مقدمه ای کوتاه بر مواد فوق روان کننده بتن برپایه پلی کربوکسیلات و اتر

سیمان با مقاومت بالا نیازمند یک فوق روان کننده ای است که بتوان نیروی بین ذره­ای اجزای سیمان را به حداقل برساند و از طرفی ذرات سازنده را در سرتاسر مخلوط بطور یکنواخت پراکنده کند. بیشترین مقاومت فشاری زمانی حاصل می­شود که آب در حداقل نسبت در سیمان باشد. افزودنیهای فوق روان کننده می­توانند با خاصیت دافعه الکترو استاتیکی همانند چیزی که در نفتالن و ملامین دیده می­شود و یا با خاصیت الکترواستاتیکی ایجاد ممانعت فضایی که در پلی کربوکسیلات اترها وجود دارد مانع چسبیدن ذرات سیمان به یکدیگر شده و به این ترتیب نیاز سیمان به آب را به حداقل برسانند.

در سالهای اخیر تحقیق و توسعه در تولید مواد افزودنی بتن با کارایی بالا و فاقد آلایندگی  جهت دست یابی به یک محصول ایده ال به سرعت در حال رشد است. در این میان فوق روان کننده های پلی کربوکسیلات اتر (PCE) بدلیل قابلیت بالای خود در تقلیل نرخ آب در جهت تهیه و تولید سیمان با  مقاومت بالا، سیالیت بالا، و ایجاد قابلیت خود تراکمی در سیمان در کانون توجه بسیاری از محققین قرار گرفته­اند. در سال 1981 PCE توسط شرکت  Nippon  Shokubai  در ژاپن مورد مطالعه قرار گرفت و آنها توانستند اولین نسل این فوق روان کننده را با درصد مشخصی از گروههای آبدوست تهیه کنند. از آن زمان تا کنون انواع متفاوتی از این این ترکیبات تهیه شده­اند که تعدادی از آنها در شکل 1 آورده شده اند.

ساختار مولکولی

پلی کربوکسیلات اتر عموما بصورت یک کوپلیمر شانه­ای شکل است که از یک زنجیر اصلی آنیونی خطی جاذب (عموما پلی آکریلات یا پلی متا آکریلات) که گروههای کربوکسیلیک را نگه می­دارد و گروههای اتر غیر جاذب (عموما پلی اتیلن اکساید) که بصورت زنجیر جانبی به این زنجیر اصلی متصل هستند و گروههای متوکسی را نگاه می­دارند، تشکیل شده است. شکل 2 ساختار عمومی PCE را نشان می­دهد. زنجیر اصلی PCE در سیستم سیمان-آب توسط فرایند الکترواستاتیکی جذب سطح سیمان می­شود در حالیکه زنجیر جانبی غیر جاذب باعث ممانعت فضایی می­شوند. در محیطهایی که pH سیمان بالا باشد قسمت کربوکسیلاتی دپروتونه شده و در زنجیر اصلی بار منفی تولید می­شود در حالی که در این شرایط قسمت اتری خنثی باقی می­ماند. بار منفی گروههای کربوکسیلات با یونهای Ca⁺² روی سطح سیمان یا محصولات هیدراته شده جفت می­شوند. با توجه به اینکه گروه پلی اتیلن اکساید (PEO) توزیع  ابر الکترونی یکنواختی ندارد لذا یک قطبیت شیمیایی را در طول زنجیر جانبی ایجاد می­کند. کارایی فوق روان کننده PCE اساسا بدلیل ممانعت فضایی ناشی از زنجیر جانبی است است که باعث جدا شدن ذرات سیمان از هم می­شود.

تاثیر فوق روان کننده در مخلوط سیمان تازه بستگی به میزان آن و نحوه پراکندگی آن در سراسر مخلوط دارد. اگر مقدار این فوق روان کنننده بسیار کم باشد تاثیر چندانی در رفتار رئولوژیکی سیمان دیده نخواهد شد. از طرفی اگر مقدار روان کننده بیش از اندازه باشد باعث جریان و تفرق بیش از حد اجزای سیمان خواهد شد. از این رو میزان روان کننده باید در حد بحرانی باشد نه کمتر از آن و نه بیشتر از آن. مقدار بحرانی روان کننده عبارت است از مقداری که باعث اثر کلی در مخلوط سیمان بشود.

شکل 1 انواع PCE ها

فرایند عمومی تهیه پلیمر

عموما این کوپلیمرها از طریق فرایند پلیمریزاسیون رادیکالی آزاد در شرایط تود­ه­ای و بدون حلال سنتز می­شوند. برای انجام پلیمریزاسیون عموما از مونومر آکریلات و ماکرومنومرهای پلی اتیلن گلیکولی در حضور آغاز گر مناسب رادیکالی استفاده می­شود. دمای فرایند 70-80 درجه سانتی گراد بوده و کلیه فرایند باید تحت جو گاز بی اثر انجام بگیرد. در صورت استفاده از شرایط توده ای عموما نرخ تبدیل کم بوده و لی طول زنجیرهای پلیمری بلند خواهد بود اما در شرایط استفاده از حلال، مشخص شده است که نرخ تبدیل مونومر به پلیمر افزایش یافته اما طول زنجیرها به نسبت کوتاهتر می باشند.

شکل 2 ساختار مولکولی پلی کربوکسیلات اترها