بررسی اثر رس موجود در سنگدانه بر عملکرد فوق‌روان‌کننده‌های پلی‌کربوکسیلاتی و خواص بتن
مقدمه
وجود مواد رسی در سنگدانه‌های مورد استفاده در بتن، به‌ویژه در ماسه‌های طبیعی، ماسه‌های شکسته و سنگدانه‌های با کیفیت متغیر، یکی از عوامل مهم کاهش کیفیت و ناپایداری خواص بتن است. اهمیت این موضوع در بتن‌های مدرن که از فوق‌روان‌کننده‌های پلی‌کربوکسیلاتی یا پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) استفاده میکنند، بیشتر میشود. برخلاف ذرات ریز معدنی نسبتاً خنثی مانند کوارتز، رس‌ها به دلیل سطح ویژه بالا، بار سطحی، ظرفیت جذب آب و ساختار لایه‌ای می‌توانند برهم‌کنش شدیدی با آب و افزودنی‌های شیمیایی داشته باشند [1–4].
مهم‌ترین کانی‌های رسی موجود در سنگدانه شامل کائولینیت، ایلیت و مونت‌موریلونیت هستند. در میان این مواد، مونت‌موریلونیت و سایر رس‌های اسمکتیتی معمولاً بیشترین اثر منفی را بر عملکرد PCE دارند. دلیل اصلی این موضوع، قابلیت بالای جذب آب، تورم و امکان جذب و درون‌نشانی مولکول‌های پلیمر در ساختار لایه‌ای این رس‌ها است [2،3].
بنابراین، مقدار کل مواد ریز موجود در سنگدانه به‌تنهایی نمی‌تواند کیفیت سنگدانه را از نظر سازگاری با PCE مشخص کند؛ بلکه نوع کانی‌شناسی ریزدانه نیز اهمیت زیادی دارد.
سازوکار عملکرد پلی‌کربوکسیلات در بتن
فوق‌روان‌کننده‌های پلی‌کربوکسیلاتی معمولاً دارای ساختار شانهای هستند. بخش‌هایی از مولکول دارای گروههای لنگرگاهی بوده و روی سطح ذرات سیمان جذب میشوند، در حالی که زنجیره‌های جانبی پلیمری در محیط آبی امتداد پیدا کرده و از نزدیک شدن و تجمع مجدد ذرات سیمان جلوگیری میکنند. این پدیده که عمدتاً ناشی از ممانعت فضایی است، باعث پراکندگی بهتر سیمان، کاهش نیاز به آب و افزایش روانی بتن میشود.
اما در حضور رس، بخشی از PCE به جای جذب روی سیمان، توسط ذرات رسی مصرف میشود. در نتیجه مقدار افزودنی آزاد و مؤثر در سیستم کاهش پیدا می‌کند و ذرات سیمان به اندازه کافی پراکنده نمی‌شوند [1،2].
به‌طور ساده، روند اثر رس را می‌توان چنین بیان کرد:
وجود رس → جذب آب و PCE → کاهش PCE آزاد → کاهش پراکندگی سیمان → افزایش ویسکوزیته و افت روانی بتن
این مسئله یکی از مهم‌ترین دلایل کاهش راندمان فوق‌روان‌کننده در بتن‌های حاوی سنگدانه رسی است.
جذب و درون‌نشانی PCE توسط رس
رس‌ها به دلیل سطح ویژه بالا دارای تعداد زیادی سایت فعال برای جذب مولکول‌های افزودنی هستند. بنابراین، بخشی از PCE مصرف‌شده در بتن می‌تواند روی سطح ذرات رس جذب شود. این پدیده به‌خصوص در مورد مونت‌موریلونیت شدیدتر است.
تحقیقات نشان داده‌اند که در مونت‌موریلونیت، PCE تنها روی سطح خارجی ذرات باقی نمی‌ماند، بلکه بخشی از زنجیره‌های جانبی آن می‌تواند وارد فضای بین‌لایه‌ای رس شود. این پدیده که به آن درون‌نشانی یا Intercalation گفته میشود، باعث میشود بخشی از افزودنی عملاً در ساختار رس محبوس شده و از دسترس ذرات سیمان خارج شود [2،3].
به همین دلیل، افزایش ساده دوز PCE همیشه راه‌حل مناسبی نیست. در بسیاری از موارد، با افزایش مقدار افزودنی، بخشی از PCE اضافی نیز توسط رس جذب میشود و راندمان افزایش دوز کمتر از مقدار مورد انتظار خواهد بود.
اثر رس بر اسلامپ و ماندگاری کارایی
یکی از اولین نشانه‌های وجود رس ناسازگار در سنگدانه، کاهش روانی بتن است. این پدیده از سه مسیر اصلی ایجاد میشود:
- جذب آب توسط ذرات رس؛
- افزایش سطح ویژه سیستم؛
- جذب و مصرف PCE توسط رس.
در نتیجه، بتن برای رسیدن به روانی مورد نظر به آب یا فوق‌روان‌کننده بیشتری نیاز پیدا می‌کند. مشکل مهم‌تر این است که در برخی موارد بتن در لحظه اختلاط دارای کارایی قابل قبول است، اما پس از گذشت زمان دچار افت سریع اسلامپ میشود. ادامه جذب آب و PCE توسط رس و همچنین تورم برخی رس‌های اسمکتیتی می‌تواند دلیل این کاهش سریع کارایی باشد.
بنابراین، در بتن‌های حساس به زمان حمل و اجرا، وجود رس می‌تواند باعث افزایش قابل توجه Slump Loss شده و پمپاژ، تراکم و اجرای بتن را دشوار کند.
افزایش ویسکوزیته و تغییر رفتار رئولوژیکی
رس علاوه بر کاهش روانی، می‌تواند رفتار رئولوژیکی خمیر و بتن را نیز تغییر دهد. حضور ذرات رسی معمولاً باعث افزایش تنش تسلیم و ویسکوزیته میشود. همچنین برخی رس‌ها می‌توانند رفتار تیکسوتروپیک بتن را افزایش دهند؛ یعنی بتن در حالت سکون سریع‌تر ساختار داخلی پیدا کرده و برای شروع مجدد جریان به انرژی بیشتری نیاز داشته باشد.
این مسئله در بتن خودتراکم اهمیت بیشتری دارد، زیرا SCC برای عملکرد مناسب به تعادل دقیقی میان روانی، ویسکوزیته و مقاومت در برابر جداشدگی نیاز دارد. کاهش عملکرد PCE در اثر رس می‌تواند باعث افت قطر جریان، کاهش قابلیت عبور از میان آرماتورها و کاهش قابلیت پرکنندگی شود.
افزایش نیاز آبی و کاهش راندمان کاهش آب
یکی دیگر از مهم‌ترین مضرات رس، جذب بخشی از آب اختلاط است. در نتیجه، آب کل موجود در مخلوط لزوماً به معنای آب مؤثر برای ایجاد روانی نیست. به‌ویژه مونت‌موریلونیت می‌تواند آب را در سطح و ساختار بین‌لایه‌ای خود جذب کند.
اگر برای جبران کاهش روانی، آب بیشتری به بتن اضافه شود، نسبت آب به سیمان افزایش یافته و پیامدهای زیر ایجاد میشود:
- افزایش تخلخل خمیر سیمان؛
- کاهش مقاومت فشاری؛
- افزایش نفوذپذیری؛
- افزایش جمع‌شدگی؛
- کاهش دوام.
به همین دلیل، افزایش آب برای جبران مشکل رس، معمولاً راهکاری نامناسب و موقت است.
اثر رس بر مقاومت و ناحیه انتقالی خمیر–سنگدانه
رس موجود روی سطح سنگدانه می‌تواند مانع ایجاد پیوند مناسب بین خمیر سیمان و سطح سنگدانه شود. این مسئله باعث تضعیف ناحیه انتقالی خمیر–سنگدانه یا ITZ میشود.
یک ITZ ضعیف‌تر معمولاً دارای تخلخل بیشتر و پیوستگی کمتری است و می‌تواند به محل تمرکز تنش و شروع ترک تبدیل شود. بنابراین، وجود رس می‌تواند علاوه بر مشکلات ایجادشده در حالت تازه، خواص بتن سخت‌شده را نیز کاهش دهد.
مطالعات آزمایشگاهی نشان داده‌اند که افزایش آلودگی مونت‌موریلونیتی روی سنگدانه می‌تواند باعث کاهش قابل توجه مقاومت فشاری، مقاومت خمشی و مدول الاستیسیته شود. همچنین افزایش جمع‌شدگی و خزش نیز در بتن‌های دارای سنگدانه آلوده به رس گزارش شده است [9].
اثر رس بر دوام بتن
کاهش دوام بتن عمدتاً به‌صورت غیرمستقیم و از طریق تغییر ریزساختار ایجاد میشود. هنگامی که برای جبران افت روانی آب اضافی استفاده شود یا تراکم بتن به دلیل افزایش ویسکوزیته به‌خوبی انجام نشود، تخلخل بتن افزایش پیدا می‌کند.
از سوی دیگر، ضعف ITZ و افزایش جمع‌شدگی می‌تواند احتمال ترک‌خوردگی را افزایش دهد. ترکیب تخلخل و ترک‌ها مسیر نفوذ آب، یون کلرید و سایر عوامل مهاجم را فراهم می‌کند و در نهایت می‌تواند دوام سازه را کاهش دهد.
تأثیر ساختار مولکولی PCE بر تحمل رس
همه فوق‌روان‌کننده‌های پلی‌کربوکسیلاتی در برابر رس رفتار یکسانی ندارند. تحقیقات نشان داده‌اند که ویژگی‌های مولکولی PCE، مانند طول زنجیره جانبی، تراکم زنجیره‌های جانبی، جرم مولکولی و نوع گروههای لنگرگاهی، بر میزان حساسیت آن به مونت‌موریلونیت تأثیر دارد [5،10].
برخی ساختارهای PCE مقاومت بیشتری در برابر جذب توسط رس دارند و می‌توانند در حضور مقدار مشخصی از مونت‌موریلونیت، روانی بهتری را حفظ کنند. به همین دلیل، سازگاری یک فوق‌روان‌کننده با یک نوع سیمان، الزاماً به معنای سازگاری آن با تمام منابع سنگدانه نیست.
راهکارهای کاهش اثر رس
بهترین راهکار، کاهش و کنترل مقدار رس در منبع سنگدانه است. شست‌وشوی مناسب، مدیریت دپو و جلوگیری از آلودگی سنگدانه با خاک و استفاده از منابع با کیفیت پایدار اهمیت زیادی دارد.
برای ارزیابی کیفیت سنگدانه می‌توان از آزمون‌هایی مانند Methylene Blue و Sand Equivalent استفاده کرد. در مواردی که حساسیت سیستم بالا باشد، بررسی کانی‌شناسی با XRD نیز می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره وجود مونت‌موریلونیت و سایر کانی‌های رسی ارائه دهد.
از دیگر راهکارها می‌توان به استفاده از PCEهای مقاوم به رس و استفاده از عوامل قربانی یا Sacrificial Agents اشاره کرد. این مواد به‌گونه‌ای طراحی میشوند که بخشی از سایت‌های فعال رس را اشغال کرده و مانع مصرف PCE اصلی شوند [4،6،11].
نتیجه‌گیری
رس موجود در سنگدانه، به‌ویژه مونت‌موریلونیت، می‌تواند یکی از مهم‌ترین عوامل کاهش عملکرد فوق‌روان‌کننده‌های پلی‌کربوکسیلاتی باشد. مکانیسم اصلی این اثر، جذب سطحی و در برخی موارد درون‌نشانی مولکول‌های PCE در ساختار رس است. در نتیجه، مقدار PCE آزاد کاهش یافته و پراکندگی ذرات سیمان مختل میشود [1–6].
مهم‌ترین مضرات رس در سنگدانه عبارت‌اند از:
- کاهش راندمان PCE؛
- افزایش مصرف فوق‌روان‌کننده؛
- افزایش نیاز آبی؛
- کاهش اسلامپ و ماندگاری کارایی؛
- افزایش ویسکوزیته و تنش تسلیم؛
- اختلال در پمپاژ و اجرای بتن؛
- کاهش پراکندگی ذرات سیمان؛
- تضعیف ITZ؛
- کاهش مقاومت مکانیکی؛
- افزایش جمع‌شدگی و خزش؛
- افزایش تخلخل و نفوذپذیری؛
- کاهش دوام و افزایش احتمال ترک‌خوردگی.
بنابراین، کنترل کیفیت سنگدانه نباید تنها بر اساس درصد مواد ریز انجام شود. نوع کانی رس، به‌ویژه وجود مونت‌موریلونیت، و سازگاری واقعی سنگدانه با PCE مورد استفاده در طرح اختلاط باید مورد بررسی قرار گیرد.
منابع
[1] Lei, L., Palacios, M., Plank, J., & Jeknavorian, A. A. (2022). Interaction between polycarboxylate superplasticizers and non-calcined clays and calcined clays: A review. Cement and Concrete Research, 154, 106717.
[2] A study on the interactions between polycarboxylate ether superplasticizer and montmorillonite. (2022). Cement and Concrete Research, 162, 106997.
[3] Absorption conformations in the intercalation process of polycarboxylate ether based superplasticizers into montmorillonite clay. (2020). Construction and Building Materials, 236, 116657.
[4] Research progress on polycarboxylate based superplasticizers with tolerance to clays: A review. (2020). Construction and Building Materials, 255, 119386.
[5] Effect of molecular structure of polycarboxylate ether superplasticizer on its tolerance to montmorillonite. (2023). Construction and Building Materials, 392, 131966.
[6] Quantifying the impact of montmorillonite on water demand and polycarboxylate superplasticizer efficiency in cement pastes. (2026). Cement and Concrete Research, 199, 108031.
[9] Zhou, Y., et al. (2022). An experimental study on mechanical, shrinkage and creep properties of early-age concrete affected by clay content on coarse aggregate. Case Studies in Construction Materials, 16, e01135.
[10] Ma, Y., et al. (2022). Effect of anchoring groups of polycarboxylate ether superplasticizer on the adsorption and dispersion of cement paste containing montmorillonite. Cement and Concrete Composites, 134, 104737.
[11] Synthesis of a cross-linked polycarboxylate ether superplasticizer and its effects on the properties of cement paste containing montmorillonite. (2023). Cement and Concrete Research, 168, 107136.
مقالات مرتبط
بهترین مطالب هر ماه
ارسال میشه به صندوق پستی شما!
این بالا کلیک کن و ایمیلت رو بنویس
ثبت