پلی کربوکسیلات مونومرهای متنوعی وجود دارند که امکان طراحی انواع مختلفی از رزین‌ها را می‌دهد. علاوه بر این تنوع فرآیند تولید وجود دارد، بنابراین می‌توان تنوعی از پلیمرها با ساختار مولکولی و وزن مولکولی متفاوت را تهیه کرد.روان‌کننده‌های قدیمی باعث افت اسلامپ زیاد در بتن‌ها می‌شدند؛ به همین دلیل از روان‌کننده‌ها در پای کار استفاده می‌شد و پیش از بتن ریزی آن‌ها را به مخلوط بتن می‌افزودند. اما با شروع تولید ترکیباتی با پایه پلی کربوکسیلات این مشکلات برطرف شده و امکان اضافه کردن فوق روان‌کننده به مخلوط بتنی در محل تولید بتن به وجود آمده است.ساختار مولکولی پلی کربوکسیلات‌ها به صورت زیر است که زنجیره‌های جانبی روی زنجیره‌ی اصلی متصل شده‌اند. در این ساختار زنجیر اصلی می‌تواند ترکیبات مختلفی مانند مونومرهای آکریلیک، وینیلی و یا آلیلی باشد. این ترکیبات از لحاظ شیمیایی اسید، الکل و یا استرهای کوچک و دارای پیوند دوگانه هستند که طی پلیمریزاسیون زنجیر اصلی رزین را شکل می‌دهند.همان طور که در بالا اشاره کردیم پلی کربوکسیلات‌ها را می‌توان با ساختارهای بسیار متفاوتی سنتز کرد. این تغییر در خواص این ماده تاثیرات به سزایی می‌گذارد. برای مثال با اعمال تغییرات زیر در زول زنجیرها می‌توان در بهبود عملکرد پلی کربنات دست برد:افزایش طول زنجیر اصلی باعث کمتر شدن ویسکوزیته رزین می‌شود، بنابراین خاصیت روان‌کنندگی ایجاد می‌شود و این پلی کربوکسیلات تولید شده برای نسبت‌های آب به سیمان بالاتر مناسب است.افزایش طول زنجیر جانبی، اصلی باعث بیشتر شدن ویسکوزیته رزین می‌شود، بنابراین افزایش خاصیت روان‌کنندگی ایجاد می‌شود و این پلی کربوکسیلات تولید شده برای نسبت‌های آب به سیمان پایین‌تر مناسب است.افزایش تعداد گروه‌های عاملی یونی در زنجیر اصلی و کاهش چگالی زنجیرهای جانبی، میزان افت اسلامپ را کمتر می‌کند.مقایسه عملکرد پلی کربوکسیلات اتر و سایر روان کننده‌ها در ملات سیمانآب مورد نیاز برای واكنش شیمیایی هیدراتاسیون كه به صورت صد درصد وارد واكنش می‌شود ۰/۲ درصد وزن سیمان است و آب اضافی استفاده شده برای ایجاد روانی و كارایی مطلوب است تا بتوان بتن را در قالب جا داده و مخلوط بتن به طور همگن در قالب جابجا شده و از فضای فشرده بین آرماتورها عبور نماید. روان كننده‌ها برای دستیابی به همین خاصیت بدون افزودن آب استفاده می‌شوند‌.زمانی که یک مولکول ماده جامد كه دارای بار سطحی است در یک حلال قرار می‌گیرد همین بار سطحی باعث ایجاد یک اختلاف پتانسیل الکتریکی بین سطح باردار ماده جامد و حلال میشود كه در اصطلاح علمی به زتاپتانسیل تعریف میشود. هر چه پتانسیل زتا بیشتر باشد در نتیجه احتمال تشکیل دو لایه الکتریکی روی سطح ذره بیشتر می‌شود و تمایل برای لخته شدن و تجمع كم می‌شود و ذرات ریزتر می‌مانند و تجمع نمی‌كنند و توزیع اندازه ذرات باریکتر می‌شود‌. در واقع در علم شیمی كلوییدی این طور گفته می‌شود كه پایدار سازی الکترواستاتیکی ایجاد شده است.بررسی ساختار مولکول پلی کربوکسیلات اتر‌ساختار تعریف شده و اصلی این ماده به شکل مولکول بزرگ از نوع Polymer Comb Type است که دارای یک شاخه اصلی به نام Back Bone و شاخه‌های فرعی ‌متصل به آن به نام Side Chain است که تفاوت در طول این شاخه اصلی و شاخه‌های فرعی و همچنین نسبت‌های بین آنها موجب بروز آثار متفاوتی در مشخصات بتن تولید شده میشود.‌در ساختار این ماده از ترکیب جدیدی استفاده شده و به شکل قابل توجهی از افت اسلامپ بدون اثر کاهشی در مقاومت‌های سنین کم جلوگیری می‌نماید. و به عنوان ماده افزدونی مناسبی در تولید بتن‌های خود تراکم مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از مواد شیمیایی دیرگیر کننده جهت جلوگیری از افت اسلامپ اثر کاهشی در مقاومت‌های سنین پایین دارند ولی در ترکیب این نوع ماده‌ این عارضه مرتفع شده است.نحوه عملکرد فوق روان كننده حاصل از این تركیب به طول شاخه اصلی‌، تعداد و طول شاخه‌های فرعی‌ و میزان قلیاییت ماده بستگی دارد. این ماده دارای خاصیت قطبی بوده و در محلول آبی ۲۰-۲۵ درصد ؛ دارای بیشترین میزان پولاریزاسیون است كه نشان دهنده بیشترین میزان انتقال الکتریکی یا همان Conductivity است.ساختار مولکول پلی كربوكسیلات نیز در توانایی ماده برای ایجاد بیشترین میزان پولاریزاسیون مولکول‌های آب نیز موثر است. بهترین ساختار طول زنجیره اصلی بلند، دانسیته شاخه‌های جانبی كم و میزان اسیدیته نزدیک به خنثی است. همانطور كه ملاحظه میشود قابلیت نگهداری روانی ارتباط مستقیمی با طول زنجیره مولکولی شاخه‌های فرعی دارد.در واقع هر چه شاخه اصلیو شاخه‌های فرعی بلندتر باشد. میزان نگهداری روانی بیشتر خواهد شد‌. ولی در صورتی که نسبت طول شاخه اصلی به دانسیته شاخه‌های جانبی از یک حد معینی فراتر رود. قابلیت كاهندگی آب تحت تاثیر قرار گرفته و برای رسیدن به درصد كاهش آب مطلوب مقدار بیشتری از فوق روانساز باید مصرف شود.هوازایی در فوق روانساز‌های بر پایه پلی كربوكسیلات اتر ناشی از دو عامل است، اولین عامل خاصیت كاهش دهندگی جذب سطحی مولکول‌های كربوكسیلات به عنوان فعال كننده سطحی یا (Surfactant (surface active agent است كه ایجاد هوازایی می‌كنند و عامل دوم خارج شدن آب از داخل آگلومره‌های سیمان و افزایش میزان آب آزاد بتن است كه به خودی خود باعث افزایش هوازایی در بتن میشود.میزان هوای ایجاد شده متناسب با موارد متعددی است كه برخی از آنها به شرح زیر است.طرح اختلاط و میزان قلیایی سیمانمقدار سختی و سنگینی آب مصرفیمقدار سیمان و بلین آنمقدار ماسه طرح و حداكثر اندازه سنگدانهنسبت آب به سیمان و مدت زمان مخلوط كردن و حمل بتن‌جهت محدود نمودن هوازایی پلی كربوكسیلات‌ها از De-Foamer یا ضد كف استفاده می‌شود. ضد كف‌ها بر پایه مواد شیمیایی مختلفی ساخته می‌شوند كه تشکیل Micelle را در محلول‌های آبی توسط مولکول‌های فعال كننده سطحی كنترل می‌کنند. و متعاقباً هوازایی پلی كربوكسیلات‌ها را كم می‌کنند. به دلیل متغیر بودن میزان هوازایی پلی كربوكسیلات اتر در بتن‌های مختلف‌، اكثر تولید كنندگان پلی كربوكسیلات اتر در دنیا، ضد كف را به همراه ماده فوق روانساز نیز عرضه می‌دارند و مصرف كننده به همراه آزمایش هوای بتن تازه، متوسط مقدار مورد نیاز را تعیین می‌كند. میزان مصرف بهینه ضد كف با توجه به طرح اختلاط و آب مصرفی و از همه مهمتر انجام حداقل سه بار آزمایش تعیین درصد هوای بتن در كارگاه در حدی تعیین می‌شود كه كارایی بتن را بیش از حد تحت تاثیر قرار ندهد.بررسی ساختار مولکول پلی کربوکسیلات اتر‌از مهم‌ترین موارد مصرف این افزودنی‌ها در ساخت بتن‌های پیش‌ساخته، بتن‌های با عملکرد بالا و بتن‌های خودتراکم است. همچنین در ساخت قطعات پیش‌ساخته، بتن پیش تنیده، در بتن‌ریزی قطعات با عمق زیاد مفید است. دیگر کاربردهای پلی کربوکسیلات را می‌توان به صورت زیر دسته بندی کرد:در بتن‌های تخصصی مورد نیاز برای ساخت سطوح با پرداخت عالی و با صرف حداقل انرژیدر بتن‌های ویژه خود تراز شوندهدر بتن‌های ویژه آماده با امکان اضافه نمودن مواد و برای حمل تا فاصله‌های نسبتا طولانیبرای کاهش حرارت دربتن حجیم شدهبرای کاهش و یا جلوگیری از ترک‌های عمقی و ترک‌های موئی دربتن حجیمبرای افزایش پمپ پذیری در بتن حجیمبرای کاهش نسبت آب به سیمان را در بتن حجیم وافزایش مقاومت بتن حجیمنتیجه گیری‌ و کلام آخرماده پلی كربوكسیلات اتر به عنوان فوق روان كننده بتن به شکل‌های مختلف و با درصد تركیب‌های متفاوتی از مواد شیمیایی خاصی ساخته می‌شود و هر نوعی از ساختار، وزن مولکولی و طول زنجیره‌های اصلی و فرعی، خواص متفاوتی را در بتن ایجاد می‌کنند و می‌توان سنتز این ماده را به نحوی تغییر داد كه بیشترین كارایی متناسب با سیمان و مصالح مورد استفاده در بتن داشته باشد. و در واقع بتوان خواص بتن مورد نیاز را با تغییر در ساختار مولکولی پلی كربوكسیلات اتر بدست آورد.