افزودنی های حجم زای بتن

افزودنی های حجم زای بتن

افزودنی های حجم زا بتن

تکیدگی یا جمع شدگی ناشی از خشک شدن یک ویژگی ساختاری بتن است که در اثر از دست دادن رطوبت بتن رخ می دهد. چنانچه بتن مقید شده باشد، تکیدگی می تواند منجر به پدیدار شدن ترک در بتن شود. در مواردی از کارهای اجرایی نیز باید فضای محصور شده ای کاملاً با بتن، ملات یا دوغاب پر شود. از سوی دیگر برای سبک سازی و کاهش گرماگذری و صداگذری نیاز به بتن سبک و اسفنجی است. 
افزوده های حجم زا امکان دستیابی به بتنی با جمع شدگی جبران شده، منبسط شونده یا سبک سنجی را فراهم می کنند. افزودنی های حجم زای بتن مانند گازسازها و کف زاها می توانند در بتن تازه افزایش حجم پدید آورند یا مانند منبسط کننده ها با افزایش حجم بتن سخت شده در حد جبران جمع شدگی یا ایجاد انبساط، برای دستیابی به افزایش حجم، کاهش جرم حجمی، یا پایداری ابعادی بتن سخت شده کمک کنند.

دسته بندی

افزودنی های حجم زا که برای افزایش حجم در بتن (ملات) تازه، جبران جمع شدگی بتن (ملات) سخت شده، یا ایجاد انبساط کنترل در بتن (ملات) سخت شده به کار می روند. این افزودنی ها به سه گروه منبسط کننده ها (جبران کننده های جمع شدگی)، گازسازها، و کف زاها دسته بندی می شوند.
منبسط کننده ها برای افزایش حجم و جبران جمع شدگی بتن (ملات) سخت شده، یا ایجاد انبساط کنترل شده در بتن (ملات) سخت شده به کار می روند. این افزودنی ها بسته به مقدار مصرف می توانند انبساطی در حد جبران جمع شدگی یا بیشتر پدید آورند.
گازسازها با ایجاد گاز در بتن تازه برای افزایش حجم بتن، ملات، یا دوغاب تازه به منظور جلوگیری از نشست خمیری و اطمینان از پر شدن فضاهای خالی محصور مانند زیر صفحه ستون ها و اطراف پیچ سنگ ها (سنگ دوز) و میل مهارها به کار می روند.کف زاها با وارد کردن کف پایدار در بتن تازه موجب تخلخل زیاد و کاهش جرم حجمی بتن و کاهش گرماگذری و صداگذری بتن سخت شده می شوند. این مواد برای تولید بتن سبک غیر سازه ای (بتن اسفنجی) به منظور سبک سازی و کاهش گذر گرما یا سر و صدا (عایق حرارتی و صوتی) به کار می روند.

جمع شدگی (تکیدگی) ناشی از خشک شدن بتن

1- تعریف و پیامدهای جمع شدگی (تکیدگی) ناشی از خشک شدن

خمیر سیمان پس از سخت شدن، در اثر از دست دادن رطوبت دچار تکیدگی (جمع شدگی) می شود. این تکیدگی به نام "تکیدگی ناشی از خشک شدن" شناخته می شود و بیانگر کرنش (تنجش) پدید آمده به دلیل از دست دادن آب (تغییرات ابعادی) در خمیر سخت شده سیمان و بتن است. چنانچه بتن مقید (درگیر) نباشد می تواند آزادانه تکیده (جمع) شود بدون آنکه در آن ترکی پدیدار شود. ولی از آنجا که بتن توسط قیود بیرونی و درونی (مانند درگیر بودن با بستر زیر، اعضای پیرامونی، اعضای متصل و میلگرد گذاری) مقید است در اثر تغییر حجم و تکیدگی، تنش های کششی (حاصل ضرب کرنش ایجاد شده در ضریب کشسانی) در آن پدید می آید و چنانچه مقدار این تنش ها از مقاومت کششی بتن فراتر رود، بتن ترک خواهد خورد. این موضوع در شکل 1 نشان داده شده است.

2-تاثیر روند خشک شدن

تغییرات حجم بتن در حین خشک شدن با حجم آب از دست داده آن برابر نیست. به عبارت دیگر بتن به اندازه حجم آبی که از دست می دهد کاهش حجم نمی دهد. چگونگی تاثیر رطوبت نسبی محیط (RH) بر کاهش آب در خمیر سیمان هیدراته اشباع و نیز رابطه کاهش (از دست دادن) آب با مقدار تکیدگی (جمع شدگی) در شکل 6-2 نشان داده شده است. به محض آنکه رطوبت نسبی به کمتر از 100 درصد کاهش پیدا کند، آب آزاد موجود در حفرات بزرگ (بزرگتر از 50 نانومتر) به طرف بیرون حرکت می کند. از آنجا که آب آزاد هیچگونه پیوند فیزیکی یا شیمیایی با ریز ساختار محصولات آبگیری ندارد، از دست دادن آن با تکیدگی (جمع شدگی) همراه نیست.

این موضوع با منحنی "A-B" در شکل 6-2 نشان داده شده است. چون بیشتر آبی که به آسانی بخار می شود در حفره های بزرگ بتن جای دارد، بنابراین از دست دادن اولیه آب تکیدگی به دنبال ندارد یا سبب تکیدگی ناچیزی می شود. به بیان دیگر، خمیر سیمان هیدارته اشباعی که در محیطی با رطوبت نسبی اندکی کمتر از 100 درصد قرار گیرد می تواند مقدار چشمگیری از آب بخارشدنی خود را از دست بدهد بدون آنکه دچار تکیدگی (جمع شدگی) شود.
پس از آنکه خمیر سیمان بیشتر آب آزاد خود را از دست داد، ادامه روند خشک شدن و از دست دادن آب می تواند به تکیدگی (جمع شدگی) قابل ملاحظه ای در خمیر سیمان بیانجامد. این پدیده که با منحنی "B-C" در شکل 6-2 نمایانده شده است، به از دست دادن آب جذب شده به سطح و آب نگه داشته شده در حفره های کوچک مویینه نسبت داده می شود.

3- مکانیزم تکیدگی ناشی از خشک شدن

باور بر این است که سه پدیده 1) کشش مویینه، 2) کاهش فشار جداکننده (دور کننده)، و 3) تغییرات انرژی آزاد سطحی در مکانیزم (سازوکار) تکیدگی ناشی از خشک شدن خمیر سیمان نقش دارند. تخلخل زیاد به همراه شبکه ای از حفرات مویینه کوچک، نیروی پیوند بین مولکولی "واندروالس" چشم گیر در سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H)، و مساحت سطح زیاد و ریز تخلخلی ذاتی سیلیکات کلسیم هیدراته از جمله ویژگی ها و ماهیت خمیر سیمان هیدراته هستند که در پیدایش این پدیده ها نقش دارند.

الف-کشش (تنش) مویینه

بنا به نظریه ی کشش مویینه، یکی از دلایل اصلی تکیدگی ناشی از خشک شدن بتن، کشش سطحی ایجاد شده در حفره های ریز خمیر سیمان است. اگر چه خروج آب از حفرات بزرگ، تکیدگی (جمع شدگی) ناچیزی به دنبال دارد ولی این امر سبب به هم خوردن تعادل آب درونی موجود در خمیر سیمان می شود و حرکت آب از حفرات کوچکتر به حفرات بزرگتر را در پی دارد. به دلیل کشش سطحی زیاد آب و اندرکنش آن با دیواره حفره، با کم شدن آب درون حفره های مویینه یک پوسته هلالی و مقعر در فصل مشترک آب و هوا تشکیل می شود.. کشش (تنش) سطحی در این پوسته مقعر، دیواره های حفره را به درون می کشد و از آنجا که امکان جابجایی و بازچینش درونی ذرات خمیر سیمان وجود دارد برخی از حفره ها کوچکتر می شوند ]![ و بازتاب بتن به این نیروهای درونی به صورت تکیدگی (جمع شدگی) نمایان می شود.
این مکانیزم تکیدگی فقط در منافذ با اندازه مشخص (بین 5 تا 50 نانومتر) روی می دهد. در منافذ بزرگتر از 50 نانومتر نیروی کشش آب کوچکتر از آن است که سبب تکیدگی شود و در منافذ کوچکتر از 5 نانومتر نیز سطح مقعر نمی تواند تشکیل شود. به دلیل آنکه در رطوبت های نسبی کمتر از 45% سطح مقعر شکل پایدار نیست، بنابراین کشش های مویینه نمی توانند در چنین رطوبت هایی پدید آیند.

ب-کاهش فشار جداکننده (دور کننده)

صرف نظر از اینکه رطوبت نسبی چقدر باشد، آب به سطح سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H) جذب می شود و با افزایش رطوبت، ضخامت این لایه آب نیز بیشتر می شود. در ساختار C-S-H نیروهای بین مولکولی واندروالس ذرات مجاور را به سمت خود می کشند و سطوح مجاور را به همدیگر نزدیک می کنند. جذب شدن آب به سطوح C-S-H یک فشار جدا کننده (دور کننده) پدید می آورد. این فشار جدا کننده (دور کننده) به دلیل چیدمان جهت دار مولکول های آب در لایه به بند کشیده شده است. با افزایش ضخامت لایه آب جذب شده به سطح بین ذرات (یعنی افزایش رطوبت نسبی)، فشار جدا کننده (دورکننده) نیز افزایش می یابد تا جاییکه به نیروی جاذبه واندروالس بین ذرات چیره شود و ذرات را از یکدیگر دور کند. زمانی که ذرات از یکدیگر دور شوند، سیلیکات کلسیم هیدراته باد می کند. سیلیکات کلسیم هیدراته در روند آبگیری در یک حالت باد کرده شکل می گیرد و ریز حفرات آن با آب پر می شوند. با خشک شدن خمیر سیمان و کاهش لایه آب جذب شده به سطح بین ساختار لایه ای سیلیکات کلسیم هیدراته، نیروهای واندروالس افزایش می یابند و ذرات را به سوی یکدیگر می کشند و حجم خمیر سیمان کاهش می یابد و سبب تکیدگی می شود. نمایی از تاثیر کاهش فشار جدا کننده (دور کننده) بر تکیدگی (جمع شدگی) در شکل 6-6 نشان داده شده است. فشار جدا کننده (دور کننده) مانند کشش مویینه، تا رطوبت نسبی حدود 45% نقش پر رنگی در تکیدگی ناشی از خشک شدن دارد. زیرا آب بین لایه ای که به صورت لایه تک مولکولی آب در ساختار سیلیکات کلسیم هیدراته وجود دارد به دلیل درگیری نزدیک با سطوح جامد و پر پیچ و خم بودن راه عبور آب از میان شبکه مویینگی، فقط در خشک شدگی شدید می تواند از سیستم خارج شود.

ج-انرژی آزاد سطحی

در رطوبت های نسبی خیلی کم (کمتر از 45%) که کشش مویینه و فشار جدا کننده نقشی در تکیدگی ناشی از خشک شدن ندارند، گمان بر این است که تغییر انرژی سطحی دلیل این نوع تکیدگی باشد. ذرات جامد تحت اثر فشار ناشی از انرژی سطحی قرار دارند (مشابه کشش سطحی آب در یک قطره) و با جذب آب به سطح ذرات جامد، اندازه این فشار کاهش می یابد. به بیان دیگر با از دست دادن آب تک لایه ای جذب شده به سطح سیلیکات کلسیم هیدراته، انرژی آزاد سطحی به شدت افزایش می یابد و فشار کاهنده حجم در ذرات افزایش چشم گیری پیدا می کند.

 مکانیزم عملکرد و مواد تشکیل دهنده افزودنی های حجم زا

منبسط کننده ها از نوع افزودنی های با عملکرد شیمیایی هستند و بر ساختار بخشی از محصولات آبگیری سیمان تاثیر می گذارند در حالیکه گازسازها و کف زاها دارای عملکرد فیزیکی هستند و تاثیری برآبگیری سیمان و روند آن ندارند.
1- منبسط کننده
مکانیزم عملکرد و افزایش حجم افزودنی های منبسط کننده مانند سیمان منبسط شونده، تشکیل محدود و کنترل شده ی اترینگایت پس از گیرش سیمان (حالت جامد) است. تشکیل بلورهای سوزنی شکل اترینگایت به دلیل تخلخل زیاد ناشی از چیدمان درهم و نامنظم آنها، سبب افزایش حجم یا حجم زایی می شود.
نکته - اترینگایت که نوعی سولفوآلومینات کلسیم است، در خمیر همه سیمان های پرتلند یافت می شود زیرا سولفات موجود در سنگ گچی که در کارخانه سیمان به منظور کنترل زمان گیرش و بهبود روند کسب مقاومت همراه با کلینکر آسیاب می شود یا سولفات موجود در مواد افزودنی یا مواد کمک سیمانی، در همان چند ساعت اولیه پس از اختلاط سیمان و آب با آلومینات های سیمان واکنش و تشکیل اترینگایت می دهند. این اترینگایت (با سطح مقطعی کمتر از یک میکرومتر) به نام اترینگایت اولیه شناخته می شود. اترینگایتی که در این مرحله (حالت خمیری) و پیش از گیرش تولید می شود نقشی در افزایش حجم بتن یا خمیر سخت شده ندارد. افزودنی های منبسط کننده برپایه کلسیم سولفوآلومینات (CSA)، در واکنش با آب تشکیل اترینگایت می دهند و منبسط می شوند. این افزودنی ها در فاز مایع و خمیری سیمان تقریباً اترینگایتی تولید نمی کنند. ترکیب C3AH13 پدید می آورند. مونوسولفات با گچ واکنش نشان می دهد و بلورهای سوزنی شکل اترینگایت را به وجود می آورد. مونوسولفات نقشی در ایجاد انبساط ندارد و حجم زایی مربوط به تشکیل اترینگایت است.
سیمان منبسط شونده و افزودنی های منبسط کننده که برای ساخت "بتن با تکیدگی (جمع شدگی) جبران شده" به کار می روند، نقشی در کنترل مکانیزم های تکیدگی ناشی از خشک شدن خمیر سیمان و بتن ندارند و در حقیقت پیامد این پدیده یعنی ایجاد ترک ناشی از تکیدگی را برطرف می کنند.
بتن با تکیدگی (جمع شدگی) جبران شده طبق تعریف "بتنی است که چنانچه با میلگرد یا دیگر قیود درونی و بیرونی، به گونه ای مناسب مقید شده باشد به اندازه مقدار مورد انتظار تکیدگی ناشی از خشک شدن یا اندکی بیشتر از آن، منبسط می شود. تکیدگی ناشی از خشک شدن در چنین بتنی باعث می شود که بخشی از این کرنش های انبساطی کاهش یابد ولی در حالت ایده آل بخشی از این انبساط در بتن باقی می ماند که از پدید آمدن ترک های ناشی از تکیدگی جلوگیری می کند". به بیان دیگر، در هنگام منبسط شدن بتن مقید شده، تنش های فشاری در آن پدید می آید که با تکیدگی ناشی از خشک شدن، اندازه این تنش ها کاهش می یابد ولی در حالت ایده آل، مقداری فشار در بتن باقی می ماند و از خطر پدید آمدن ترک های تکیدگی جلوگیری می کند. در زمانی که بتن دارای سیمان منبسط شونده یا افزودنی منبسط کننده گیرش می یابد و مقاومت کسب می کند، با میلگرد پیوند برقرار می کند و در صورت وجود آب کافی برای عمل آوری، شروع به انبساط می کند. پیوستگی بتن به فولاد سبب می شود که انبساط بتن که با فولاد مقید شده است، باعث ایجاد کشش در فولاد شود و خود بتن تحت فشار قرار گیرد. در پایان دوره عمل آوری مرطوب، هنگامی که عضو در شرایط خشک شدن قرار می گیرد مانند بتن معمولی دچار تکیدگی می شود. تکیدگی پیش از آنکه تنش کششی در بتن پدید آورد، ابتدا پیش فشردگی را آزاد می کند و در انتها ممکن است تنش کششی ناچیزی به بتن وارد کند که از مقاومت کششی بتن کمتر است و بنابراین، خطر ایجاد ترک تکیدگی کاهش می یابد. شاید به دلیل همین ویزگی رفتاری است که گروهی به جای عبارت "بتن با تکیدگی جبران شده" از عبارت 
"بتن با تنش تکیدگی جبران شده" استفاده می کنند.
نکته - نوع دیگری از افزودنی های منبسط کننده که مکانیزمی به جز تولید کنترل شده اترینگایت دارند، افزودنی های برپایه اکسایش ذرات بسیار ریز آهن هستند. از آنجا که محصولات حاصل از اکسایش حجم بیشتری از ذرات فلز دارند، اکسایش آنها سبب انبساط در بتن می شود. واکنش اکسایش پس از افزودن آب آغاز می شود و در اثر سخت شدن و کسب مقاومت خمیر سیمان از یک سو و کاهش دسترسی به رطوبت و اکسیژن از سوی دیگر، انبساط حاصله به تدریج متوقف می شود. افزودن ذرات ریز فلزات به همراه یک عامل اکسایشگر (اکسید کننده) نقشی در کنترل مکانیزم های تکیدگی ناشی از خشک شدن ندارد بلکه با افزایش حجم در بتن سخت شده، این تکیدگی را جبران می کند.
نکته - از آنجا که قطعات بتن مسلح ساخته شده با سیمان منبسط شونده یا مواد منبسط کننده، در طول عمر بهره برداری تغییرات ابعادی ندارند یا تغییرات اندکی از خود نمایان می کنند گاهی به نادرستی، بتن (سیمان) با تکیدگی جبران شده را "بتن (سیمان) بدون تکیدگی" می نامند که می تواند سبب سوء تفاهم شود زیرا بتن ساخته شده با سیمان منبسط شونده یا دارای ماده منبسط کننده نیز مانند بتن معمولی و تقریباً به همان اندازه، در اثر از دست دادن رطوبت دچار تکیدگی می شود.2- گازسازها
مکانیزم کلی افزودنی های گازساز، تولید یا آزاد کردن حباب های گاز در مخلوط بتن تازه و در حین واکنش آبگیری و پیش از گیرش سیمان است. گازسازها دو مکانیزم کلی برای ایجاد گاز دارند. دسته ای از آنها مانند پودر آلومینیم با برخی از ترکیبات حاصل از فرآیند آبگیری سیمان واکنش شیمیایی نشان می دهند و گاز تولید می کنند و دسته ای دیگر در تماس با آب، هوای جذب شده به سطح خود را آزاد می کنند.
نکته - مکانیزم گازسازها کاملاً با مکانیزم هوازاها متفاوت است. هوازاها گاز تولید نمی کنند بلکه با پایدار کردن حباب های هوایی که در حین اختلاط در بتن پدید می آیند، حباب هوا ایجاد می کنند درحالیکه گازسازها، گاز یا هوا تولید می کنند.
بسته به نوع افزودنی گازساز و واکنش شیمیایی آن، ممکن است گاز هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن یا هوا آزاد شود. پودر آلومینیم با هیدروکسید کلسیم موجود در خمیر تازه سیمان واکنش نشان می دهد و طبق فرمول زیر، گاز هیدروژن آزاد می کند.
2Al + 3Ca(OH)2 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + 3H2

اگر از آب اکسیژنه و هیپوکلراید کلسیم (پودر رنگبری) استفاده شود، واکنش حاصل از آن گاز اکسیژن تولید می کند. توجه شود که در اثر این واکنش، مقداری کلرید کلسیم نیز تولید خواهد شد که علاوه بر شتاب دهندگی واکنش آبگیری سیمان، خطر خوردگی و حمله کلریدی را در بتن مسلح افزایش می دهد که باید از کاربرد آن در بتن مسلح پرهیز شود. چنانچه افزودنی گازساز از نوع ترکیبات نیتروژن دار با حداقل یک پیوند N-N باشد، گاز حاصل از واکنش، گاز نیتروژن خواهد بود. آزاد شدن گاز نیتروژن به دلیل تجزیه این پیوند در اثر عملکرد عامل واکنشگر (مانند آلومینات ها یا نمک های مس) است.
انواع خاصی از کربن فعال یا کک سیال شده با مقدار رطوبت حدود 3% در تماس با آب، هوای جذب شده به سطوح خود را آزاد می کنند.
پودر آلومینیم در مقدار مصرف زیاد و گاهی همراه با یک پایدار کننده، مقدار زیادی گاز تولید می کند که از این شیوه برای ساخت قطعات پیش ساخته بتن سبک گازدار استفاده می شود.
3- کف زاها
مکانیزم ایجاد کف مواد کف زا به دو دسته تقسیم می شود. دسته اول آنهایی هستند که همراه با آب به مخلوط اضافه می شوند و با دور زیاد هم زده می شوند تا کف ایجاد کنند. دسته دوم مواد کف زا آنهایی هستند که برای تولید کف آماده به کار می روند. مواد کفزا پس از ترکیب با آب در دستگاه کف ساز تبدیل به کفی پایدار می شوند. کف آماده به طور جداگانه به ملات یا دوغاب سیمانی افزوده و مخلوط می شود.
مواد کف زا از پروتیین هیدرولیزه (آبکافته)، هیدروزیلات های پروتیین، یا مواد مصنوعی فعال در سطح (معمولاً از نوع آکلیل اریل سولفونات) تشکیل می شوند.
نکته - در مواردی، از افزودنی های هوازای قوی در مقادیر مصرف زیاد برای ساخت بتن و مصالح سبک استفاده می شود ولی باید توجه داشت که حداکثر هوای ایجاد شده در این حالت از 25% فراتر نخواهد رفت و جرم حجمی نیز حدود 1800 کیلوگرم در مترمکعب خواهد بود. در حالیکه مقدار تخلخل در بتن استفنجی باید حدود 70% باشد تا بتوان به جرم حجمی های کمتر از 700 کیلوگرم بر متر مکعب دست یافت که این موضوع تنها به کمک کف زاها دست یافتنی است.

کاربرد

افزودنی های حجم زا بسته به نوع و مقدار مصرف، برای افزایش حجم در بتن (یا ملات) تازه و مهار نشست خمیری، جبران جمع شدگی بتن (یا ملات) سخت شده و حذف ترک های تکیدگی خشک شدن، یا ایجاد انبساط کنترل شده در بتن (یا ملات) سخت شده مقید و اعمال پیش تنیدگی به کار می روند.

1- منبسط کننده ها
همچنان که گفته شد، منبسط کننده ها نقشی در کنترل مکانیزم یا کاهش تکیدگی (جمع شدگی) ناشی از خشک شدن ندارند و فقط به حذف پیامد این پدیده، یعنی ترک های تکیدگی خشک شدن، کمک 
می کنند. افزودنی های منبسط کننده یا سیمان های منبسط شونده، به شرط انبساط مقید شده 
(مثلاً قید درونی حاصل از میلگرد گذاری)، می توانند دو کاربرد اصلی در بتن داشته باشند.

• جبران کاهش حجم و حذف ترک های ناشی از تکیدگی خشک شدن (بتن با تکیدگی جبران شده)
  
• خود تنیدگی یا پیش تنیدگی شیمیایی

از بتن با تکیدگی جبران شده می توان در هر جایی که حذف یا به حداقل رساندن ترک های تکیدگی خشک شدن از اهمیتی ویزه و تاثیرگذار در عملکرد و پایایی قطعه یا سازه بتنی برخوردار است استفاده کرد. از جمله این کاربردها می توان به ساخت قطعات پیش ساخته هنری، منابع و مخازن آب و فاضلاب، کف ها و 
دال های یکپارچه و کم درز، روسازی ها، بتن پاشی، دوغاب (گروت) سازه ای، سیمان کاری جداره چاه های نفت، و به ویژه کارهای تعمیراتی و بهسازی اشاره کرد.
به وجود آمدن تنش کششی در میلگردها به دلیل انبساط مقید شده بتن سخت شده که نوعی پس کشیدگی به شمار می آید و به نام خودتنیدگی یا پیش تنیدگی شیمیایی شناخته می شود برای تولید لوله های پرفشار و ساخت مخازن آب و جداره (آستر) تونل های تحت فشار به کار می رود.
2- گازسازها
حجم زایی گازسازها در بتن یا خمیر تازه برای پر کردن فضاهای خالی، زمانی سودمند خواهد بود که انبساط در یک فضای محصور مانند زیر صفحه ستون ها، چال های حفاری شده، یا مجاری عبور کابل های پیش تنیدگی رخ دهد. کاربرد اصلی گازسازها، خنثی (بی اثر) کردن تکیدگی نشست بچسبد خمیری دوغاب یا ملات تازه است تا دوغاب یا ملات کاملاً به سطح زیر صفحه ستون یا جداره داخلی چال (پیچ سنگ و میل مهار) یا مجاری عبور کابل پیش تنیدگی بچسبد و فضاهای محصور را کاملاً پر کند. افزایش حجم تا آنجا پیش می رود که روند واکنش گازسازی به انتها برسد یا ملات (دوغاب) به اندازه کافی سخت شده باشد که بتواند انبساط را مهار کند.
نکته - انبساط ازاد گازسازها نه تنها سودمند نیست بلکه ممکن است زیان هم داشته باشد و لایه ای سست و پوک روی سطح ملات یا دوغاب پدید آورد. بنابراین استفاده از گازسازها در عملیات کف سازی یا تعمیرات دستاورد خوبی به دنبال ندارد مگر آنکه از گازسازها همراه با یک ماده تثبیت کننده حجم یا یک ماده منبسط شونده استفاده شود.
نکته - از آنجا که حجم زایی سیمان های منبسط شونده یا مواد منبسط کننده پس از سخت شدن سیمان است، بنابراین نقشی در کاهش نشست خمیری دوغاب تازه ندارند. پس برای دوغاب ریزی زیر صفحات در صورت استفاده از سیمان منبسط شونده یا ماده منبسط کننده لازم است که برای مهار نشست خمیری، همراه با آنها از افزودنی های کمکی (مانند غلیظ کننده ها) یا موادی که در حالت خمیری حجم را افزایش می دهند (مانند گازسازها) نیز بهره گرفته شود.
3- کف زاها
کاربرد اصلی کف زاها برای تولید بتن اسفنجی است. بتن اسفنجی یا گازدار، فرآورده سبکی متشکل از سیمان پرتلند (یا آهک) به همراه مصالح ریزدانه سیلیسی (مانند ماسه، سرباره، یا خاکستربادی) و آب است که خمیری با ساختاری همگن از حباب و بافت استفنجی پدید آورد.
نکته- از آنجا که کف زاها برای تولید بتنی ویزه به کار می روند که کاملاً با بتن معمولی تفاوت دارد، در ادامه هر جا که لازم باشد به ویزگی های بتن اسفنجی ارجاع خواهد شد. بتن اسفنجی در حالت تازه بسیار روان و بدون آب انداختن و فاقد نشست خمیری است (پرکنندگی خوب) و در حالت سخت شده علاوه بر سبک بودن، عایق حرارتی و صوتی بسیار خوبی نیز به شمار می آید (سبک سازی و عایق بندی) و به دلیل مقاومت کم و تخلخل زیاد بنا به نیاز به آسانی تخریب و برداشته می شود (انسداد موقت). این ویزگی ها این امکان را فراهم می آورند که بتن اسفنجی هم به صورت ساخت درجا (در جاساز) و هم به صورت پیش ساخته به کار می رود. از بتن در جای اسفنجی (درجاساز) برای شیب بندی و عایق حرارتی و صوتی سقف ها، شیب بندی سرویس های بهداشتی، پر کردن دیوارهای جدا کننده توخالی (مانند سیستم قاب فولادی سبک)، جایگزین کردن لایه های ضعیف خاک، پر کردن سازه های متروک زیرزمینی (مانند تونل، معدن و خط لوله)، و انسداد موقت استفاده می شود. بتن اسفنجی پیش ساخته هم برای تولید قطعات غیر سازه ای (بلوک های سبک سقف و دیوار) و هم برای تولید قطعات و اعضای یازه ای باربر به کار می رود.

تاثیر حجم زاها بر ویژگی های بتن تازه

کاربرد اصلی منبسط کننده ها و کف زاها به ترتیب برای ساخت "بتن با تکیدگی جبران شده" و "بتن اسفنجی" است، در بررسی جداگانه تاثیر این دو دسته از حجم زاها بنا به نیاز، ویژگی های این نوع بتن ها مورد اشاره قرار خواهد گرفت.

1- منبسط کننده ها

چون بخشی از اترینگایت حاصل از واکنش آبگیری سیمان منبسط شونده یا ماده منبسط کننده در همان زمان های اولیه و در خمیر تازه شکل می گیرد (گو اینکه در انبساط خمیر سخت شده نقشی نخواهد داشت) و به دلیل ویزگی جذب آب اترینگایت، بتن دارای این نوع سیمان یا افزودنی برای یک مقدار مشخص آب اختلاط نسبت به بتن معمولی سفت تر است و در عین حال قوام بهتری دارد. به بیان دیگر، برای دستیابی به روانی مشخص، این نوع بتن نسبت به بتن معمولی به مقدار آب بیشتری نیاز دارد. به دلیل قوام بهتر بتن های دارای افزودنی های منبسط کننده، جداشدگی و آب انداختن این بتن ها کاهش می یابد.

افزودنی های منبسط کننده بر پایه سولفوآلومینات کلسیم در مقادیر مصرف کم (6 تا 8 درصد وزن سیمان) هوای اضافی وارد بتن نمی کنند ولی در مقادیر مصرف بیشتر، احتمال هوازایی و کف زایی دارند.
روند افت اسلامپ بتن های با تکیدگی جبران شده، به ویژه در هوای گرم و خشک، بیشتر از بتن معمولی است. در دماهای محیطی بیشتر از 29 درجه سانتی گراد، مقدار و نرخ تشکیل اترینگایت به اندازه ای افزایش می یابد که می تواند سبب افت شدید اسلامپ و گیرش سریع بتن شود، مگر آنکه دمای بتن تازه پایین نگه داشته شود.
به دلیل کاهش آب انداختن و سفت شدن و گیرش سریع تر بتن های ساخته شده با سیمان منبسط شونده یا دارای افزودنی منبسط کننده، تکیدگی خمیری و احتمال پدید آمدن ترک های ناشی از آن در این نوع بتن ها بیشتر از بتن معمولی است.
به دلیل قوام و چسبانکی ذاتی بتن با تکیدگی جبران شده (حاوی سیمان منبسط شونده یا افزودنی منبسط کننده)، این بتن از پرداخت پذیری بهتری نسبت به بتن معمولی برخوردار است. از آنجا که حجم زایی منبسط کننده ها پس از گیرش و سخت شدن بتن رخ می دهد، در هنگام طرح اختلاط نیازی به در نظر گرفتن این افزایش حجم در محاسبات مربوط به بازده حجمی و تعیین نسبت اجزای تشکیل دهنده بتن نیست.

2- گازسازها

گازسازها به دلیل ایجاد تخلخل (گازسازی) در حالت خمیری و پیش از گیرش، عموماً جرم حجمی بتن، ملات یا دوغاب تازه را کاهش می دهند. هر 1% افزایش تخلخل سبب کاهش 1% جرم حجمی می شود.
به دلیل تفاوت اندازه و پایداری شکلی حباب های تولید شده توسط افزودنی های گازساز و هوازا، افزودنی های گازساز برخلاف هوازاها تاثیر چشمگیری بر بهبود کارآیی و قوام بتن یا ملات تازه ندارند، گو اینکه تا حدودی آب انداختن و جداشدگی را کاهش می دهند. افزودنی های گازساز تاثیری بر زمان گیرش اولیه و نهایی مخلوط ندارند.
چون حجم زایی گازسازها به منظور جبران و مهار نشست خمیری بتن یا ملات تازه است، معمولاً نیازی به در نظر گرفتن آن در محاسبات مربوط به بازده حجمی و تعیین نسبت اجزای تشکیل دهنده بتن نیست.

تاثیر حجم زاها بر ویزگی های بتن سخت شده

1- منبسط کننده ها

در نسبت آب به سیمان یکسان، به دلیل متراکم تر بودن خمیر سیمان و قوی تر بودن اتصال خمیر به سنگدانه درشت (بهبود ناحیه انتقال)، مقاومت ها مکانیکی بتن با تکیدگی جبران شده (دارای سیمان منبسط شونده یا افزودنی منبسط کننده) از بتن معمولی بیشتر است.
نکته - عوامل موثر بر روند کسب مقاومت بتن با تکیدگی جبران شده همان عواملی هستند که بر روند کسب مقاومت بتن معمولی (مانند نسبت آب به سیمان، عمل آوری، پوزولان و...) تاثیر می گذارند.
پس از انبساط و افزایش حجم، ویژگی ها و عوامل موثر بر تکیدگی خشک شدن در بتن با تکیدگی جبران شده همان ویزگی ها و عواملی است که بر تکیدگی خشک شدن بتن معمولی تاثیر گذار است. انبساط مقید بتن، نبود آب انداختن، ترک خوردگی اندک یا حذف شدن ریزترک های ناشی از تکیدگی خشک شدن، و بهبود ویزگی های ناحیه انتقال خمیر و سنگدانه از جمله دلایلی هستند که باعث می شوند بتن با تکیدگی جبران شده (دارای سیمان منبسط شونده یا افزودنی منبسط کننده) در نسبت آب به سیمان یکسان با بتن معمولی، از ساختاری متراکم تر و ناتراواتر نسبت به بتن معمولی برخوردار باشد. به بیان دیگر، در نسبت آب به سیمان ثابت، پایداری بتن با تکیدگی جبران شده در برابر سایش، فرسایش و محلول های زیان آور از بتن معمولی بیشتر است.

2- گاز سازها

گازسازها به دلیل افزایش تخلخل بتن، مقاومت فشاری بتن سخت شده را کاهش می دهند. معمولاً به ازای هر 1% افزایش حجم گاز در بتن، مقاومت فشاری آن حدود 5% کاهش می یابد. افزودنی های گازساز نقشی در مهار و کنترل تکیدگی ناشی از خشک شدن و کربناتی شدن ندارند. ساختار حباب های حاصل از گازسازها نقشی در بهبود پایایی در برابر چرخه های یخ زدن و آب شدن ندارد.

تاثیر مواد متشکله بتن بر عملکرد حجم زاها

همانگونه که وجود ماده افزودنی حجم زا روی نسبت اجزا و ویژگی های بتن تاثیر می گذارد، خواص و مقدار اجزای تشکیل دهنده بتن نیز تاثیی متقابل بر عملکرد حجم زاها دارد.

1- منبسط کننده ها

نوع و مقدار آلومینات ها، سولفات کلسیم، و آهک آزاد موجود در مخلوط بر روند تشکیل اترینگایت تاثیر گذار است. وجود آهک برای مراحل اولیه و نهایی تشکیل اترینگایت نقشی حیاتی دارد زیرا وجود اهک سبب اشباع شدن فاز مایع با یون های کلسیم (Ca++) است که در تشکیل اترینگایت (سولفوآلومینات کلسیم) نقشی اساسی دارد. ساختار بلوری و اندازه ذرات افزودنی منبسط کننده بر پایه سولفوآلومینات کلسیم (CSA) تعیین کننده روند و دت زمان ایجاد انبسط است.
برای نسبت های مصرف ثابت افزودنی منبسط کننده، با افزایش مقدار سیمان در مخلوط بتن میزان انبساط نیز افزایش می یابد.
افزودنی های هوازا تاثیری بر واکنش انبساطی ندارند هر چند که استفاده از منبسط کننده ها در بتن هوازایی شده ممکن است به افزایش مقدار هوای ایجاد دشه بیانجامد. شتاب دهنده ها و به ویژه کلرید کلسیم به دلیل تسریع روند تشکیل اترینگایت در ساعات اولیه و شتاب دادن به روند کسب مقاومت بتن (یکی از عوامل مهار کننده انبساط اترینگایتی)، مقدار انبساط نهایی حاصل از منبسط کننده ها را کاهش می دهند.
برخی از کاهنده های آب و کندگیر کننده ها ممکن است با افزودنی های منبسط کننده یا سیمان های منبسط شونده سازگار نباشند و واکنش تشکیل اترینگایت را شتاب دهند. این موضوع معمولاً سبب کاهش انبساط خواهد شد.
پوزولان ها به ویژه دوده سیلیسی و خاکستر بادی از طریق مصرف کردن و کاهش غلظت یون کلسیم (Ca++) و یون هیدروکسیل (OH-) در مخلوط (واکنش پوزولانی) که در روند تشکیل اترینگایت دخیل هستند، سبب کاهش تشکیل اترینگایت و کاهش انبساط می شوند.

2- گازسازها

آهنگ و دوزه زمانی آزاد کردن گاز توسط افزودنی های گازساز به ریزی و ترکیبات سیمان (به ویژه مقدار قلیایی آن) بستگی دارد. با افزایش ریزی و مقدار قلیایی سیمان، روند واکنش گازسازها و آزاد شدن گاز شتاب می گیرد. در مخلوط های خیلی روان نیز امکان از دست رفتن بخشی از گاز تولید شده، پیش از گیرش وجود دارد. نوع سیمان نیز می تواند بر آهنگ یا روند تولید گاز و زمان شروع انبساط تاثیر داشته باشد.
نکته - ویزگی های سیمان مصرفی در مورد گازسازهایی که گاز اکسیژن یا نیتروژن تولید و آزاد 
می کنند، تاثیری بر روند واکنش ندارند زیرا شروع و کنترل روند واکنش در این نوع گازسازها توسط جزء فعال کننده انجام می شود.

تاثیر عوامل محیطی و اجرایی

چگونگی و زمان اختلاط، دمای محیط و بتن، و شرایط عمل آوری بتن از جمله عوامل مهم و تاثیرگذار بر عملکرد افزودنی های حجم زا هستند. از آنجا که مقدار انبساط ایجاد شده به یکنواختی پخش شدن افزودنی منبسط کننده بستگی دارد، زمان اختلاط اولیه بتن با تکیدگی جبران شده از بتن معمولی باید بیشتر باشد. از سوی دیگر زمان اختلاط خیلی طولانی، به ویژه در دماهای زیاد، ممکن است کاهش چشم گیری در مقدار انبساط نهایی پدید آورد. افزودن آب در پای کار به داخل کامیون همزن برای جبران افت اسلامپ بتن، نه تنها باعث کاهش مقاومت می شود بلکه کاهش انبساط را نیز به دنبال دارد.

توصیه می شود که دمای بتن با تکیدگی جبران شده در زمان بتن ریزی بیشتر از 32 درجه سانتی گراد نباشد و زمان ساخت و حمل (از لحظه اختلاط مواد سیمانی و آب) در دماهای زیادتر از 30 درجه سانتی گراد از یک ساعت فراتر نرود. در دماهای کمتر از 30 درجه سانتی گراد، این زمان می تواند تا 5/1 ساعت افزایش یابد.
به دلیل تاثیر عمل آوری بر میزان انبساط بتن های دارای افزودنی منبسط کننده برپایه سولفوآلومینات کلسیم، عمل آوری این نوع بتن ها از اهمیت ویزه ای برخوردار است. در مواردی که از روش عمل آوری مرطوب استفاده شود مقدار انبساط به دست آمده نسبت به زمانی که از ماده عمل آوری استفاده شده باشد بیشتر است.
به دلیل آنکه عملکرد بتن با تکیدگی جبران شده به انبساط مقید بستگی زیادی دارد، لازم است که در هنگام بتن ریزی دقت شود که میلگردها در موقعیت درست قرار گرفته باشند. در هنگام ریختن بتن، ملات یا دوغاب دارای افزودنی گازساز باید دقت شود که ناحیه مورد نظر کاملاً محصور باشد تا از انبساط آزاد جلوگیری شود.

رهنمودهای کاربردی

چنانچه اطلاعات کافی و معتبر از کاربرد یک افزودنی حجم زا در دسترس نباشد، بهترین روش برای بررسی تاثیر افزودنی بر خواص بتن انجام آزمایش های کارگاهی است. این آزمایش ها باید باتوجه به شرایط آب و هوایی مورد انتظار، روش و امکانات عملی ساخت و اجرای بتن و با استفاده از مصالح مصرفی کارگاه انجام پذیرد.
اگرچه راهنمایی های بسیار سودمندی در آیین نامه های معتبر بین المللی و استانداردهای ساختمانی ایران برای کاربرد افزودنی های شیمیایی وجود دارد ولی اغلب آنها برای شرایط استاندارد و آزمایشگاهی در نظر گرفته دشه اند. بنابراین بهتر است ضمن پیروی از آنها اقدام به انجام آزمایش های کارگاهی نزدیک به شرایط واقعی کاربردی در کارگاه کرد.
آموزش کاربران و آگاه کردن آنان در مورد حساسیت و اثرات منفی احتمالی ناشی از مصارف نادرست و خطاهای پیمانه کردن افزودنی حجم زا الزامی و بسیار سودمند خواهد بود.

ارزیابی و انتخاب ماده حجم زا

هدف اصلی از کاربرد افزودنی های حجم زا، کنترل تکیدگی نشست بتن تازه یا جبران تکیدگی خشک شدن بتن سخت شده است، بنابراین انتخاب روش آزمون و اندازه گیری تکیدیگی بسیار راهگشا خواهد بود. برخی از روش ها مقدار نشست خمیری یا انبساط آزاد را تا پیش از گیرش اندازه می گیرند، برخی دیگر انبساط مقید را پس از سخت شدن نشان می دهند، برخی دیگر انبساط آزاد را پس از سخت شدن اندازه گیری 
می کنند، و دسته ای از این آزمایش ها نیز انبساط آزاد را پس از سخت شدن می سنجند در حالی که نمونه در حالت خمیری و پیش از گیرش کاملاً محصور شده است. بسته به خواص مورد انتظار باید روش آزمایش مناسب انتخاب شود. گستره کاربرد آزمون های مختلف برای اندازه گیری تکیدگی در جدول زیر گردآوری شده است.
روش نمونه گیری برای تعیین مقاومت فشاری دوغاب های حاوی مواد منبسط کننده یا گازساز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. معمولاً به دلیل روانی زیاد این دوغاب ها، آنها را در دو لایه درون قالب می ریزند و هر لایه را با پنج ضربه انگشت پوشیده با دستکش متراکم می کنند. پس از اینکه دوغاب اندکی سفت شد، روی قالب را با صفحه ای فلزی می پوشانند و آن را به کمک گیره یا با قرار دادن وزنه روی آن به مدت 24 ساعت در جای خود محکم نگه می دارند.

جدول - آزمون های مختلف اندازه گیری نشست خمیری و تکیدگی خشک شدن

کنترل کیفیت

یکنواختی و ثابت بودن یک افزودنی در مراحل مختلف پروژه و ارسال های متعدد به کارگاه بایستی کنترل شود و برابری آن با آزمایش های اولیه به اثبات برسد. آزمون های لازم برای شناسایی و تایید افزودنی ها شامل: تعیین درصد مواد جامد، غلظت ظاهری، طیف سنجی برای مواد آلی، مقدار کلراید، درجه قلیایی (pH)، و برخی موارد دیگر می باشند. معمولاً با کنترل رنگ، بو، شکل ظاهری و اندازه گیری غلظت و مقدار pH می توان یکنواختی محموله های مختلف افزودنی های وارده به کارگاه را تایید یا رد کرد.