عملکرد افزودنی حباب ساز

در حال حاضر به منظور افزایش کیفیت بتن و کاهش ایرادات و یا تغییر در برخی مشخصات بتن از افزودنی‌های دیگری به غیر از اجزای اصلی، در مخلوط سیمانی استفاده می‌شود.

به طور مثال در سال۱۹۳۰ در یکی از ایالات شرق آمریکا متوجه مقاومت بالاتر بتن در بخش‌های از جاده در برابر یخبندان نسبت به باقی قسمت‌ها شدند.

با تحقیقات بیشتر مشخص شد این قسمت‌ها دارای وزن مخصوص بتن کمتری بوده و همچنین دارای تعداد بسیار زیادی حباب هوا هستند این تحقیق مقدمه‌ای برای شناخت عملکرد حباب ساز در بتن شد.

افزودنی حباب ساز حباب‌های ریز  و یکنواخت هوا را در داخل بتن ایجاد کرده و و میزان مشخصی از هوا را به شکل میلیون‌ها حباب در سرتاسر بتن به صورت یکنواخت پخش کرده و موجب محافظت از بتن برابر یخبندان و ذوب می گردد.

در ادامه با عملکرد افزودنی حباب ساز در بتن بیشتر آشنا می‌شویم. می توان گفت از مهمترین دلایل استفاده از افزودنی حباب سازدر بتن، ایجاد دوام و مقاومت مطلوب در برابر نوسانات شدید دمایی است.

حفره‌های هوا به دو صورت عمدی و طبیعی در خمیر بتن ایجاد می‌شود. حفره‌هایی که به صورت طبیعی در بتن ایجاد می‌شوند به سه دسته تقسیم بندی می‌گردند: دسته اول حفره‌هایی هستند که در اثر هیدراتاسیون سیمان وایجاد مجموعه‌ای از کریستال‌های مواد معدنی به نام ژل سیمان تشکیل می‌شوند که به حفره‌های ژل معروفند به دلیل وجود فضای خالی درون کریستال‌ها حفره‌های بسیار ریزی در آنها وجود دارد.

دسته‌های دوم حفره‌های مویین هستند این حفره‌ها پس از سخت شدن بتن به  دلیل وجود فضای خالی بین ذرات سیمان به وجود می‌آیند که دارای اندازه‌ای تقریباً ۱۰ برابر حفره‌های ژل بوده و چون با افزایش مقدار نسبت آب به سیمان زیاد می‌شوند، باعث کاهش مقاومت مکانیکی و شیمیایی بتن  می‌گردند. حفره‌های مویین ‌ در همه ی بتن‌های معمولی و با توجه به نسبت آب به سیمان وجود دارند.

دسته سوم از حفره‌های طبیعی موجود در بتن، حفره‌های هوایی هستند که در هنگام مخلوط کردن بتن در آن زندانی شده و به دلیل عدم تراکم کافی در هنگام قالب زنی حفره‌های هوا در بتن ایجاد می شوند. مقدار این حباب‌ها با میزان آب مصرفی ودیگر ویژگی‌های مصالح بستگی دارد که به دلیل نامنظم بودن، این حباب‌ها موجب ناهمگنی و کاهش مقاومت در بتن می‌گردند.

با توجه به عملکرد حباب ها در بالابردن یا کاهش میزان مقاومت ، ما میتوناین به صورت عمدی حباب هایی با اندازه های مناسب  پراکندگی مطلوب در بتن ایجاد نماییم. با افزودن حباب سازهوا حفره‌های هوا به صورت عمدی در بتن ایجاد می‌شوند این حباب‌ها بسیار ریزتر و همگن‌تر بوده و از حباب‌های طبیعی تشخیص داده می‌شوند.

بررسی عملکرد حباب ساز هوا در برابر ذوب و انجماد نیاز به توضیح ساختار بتن دارد .

مخلوط بتنی دارای ترک‌های مویی شکل است که موجب جمع شدن رطوبت در داخل این ترک‌ها می‌شود. هنگام مواجهه بتن در برابر تغییرات شدید دمایی، آب داخل این ‌ حفره های مویینه و ترک‌ها یخ زده و به دلیل افزایش حجم یخ نسبت به آب موجب تخریب بتن خواهد شد. به طور کلی یخبندان دو نوع فشار در داخل بتن ایجاد می‌کند یک فشار هیدرولیکی و  دو فشار اسمزی.ما به بررسی عملکرد افزودنی حباب ساز در هر دو فشار خواهیم پرداخت:

فشار هیدرولیکی

همان گونه که توضیح داده شد انبساط ناشی از یخ زدن آب داخل حفره‌ها و ترک‌های  بتن

موجب به وجود آمدن فشار هیدرولیکی خواهد شد. البته باید در نظر داشت زمانی که  آب به درجه صفر می‌رسد، تنها قسمتی از آب درون حفره یخ می‌زند که دلیل این امر متنوع بودن میزان قطر حفره‌ها و اندازه آنها است.

انجماد آب حفره‌ای نیاز به دمای کمتر از صفر درجه سانتیگراد دارد.  آب در داخل حفره‌هایی به قطر ۱۰ نانومترتا دمای منفی ۵ درجه سانتیگراد و همچنین در حفره‌هایی با قطر سه و نیم نانومتر تا دمای منفی ۲۰ درجه سانتی‌گراد منجمد نمی‌شود.

افزایش حجم آب در هنگام انجماد موجب می‌شود آب باقیمانده در داخل حفرات فشرده شده و در صورت امکان از حفره‌های مویی به طرف فضای خالی که هنوز به شکل یخ در نیامده‌اند فرار کند. در این صورت فشار هیدرولیکی کاسته شده و بتن صدمه زیادی نخواهد دید، اما اگر فضای خالی برای فرار موجود  نباشد مواد اطراف حفره‌ها تحت فشار قرار گرفته و به نقطه‌ای می‌رسد که این فشاراز مقاومت کششی بتن بالاتر رفته و موجب از هم گسیختگی بتن خواهد شد.

برای ایجاد دوام و پایداری بیشتر بتن در برابر یخبندان، می‌توان از افزودنی حباب‌ساز استفاده کرد. افزودنی حباب ساز بتن می‌تواند حباب‌های ریزی را در داخل بتن ایجاد نماید که در هنگام یخ زدن آب باقیمانده به داخل این حباب‌ها نفوذ کرده و موجب کم شدن فشار ناشی از یخ زدن خواهد شد.

برای درک بهتر شرایط به ذکر یک مثال می‌پردازیم، اگر آب داخل یک بطری با در بسته را در دمای صفر قرار دهیم به علت وجود فشارناشی از انبساط تغییر شکل داده و از هم گسسته می شود، اما اگر در بطری باز باشد حجم اضافی آب خارج شده و به بطری آسیبی نمی‌رسد. با ذکر این مثال می‌توان دریافت که عملکرد افزودنی حباب ساز در بتن بوسیله ی ایجاد حفره‌های هوای  موجود در بتن موجب خنثی شدن انبساط حجم ناشی از انجماد آب شده و در نهایت موجب سلامت بتن در هوای سرد خواهد شد.

با بالا رفتن دما یخ شروع به ذوب شدن می‌کند آب حاصل به دلیل وجود خاصیت مویینگی و فشار از دیواره‌های حفرات به ترک های مویین باز می‌گردد. بنابراین حفرات موجب محافظت بتن در برابر چرخه‌های مداوم ذوب و یخ خواهند شد می‌توانیم مکانیزم عمل حباب‌ها را به شیر اطمینان شبیه بدانیم.

فشار اسمزی و افزودنی حباب ساز

گفتیم فشار ناشی از ناشی از سرما و یخبندان در دو حالت موجب تخریب بتن خواهد شد.مورد دوم فشار اسمزی است. تغییر غلظت محلول قلیایی در خمیر سیمان موجب اسمزی می‌شود. در هنگام انجماد آب، غلظت قلیاییت آب باقیمانده از انجماد افزایش یافته که این موجب پایین رفتن غلظت در بتن خواهد شد.

طبق واکنش اسمزی محلول قلیایی قوی‌تر از محلول قلیایی ضعیف‌تر موجود در حفره‌ها بیرون کشیده انتقال آب تا زمان رسیدن به تعادل در غلظت مایع‌های قلیایی ادامه خواهد داشت. البته نسبت به فشارهای هیدرولیکی هنگام انجماد فشارهای اسمزی تاثیر کمتری در تخریب بتن دارند. توجه به این نکته بسیار با اهمیت است که ضد یخ برای اجرای عملیات بتن‌ریزی در هوای سرد نه تنها باعث بالا رفتن مقاومت بتن سخت شده در برابر سرما و یخبندان نخواهد شد بلکه در دراز مدت دوام بتن را در برابر چرخه انجماد به خطر می‌اندازد.

مشخصات سیستم حباب‌های هوای ایجاد شده در داخل بتن به  وسیله افزودنی حباب ساز بر میزان مقاومت در برابر یخبندان تاثیرگذار است و می‌توان با بررسی عملکرد افزودنی حباب ساز با میزان هوای بهینه در بتن ، به مقاومت حداکثری رسید. در بتن با اندازه سنگدانه‌های کوچکتر از ۵ میلی متر میزان هوا باید حدوداً ۹ درصد یا به عبارت دیگر ۱۸ درصد حجم مخلوط بتنی باشد. برای بتن با اندازه سنگدانه حداکثر ۲۰ میلیمتر میزان هوای بهینه را در حدود ۶ درصد در نظر می‌گیرند. زیرا با درشت شدن سنگدانه‌ها از حجم خمیر بتن کاسته می‌شود. اضافه کردن بیش از مقدار بهینه بر مقاومت مکانیکی و دوام بتن تاثیر معکوس خواهد داشت.

ازسوی دیگر اگر از مواد افزودنی حباب ساز بتن در اسلامپ ثابت استفاده نماییم، می‌تواند به کاهش نسبت آب به سیمان کمک کند که این امر موجب افزایش مقاومت مکانیکی و دوام بتن برابر سیکل ذوب و انجماد و کاهش نفوذ پذیری بتن خواهد شد.

اگر مقدار حباب‌ها ثابت باقی بماند و نسبت آب سیمان افزایش یابد موجب زیاد شدن فاصله اندازه حباب‌ها می‌شود که در نتیجه رسیدن به دوام مورد تایید باید مقدار بیشتری حباب تولید کرد.رسیدن به میزان بهینه از مقاومت تنها با بررسی عملکرد افزودنی حباب ساز بتن امکان پذیر می باشد.

پایداری بتن در مقابل نمک‌های یخ زدا

نمک‌های یخ زدا که برای ذوب کردن برف بر روی سطح راه‌ها و معابر عمومی استفاده می‌شود باعث تشدید پوسته شدگی سطحی بتن خواهد شد.همان گونه که گفته شد این تخریب  به علت ایجاد فشار اسمزی در بتن است که اگر به حالت بحرانی برسد بتن دچار تخریب می‌شود، در این حالت اگر در سطح داخلی مخلوط سیمانی حباب‌هایی وجود داشته باشد می‌تواند اثر این فشارها را کاهش دهد.

اثر منفی دیگری که نمک‌های یخزدا بر روی دوام بتن می‌گذارند داشتن خاصیت جذب آب است که موجب می‌شود آب را به خود جذب کنند و بتن به صورت اشباع تر باقی بماند که این خود موجب بالا رفتن احتمال ایجاد تخریب در سیکل ذوب -انجماد خواهد شد.

بررسی ها نشان می‌دهد حتی اگردر ابتدا تخریب اتفاق نیفتد، تشکیل کریستال‌های نمک در بتن می‌تواند موجب تخریب شود. با افزودن حباب ساز در بتن و ایجاد حفرات هوا، فضای کافی  مورد نیاز برای رشد کریستال‌های نمک به وجود آمده واز تنش داخلی بتن کاسته می‌گردد.

برای جلوگیری از تخریب ضد یخ‌ها در بتن با حداکثر قطر سنگدانه ۳۸ میلیمتر، درصد حدوداً بین ۵ تا ۶ درصد و در  بتن با سنگدانه  بین ۱۹ تا ۲۵، درصد هوا را بین ۶ تا۷ درصد در نظر می‌گیرند.

با کاهش دادن میزان نسبت آب به سیمان می‌توان مقاومت مقاومت سطحی بتن را افزایش داد اما اگر بخواهیم به اسلامپ مورد نظر برسیم باید باید از افز ودنی حباب ساز به مخلوط سیمانی اضافه کرد.

کارایی و عملکرد افزودنی حباب ساز

حباب‌های بسیار ریز که به دلیل افزودن حباب ساز در بتن ایجاد می‌شوند، همانند بلبرینگ عمل نموده و به صورت ریز دانه‌هایی با اصطکاک سطحی کم و تراکم پذیری بالادر بتن ظاهر شده و موجب افزایش کارایی بتن می‌شوند. مثلاً با افزودن حباب ساز  به بتن با اسلامپ ۵۰ میلیمتر می‌توان میزان اسلامپ را تا ۱۵۰میلیمتر بالاتر برد.

البته باید دقت شود که با این افزایش کارایی میزان مقاومت بتن در حدود ۲۰ درصد کاسته می‌شود، زیرا به طور معمول با هر یک درصد افزایش هوا، حدود ۴ درصد از مقاومت بتن کاسته می‌شود. برای به دست آوردن بتن با کارایی و مقاومت بهینه باید آزمایشات متداول انجام شود.

آب انداختگی

حباب‌های هوا با معلق نگه داشتن ذرات جامد و ممانعت از نشست این ذرات موجب کاهش آب انداختگی بتن شده و بنابراین نفوذ پذیری بتن کاهش یافته و در نتیجه مقاومت آن افزایش می‌یابد.حباب‌های هوا در صورتی که بتن بیش از اندازه مرتعش  نشود می‌تواند موجب کاهش جدا شدگی در بتن و همچنین کاهش آسیب پذیری سطح بتن گردد.

افزایش مقاومت فشاری

چنانچه بخواهیم مقاومت فشاری ۲۸ روزه در بتن حاوی حباب و بتن بدون حباب برابر گردد باید میزان نسبت آب به سیمان کاهش یابد. به بیان دیگر نسبت آب به سیمان در مقدار هوای ثابت با میزان مقاومت رابطه عکس دارد. با استفاده از کاهش میزان آب مصرفی می‌توان کاهش مقاومت ایجاد شده را جبران کرد.

اگر مخلوط سیمانی حاوی مقدار زیادی از سیمان باشد کاهش مقاومت بیشتر خواهد بود زیرا چنانچه سیمان زیاد باشد حباب زایی نمی‌تواند کارایی را تا مقدار زیادی افزایش دهد.اگر عیار سیمان  بیش از ۳۳۰ کیلوگرم در متر مکعب بتن باشد با استفاده از کاهش مقدار آب افت مقاومت راجبران می کنند .از سوی دیگر چون مقاومت فشاری عامل تاثیر گذار مهمی در مقاومت سایشی نیز هست با افزایش مقاومت فشاری بر مقاومت سایشی نیز افزوده خواهد شد.

در پایان به منابع اصلی درافزودنی حباب ساز اشاره خواهیم کرد:

۱ چربی‌ها و روغن‌های گیاهی

۲ شیمیایی معدنی و آلی

رزین‌های طبیعی چوب

همانطور که مشاهده کردید استفاده از افزودنی حباب ساز می تواند بر مقاومت بتن تولید شده در برابر چرخه ی ذوب و انجماد اثر مثبت بگذارد. در صورت نیاز به مشاوره در خصوص عملکرد افزودنی حباب ساز و میزان مصرف و…می توانید با مشاوران ما در سایت بتنو و ایران بتن تماس حاصل نمایید.