مخفض الماء هو عنصر لا غنى عنه في تحضير الخرسانة الحديثة. ويستخدم في المقام الأول من أجل:
- تقليل استخدام المياه مع الحفاظ على محتوى الأسمنت وسيولة الخرسانة، وبالتالي تعزيز قوة الخرسانة.
- زيادة السيولة مع الحفاظ على محتوى الأسمنت والماء دون تغيير.
هذه المقالة على وشك أن تقدم الفرق بين التقليدية و بولي كربوكسيل متعدد الكربوكسيل فائق اللدونة.
مخفضات المياه التقليدية وحدودها
تقدم تطوير مخفضات المياه عبر ثلاث مراحل رئيسية:
1. مخفضات المياه العادية
ظهر الجيل الأول من مخفضات الماء، وهي مخفضات الماء العادية مثل راتنجات الصوديوم ولجنوسلفونات الكالسيوم ولجنوسلفونات الصوديوم، في ثلاثينيات القرن العشرين، ولكن معدلات اختزال الماء كانت منخفضة (أقل من 12% بشكل عام).
2. مخفضات مياه عالية الكفاءة
ومع تزايد الطلب الهندسي على معدلات أعلى لخفض المياه، تم تطوير الجيل الثاني - مخفضات المياه عالية الكفاءة مثل مخفضات المياه القائمة على النفثالين والميلامين - بنجاح في الستينيات. وقد وفرت هذه المخفضات معدلات أعلى لتخفيض المياه (14%-25%) وتحسين القوة ولكنها لم تحافظ على انحدار الخرسانة المخلوطة حديثًا.
3. مخفضات المياه عالية الأداء
ولمعالجة هذا القصور، تم تطوير الجيل الثالث - المتمثل في الملدنات الفائقة متعددة الكربوكسيل - في منتصف الثمانينيات. تتميز مخفضات الماء عالية الأداء بمعدلات عالية لاختزال الماء، واحتفاظ ممتاز بالركود، وتعزيز فائق للقوة، وانكماش منخفض. بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا لتركيبها الجزيئي القابل للتصميم بدرجة عالية، يمكن تكييف وظائفها عن طريق تعديل التركيب الجزيئي أو إدخال مجموعات وظيفية جديدة.
ما هو البولي كربوكسيل الفائق الملدن؟
البولي كربوكسيل الفائق الملدن عبارة عن مادة مضافة مبتكرة يتم تصنيعها من خلال البلمرة المشتركة للمونومرات غير المشبعة تحت تأثير البادئات، وتطعيم السلاسل الجانبية بمجموعات نشطة على العمود الفقري للبوليمر. وينتج عن ذلك منتج يوفر كفاءة عالية، وفقدان متحكم به للركود، ومقاومة الانكماش، وعدم وجود آثار ضارة على تثبيت الأسمنت وتصلبه. تختلف مخفضات الماء عالية الأداء القائمة على البولي كاربوكسيلات اختلافًا جوهريًا عن مخفضات الماء القائمة على سلفونات النفثالين فورمالدهايد (NSF) ومخفضات الماء القائمة على سلفونات الميلامين فورمالدهايد (MSF). حتى عند تناول جرعات منخفضة، فإنها تضفي سيولة عالية على الملاط والخرسانة، بالإضافة إلى انخفاض اللزوجة، وتحافظ على أداء الركود عند نسب منخفضة من الماء إلى الأسمنت. وهي تُظهر توافقًا أفضل نسبيًا مع أنواع مختلفة من الأسمنت وهي مواد لا غنى عنها للخرسانة عالية القوة والسيولة.
الاختلافات بين الملدنات الفائقة التقليدية والبولي كربوكسيلية
| الملدن الفائق التقليدي | البولي كربوكسيل الفائق الملدن | |
|---|---|---|
| آلية التشتت | التنافر الكهروستاتيكي | التنافر الكهروستاتيكي والتأثيرات الفراغيّة |
| معدل تقليل المياه | 15-25% | حتى 40% |
| الحفاظ على الركود | في غضون 30-60 دقيقة | حتى ساعتين |
| الأثر البيئي | تحتوي على الفورمالدهايد ومواد كيميائية أخرى | خالي من الفورمالديهايد |
| التوافق | مشكلات عدم التوافق | متوافق للغاية مع مختلف المواد المضافة |
باختصار، بالمقارنة مع مخفضات الماء التقليدية، يوفر بولي كربوكسيلات الملدنات الفائقة المزايا التالية:
- معدل تخفيض المياه المرتفع: يمكن أن تصل معدلات تقليل المياه إلى 25-40%.
- معدل نمو قوة عالية: قوة معززة بشكل ملحوظ، خاصةً في مراحل نمو القوة المبكرة.
- احتفاظ ممتاز بالركود: احتفاظ استثنائي بالركام يضمن الحد الأدنى من فقدان الركام بمرور الوقت.
- تجانس فائق: يضفي سيولة ممتازة على الخرسانة، مما يسهل عملية الصب والضغط، ومناسب للخرسانة ذاتية التسوية والضغط الذاتي.
- إنتاج يمكن التحكم فيه: تسمح التعديلات في الوزن الجزيئي للبوليمر وطول السلسلة الجانبية والكثافة ونوع مجموعات السلسلة الجانبية بمعدلات تقليل الماء واحتباس الركود وخصائص منع الهواء.
- توافق واسع النطاق: يُظهر قابلية جيدة للتشتت والاحتفاظ بالركود مع أنواع مختلفة من الأسمنت، بما في ذلك الأسمنت البورتلاندي العادي والأسمنت الخبث والأسمنت المخلوط.
- انكماش منخفض: يعزز من ثبات الحجم، ويقلل من الانكماش لمدة 28 يومًا بحوالي 20% مقارنةً بمخفضات الماء القائمة على النفثالين مما يقلل من مخاطر التشقق.
- صديقة للبيئة: غير سامة وغير مسببة للتآكل وخالية من الفورمالدهايد والمكونات الضارة الأخرى.
شرح إضافي
مخفضات الماء عالية الأداء من البولي كاربوكسيل البولي كربوكسيل تم تصميمها استنادًا إلى مبادئ التركيب الجزيئي، باستخدام نظرية تنافر الشحنة DLVO ونظرية العوائق الفراغيّة. يتم تطعيم المجموعات النشطة ذات الوظائف المختلفة على السلسلة الرئيسية، لتشكيل البوليمر. تمتص السلسلة الرئيسية لجزيء البولي كاربوكسيلات بقوة على سطح جزيئات الأسمنت، مما يعيق الترطيب بشكل فعال ويعزز الاحتفاظ بالركود، بينما تحيط السلاسل الجانبية بجزيئات الأسمنت، مما يوفر كلاً من العوائق الفراغي والتنافر الكهروستاتيكي. هذه الآلية، التي تختلف عن التنافر الكهروستاتيكي الذي تستخدمه مخفضات الماء التقليدية لتفريق جزيئات الأسمنت، تؤدي إلى قابلية فائقة للتشتت وتقليل الماء، مما يؤدي في النهاية إلى رفع الأداء العام للملاط والمنتجات الخرسانية.
يتم تصنيع مخفضات الماء متعددة الكربوكسيل عن طريق بلمرة المحلول المائي الجذري الحر، والتي تحتوي على الحد الأدنى من أيونات الكلوريد ولا تتطلب سوى كمية صغيرة من القلويات لتحييدها، مما يؤدي إلى محتوى قلوي منخفض للغاية. وفي المقابل، يختلف المحتوى القلوي في مخفضات الماء القائمة على النفثالينات اختلافًا كبيرًا بسبب الاختلافات في عمليات السلفنة.
تعتبر القلويات عاملاً رئيسيًا في التفاعلات القلوية المتراكمة (AAR)، والتي تسببت في العديد من حالات تدهور الخرسانة في جميع أنحاء العالم. تنشأ القلويات في الخرسانة في المقام الأول من الأسمنت والرماد المتطاير ومخفضات الماء والمواد الخام الأخرى. على الصعيد العالمي، هناك تركيز كبير على التحكم في المحتوى القلوي. على سبيل المثال:
- تفرض جنوب أفريقيا حدًا أقصى للمحتوى القلوي الكلي يبلغ 2.1 كجم/م³.
- يقيدها مشروع الخوانق الثلاثة في الصين بـ 2.5 كجم/م³.
- تحدده الولايات المتحدة الأمريكية بـ 3.3 كجم/م³.
وباعتباره أحد المكونات الخمسة الأساسية للخرسانة، فإن المحتوى القلوي لمخفضات الماء، وخاصةً Na2SO4، يؤثر بشكل مباشر على المحتوى القلوي الكلي للخرسانة. ونظرًا لعمليات الإنتاج التي تتضمن سلفنة حمض الكبريتيك المركز وتحييد هيدروكسيد الصوديوم، تحتوي بعض مخفضات الماء القائمة على النفثالينات على مستويات من Na2SO4 تصل إلى 30%، حيث يبلغ معظمها حوالي 10% ويتجاوز محتوى أيون الكلوريد عمومًا 0.3% أو أعلى. وعلى النقيض من ذلك، يتم تصنيع مخفضات الماء القائمة على البولي كربوكسيل عن طريق بلمرة المحلول المائي دون سلفنة، مما يتطلب الحد الأدنى فقط من هيدروكسيد الصوديوم لتعديل الأس الهيدروجيني، مما يؤدي إلى محتوى أيون قلوي وكلوريد لا يكاد يذكر. وهذا يعزز بشكل كبير من متانة الملاط والخرسانة ويجعل مخفضات الماء القائمة على البولي كربوكسيل مكونات أساسية لإنتاج خرسانة خضراء عالية الأداء.
