تکنولوژی ژل افزودنی بتن با سامانه هوشمند عمل آوری داخلی

مقدمه – اهمیت عمل آوری بتن

در صنعت عمران و تکنولوژی بتن، همواره تمرکز زیادی بر انتخاب مصالح مناسب برای ساخت بتن، طراحی دقیق طرح اختلاط در آزمایشگاه، استفاده از تجهیزات پیشرفته برای ساخت بتن و بهره‌گیری از افزودنی‌های شیمیایی جهت بهبود عملکرد بتن وجود دارد. همچنین، تلاش می‌شود که مخلوط خمیری ساخته شده تحت شرایط مطلوب و با رعایت کامل اصول و دستورالعمل های فنی به محل پروژه منتقل و با روش‌های استاندارد در قالب­ ها جایدهی گردد. اما با وجود دقت و هزینه­ های بسیاری که در این خصوص می­شود، در بسیاری از پروژه‌ها کیفیت نهایی بتن، یعنی دوام، مقاومت­ های مکانیکی، انسجام، نفوذناپذیری به تراز کیفیت مورد انتظار نمی‌رسد یا فاصله محسوسی با مشخصه ­های فنی پیدا می­کند.

علت اصلی این شکاف، نادیده گرفتن یا کم‌توجهی یا غیرحرفه­ای بودن فرآیند حیاتی عمل‌آوری بتن می­باشد. اگر تمام مراحل ساخت بتن تا پیش از عمل‌آوری به‌درستی و با کیفیت بالا انجام شود، بدون رعایت سیستمی حرفه­ای و ضعف نگهداری در جریان پیشرفت واکنش هیدراسیون سیمان، بتن سخت شده حاصله دچار افت کیفیت جدی از نظر ویژگی­های مکانیکی و نفوذپذیری زیاد خواهد شد.

واقعیت این است که تمام آنچه در مرحله تولید و اجرای بتن انجام می‌شود، تنها نیمی از مسیر تضمین کیفیت نهایی بتن است. نیمه دوم این مسیر که در بسیاری از پروژه‌ها مغفول می‌ماند، مراقبت از بتن تازه ‌ریخته شده یا همان عمل‌آوری است. عمل‌آوری مؤثر، با حفظ رطوبت و دمای مناسب، فرآیند هیدراسیون سیمان را کامل کرده و موجب افزایش دوام، مقاومت و عملکرد بتن در درازمدت می‌شود.

در نتیجه، اگر به دنبال دستیابی به بتنی منسجم، بادوام و با ویژگی‌های طراحی‌شده هستیم، باید نگاه ویژه‌ای به مرحله عمل‌آوری داشته باشیم و آن را به عنوان بخش جدایی‌ناپذیر از فرآیند تولید و اجرای بتن در نظر بگیریم.

منشا ایده طراحی مواد افزودنی ژل با قابلیت کیورینگ داخلی

طراحی و توسعه افزودنی کیورینگ داخلی بتن، نتیجه تلفیق تجربه، دانش فنی و مسئولیت‌پذیری اجتماعی در شرکت آبادگران است. این ایده حاصل تحلیل عمیق چالش‌های میدانی در صنعت ساخت‌وساز ایران بوده که در سه محور کلیدی شکل گرفته است:

1. کیفیت پایین بتن‌های اجراشده، به‌ویژه در مناطق با اقلیم‌های مخرب

در بسیاری از پروژه‌های عمرانی، به‌رغم انتخاب مصالح باکیفیت و اجرای دقیق، بتن نهایی به دلایل مختلف از جمله تبخیر سریع رطوبت، عدم رعایت عمل‌آوری حرفه­ای و ترک‌های سطحی، از مقاومت و دوام مطلوب برخوردار نیست. در اقلیم‌های گرم و خشک، این مشکل تشدید می‌شود و آسیب‌پذیری سازه‌ها را افزایش می‌دهد. این موضوع شرکت آبادگران را بر آن داشت تا راه‌حلی برای تضمین کیفیت درونی بتن، مستقل از شرایط محیطی، طراحی کند.

2. محدودیت شدید منابع آب شیرین برای عمل‌آوری بتن

در کشوری مانند ایران که با بحران فزاینده کم‌آبی روبه‌روست، مصرف روزانه میلیون‌ها لیتر آب شیرین برای عمل‌آوری بتن، نه‌تنها غیراقتصادی بلکه از نظر زیست‌محیطی نیز ناپایدار است. با توجه به اینکه عمل‌آوری سنتی بتن در بسیاری از موارد با اتلاف عمده آب همراه است، شرکت آبادگران در پی طراحی ماده‌ای بود که فرآیند عمل‌آوری را بدون نیاز به اتلاف  آب در جریان آب پاشی، از درون بتن انجام دهد.

3. پایبندی به مسئولیت اجتماعی شرکت آبادگران به‌عنوان پیشگام در توسعه پایدار مواد افزودنی بتن

شرکت آبادگران همواره خود را متعهد به توسعه مواد افزودنی دانسته که علاوه بر ارتقای فنی ساخت‌وساز، پاسخگوی مسائل کلان کشور نیز باشند. ایده طراحی افزودنی کیورینگ داخلی نه‌تنها یک نوآوری فنی محسوب می‌شود، بلکه تجلی واقعی مسئولیت‌پذیری اجتماعی است؛ حرکتی در راستای حفظ منابع طبیعی، کاهش ردپای زیست‌محیطی صنعت بتن و حمایت از نسل‌های آینده.

موضوع آب شیرین از نگاه بین المللی

سازمان‌های بین‌المللی مانند سازمان ملل متحد و یونسکو تأکید ویژه‌ای بر حفاظت از منابع آب شیرین، به‌ویژه در بخش‌های صنعتی دارند. این تأکید در اسناد و برنامه‌های مختلفی منعکس شده است که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود:

1. هدف توسعه پایدار شماره ۶ (SDG 6)

سازمان ملل متحد در چارچوب اهداف توسعه پایدار، هدف شماره ۶ را به «تضمین دسترسی به آب پاک و بهداشت برای همه» اختصاص داده است. یکی از زیرهدف‌های این هدف، افزایش بهره‌وری در استفاده از آب در تمام بخش‌ها، از جمله صنعت، تا سال ۲۰۳۰ است. این هدف بر اهمیت کاهش مصرف و اتلاف آب در صنایع تأکید دارد.

2.  گزارش توسعه جهانی آب سازمان ملل  (WWDR)

گزارش‌های سالانه توسعه جهانی آب، منتشرشده توسط یونسکو، به بررسی وضعیت منابع آب در جهان می‌پردازند. در نسخه‌های اخیر این گزارش‌ها، به نقش صنعت در مصرف آب و اهمیت مدیریت پایدار منابع آبی در بخش‌های صنعتی اشاره شده است. این گزارش‌ها توصیه می‌کنند که صنایع با به‌کارگیری فناوری‌های نوین و بهبود فرآیندها، مصرف آب را کاهش دهند و از اتلاف آن جلوگیری کنند.

3. برنامه بین‌المللی هیدرولوژیکی یونسکو (IHP)

برنامه بین‌المللی هیدرولوژیکی یونسکو، به‌عنوان تنها برنامه علمی گسترده در سیستم سازمان ملل در زمینه آب، بر مدیریت پایدار منابع آب تأکید دارد. این برنامه به توسعه سیاست‌ها و فناوری‌هایی می‌پردازد که به کاهش مصرف آب در بخش‌های مختلف از جمله صنعت، کمک می‌کنند.

4. ابتکار CEO Water Mandate

این ابتکار، تحت نظارت پیمان جهانی سازمان ملل  (UN Global Compact)، شرکت‌ها را تشویق می‌کند تا در مدیریت منابع آب مسئولانه عمل کنند. هدف این ابتکار، کاهش مصرف آب، بهبود کیفیت آن و جلوگیری از اتلاف در فرآیندهای صنعتی است. بیش از ۴۳۰ شرکت در سراسر جهان به این ابتکار پیوسته‌اند. UN Global Compact

5. کنوانسیون‌های جهانی آب سازمان ملل

کنوانسیون‌هایی مانند «کنوانسیون حفاظت و استفاده از آبراه‌های فرامرزی و دریاچه‌های بین‌المللی» و «کنوانسیون استفاده‌های غیرملاحی از آبراه‌های بین‌المللی» بر مدیریت پایدار و همکاری بین‌المللی در استفاده از منابع آب تأکید دارند. این کنوانسیون‌ها، کشورها را به اتخاذ تدابیری برای کاهش مصرف و جلوگیری از اتلاف آب در بخش‌های مختلف از جمله صنعت، ملزم می‌کنند.

این اسناد و برنامه‌ها نشان‌دهنده تعهد جامعه بین‌المللی به حفاظت از منابع آب شیرین و کاهش اتلاف آن، به‌ویژه در بخش‌های صنعتی هستند. استفاده از فناوری‌های نوین، مانند افزودنی‌های کیورینگ داخلی بتن iSC، می‌تواند گامی مؤثر در راستای تحقق این اهداف باشد.

خلاصه تکنولوژی کیورینگ داخلی بتن

• کیورینگ داخلی بتن (Internal Curing) استفاده از تکنولوژی نانو با روشی نوین برای حفظ رطوبت داخلی بتن در تمام مراحل هیدراسیون سیمان است.

• برخلاف کیورینگ سطحی که با آب‌پاشی یا پوشش انجام می‌شود، در این روش، ترکیبات نانویی نگهدارنده رطوبت مانند دیگر اجزاء سازنده در مخلوط خمیری بتن به صورت یکنواخت پخش می­شوند. این مواد، آب مورد نیاز برای ادامه واکنش هیدارته شدن سیمان را در خود ذخیره کرده و به تدریج و همگام با پیشرفت واکنش هیدراسیون آزاد نموده و به وفور برای پیشرفت در اختیار این واکنش قرار می­دهند. کیورینگ داخلی به ویژه در بتن‌های با نسبت آب به سیمان پایین (مثل بتن‌های مقاومت بالا و خودتراکم) بسیار مفید است.

• استفاده از تکنولوژی پیشرفته نانو مواد پلیمری و ایجاد ویژگی هیدروفیلی در تولید ژل­ های میکروسیلیس هوشمند را می­توان تحولی شگرفت در صنعت شیمیایی ساختمان و تکنولوژی بتن دانست. به طوری که در کنار ارائه ویژگی ­های فنی ژل­های مرسوم، خاصیت کیورینگ داخلی (SELF CURING) را هم به دست می­دهد. بنابراین میزان تبخیر آب از سطح بتن به شدت کاهش یافته و نیاز به آب پاشی مستمر بتن رفع می­گردد.

• این ویژگی، ژل میکروسیلیس هوشمند را به انتخاب بسیار مناسب برای بتن ریزی در آب و هوای گرم و خشک و مناطق بادخیز تبدیل می­کند. علاوه بر این به دلیل جلوگیری از یخ زدگی بتن تازه، انتخاب فوق العاده­ای برای ساخت بتن در مناطق سردسیر نیز می­باشد. در مجموع بتن ساخته شده با ژل­های هوشمند، بتن هایی باکیفیت­تر از نظر مقاومت­های مکانیکی، نفوذناپذیری و دوام خواهند بود.

مکانیسم عملکرد ژل هوشمند در بتن

مکانیزم تشکیل نانوپلیمرهای سوپرهیدروفیلیک (Super hydrophilic Nano polymers) در ساختار بتن و تأثیر آن‌ها بر عملکرد خود-عمل‌آوری (internal Self Curing) موضوع علمی هایتک حاصل از سینرژیسم علوم شیمی، پلیمر، مواد و تکنولوژی بتن است. مواد پلیمری پیشرفته بکار رفته در فرمولاسیون ژل افزودنی هوشمند قابلیت نگهداری و آزادسازی کنترل‌شده‌ی آب اختلاط را دارند. هنگام ساخت بتن، این مواد همراه با افزودنی ژل به مخلوط اضافه می‌شوند و در ساختار بتن باقی می‌مانند. یکی از ویژگی‌های مهم آن‌ها توانایی جذب آب اضافی و نگهداری آن در درون بتن می­باشد. در مرحله اختلاط بتن، نانوپلیمرهای سوپرهیدروفیلیک، در آب آزاد مخلوط بتنی حل میشوند نقطه جوش آب بتن را به حدود 100  درجه می­رسانند و نقطه انجماد آن راهم به منفی 10 درجه سانتیگراد کاهش می­دهند بی آنکه تاثیر دیگری در واکنش هیدراسیون از نظر زود یا دیرگیری ایجاد کنند. پس از گیرش اولیه ، این مواد به‌آرامی آب ذخیره ‌شده را همگام با پیشرفت واکنش هیدراسیون آزاد می‌کنند. این آزادسازی تدریجی مانع از تبخیر آب گشته یا در مناطق سردسیر مانع از اضافه حجم آب ناشی از یخ زدن آن می­گردد. تداوم هیدراسیون با این روش موجب چسبندگی بهتر مخلوط بتنی و بهبود سیر کسب مقاومت می‌شود. در مراحل بعدی، با پیشرفت واکنش هیدراسیون فشار اسمزی و حرارتی در اطراف ذرات سیمان افزایش می‌یابد. نانوپلیمرها در پاسخ به این شرایط آب ذخیره‌شده را به‌تدریج و هم‌گام با نیاز واکنش‌ رها می‌کنند لذا تعادل رطوبتی موضعی در اطراف ذرات سیمان حفظ می­شود. این رفتار از ترک‌های ناشی از کمبود آب در سنین اولیه و بروز لوله­ های موئین در بافت بتن سخت شده جلوگیری می‌کند.

رهاسازی کنترل‌شده آب توسط نانوپلیمرها به‌صورت غیرمستقیم جمع‌شدگی پلاستیک و خشک‌شدگی را کاهش داده و رشد یکنواخت فازهای C-S-H و کاهش تخلخل را به دست میدهد. این عملکرد در قیاس با کیورینگ سنتی که رطوبت یکنواخت را برای پیشبرد هیدراسیون تامین نمی­کند یک تفاوت شگرف است. این مواد به ‌ویژه در مناطق گرم و خشک یا بتن ریزی­های بزرگ و حجیم، بسیار مؤثر عمل می‌کنند. در نتیجه، مقاومت مکانیکی و دوام بتن بدون نیاز به عمل‌آوری خارجی افزایش می‌یابد. با استفاده از این مواد هوشمند، نیاز به روش‌های سنتی کیورینگ مثل آب‌پاشی یا پوشش‌های خیس برطرف می­شود. همچنین این روش در سازه‌هایی که دسترسی به مقاطع بتن ریزی شده دشوار می­باشد را بسیار کاربردی می­کند.

مقایسه ژل هوشمند با ژل های رایج

ژل‌های میکروسیلیس‌ رایج یکی از افزودنی‌های پرکاربرد در صنعت بتن هستند که با هدف بهبود خواص مکانیکی و دوام بتن مورد استفاده قرار می‌گیرند. میکروسیلیس موجود در این ژل­ها که تحت عنوان دوده سیلیسی نیز شناخته می‌شود، دارای ذراتی در مقیاس میکرو بوده که فعال هستند و به طور عمده از سیلیس آمورف تشکیل شده‌اند. این ماده در واکنش با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراسیون سیمان، ترکیبات پایدارتر و مقاوم‌تری همچون ژل سیلیکات کلسیم (C-S-H) تولید می‌کند. این ژل­ها علاوه بر عملکرد یاد شده و عملکرد عالی در کاهش نسبت آب به سیمان در کنار بهبود کارائی بتن در حالت خمیری با پر کردن خلل و فرج ریز مخلوط بتنی، موجب افزایش مقاومت فشاری و کاهش نفوذپذیری و در نتیجه افزایش دوام بتن می‌شوند. این ژل‌ها همچنین توانایی بتن را در برابر نفوذ یون‌های مخرب مانند کلرید و سولفات افزایش می‌دهند. فرمولاسیون ژل‌های میکروسیلیس‌ رایج به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که کارایی بتن تازه را حفظ کرده و در عین حال زمان گیرش را کنترل نماید. از دیگر مزایای این ژل‌ها می‌توان به کاهش نفوذپذیری، کاهش انقباض و بهبود پایداری شیمیایی بتن اشاره کرد. در مجموع، ژل‌های میکروسیلیس‌دار نقش مهمی در کیفیت ساخت، حمل بتن و افزایش عمر مفید سازه‌های بتنی ایفا می‌کنند.

• ژل‌های میکروسیلیس‌ رایج بدون نقطه‌ضعف نیستند. این مواد علیرغم خواص و اثرات ارزشمند برشمرده در فوق، فاقد ویژگی‌ خودعمل‌آوری داخلی هستند که در ادامه تاثیرات همین فاکتور اساسی روی نتایج کیفیتی حاصله را مورد بررسی قرار می­دهیم.

ویژگی های POWERGEL-iSC  و MS-5-iSC

• افزایش مقاومت فشاری درمقایسه با ژل های متداول
• صرفه جویی در مصرف آب تا 50%
• بهبود دوام سازه های بتنی
• افزایش یکنواختی کیفیت بتن
• مناسب برای اقلیم های گرم و خشک
• ایجاد روانی بالا
• جلوگیری از یخ زدگی بتن در آب و هوای سرد

اصلی­ترین ویژگی ژل­های هوشمند افزایش قابل توجه مقاومت فشاری بتن در مقایسه با نمونه شاهد است که بر مبنای استاندارد ملیINSO 1608-3  با استفاده از دستگاه جک بتن شکن در سنین 7،3،1و28 روزه مورد آزمون قرار گرفته است. این بهبود مقاومت فشاری ناشی از عملکرد کیورینگ داخلی در ساختار بتن است که بدون نیاز به آب پاشی، غوطه وری در آب و یا استفاده از کیورینگ­های خارجی، حداکثر آب مورد نیاز برای پیشرفت واکنش هیدراسیون را تامین نموده و بتن به حداکثر استحکام می­رسد.

علاوه بر بهبود قابل ملاحظه استحکام فشاری، استفاده از ژل هوشمند موجب بهبود قابل توجه روانی بتن می­شود که بر مبنای استاندارد ملی INSO 3203-2 مورد آزمون قرار گرفته است.

همچنین مطابق استاندارد INSO 15904 میزان هوای بتن اندازه­گیری شد که نتایج نشان دهنده عدم تاثیر محسوس مواد نوین پلیمری مصرفی در افزایش یا کاهش هوای بتن می­باشد.

دیگر ویژگی کیفیتی که در خصوص اثرات ژل­های هوشمند بر خواص بتن مورد ارزیابی قرار گرفته، تعیین میزان عمق نفوذ آب در بتن مطابق استانداردINSO 1608-8  می­باشد که دوام و پایداری بتن در طول زمان را مورد ارزیابی قرار می­دهد.

در نهایت ویژگی های بارز ژل هوشمندiSC  تولید شده، قیمت تمام شده پایین و رقابتی آن می باشد. با توجه به ماهیت ماده و بازار مصرف کننده آن، پایین بودن قیمت تمام شده، نقش بسیار مهمی در اقتصاد پروژه­های بتنی خواهد داشت.

POWER GEL- iSC

MS-5-iSC