عوامل محبوس کننده هوا در بتن و ساختار شیمیایی هوازا

تعاریف اولیه

افزودنی های محبوس کننده هوا در بتن مواد آلی هستند. معمولا به فرم محلول که وقتی به آب یک مخلوط بتنی اضافه شودف مقدار مشخصی هوا را به طور یکنواخت به شکل حباب های ریز پراکنده به بتن وارد می کنند. این هوا را نباید با هوایی که اغلب در بتن موجود به شکل حفرات نامنظم (که می تواند به علت تراکم ناکافی یا سنگدانه های لایه لایه ای باشد) اشتباه گرفت.

سه دلیل اصلی برای وارد نمودن عمدی هوا به درون بتن عبارتست از: دوام، بهم چسبندگی و تراکم

دوام

در طی دهه 1930 در ایالات شمال شرقی آمریکا در بخش های معینی از جاده، قابلیت بیشتری برای مقاومت مقابل اثرات شرایط ذوب- انجماد وجود دارد و حضور نمک های ضدیخ را نسبت به سایر جاده های منطقه بیشتر تحمل می کردند. بررسی ها نشان داد که جاده های بادوام تر از تراکم کمتری برخوردار بودند. همچنین سیمان از آسیبی به دست آمده که در آن از چربی گاو به عنوان یک ابزار کمکی در آسیاب کردن استفاده شده بوده است. نتیجه گیری این شد که عامل مذکور تحت عنوان یک عامل محبوس کننده هوا عمل کرده و دوام بتن را ارتقاء داده است. این امر منجر به بررسی دقیق تر شد و در سال 1939 یک جاده اتوبانی با بتن محبوس کننده هوا به همین منظور توسط دپارتمان امور عمومی نیویورک تولید شد. اثر وارد کردن میزان اندکی (%46-) هوا بر توانایی بتن برای مقاومت برابر چرخه ذوب- انجماد قابل توجه است و در شکل 3-1 به تصویر کشیده شده است. هوای محبوس در بتن جاده های اتوبانی، باندهای فرودگاه ها و پارکینگ ها اکنون به عنوان یک رویه اجرایی معمول پذیرفته شده است و چند صد هزار مترمکعب بتن از این نوع بتن ریزی انجام شده است. در آمریکای شمالی کاربرد بتن هوازا به صورت گسترده مورد پذیرش است و در نتیجتا نسبت به اروپاا کاربرد بیشتری یافته است.

شکل 3-1 تاثیر 300 چرخه ذوب- انجماد (مطابق روش B در 666ASTM C) بر بتن هوازا (راست) و بتن ساده (چپ)

به هم چسبندگی

بتنی که با استفاده از ریزدانه هایی که در دامنه بیا دانه بندی خوبی نباشد (مثل سنگدانه های لایروبی شده دریا) از خود تمایل بیشتری برای جدایی شیرابه از سنگدانه (آب انداختگی) و جدا شدن نشان می دهد. حضور میزان اندکی هوای محبوس (2-4% حجم) منجر به بهبود در بهم چسبندگی یا پایداری مخلوط می شود. در عوض، مخلوط هایی که از این جنبه دانه بندی مناسبی دارند، زمانی کاهش در سیمان موجود می تواند صورت گیرد که هوا بدون افت به هم چسبندگی در بتن وارد شود. مقداری که می توان از سیمان حذف نمود تقریبا یکسان است و موجب کاهش در نسبت آب به سیمان برای حداقل سازی اثر هوای محبوس بر مقاومت فشاری می شود.

افزودنی های بتن ایران

چگالی

دو حوزه فوق کاربردی مذکور (بهم چسبندگی و دوام) معمولا با مقادیر اندک (کمتر از 8% حجم) هوای محبوس همراه می گردد. با این وجود، استفاده از انواع مواد شیمیایی مختلف مواد، مقادیر بسیار بیشتری (تا 30% حجم) برای پایین اوردن چگالی، ارتقاء خصوصیات حرارتی یا تولید بتن سبک از طریق ارتباط با سنگدانه های سبک ضروری می سازد. زمانیکه هوای محبوس برای کاربردهای گسترده فوق برای دستیابی به یک نتیجه مشخص استفاده شود، اثرات جانبی به وجود آمده که باید مورد ملاحظه قرار گیرد: (1) حضور حباب های هوای بسیار ریز تحت عنوان «روغن کاری» عمل می کند و کارایی را افزایش می دهد، یا امکان می دهد که کاهشی در نسبت آب به سیمان به وجود آید؛ (2) مقاومت های فشاری و کششی با افزایش هوای موجود (به هنگامی که طرح اختلاط بی تغییر باشد) کاهش می یابد؛ (3) تسلیم بتن برای یک وزن مشخص از اجزاء اختلاط افزایش می یابد. این جنبه ها بعدا به صورت مقادیر عددی مورد بحث قرار خواهند گرفت.
در مباحث آکادمیک چندین روکنشگر شیمیایی (chemical surfactants) گوناگون که برای فرمولاسیون عوامل هوازا بتن مناسب توصیف می شوند. با این وجود عملا، عمده فرآورده های تجاری براساس تعداد معدودی ماده تهیه می شود. این موارد در قسمت زیر آمده است:
1- رزین های چوبی خنثی شده
2- نمک های اسیدی چرب
3- سولفوناتهای آلکیل آریل
4- سولفات های آلکیل
5- اتوکسیلات فنول

رزین های چوبی خنثی شده

چندین ماده وجود دارد که در این دسته جای می گیرد، از جمله رزین های روغنی استخراج شده از چوب که تحت نام معروف نشان تجاری Vinsol هستند. این مواد متشکل از مخلوط هایی حاوی وقادیر اسید آبیاتیک (شکل 3-2) به همراه اسید پریماریک و ترکیب های فنولی همچون فلوبافن ها می باشند.
فرآورده های نهایی محلول های آبی هستند که 5 تا 20 درصد ماده فعال به فرم نمک را در خود دارند. این فرآورده ها بسته به ترکیب شان می توانند با خنثی سازی ساده با پایه ها و یا در جایی که استرها حضور دارند با صابون سازی در دماهای بالاتر تولید شوند.

شکل 3-2 اسید آبیاتیک

نمک های اسید چرب

به منظور برآورده کردن الزامات عملکردی در هنگام کاربرد و توانایی برای شکل دادن محلول های آبی پایدار یا مقاومت کافی از اسیدهای چرب نشان داده شده در جدول 3-1 به عنوان عوامل هوازا برای تولید بتن به فرم نمک های فلزی قلیایی استفاده می شود. این اسیدهای چرب در توزیع زنجیره طولی در روغن ها و چربی های طبیعی، مثل روغن تال و نارگیل حضور دارند و به شکل فرمولاسیون های معمولی افزودنی حاوی %20-5 وزن نمک اسیدهای چرب است. این فرآورده ها برخلاف رزین های چوبی خنثی شده، در محلول با لیگنوسولفونات ها و نمک های اسیدی هیدروکسی کربوکسیلیک برای شکل دادن فزودنی های دارای قابلیت های هوازایی و کاهندگی آب سازگار هستند.

پرطرفدارتریتن مطالب ما را از دست ندهید!
تعیین حداکثر فاصله بین دو ستون بتنی بر چه اساس تعیین می شود ؟
انواع ملات های ساختمانی شامل چه مواردی است ؟
سیمان چیست

سولفونات های آلکیل آریل

سولفونات های آلکیل آریل هم در ولید بتن سبک و هم برای ارتقاء دوام ذوب- انجماد بتن معمولی کارکرد می یابند. ماده خام معمول "سولفونات ارتودسیل بنزن" بوده که یک روکنشگر اساسی مورد استفاده در حوزه صنعتی و غیر صنعتی است. در شکل 3-3 فرمول نشان داده شده است.
پایه هیدروکربن از نفت استخراج شده و در حقیقت حاوی یک توزیع طول های زنجیره ای با گونه های غالب C12 است. به علاوه می تواند تا حدودی شاخه دارشدگی زنجیره موجود باشد. فرآیند سولفوناتی شدن به کار گرفته شده می تواند از واکنش مستقیم با اسید سولفوریک به افزودنی های 〖SO〗_2/〖SO〗_3  تغییر نماید، اما همواره منجر به اسیدسولفوریک اضافی می شود. در خنثی سازی، سهمی از سدیم سولفات تولید می شود که ترجیحا حداقلی از آن برای فرمولاسیون های افزودنی نگه داری می شود.

سولفات های آلکیل

در تعاریف آکادمیک کاربرد چند ماده از این نوع توصیف می کند و در جدول 3-2 هم نشان داده می شود. این فرآورده ها همچنین با بسیاری عوامل کاهنده آب برای تولید عامل کاهنده آب هوازا سازگاری دارند.

جدول 3-1 اسیدهای چرب مورد استفاده به عنوان عوامل هوازا

شکل 3-2 سولفونات ارتودسیل بنزین

جدول 3-2 سولفات های آلکیل مورد استفاده به عنوان عوامل هوازا

اتوکسیلات فنول

فنول اتوکسیلات ها از چهار دسته قبلی از این جهت متفاوت بوده که آنها مواد غیریونی هستند. با این وجود که این مواد در سطح گسترده استفاده نمی شوند، در سطوح اضافه شدگی پایین و محلول های با %2-4 وزن در آب بسیار موثر هستند. رایج ترین ماده نانیل فنول اتوکسیلات است، مطالعات کم انجام شده حاکی از آن بوده است (مقدار بالاتر n در شکل 3-4 موثرترین می باشد). اگرچه اکثریت عوامل هوازای موجود تجاری محلول های ساده از موادی بوده که در یکی از دسته بندی های فوق هستند.