ساختار شیمیائی لیگنو سولفونات و عملکرد این ترکیبات به عنوان روان کننده بتن

لیگنو سولفونات ها جزو قدیمی ترین افزودنی های شیمیائی بتن مورد مصرف در صنعت بتن می باشند. این ترکیبات در دهه ۳۰ میلادی مورد استفاده قرار گرفتند. لیگنو سولفوناتها به عنوان روان ساز بتن یا کاهنده آب بتن به مصرف می رسند. مکانیسم عمل آنها بر پایه خاصیت پخش کنندگی ذرات سیمان در آب می باشد. به تدریج مواد دیگری از جمله ملامین فرمالدئید سولفونه SMF، نفتالن فرمالدئید سولفونه و اخیراً رزینهای آکریلیک استری و اتری موسوم به پلی کربوکسیلات ها به این صنعت معرفی شده اند. صنعت لیگنو سولفونات توانسته است تدریجاً ایرادات ساختاری این ترکیبات را برطرف کرده و توانسته همچنان جایگاه خوبی برای لیگنو سولفونات در بین مواد کاهنده آب بتن داشته باشد. امروزه لیگنو سولفوناتها به تنهائی و یا ترکیب با دیگر مواد شیمیائی به وفور در این صنعت مصرف می شوند.

شیمی لیگنو سولفونات:

در تولید کاغذ از چوب، لازم است که این ماده از سلولز جدا شود و از آنجا که لیگنین حلالیت خوبی در آب ندارد در یک فرآیند شیمیائی موسوم به سولفوناسیون تبدیل به لیگنو سولفونات می شود. با قرار گیری گروه عاملی سولفات بر روی آن طی فرآیند سولفوناسیون حلالیت این ماده در آب افزایش داده می شود. استخراج لیگنین از چوب و سولفوناسیون در یک فرآیند همزمان انجام می شود به این صورت که خرده های چوب در محلول بی سولفیت سدیم یا کلسیم تا دمای ۱۳۰ درجه سانتیگراد هضم می شود و گروه عاملی سولفات بر روی شبکه پلیمری لیگنین پیوند می دهد.

در پایان مواد نامحلول سلولزی و نمکهای باقیمانده با جرم مولی کم از ماده اصلی جدا می شوند بطوریکه محصول نهائی با جرم مولی مورد نظر جدا سازی شود. در مرحله تصفیه، قندهای محلول و لیگنو سولفوناتهای با جرم مولی کم نیز جدا سازی می شوند. حضور قندها در مقادیر بالا باعث تاخیر در گیرش سیمان شده و در مقادیر مصرف بالای افزودنی حتی توقف گیرش نیز اتفاق بیافند. این حالت برای بتن ریزی در هوای سرد تشدید نیز می شود و لذا جداسازی قندها از لیگنو سولفونات، بهره وری این مواد را شدیداً افزایش می دهد.

عملکرد لیگنو سولفونات به عنوان روان کننده در بتن:

ذرات سیمان به دلیل ریز بودن، دارای جاذبه سطحی بالائی بوده و وقتی در آب پخش می شوند تمایل دارند که به یکدیگر چسبیده و ایجاد توده های قفسی شکل کنند. این ساختار قفسی بخشی از آب موجود را در خود حبس می کند و نهایتاً میزان آب مؤثر را کاهش داده و خمیر ایجاد شده نسبتاً روانی کمی دارد. با افزودنی ماده روان کننده بتن این ماده بر روی سطح ذرات سیمان جذب سطحی شده و باعث کاهش جاذبه سطحی ذرات سیمان نسبت به یکدیگر شده و ساختار قفسی می شکند و در این موقع آب به دام افتاده آزاد می شود و همین فرآیند می باشد که عامل روان کنندگی این دسته ترکیبات می باشد:

ساختار شیمیائی لیگنو سولفونات به مراتب پیچیده تر از دیگر روان کننده های سنتزی ماننده نفتالن سولفونات، ملامین سولفونات و پلی کربوکسیلاتها می باشد. پخش شدگی جرم مولی در لیگنوسولفونات بیشتر از روان کننده های سنتزی بوده و گروه های عاملی متعددی بطوری کاملاً تصادفی و بی نظم در ساختار آن توزیع شده است. همین عوامل باعث شده است که مکانیسم عمل لیگنوسولفونات در برابر سیمان کمتر شناخته شده باشد.

یک پدیده مهم در شیمی لیگنوسولفونات اینست که با کاهش نسبت گروه عاملی سولفونات به گروه های عاملی فنولیک و کربوکسیلیک، پایداری سیستم در محیطهای قلیائی غنی از کلسیم کاهش می یابد. به همین دلیل رسوب کمپلکسهای کلسیم لیگنوسولفونات در محلولهای قلیائی در برخی از این ترکیبات مشاهده می شود.

میزان ترکیبات یون سدیم، کلسیم، قلیا، سولفات، کلر و قند باید در ترکیب لیگنو سولفونات کنترل شود و در فرمولاسیون اصلاحات مناسب با ساختار لیگنو انجام پذیرد. میزان سدیم و کلسیم باید معلوم باشد تا در فرمولاسیون، ترکیباتی استفاده شود که کمترین کمپلکس را با این مواد داشته باشد. میزان قلیا باید کنترل شود تا واکنش های احتمالی سیلیکا- قلیا در بتن نهائی تحت کنترل باشد. میزان یون کلر باید در حد قابل قبول استاندارد باشد و در مقادیر بالا این محصول قابل استفاده به عنوان افزودنی بتن نمی باشد.

مطالعات نشانگر اینست که لیگنوسولفونات علاوه بر پخش کنندگی ذرات سیمان از یکدیگر، باعث تاخیر در واکنش هیدراتاسیون سیمان نیز می شود. این تاخیر در گیرش طی مکانیسمی اتفاق می افتد که طی واکنش تری کلسیم آلومینات C3A و تری کلسیم سیلیکات C3S در حضور لیگنو سولفونات اتفاق می افتد.

حضور قندهای تصفیه نشده در لیگنوسولفونات می تواند رفتار واکنش هیدراتاسیون را بی نظم کند. مشاهدات حاکی از اینست که در میزان مصرف بالای لیگنوسولفونات تصفیه نشده، گیرش سریع در سیمان اتفاق می افتد در صورتیکه برای لیگنو سولفونات تصفیه شده با افزایش میزان مصرف، تاخیر در گیرش نیز ادامه می یابد. به همین دلایل امروزه محصول نهائی لیگنوسولفونات در مرحله نهائی تولید، از قندها تصفیه می شوند.

رابطه جرم مولی لیگنوسولفونات با عملکرد آن در برابر سیمان حاکی از اینست که لیگنوسولفوناتهای با متوسط جرم مولی وزنی بالاتر، قدرت روان کنندگی بیشتری دارند، هرچند این محصولات معمولاً حلالیت کمتری داشته و نیاز به زمان بیشتری برای حل شدن دارند و معمولاً در محصولات نهائی مقداری رسوب می دهند.