مواد افزودنی حباب هوا ساز و کاربرد های آنها در بتن

مواد افزودنی حباب هوا ساز و کاربرد های آنها در بتن

1-مقدمه

علاوه بر مواد اصلی تشکیل دهندة بتن، مواد دیگری به منظور افزایش کیفیات مطلوب بتن، کاهش نارسایی و یا تغییـر بعضی از مشخصه های بتن به آن اضافه می نمایند. برخی از این مواد افزودنی به طور اتفاقی شناسایی و به کار گرفته شدند، از جمله در سال 1930 در راههای ایالت شمال شرقی آمریکا متوجه شدند که قسمتهایی ازرویـۀ بتنـی راه مقاومـت بیـشتری در مقابل یخبندان و مواد یخزذا و پایایی بیشتری نسبت به قسمتهای دیگردارنـد، ووقتـی علـت را جـستجو کردنـد متوجـه شدند که وزن مخصوص بتن قسمتهای پایاتر اندکی کمتر است و از بررسی میکروسکوپی مقطع معلوم شد که در ایـن بـتن ها تعداد بسیار زیادی حباب های ریز هوا وجود دارند. مراجعه به سوابق امرنشان داد که در بتن هـای مزبـور سـیمانهایی بـه کار رفته اند که در موقع آسیاب کردن آنها، ازپیه گاو به عنوان مادة کمک سایشی(کمک آسیابگر) استفاده شده است. بـه این ترتیب اثر بهبود دهندة پیه گاودر بـتن شـناخته شـد و ایـن مقدمـه ای بـرای شـناخت و کـاربرد مـواد مـشابه بـه عنـوان موادحباب ساز بود مواد هوازا. باعث تقویت خواص بتن در حالت تازه و سخت شده می گردند. این مواد موجب ایجـاد  حباب های ریز و یکنواخت هوا در داخل بتن تازه می شوند و مقدار هوای کنترل شده ای ( معمولاً حدود 5 درصد حجمی) به شکل میلیونها حباب کوچک در اندازه های یکسان به طور یکنواخت درمخلوط بتن ایجاد می کننـد و از بـتن سـخت شده در برابر دوره های یخ زدن وذوب یخ،در طول عمربتن محافظت می نمایند. مواد افزودنی حبـاب سـاز را کـه ممکـن است به صورت پودر یا مایع باشد طبق دستورالعمل تولید کننده ، با شروع مخلوط نمـودن بـتن آن اضـافه مـی نمایند این مواددر بتن میلیاردها حباب هوا به قطرهای متفاوت به وجود می آورند

2-ویژگی های مواد حباب هوا ساز

 امروزه تعدادزیادی از انواع افزودنی های حباب زای تجاری به صورت پودر یا مایع در بـازار موجـود مـی باشـند، لـذا باید عملکـردمـوارد ناشـناخته بـا اسـتفاده ازمخلـوط هـای آزمایـشی و طبـق مشخـصات ASTM C 260-77 یا BS 5075:Part2:1982 کنترل گردد.از مشخصه های مواد افزودنی حباب زا این است که بـه سـرعت سیـستمی از حبـاب های ریزو مجزا را که در مقال به هم پیوستن مقاوم باشند، ایجاد می نماید. منابع اصلی تولیدکنندة مواد حباب هوا ساز عبارتند از:

 الف) چربی ها وروغنهای گیاهی و حیوانی و اسید های چرب آنها.

 ب) رزینهای طبیعی چوب که با آهک موجوددر سیمان واکنش انجام داده و یک محلول رزینی تشکیل می دهنـد. بعـضی رزینهای نا محلول درآب ممکن است از قبل توسط هیدروکسید سدیم خنثی شوند.

 ج) مواد شیمیایی معدنی وآلی

 حباب های هوا باید تا حد ممکن کوچک باشند، زیرا حجم کل حباب ها (تخلخل) مقاومت بتن را تحـت تـأثیرقـرارمـی دهد. اندازة حباب ها به مقدار زیادی به نوع مادة حباب زای مورد استفاده بستگی دارد. درواقع همۀ حباب ها به یک اندازه نیستندو اندازة انها بر حسب کمیت سطح مخصوص (کل سطح حباب های هوا بر حجم کل آنها) سنجیده می شود. به دلیل تآثیر منفی ناشی از استفادة ناصحیح ازمواد حباب زا درمقاومت فـشاری بـتن، اسـتاندارهایی مثـل ACI و BS اسـتفاده از مواد حباب زا رادر چارچوب ضوابط خاصی مقدورمی سازد.

3 -وضعیت فضاهای هوا در بتن

 حفره های هوا ممکن است به دو طریق طبیعی یا عمدی در خمیربتن ایجاد شود. حفره هایی که به صـورت طبیعـی در خمیر بتن ایجاد می شود، سه دسته اند. دستۀ اول که به حفره های ژل موسوم اند، حفره هایی هستند که بر اثرهیدراتاسـیون سیمان و تشکیل مجموعه ای از کریستالهای مواد معدنی به نام ژل سیمان وجود می آیند. این کریستالها درون خـود سیـستم فضاهای خالی دارند یعنی ژل سیمان دارای ساختمان مجوفی بوده که حفره های بی نهایت ریزی درآن دیده می شود. ایـن حفره ها در ساختمان ژل تمام بتن ها موجود است. دستۀدوم حفره های موئین هستند. ازآنجا که حجم ژل سیمان قادر نمی باشد که فضاهای بین ذرات سیمان را در خمیر، که آب اشغال نموده پرنماید در نتیجه پس از سخت شـدن خمیـر سـیمان، این حجم آب اضافی، خالی مانده و حفره های موئین خمیر سخت شده را به دست می دهد. اندازة این حفره هـا تقریبـاً ده برابر حفره های ژل بوده و با افزایش نسبت آب به سیمان اضافه می شوند و باعث کاهش مقاومت مکانیکی و شـیمیائی بـتن می گردد. بنابراین این حفره ها نیز بر حسب نسبت آب به سیمان به تناسب در همه بتن هـای معمـولی موجـود اسـت. دسـتۀ سوم حفره های هوایی هستند که در موقع مخلوط کردن بتن درآن محبوس می شوند و پـس از جـای گـرفتن در قالـب بـه دلیل عدم تراکم کافی حباب های هوا در اکثر بتن ها باقی می مانند که مقدار این حبـاب هـا بیـشتربـه مشخـصات مـصالح سنگی و آب مصرفی بستگی دارد. وجود این حباب ها که تابع ضوابطی نیـست باعـث نـاهمگنی و افـت مقاومـت بـتن مـی گردد. حفره های هوای عمدی از طریق استفاده از مواد افزودنی حباب هوا ساز یا بـا مـصرف سـیمان هـای دارای مـواد افزودنـی حباب سازدر بتن ایجاد می شوند. این حباب های هوا باید به وضوح از هوای محبوس شده اتفـاقی کـه بعـد از تـراکم بـتن تازه، به شکل حباب های بزرگتر،در بتن باقی می ماند، تشخیص داده شوند. هنگامی که افزودنی های حباب زا با آب مخلوط می شوند. حباب های مجزایی در خمیر سـیمان ایجـاد مـی نماینـد. جـزء اساسی افزودنیهای حباب زا، عواملی با سطح فعال می باشند که کشش سطحی آب را کم می کنند، تا تشکیل حبابها سـاده شده و پایداری آنها تضمین گردد. حبابهایی که بدین گونه تشکیل می شوند از سیستم حفره های موئینه خمیر سـیمان جـدا می باشند و هرگزبا محصولات هیدراتاسیون پر نمی شوند. زیرا ژل فقط درآب شکل می گیرد.

4 -اندازه گیری مقدار هوا
 سه روش برای اندازه گیری مقدار هوای بتن تازه وجوددارد، که عبارتند از:

 الف) روش اندازه گیری وزن (81-138 ASTM C )که این روش معمولاً برای کارگاهها عملی نمی باشد و روش دقیق آزمایشگاهی است.

 ب) روش اندازه گیری حجم (78-173  ASTM C )که این روش، روشی کارگاهی برای همـۀ بـتن هـای سـیمانی بـه خصوص برای بتن با دانه های متخلخل و سبک است.

 ج) روش فشار (ASTM C 231-82 و BS 1881:Part106:1993 ) که روش متداول کارگاهی است. این روش قابل اطمینان ترین و صحیح ترین روش است که بر اساس رابطۀ بین حجم هواو فـشار اعمـال شـده (در یـک دمـای ثابت) در قانون بویل استوار است. در این روش اطلاع از نسبت اجـزای بـتن و خـصوصیات مـصالح ضـروری نمـی باشـد و درصد هوا مستقیماً بدست می آید. از آنجا که در این آزمایشها نمی توان حباب های بزرگ هوارا که به طـور تـصادفی در بتن محبوس شده اند، تشخیص داد، لازم است بتن به طور کامل متراکم گردد.

 5 -مقدار مصرف مواد حباب هوا ساز و عوامل مؤثر بر آن

 مقدار مصرف مواد حباب زا بین 005/0 تا 05/0 درصد وزن سیمان توصیه شده است. جهت حصول اطمینان ازمصرف مقدار دقیق ماده هوازا، می باید همیشه از یک مخزن پخش کن استفاده شود. پخش مواد هوازا بـه طـور یکنواخـت در بـتن حایز اهمیت است. به منظور سهولت پراکندگی عوامـل حبـاب زا، لازم اسـت آنهـارا از قبـل بـا مقـداری از آب اخـتلاط، مخلوط نمود. عموماً هر چه عامل حباب زا بیشترباشد، حبابهای هوای بیشتری ایجاد می شود.اما برای مقدار مصرف حدی وجوددارد که ماورای آن افزایشی در حجم حباب ها به وجود نخواهد آمد. اما مقدارمورد نیاز مادة هوازا به عوامل زیـادی بـستگی دارد، که به برخی ازآنها اشاره می کنیم:

الف) سنگدانه ها: مقدار حباب هوای تولیدی به مقدارزیادی به شکل و دانه بندی مصالح سنگی وابـسته اسـت. بـه طـور مثـال بتنی که در آن از مصالح سنگی شکسته ریزدانه استفاده می گردد نیاز به دو برابر مواد حباب ساز دارد تـا مقـدار هـوای آن معادل با بتنی باشد که در آن از ماسه گرد گوشه استفاده شده لست. چنانچه حد اکثـر انـدازهدانـه هـای شـن از 40 میلیمتـر  کوچکتر گردد به علت اضافه شدن حجم ملات ، مقدار هوای بتن به شدت افزایش پیدا می کند. همچنین چنانچه ماسـه در بتن افزایش یابد مقدار بیشتری حباب هوا ایجاد می گردد.

ب) نوع ، مقدارو ریزی سیمان: مواد حباب ساز با نوعی از سـیمان کـه دارای درجـه قلیـا ئـی بـالا باشـد در شـرایط مـساوی حبابهای هوای بیشتری تولید می نمایند. همچنین افزایش مقدار و یا ریزی دانه های سـیمان باعـث کـاهش حجـم هـوا مـی گردد.

ج) آب مصرفی: افزایش درجه سختی آب باعث کاهش اثرات مواد حباب ساز می گردد. آبهای حاوی جلبـک کـه یـا بـه طور مستقیم مصرف و یا از طریق شستن ماسه ها وارد بتن می شوند، سبب تجزیه و تولیـد گـاز گردیـده وممکـن اسـت در صد هوا را بدون استفاده از مواد افزودنی حباب ساز به بیش از 12 درصد برسانند که در هر حال باعث کاهش مقاومت بـتن می گردند

د)  اسلامپ و ارتعاش: مقدار هوا با اضافه شدن اسلامپ بتن مشروط بر این که اسلامپ از 150 میلیمتر تجاوز ننماید افزایش پیدا می کند ولی چنانچه اسلامپ از مقدار فوق بیشتر شود، مقدار هوا کاهش می یابد. با ارتعاش بتن بـه مـدت بـیش از 15 ثانیه نیز مقدار حباب هوا کاهش پیدا می کند و هر چه اسلامپ بالا باشد در صد کاهش هوادرموقع لرزاندن بـتن زیـاد تـر است. با ویبره نمودن متوالی بتن به مدت دو و نیم دقیقه ممکن است 50 درصد حبابهای هـوا کـاهش یابـد و چنانچـه ویبـره نمودن به مدت نه دقیقه ادامه یابد 80 درصد حبابهای هوا کاهش پیدا می کند.

ه) -مخلوط کردن: توزیع یکنواخت حبابهای هوا در بتن که بر اثر عمل اختلاط انجام می گیرد، مهمترین مسئله برای مقاوم بودن بتن در برابر دوره های یخ زدن و آب شدن و پوسته شدن است. سرعت و تداوم اختلاط روی مقدار هوا تأثیرداردبـه طوری که سرعت در اختلاط ، سبب حجم حباب هوای بیشتر در بتن می گردد،ولی طولانی کردن زمان اختلاط که اغلب ناشی از حمل آن در مـسافتهای طـولانی یـا تـأخر در تخلیـه اسـت سـبب مـی گـردد درجـه حـرارت بـتن در اثـر حـرارت هیدراتاسیون و اصطکاك درونی بالا رفته و در نتیجه اسلامپ ومقدار هوای درون بـتن کـاهش یابـد. بـه طـور کلـی زمـان اختلاط باید بهینه باشد. زیرازمان خیلی کوتاه باعث عدم پراکندگی یکنواخت حبابها می شود وزمـان اخـتلاط اضـافی بـه تدریج مقداری از هوا را خارج می نماید

خ) درجه حرارت بتن: هرچه درجه حرارت بتن بالا باشد از حجم هوای بتن کاسته می شودومصرف ماده هواساز بیشتر می گردد. بنابراین در بتن ریزی در هوای گرم، کاهش مقدار هوارا می توان با افزایش مواد حباب هوا ساز جبران کرد. در بتن ریزی در هوای سرد، چون در حین ساخت بتن، از آب گرم استفاده مـی شـود، ممکـن اسـت کـه مـادة افزودنـی حبـاب زا مقداری از تأثیر خود را از دست بدهد. برای جبران این افت، مادة افزودنی باید هنگامی به مخلوط اضافه شود که مصالح به دمای تعادل رسیده باشند

و) مواد افزودنی و مضاف: مصالح ریزدانه مانند خاکسترذغال سنگ،دودة کربن، سایر پوزولانهاو بنتونیت باعـث کـاهش اثر مواد هواساز می گردند. با مصرف مواد افزودنی فوق روان کننده و کندگیرکننده ها، کارآئی مواد افزودنی حبـاب هـوا ساز زیاد گردیده ومصرف آنها ممکن است به یک سوم و یا کمتر تقلیل داده شود. کندگیرکننده هـا ممکـن اسـت فاصـله حباب های هوا را افزایش دهند که برای دوام بتن ضرردارد. به طور کلـی انـواع مـواد مـضاف ممکـن اسـت بـر کمیـت و کیفیت حفره های هوا تأثیر داشته باشند بنابراین باید دقت زیادی در اطمینان از توافـق بـا مـاده حبـاب هواسـازرا بـه دسـت آورد.

 ز) پرداخت زودهنگام: چنانچه پرداخت زودتر از موقع لازم انجام شود، سبب آب انداختن سطح بالای بـتن شـده و نـسبت آب به سیمان در لایۀ بالای بتن افزایش و مقدار حباب هوا کاهش می یابد و ممکن است بتن برای پوسته شدن به خـصوص در برابر مواد یخ زدا آماده تر گردد

6-ویژگی های بتن با حباب هوا

 مقاومت در برابر دوره های یخ زدن و آب شدن

 بتن تر و مرطوب همانند بیشترین بتن هایی که در معرض هوا قراردارند، بر اثر یخزدگی آب، منبـسط شـده و ایـن امـر منجر به ترکیدن آن می شود، اما چنانچه از مادة حباب هوا سازدر بتن استفاده شود، حبابهای کوچک هـوا بـه عنـوان شـیر اطمینان فشار عمل کرده و اثر انبساط را خنثی می کند. این مسئله به این شکل قابل توجیه است که آب درمجاری یا حفره های موئین خمیر سیمان سخت شده، بر اثر یخ زدن منبسط می گردد. اگر حجـم انبـساط بزرگتـر از فـضای قابـل دسترسـی باشد، آب مازاد که هنوز یخ نزده، بر اثر فشار انبساط، به جلو رانده می شود. شدت این فـشار هیـدرولیکی بـستگی بـه نفـوذ پذیری خمیر سیمان،درجۀ غرقابی، فاصلۀ نزدیکترین حفره هوا که ازآب پرنشده ودرجه یخبندان دارد. اگر در هـرنقطـه فشار هیدرولیکی از مقاومت کششی خمیر سیمان بیشتر شود، باعث گسیختگی موضعی و ترك در محل می گردد. با تکرار سیکل یخ زدن و آب شدن در محیط خیس ، آب وارد ترکها شده و سبب توسعه گسیختگی می گردد. حباب هـوادر بـتن به صورت مخزنی است که آب منبسط شده با فشارداخل آن شده و از فشاروارده بربتن جلـوگیری مـی گـرددومقاومـت بتن در برابر یخ زدن و آب شدن افزایش می یابد. بنابراین بتن هایی که ممکن است با آب اشباع ودر جریـان سـیکل هـای یخ زدن و آب شدن قرار گیرند باید حتماً در آنها از مواد حباب هواساز استفاده گردد تـادوام یـا پایـائی بـتن افـزایش پیـدا نماید

مقاومت در برابر یخزداها

 برای از بین بردن یخ و برف لز سطح روسازی خیابانهاو جاده ها، باند فرودگاههاودال پل ها ازمـواد شـیمیایی یخـزدا مانند کلرور کلسیم و کلرور سدیم استفاده می گردد. حال چنانچه این روسازی از بتن ساخته شده باشـد، اسـتفادة مـداوم از این مواد باعث پوسته شدگی سطح رویه می گردد. مقدار پوسته شدگی به مقـدارودفعـات مـصرف مـواد یـخ زدا بـستگی دارد. این خرابی عمدتاً فیزیکی بوده و متأثر ازواکنش های شیمیایی یا آثار کریستالی نیـست. حبابهـای هـوادر بـتن بـرای جلوگیری از پوسته شدن بسیارمؤثر است. بتن هوادار برای تمام جاده های بتنی توصیه می شود و برای تمام بتن هائی که در معرض مواد یخ زدا قرار می گیرند، لازم می باشد.

 کارآیی

 حبابهای هوای بسیار ریز و غیر مرتبط ناشی از مصرف مواد حباب هوا ساز، همانند بلبرینگ در بتن تازه عمل می کنند این حبابهای کروی به صورت ریزدانه هایی با اصطکاك سطحی خیلی کم و تراکم پذیری بالا در بتن عمل می نمایند و به طور مؤثری موجب افزایش کارآیی می گردند. به عنوان مثال اگر مادة حباب هوا ساز به بتن معمولی با اسلامپ 50 میلیمتـر افزوده شود، باعث افزایش اسلامپ به بیش از 150 میلیمترمی گردد. هر چند این بتن بـا کـارآیی بیـشتر، مقاومـت خـودرا حدود 20 درصد از دست می دهد. زیرا هر یک درصد هوا که به طور تصادفی یا عمداًداخل بـتن گـردد، باعـث ازدسـت دادن 4 درصد مقاومت می شود. هر چند اگر مقدار آب این بتن با کارآیی زیاد، کاهش یابد و اسلامپ را بـه همـان مقـدار 50 میلیمتر برساند، بیشتر مقاومت از دست رفته مجدداً به دست خواهد آمـد. بـرای حـصول اطمینـان از اینکـه مخلـوط بـتن دارای کارآئی لازم، مقاومت و مقدار کافی هوا باشد، لازم است تا مخلوط های آزمایشی ساخته شود.

آب انداختگی و جداشدگی

 وجود حباب های هوادر بتن در کاهش آب انداختگی نیز مؤثر می باشد. حباب هـای هـواذرات جامـد را بـه صـورت معلق نگه می دارند، به طوری که نشست آنها کاهش یافته و آب بیرون نمی آید. بنابراین نفوذپذیری و تشکیل شیره کاهش یافته و مقاومت بتن در برابر یخبندان بهبود می یابد. با ایجاد حباب های هوا جدایی مواد نیزمشروط بر اینکه بتن تازه بـیش از حد مرتعش نگردد، کاهش می یابد. به علاوه ، مادة هوازا خطر ترك های ناشی از نشست پلاستیک و انقباض پلاستیک را کاهش می دهد. همچنین باعث یکنواخت شدن رنگ و کاهش آسیب پذیری سطح بتن میگردد.

آب بندی و مقاومت در برابر سولفاتها

 چون با ایجاد حباب هوا در بتن می توان با کارآئی ثابت از مقدارآب آن کاست لذا مجاری یا حفره های موئین کمتـر و بتن غیر قابل نفوذتر و بنابراین آب بندی آن بیشتر می گردد. بـدیهی اسـت در ایـن صـورت مقاومـت آن در برابـر حملـه شیمیایی سولفاتها افزایش می یابد به خصوص وقتی برای بتن از سیمانهائی که C3A آنها کم است ( سیمانهای تیپ 2 و 5( استفاده شود ، می توان بتن با مقاومت زیادی در برابر حمله شیمیایی سولفاتها بهدست آورد.

مقاومت فشاری

 برای اینکه بتن حاوی حباب هوا با بتن بدون حباب هوادر شرایط ومشخصات یکسان دارای مقاومت فـشاری 28 روزه برابر باشند، باید نسبت وزنی آب به سیمان را در بتن با حباب هوا کاهش داد. به عبارت دیگرهنگامی که مقـدار هـوا ثابـت نگه داشته می شود، مقاومت رابطۀ معکوسی با نسبت آب به سیمان خواهد داشت. کاهش نسبت آب بـه سـیمان و درنتیجـه افزایش مقاومت، کاهش مقاومتی را که عموماً با ایجاد حباب های هوا همراه است را جبران کرده و یا آن را به حداقل مـی رساند. این اثر جبرانی به مقدار سیمان مخلوط بستگی دارد. کاهش مقاومت مخلوط های پر سیمان بیش ازمخلوط های کم سیمان می باشد. زیرا در مخلوط های پر سیمان، حباب زایی به مقدار کمتری کآرایی را افزایش می دهد. برای بتن هـای بـا عیار سیمان کم با افزایش مقدار معین هوا مقاومت افزایش می یابد و برای بتن های با عیار سیمان بیش از 330 کیلـوگرم در متر مکعب بتن، افت مقاومت را می توان با کاهش مقدار آب وماسه با توجه به اینکه اسلامپ بتن ثابت می ماند به حـداقل رسانید.

مقاومت سایشی

 مقاومت فشاری مهمترین عامل تعیین کنندة مقاومت سایشی بتن اسـت بـه ایـن معنـا کـه بـا افـزایش مقاومـت فـشاری، مقاومت در برابر سایش نیز زیاد می شود. مقاومت سایشی بتن با حباب هـوا، بـا مقاومـت بـتن بـدون حبـاب هـوا (بـا همـان مقاومت فشاری)، تقریباً برابر است.

منابع

 قالیبافییان، مهدی " مصرف مواد افزودنـی در بـتن- تاریخچـه، انـواع، نحـوة مـصرف و اثـرات آنهـا" مجموعـه مقـالات نخستین سمینار نقش مواد افزودنی در توسعه تکنولوژی بتن. اردیبهشت 1368

2-نقش مواد افزودنی در توسعۀ تکنولوژی بتن ازدانشگاه امیرکبیربه کوشش دکتررمضانیانپورو مهندس اسماعیل پور

3-رمضانیانپور، علی اکبر –شاه نظری، محمدرضا، " تکنولوژی بتن " شاه نظری

4-اسمائیل پور، اسماعیل- " افزودنی های بتن و استانداردهای ملی و بین المللی " – مجموعـه مقـالات نخـستین سـیمینار نقش مواد افزودنی در توسعۀ تکنولوژی بتن، اردیبهشت 1368

5- (نویل – ترجمه: فامیلی، هرمز " بتن شتاسی ( و خواص بتن )

6- مریم کهریزی، دانشجوی مقطع کارشناسی مهندسی عمران، دانشگاه رازی