تهیه میکروذرات ابر جاذب برای ساخت بتن با فراصوت دهی و بررسی عملکرد آن

نویسندگان: مژده اشکانی، حسین بوهندی، محمدرضا رستمی، کوروش کبیری، مجید غیاث

پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، تهران (پژوهشکده پتروشیمی، گروه چسب و رزین؛ پژوهشکده مهندسی، گروه پلیمریزاسیون؛ پژوهشکده مهندسی، گروه مدل سازی)

---

چکیده

فرضیه: این مقاله به بررسی **عمل آوری داخلی بتن** با استفاده از پلیمرهای ابر جاذب (SAPs) می‌پردازد. این مواد اصلاح کننده با کاربردهای گسترده هستند که یکی از کاربردهای این مواد در صنعت تولید بتن است. استفاده از این مواد برای آبدهی به مواد سیمانی و پخت آنها بیش از یک دهه است که مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. استفاده از ابر جاذبها در بتن روش ارزشمندی بوده برای مناطقی که عمل آوری معمولی بسیار دشوار است، مانند شرایط آب و هوایی ناپایدار که میتواند به تبخیر بیش از حد و یخ زدگی منجر شود. همچنین باعث صرفه جویی در مصرف آب نیز میشود.

روشها: میکروژل کربوپل (پلی آکریلیک اسید شبکه‌ای) اصلاح شده با مونومر پلی (اتیلن گلیکول متیل اتر متاکریلات) با وزن مولکولی ۳۰۰ گرم بر مول در مقادیر مختلف (۱، ۲ و ۳ گرم) به کمک آغازگر آزو بیس ایزوبوتیرونیتریل با فراصوت دهی تهیه شد و خواص میکروژل تهیه شده و نیز اثر آن بر خواص سیمان بررسی شد. میکروژل تهیه شده با آزمونهای طیف سنجی زیر قرمز تبدیل فوریه (FTIR)، میکروسکوپی الکترونی پویشی، تعیین اندازه ذره و خواص تورمی بررسی شد. همچنین اثر میکروژل تهیه شده بر خواص متفاوت سیمان مانند رئولوژی، استحکام فشاری و خمشی و آبدهی ارزیابی شد.

یافته ها: نتایج FTIR و تصاویر میکروسکوپی نشان داد اصلاح مونومرها انجام شده است. با توجه به نتایج تورمی مشاهده شد کربوپل در آب و آب نمک هیچ جذبی ندارد و حل میشود و پس از اصلاح نیز خاصیت تورمی و جذب حاصل شده است. ظرفیت تورم در آب و آب نمک با افزایش غلظت مونومر پلی اتری ابتدا افزایش و سپس کاهش یافت. نتایج نمونه های سیمان نشان داد، استحکام فشاری نمونه سیمان در مجاورت کربوپل اصلاح شده با مونومر پلی اتری کاهش یافت. همچنین با مقایسه استحکام نمونه های تهیه شده و نمونه تجاری مشخص شد، نمک سدیم پلی آکریلیک اسید با نسبت آب به سیمان یکسان موجب افزایش استحکام فشاری نمونه شاهد شده است. استحکام خمشی نیز در تمام نمونه ها نسبت به نمونه مرجع کاهش یافت. با توجه به نتایج گران روی، میکروژل کربوپل با مونومر پلی اتری گران روی نمونه های سیمان را افزایش داد. با توجه به نتایج XRD، آبدهی و پخت نمونه های دارای ابر جاذب (کلیدواژه: **عمل آوری داخلی بتن**) نسبت به سیمان شاهد تا ۲۸ روز ادامه داشت. بنابراین میتوان نتیجه گرفت ابر جاذبها در کل موجب تأخیر در آبدهی میشوند.

کلمات کلیدی: کربوپل، متاکریلات، ابر جاذب، فراصوت، سیمان، عمل آوری داخلی بتن

---

مقدمه: اهمیت عمل آوری داخلی بتن

پلیمرهای ابر جاذب انواع خاصی از هیدروژل ها و موادی آب دوست با ساختار شبکه ای هستند و قابلیت جذب و نگه داری مقدار بسیار زیادی آب یا محلولهای آبی را به طور فیزیکی در ساختار خود دارند. ظرفیت جذب آب هیدروژلهای معمولی اغلب از ۱۰۰ گرم بر گرم فراتر نمیرود اما پلیمرهای ابر جاذب میتوانند تا ۱۰۰۰ برابر آب خالص را جذب کنند. بیشترین کاربرد صنعتی پلیمرهای ابر جاذب در تولید پوشک بچه و سایر محصولات بهداشتی است... و دومین کاربرد عمده صنعتی پلیمرهای ابر جاذب در اصلاح خاک و باغبانی است.

کربوپل، پلیمر آکریلیک اسید شبکه ای شده شناخته شده است که ذرات بسیار ریز و سفید با وزن مولکولی بسیار زیاد و قابلیت تورم در آب را دارد... .

بیش از یک دهه است که کاربرد ابر جاذبها برای آبدهی به مواد سیمانی و عمل آوری آنها مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است... . پلیمرهای ابر جاذب (هیدروژلها) ساختاری شبکه ای از زنجیرهای پلیمری پیوند خورده به یکدیگرند که قابلیت جذب و نگه داری آب را دارند و می توانند طی زمان به تدریج آب حبس شده را آزاد کنند.

عمل آوری داخلی بتن به معنی فراهم آوردن بخشی از آب لازم برای فرایند آبدار شدن سیمان به صورت آب ذخیره شده درون مواد جاذب و نگه دارنده آب در مخلوط سیمانی است. با استفاده از عمل آوری درونی حین آبدار شدن بتن، رطوبت نسبی درون مخلوط همواره زیاد می ماند و از خشک شدن و جمع شدگی خود به خودی جلوگیری میشود... .

پژوهشهای Jensen و Hansen در بیش از یک دهه گذشته پایه نظری استفاده از پلیمرهای ابر جاذب برای عمل آوری درونی قرار گرفته است. این پژوهشگران عنوان کردند به دلیل ظرفیت جذب آب زیاد این پلیمرها می توان ذرات متورم شده آنها را تقریباً به طور کامل به عنوان آب در نظر گرفت... . استفاده از پلیمرهای ابر جاذب این برتری را نسبت به سبک دانه ها دارد که از اضافه کردن مقدار زیادی مواد با استحکام مکانیکی ضعیف به بتن جلوگیری میشود. همچنین ذرات ابر جاذب را میتوان به حالت خشک به مخلوط اضافه کرد تا بخشی از آب اختلاط را جذب کنند.

(در این بخش به مرور ادبیات و پژوهش‌های رستمی و همکاران، فرزانیان و همکاران، Wang و همکاران و Dang و همکاران اشاره شده است...)

در این مطالعه اثر کربوپل اصلاح شده با مقادیر مختلف مونومر پلی اتیلن گلیکول متیل اتر متاکریلات با روش فراصوت دهی بر خواص خمیر سیمان بررسی شد. مونومر پلی اتیلن گلیکول متیل اتر متاکریلات مونومری است که در ابر روان کننده های بتن بر پایه آکریلیک بسیار استفاده شده است و باعث خاصیت روان کنندگی بتن میشود. آزمونهای مختلفی از جمله FTIR، میکروسکوپ الکترونی پویشی، تعیین اندازه ذرات و خواص تورم روی ریز ذرات و آزمونهای رئولوژی، استحکام فشاری و خمشی و آبدهی روی خمیر سیمان دارای ریز ذرات انجام و نتایج بررسی شده است.

این مقاله پژوهشی ابتدا در مجله علوم و تکنولوژی پلیمر (وابسته به پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران) منتشر شده است و به بررسی دقیق افزودنی‌های نوین برای خرید بتن آماده در تهران می‌پردازد.

---

تجربی (مواد و روش‌ها)

مواد

پودر کربوپل (پلی آکریلیک اسید شبکه ای شده) از شرکت Lubrizol تهیه شد. از هگزان و اتیل استات (Merck) به عنوان حلال، پلی (اتیلن گلیکول) متیل اتر متاکریلات (PEGMEMA، وزن مولکولی ۳۰۰) به عنوان مونومر و آزوبیس ایزوبوتیرونیتریل (AIBN) به عنوان آغازگر استفاده شد. سیمان پرتلند نوع ۲ از خوزستان فارس بدون هیچ گونه خالص سازی تهیه شد. خواص و ترکیبات شیمیایی سیمان در جدول ۱ آمده است. ... از ابر جاذب تجاری نمک سدیم پلی (آکریلیک اسید) نیز برای مقایسه با میکروژل های سنتزی استفاده شد.

جدول ۱: ترکیبات شیمیایی سیمان پرتلند نوع ۲ (درصد وزنی)

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	Free CaO	L.O.I	SO₃	I.R.
۲۱.۱	۴.۹	۵.۲	۶۱.۰	۲.۷	۰.۸	۰.۴	۰.۵	۰.۸	۱.۹	۰.۵

دستگاه ها و روشها

تهیه میکروژل کربوپل اصلاح شده با مونومر به کمک فراصوت دهی

برای تولید میکروژل، پودر کربوپل با مخلوط مونومر پلی (اتیلن گلیکول) متیل اتر متاکریلات در مقادیر متفاوت (۱، ۲ و ۳ گرم به ترتیب با نام های A₁، A₂ و A₃) و آغازگر آزوبیس ایزوبوتیرونیتریل (AIBN) اصلاح شد. بدین ترتیب که ابتدا ۵ گرم کربوپل در ۲۰ میلی‌لیتر هگزان پخش شد. سپس مونومر در حدود ۱ تا ۲ میلی‌لیتر هگزان حل شد... مخلوط به مدت ۱۰ دقیقه، دو مرتبه، درون دستگاه فراصوت (Probe Sonicator) با توان W ۴۰ قرار داده شد... در نهایت پودر حاصل به مدت ۲ ساعت در دمای ۵۰ تا ۶۰ درون آون قرار گرفت تا خشک شود.

تهیه خمیر سیمان دارای ابر جاذب

۳۰ گرم سیمان و ۰.۰۱۵ گرم هیدروژل در حالت خشک مخلوط شدند. سپس ۱۰ گرم آب مقطر به مخلوط اضافه شد. مخلوط حاصل به مدت ۵ دقیقه هم زده شد... نمونه های سیمان به صورت C-X نام گذاری شده که X نشان دهنده نوع میکروژل است.

آزمونهای انجام شده بر میکروژل

اندازه ذرات این میکروژل ها با دستگاه پراکندگی نور دینامیکی (DLS) ... به دست آمد... طیف سنجی FTIR ... محاسبه مقدار تورم (معادله ۱) ... میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM)... .

آزمونهای انجام شده روی خمیر سیمان دارای میکروژل

رئومتری (با رئومتر نوسانی مدل Paar-Physica MCR 300) ... پراش پرتو X (XRD) ... استحکام فشاری و خمشی (با دستگاه Insratest و آزمون طی ۲۸ روز طبق استاندارد ISO 679) ... .

---

نتایج و بحث

۱. طیف سنجی FTIR

شکل ۱ طیف FTIR نمونه های کربوپل اصلاح نشده (C) و اصلاح شده با مونومر پلی اتری (A₂) را نشان میدهد. در طیف کربوپل اصلاح نشده (a)، پیک در ناحیه ۱۷۱۰ به گروه کربونیل اسیدی... و پیک در ناحیه ۱۴۶۵ به گروه های متیلن... مربوط است. در طیف کربوپل اصلاح شده (b)... نتایج حاکی از انجام موفق اصلاح در کربوپل است. طرح واره ۱ واکنش بین کربوپل با مونومر پلی اتری را نشان میدهد.

۲. میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM)

شکل ۲ تصاویر SEM کربوپل اصلاح نشده و کربوپل اصلاح شده با مونومر را نشان میدهد. تصاویر نشان می دهد، ذرات نمونه اصلاح شده در مقایسه با کربوپل خالص بیشتر لایه ای و پولکی است. این موضوع حاکی از پیوندزنی زنجیرهای پلیمری نه تنها در سطح بلکه در عمق نمونه است...

۳. مقدار تورم (جذب آب)

مقدار تورم نمونه های کربوپل اصلاح شده... در آب مقطر و محلول آب نمک ۰/۹٪ در جدول ۲ آمده است. نمونه کربوپل اصلاح نشده هیچ جذبی ندارد و پس از اصلاح با مونومر خواص جذبی نشان میدهد. با افزایش غلظت مونومر مقدار جذب ابتدا افزایش (در A₂) و سپس کاهش یافته است (در A₃). ... با افزایش غلظت درشت مر (PEGMEMA) به دلیل افزایش گروه های غیریونی جذب کاهش می یابد.

جدول ۲: تورم نمونه‌های کربوپل اصلاح‌شده در آب مقطر و آب نمک

کد نمونه	ساختار پلیمر	مقدار مونومر (g)	جذب در آب (g/g)	جذب در آب نمک (g/g)
C	کربوپل	۰	-	-
A₁	کربوپل اصلاح شده	۱	۵۸.۸۸	۲۲.۷
A₂	کربوپل اصلاح شده	۲	۶۲.۰۹	۲۴.۷۱
A₃	کربوپل اصلاح شده	۳	۵۰.۹۵	۱۳.۶۸
B	نمک سدیم پلی (آکریلیک اسید)	۰	۱۹۴.۹	۲۷.۹۴

۴. استحکام فشاری و خمشی

شکل ۳ استحکام فشاری نمونه های سیمان شاهد (C-S)، سیمان دارای کربوپل (C-C) و سیمان دارای کربوپل اصلاح شده (C-A₁, C-A₃) و سیمان در ابر جاذب تجاری (C-B) را طی ۲۸ روز نشان میدهد. استحکام فشاری نمونه مرجع (۳۹.۸) با افزودن میکروژل کربوپل (۳۹.۶) کاهش و با افزودن ابر جاذب تجاری (۴۲.۷) افزایش یافته است. استحکام فشاری نمونه سیمان در مجاورت کربوپل اصلاح شده (C-A₁: ۳۹.۱ و C-A₃: ۳۸.۱) نسبت به نمونه مرجع و نمونه با کربوپل اصلاح نشده کاهش یافته است.

شکل ۴ استحکام خمشی را نشان می‌دهد. بر اساس نتایج، استحکام خمشی در تمام نمونه ها نسبت به نمونه مرجع (۹.۳) کاهش یافته است (C-C: ۶.۲، C-A₁: ۸.۱، C-A₃: ۷.۴، C-B: ۸.۳). ... در سامانه های سیمانی دارای ابر جاذب انتظار می رود استحکام تحت تأثیر دو فرایند رقابتی قرار گیرد. یکی شامل افزایش قدرت تراکم ساختارهای با خلل و فرج مویرگی و دیگری شامل شکل گیری حفره های ناشی از خشک شدن ذرات ابر جاذب طی فرایند واجذب است.

۵. رئولوژی (گران‌روی)

شکل ۵ گران روی نمونه های خمیر سیمان دارای ابر جاذب را نشان میدهد. با افزایش تنش برشی گران روی نمونه ها کاهش می یابد... مطابق شکل، ابر جاذب باعث افزایش گران روی خمیر سیمان شده است. کمترین مقدار گرانروی در بین نمونه های دارای ابر جاذب برای نمونه سیمان دارای کربوپل اصلاح نشده (C-C) حاصل شد. نمونه های سیمان دارای کربوپل پس از اصلاح با مونومر پلی اتری گران روی بیشتری دارند... . مطابق شکل ۶ اثر ابر جاذبها بر نمودار تنش برشی - سرعت برش بررسی شده است.

این موضوع بر قیمت بتن و هزینه‌های پمپاژ تأثیرگذار است. کمترین گران‌روی در نمونه شاهد (C-S) و بیشترین گران‌روی در نمونه C-A₁ مشاهده شد.

۶. پراش پرتو XRD (آبدهی)

شکل ۷ الگوهای XRD خمیرهای سیمان برای نمونه پودر سیمان، سیمان شاهد و سیمان دارای کربوپل اصلاح شده با مونومر پلی اتری را در غلظتهای متفاوت طی ۱ و ۲۸ روز نشان میدهد. سیمان پرتلند از دی کلسیم و تری کلسیم سیلیکات (C₂S و C₃S) تشکیل شده است.

با افزایش زمان آبدهی (۱ تا ۲۸ روز) ارتفاع پیک های ۲ و ۳ کم شده و ارتفاع پیکهای ۱ و ۴ (مربوط به C-S-H ژل و پرتلندیت) افزایش یافته است.

کمترین مقدار آبدهی در نمونه سیمان شاهد است که به دلیل نداشتن ابر جاذب زودتر از ۲۸ روز آبپوشی شده است. اما آبدهی در نمونه های دارای ابر جاذب به دلیل جذب آب و پخت سیمان با ابر جاذب تا ۲۸ روز ادامه داشت... میتوان نتیجه گرفت ابر جاذبها در کل باعث تأخیر در آبدهی میشوند زیرا روی ذرات سیمان می چسبند و مانع از رسانندگی گرمایی بین ذرات سیمان میشوند. این همان هدف اصلی عمل آوری داخلی بتن است.

---

نتیجه‌گیری نهایی

در این پژوهش میکروژل کربوپل (پلی آکریلیک اسید شبکه ای) اصلاح شده با مونومر پلی (اتیلن گلیکول) متیل اتر متاکریلات با روش فراصوت دهی برای کاربرد در سیمان و بتن تهیه شد و اثر آن بر خواص متفاوت سیمان مانند رئولوژی، استحکام فشاری و خمشی و آبدهی بررسی شد. نتایج آزمون FTIR ... حاکی از انجام موفق اصلاح با مونومر بود.

نتایج کلیدی برای عمل آوری داخلی بتن عبارتند از:

• ظرفیت تورم در آب و آب نمک با افزایش غلظت مونومر پلی اتری ابتدا افزایشی و سپس کاهشی بود.
• افزودن این ابر جاذب اصلاح‌شده، استحکام فشاری و خمشی را کاهش داد (برخلاف ابر جاذب تجاری که استحکام فشاری را افزایش داد).
• گران‌روی خمیر سیمان با افزودن این مواد افزایش یافت.
• ابر جاذب‌ها به طور کلی باعث تأخیر در آبدهی می‌شوند و فرآیند پخت را تا ۲۸ روز ادامه می‌دهند، که این امر هدف اصلی عمل آوری داخلی بتن برای جلوگیری از جمع‌شدگی است.

در نهایت، اگرچه این ابرجاذب سنتز شده، استحکام را (تحت این طرح اختلاط) افزایش نداد، اما پتانسیل خود را برای **عمل آوری داخلی بتن** و پخت بتن از درون، به خوبی نشان داد.

---

---

مراجع

• Molyneux P., Water-Soluble Synthetic Polymers: Properties and Behavior, CRC, Boca Raton, 1st ed., 1983.
• Zohuriaan-Mehr M.J., et al., Protein and Homo Poly(amino acid)-Based Hydrogels..., Polym. Adv. Technol., 2009.
• Guilherme M.R., et al., Superabsorbent Hydrogels Based on Polysaccharides..., Europ. Polym. J., 2015.
• (و سایر مراجع ذکر شده در انتهای مقاله...)