كمادة كيميائية مضافة تُستخدم على نطاق واسع في هندسة الخرسانة، فإن الملدن الفائق له تأثيرات كبيرة في تحسين أداء الخرسانة، وزيادة القوة وتقليل نسبة الماء إلى الأسمنت. في هذه الورقة، يتم استعراض تصنيف وآلية عمل وتطبيق عوامل تقليل الماء في الخرسانة. يتم مناقشة التأثيرات وآفاق التطبيق لأنواع مختلفة من عوامل تقليل الماء في الممارسة الهندسية.
تطور مواد تقليل الماء في الخرسانة
الجيل الأول: أنواع اللجنوسلفونات (Na، Mg، Ca).
الجيل الثاني: سلفونات النفثالين، الفورمالديهايد سلفونات الميلامين، السلسلة الأليفاتية، وسلسلة حمض الأمينو سلفونيك.
الجيل الثالث: الملدن الفائق من نوع البولي كربوكسيلات، الذي يمثل قمة تكنولوجيا الملدنات الفائقة.
1. ملدن البولي كربوكسيلات الفائق (PCE)
يقف ملدن البولي كربوكسيلات الفائق في الصين في طليعة تكنولوجيا الخرسانة، حيث يثوّر الأسواق المحلية والدولية. تم تصميم هذا الملدن الفائق المتقدم بدقة بناءً على تصاميم جزيئية متطورة وقدرة امتصاص استثنائية للبولي كربوكسيلات، مما يوفر حلاً رائدًا لتقليل الماء والاحتفاظ به لتطبيقات الخرسانة.
1.1 مقدمة عن PCE
- التركيب والبنية
تتكون الملدنات الفائقة من نوع البولي كربوكسيلات من سلاسل بوليمرية طويلة مع عمود فقري من البولي كربوكسيلات وسلاسل جانبية من بولي إيثيلين جلايكول (PEG) أو مركبات مشابهة. يسهل هذا التصميم الجزيئي امتصاص الملدن الفائق على جزيئات الأسمنت بينما تمتد السلاسل الجانبية في المحلول المحيط، مما يخلق عائقًا فراغيًا يمنع تكتل الجزيئات. يؤدي ذلك إلى تشتت أفضل لجزيئات الأسمنت، مما يقلل من الحاجة إلى الماء الزائد في خليط الخرسانة.
- آلية العمل
الآلية الأساسية التي يعمل بها PCE هي من خلال التنافر الكهروستاتيكي والعائق الفراغي. عند إدخاله في خليط الأسمنت، يمتص الملدن الفائق على سطح جزيئات الأسمنت، مما يمنحها شحنة سالبة تطرد الجزيئات عن بعضها البعض. هذا التنافر، مع الحاجز الفيزيائي الذي تخلقه السلاسل الجانبية البوليمرية الممتدة، يعزز من تشتت جزيئات الأسمنت، مما يؤدي إلى تقليل كبير في الطلب على الماء مع الحفاظ على أو تحسين تدفقية الخرسانة.
1.2 تطبيقات ومزايا PCE
تُستخدم الملدنات الفائقة من نوع البولي كربوكسيلات على نطاق واسع في تطبيقات الخرسانة عالية الأداء، بما في ذلك الخرسانة مسبقة الصب، والخرسانة ذاتية الدمك (SCC)، والخرسانة عالية القوة. تشمل الفوائد الرئيسية:
- جرعة قليلة مطلوبة مع تقليل كبير للماء
يحقق تقليل كبير في الماء مع جرعات قليلة، مما يعزز الكفاءة والفعالية من حيث التكلفة.
- احتباس ممتاز للركود في الخرسانة
يحافظ على احتباس الركود الفائق، مما يضمن العمل على مدى فترات طويلة.
- توافق مثالي مع أنواع مختلفة من الأسمنت
متوافق مع مجموعة واسعة من أنواع الأسمنت، مما يضمن إمكانيات تطبيق واسعة.
- انكماش الخرسانة الأدنى
يضمن استقرار حجم فائق ومتانة من خلال تقليل الانكماش.
- إنتاج واستخدام صديق للبيئة
يتم إنتاجها واستخدامها من خلال عمليات واعية بيئيًا، مما يساهم في ممارسات البناء المستدامة.
2. ملدن النفثالين الفائق FDN/SNF
2.1 مقدمة عن FDN
تُعتبر الملدنات الفائقة القائمة على النفثالين (المعروفة أيضًا باسم مكثفات الفورمالديهايد سلفونات النفثالين أو NSF) واحدة من أكثر عوامل تقليل الماء استخدامًا في صناعة الخرسانة. كعامل تقليل ماء عالي المدى (HRWR)، تحسن الملدنات الفائقة من نوع النفثالين بشكل كبير من قابلية العمل للخرسانة عن طريق تقليل محتوى الماء دون التأثير على قوة الخليط.
- التركيب والبنية
تُشتق الملدنات الفائقة من نوع النفثالين من سلفنة النفثالين، تليها التكثيف مع الفورمالديهايد. البوليمرات الناتجة، المعروفة باسم مكثفات الفورمالديهايد سلفونات النفثالين (NSF)، تمتلك بنية جزيئية خطية مع مجموعات سلفونات متعددة. توفر هذه المجموعات السلفونات شحنة سالبة قوية، وهي ضرورية لتشتت جزيئات الأسمنت في خليط الخرسانة، مما يقلل من الطلب على الماء ويحسن من سيولة الخرسانة بشكل عام.
- آلية العمل
تعمل الملدنات الفائقة من نوع النفثالين بشكل أساسي من خلال التنافر الكهروستاتيكي. عند إضافتها إلى خليط الخرسانة، تلتصق المجموعات السلفونات السالبة الشحنة بسطح جزيئات الأسمنت، مما يجعلها تتنافر عن بعضها البعض. هذا التنافر يمنع تكتل جزيئات الأسمنت، مما يؤدي إلى تشتت أفضل وترطيب أكثر كفاءة. من خلال تقليل كمية الماء اللازمة لتحقيق قابلية العمل المطلوبة، تسمح الملدنات الفائقة القائمة على NSF بزيادة القوة والكثافة في الخرسانة مع الحفاظ على تدفقيتها.
2.2 تطبيقات ومزايا FDN
تُستخدم الملدنات الفائقة من نوع النفثالين على نطاق واسع في أنواع مختلفة من الخرسانة، خاصة في مشاريع البناء الكبيرة، وإنتاج الخرسانة مسبقة الصب، وتطبيقات الخرسانة عالية القوة. تشمل المزايا الرئيسية:
- تقليل الماء العالي: يمكن لـ NSF تقليل محتوى الماء في خليط الخرسانة بنسبة تصل إلى 30%، مما يؤدي إلى خرسانة أقوى وأكثر متانة
- تحسين قابلية التشغيل: حتى عند نسب الماء إلى الأسمنت المنخفضة، تحافظ الخرسانة مع الملدن الفائق النفثالين على تدفق ممتاز وقابلية للتشغيل، وهو أمر حاسم للقوالب المعقدة والتسليح الكثيف.
- تعزيز تطوير القوة المبكرة: يعزز NSF من سرعة التميه واكتساب القوة المبكرة، مما يجعله مثاليًا للمشاريع التي تتطلب إزالة القوالب بسرعة أو جداول بناء متسارعة.
- فعالية من حيث التكلفة: غالبًا ما تكون الملدنات الفائقة القائمة على النفثالين أكثر تكلفة مقارنة بتقنيات الملدنات الفائقة الأحدث، مما يجعلها خيارًا شائعًا في المشاريع الحساسة للميزانية.
- التوافق: يتوافق NSF مع مجموعة واسعة من أنواع الأسمنت والمواد المضافة الأخرى، مما يسمح بالمرونة في تصميم خلطات الخرسانة.
3. الليجنوسلفونات الصوديوم SLS
3.1 مقدمة عن SLS
الليجنوسلفونات الصوديوم هو بوليمر عضوي مشتق من اللجنين، وهو مكون طبيعي من الخشب. يُستخدم على نطاق واسع كعامل تقليل للماء (ملدن) في خلطات الخرسانة نظرًا لقدرته على تحسين قابلية التشغيل وتقليل محتوى الماء في الخرسانة دون التأثير على قوتها. يُستخدم الليجنوسلفونات الصوديوم أيضًا في صناعات أخرى، مثل الزراعة والسيراميك وحفر النفط، نظرًا لخصائصه المشتتة والربط.
- التركيب والبنية
الليجنوسلفونات الصوديوم هو منتج ثانوي لعملية لب الخشب، حيث يتم سلفنة اللجنين من الخشب ثم تحييده بهيدروكسيد الصوديوم. المنتج الناتج هو بوليمر معقد قابل للذوبان في الماء يحتوي على عدد كبير من مجموعات السلفونات (-SO) المرتبطة بعموده الفقري. هذه البنية تمنح الليجنوسلفونات الصوديوم خصائصه المشتتة الممتازة، حيث تخلق مجموعات السلفونات شحنة سالبة تساعد في تفكيك تجمعات الجسيمات في المواد المختلفة، بما في ذلك جزيئات الأسمنت في الخرسانة.
- آلية العمل في الخرسانة
في الخرسانة، يعمل الليجنوسلفونات الصوديوم كملدن عن طريق تشتيت جزيئات الأسمنت من خلال التنافر الكهروستاتيكي. عند إدخاله في خليط الخرسانة، ترتبط مجموعات السلفونات بسطح جزيئات الأسمنت، مما يمنحها شحنة سالبة. هذا يتسبب في تنافر الجزيئات عن بعضها البعض، مما يمنع التكتل ويعزز التشتت الأفضل. ونتيجة لذلك، يصبح خليط الخرسانة أكثر سيولة وقابلية للتشغيل دون الحاجة إلى ماء إضافي. من خلال تقليل نسبة الماء إلى الأسمنت، يساعد الليجنوسلفونات الصوديوم في تحسين الخصائص الميكانيكية للخرسانة، مثل قوتها ومتانتها.
3.2 التطبيقات والمزايا لـ SLS
3.2.1 التطبيقات
يُستخدم الليجنوسلفونات الصوديوم في مجموعة واسعة من الصناعات نظرًا لتعدد استخداماته وفعاليته من حيث التكلفة. تشمل تطبيقاته الرئيسية:
- الخرسانة والبناء: يُستخدم الليجنوسلفونات الصوديوم كعامل تقليل للماء وملدن في الخرسانة، مما يحسن قابلية التشغيل ويقلل من محتوى الماء مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية للخليط أو تحسينها. إنه مفيد بشكل خاص في الخرسانة الجاهزة، والخرسانة مسبقة الصب، وهياكل الخرسانة الضخمة.
- الزراعة: في الزراعة، يُستخدم الليجنوسلفونات الصوديوم كعامل ربط لأعلاف الحيوانات وكعامل مشتت للأسمدة والمبيدات، مما يحسن من فعاليتها وتوزيعها.
- السيراميك: في صناعة السيراميك، يعمل الليجنوسلفونات الصوديوم كعامل مزيج، مما يقلل من لزوجة الطين السيراميكي، مما يسمح بتحسين الصب وتشكيل المنتجات السيراميكية.
- حفر النفط: يُستخدم الليجنوسلفونات الصوديوم كعامل مشتت في طين الحفر، مما يحسن خصائص تدفقها ويمنع الترسب أثناء عملية الحفر.
3.2.1 المزايا
يقدم الليجنوسلفونات الصوديوم عدة مزايا عبر تطبيقاته المختلفة:
- فعالية من حيث التكلفة: إنه واحد من أكثر عوامل تقليل الماء تكلفة، مما يجعله خيارًا شائعًا في مشاريع البناء الكبيرة.
- الاستدامة: كمنتج ثانوي لصناعة لب الخشب، يُعتبر الليجنوسلفونات الصوديوم موردًا متجددًا، مما يساهم في ممارسات البناء الأكثر استدامة.
- تحسين قابلية التشغيل: في الخرسانة، يُحسن الليجنوسلفونات الصوديوم قابلية التشغيل عند نسب الماء إلى الأسمنت المنخفضة، مما يقلل من خطر التشققات ويحسن المتانة على المدى الطويل.
- استخدام متعدد الصناعات: تتيح تعدد استخداماته تطبيقات في صناعات متنوعة، من البناء إلى الزراعة وما بعدها.
