سامانه جامع تحلیل و آنالیز سازه های پیشرفته نظام مهندسی کل کشور
Related Articles
در گزارش انجمن بتن آمریکا، افزودنی حباب هوا ساز بتن به این صورت تعریف شده است: «افزودنیهایی که باعث توسعه سیستم حبابهای هوای میکروسکوپی در بتن، ملات و خمیر سیمان در طول اختلاط میشوند.»
آییننامه بتن ایران (آبا) نیز افزودنی حباب هوا ساز را به این صورت تعریف کرده است: «موادی هستند که سبب تشکیل حبابهای بسیار ریز هوا که به طور یکنواخت در حجم بتن یا ملات توزیع شدهاند میگردند. این حبابها باید پس از سخت شدن بتن یا ملات در آن باقی بمانند».
تاریخچه افزودنی حباب هوا ساز بتن
در اوایل دههی 1930 در آمریکا، عوامل حباب هوا ساز امروزی به طور تصادفی کشف شدند. در آن زمان پس از اجرای یک جاده با استفاده از روسازی بتنی مشاهده کردند که بتن بعضی از بخشهای جاده در مقابل سرما و یخبندان مقاوم است، در حالی که بخشهای دیگر روسازی بتنی در مقابل سرما و یخبندان بسیار آسیب دیدهاند.
پس از بررسیهای بیشتر دریافتند که سیمان مورد استفاده در محدودههایی که بتن آن دوام خوبی در برابر یخبندان دارد، از آسیابهایی به دست آمده که قبلاً در صنعت شمعسازی، برای خرد کردن چربی گاو استفاده میشد. بنابراین دریافتند که چربی گاو به عنوان حباب ساز عمل کرده و دوام بتن را افزایش داده است.
بعد از آن استفاده از عوامل حباب هوا ساز بتن به صورت آگاهانه رواج یافت. در آن زمان، بیشتر افزودنیهای حباب ساز بر اساس نمکهای رزین چوب بودند. این مواد محصول جانبی فرآیند بازیافت حلالهای متنوع و کلیوفون از تنهی درخت کاج بودند.
آنها در ابتدا در بازار با نام وینسول و بعدها با نام تجاری وینسول رزین ارائه شدند. تا پنجاه سال بعد، یعنی تا سال 1980 از وینسول رزین خنثی شده برای حباب سازی استفاده میشد تا اینکه افزودنیهای دیگری با منشأهای متفاوت وارد بازار شدند، زیرا منابع وینسول رزین محدود بود.
امروزه افزودنیهای حباب هوا ساز بتن بسیار رایج شدهاند؛ به طوری که بیش از 80 درصد بتنهای سیمان پرتلند مورد استفاده در روسازی آمریکا دارای افزودنی حباب هوا سازند.
انواع افزودنیهای حباب هوا ساز بتن
در حالت کلی موادی که برای افزایش مقاومت بتن در برابر سرما و یخبندان به کار میرود، به دو دسته کلی مواد جامد و افزودنی محلول در آب تقسیم میشوند.
مواد جامد حباب ساز بتن
گرچه این مواد در دستهی انواع افزودنی بتن مثل افزودنیهای حباب هوا ساز بتن قرار نمیگیرند، اما میتوانند همانند افزودنیهای حباب ساز، دوام بتن را در برابر چرخه ذوب – یخ افزایش دهند؛ زیرا این مواد، ذرات جامدیاند که دارای سیستم تخلخل مناسب میباشند و میتوانند نقش حفرات هوا را در بتن ایفا کنند. این مواد میتوانند گویهای پلاستیکی توخالی، آجر خرد شده، رس یا شیل منبسط شده و… باشند.
تجربیات قبل نشان داده است که وقتی از مواد غیر آلی استفاده میشود، اندازهی حفرههای ذرات باید 1.18 میلیمتر تا 300 میکرومتر (الک نمره 16 تا 50) باشد و تخلخل کلی مواد باید حداقل 30 درصد و اندازهی ذرات باید 0.05 میکرومتر تا 3 میکرومتر باشد.
این مواد در بعضی کاربردها نسبت به افزودنیهای حباب ساز محلول برتری دارد، زیرا عواملی چون افزودنیهای دیگر، دما، پرداخت، مواد مکمل سیمانی بر این گونه سیستم حفرات هوا تأثیر نمیگذارد.
از سوی دیگر کاربرد این مواد در همه بتنها امکانپذیر نیست، زیرا ساختار داخلی این مواد با ماتریس سیمان یکسان نبوده و باعث ناهمگنی بتن میشود. در مجموع کاربرد این مواد در مقایسه با افزودنیهای حباب ساز بسیار محدودتر است. در ادامه این فصل، صرفاً کاربرد مواد افزودنی حباب هوا ساز بتن برای بهبود مقاومت بتن در برابر سرما و یخبندان بررسی میشود.
ترکیبات محلول در آب حباب هوا ساز بتن
این مواد متعلق به گروهی از مواد شیمیایی به نام «عوامل فعالساز سطحی» یا «سورفکتانت» هستند که در یک سر خود، زنجیرهی بلند هیدروکربنی و در سر دیگر خود، جزو قطبی دارند.
یک سر قطبی تمایل دارد تا در آب قرار گیرد، اما سر دیگر (غیرقطبی) تمایل دارد در هوا قرار گیرد. سورفکتانتها در سر قطبی شامل یک نمک هستند که پس از حل شدن در آب، آن سر قطبی تجزیه شده و بر اساس نوع گروه قطبی مؤثر در این مواد، یکی از اجزای نمک در عملکرد سورفکتانت اثرگذار خواهد بود.
عوامل فعال سطحی نیز میتوانند بر اساس انواع گروههای قطبی به دستههای زیر تقسیم شوند. منظور از عوامل فعال سطحی، نوع یون مؤثر در نمک سر قطبی سورفکتانتها میباشد.
- عوامل آنیونی: بیشترین نوع آنیونهای مورد استفاده در این گروه، سولفات است که میتواند شامل ترکیبات هیدروکربنهای سولفانات، استرهای سولفونات و کربوکسیلاتها باشد. رایجترین یونهای مثبت مورد استفاده در نمک سورفکتانت، گروه آنیونی سدیم، آمونیوم، تری اتانول آمونیوم و NH+ (C2H4OH) است. رزینهای وینسول خنثی شده نیز در این دسته قرار میگیرند.
- عوامل کاتیونی: رایجترین نمکهای مورد استفاده در سری عوامل کاتیونی، گروههای آمینی و آلکیلی هستند. به عنوان مثال میتوان به آلکیل آمین هیدروکلریدها RNH+3 CL– و آلکیل تری متیل آمونیوم برومید RN(CH3)+3Br– که R در آنها گروه آلکیل است، اشاره کرد.
- عوامل غیریونی: این گروه از عوامل فعال سطحی، بدون بار الکتریکی تلقی میشوند، اما پیوندهای واندروالس که در بین مولکولهای تشکیلدهنده این عامل وجود دارد، باعث به وجود آمدن مقدار جزئی بار الکتریکی در مولکولهای تشکیل دهنده عامل شده و در نهایت، منجر به جهتگیری قطبی آن خواهد شد. رایجترین عوامل فعال سطحی غیریونی، آلکانول آمیدها و پلیمرهای آلکیلن اکسید هستند؛ مثل: پلی اتیلن گلایکل استرها RCO(OC2H4)nOH، دی آلکانول آمید RCON(CnH2nOH)2.
- عوامل آمفوتری: منظور از این گروه از عوامل فعال سطحی، ترکیباتی هستند که در سر قطبی خود از ترکیب اسید و باز تشکیل شدهاند. این دسته میتواند بر پایه اسید و بازهای قوی یا ضعیف باشد. در این گروه از عوامل فعال سطحی، اسید سر منفی و باز سر مثبت، گروه قطبی را تشکیل میدهند. چهار گروه رایج این دسته، کربوکسیلاتها با پایه ضعیف، کربوکسیلاتها با پایه قوی، سولفوناتها با پایه ضعیف و سولفوناتها با پایه قوی هستند.
در ادامه میتوان سورفکتانتها را به طور کلی بر اساس نمکهای تشکیلدهنده آنها به صورت زیر دستهبندی نمود.
- نمکهای رزین چوب (آنیونی)
- پاک کنندههای مصنوعی (آنیونی، غیریونی)
- نمکهای لیگنین سولفوناته شده (آنیونی)
- نمکهای اسیدهای نفت خام (آنیونی، غیریونی و کاتیونی)
- نمکهای مواد پروتئیندار (آنیونی، کاتیونی)
- اسیدهای چرب و صمغی و نمکهای آنها (آنیونی)
- نمکهای آلی هیدروکربنهای سولفوناته (آنیونی)
در این دستهبندی، منظور از کلمات آنیونی، کاتیونی و غیریونی، نوع گروه قطبی در سورفکتانت میباشد. فعالهای سطحی آنیونی نسبت به دیگر عوامل فعال سطحی، کاربرد بیشتری دارند، زیرا حبابهای ایجاد شده توسط آنها در بتن بیشتر پایدار است.
افزودنیهای حباب ساز محلول در آب، از مواد اولیه و پیچیدهای تولید میشوند. بنابراین منابعی که این افزودنیها از آن به دست میآیند و روش تولید آنها بسیار متفاوت است. در ادامه دو گونه رایج و پرکاربرد افزودنیهای حباب هوا ساز بتن با جزئیات بیشتری بررسی خواهد شد.
مشتقات حاصل از چوب: در چند دههی اول بعد از معرفی عوامل حباب هوا ساز بتن، یکی از پرمصرفترین تولیدات، رزین وینسول خنثی شده بود. این ماده از محصولات فرعی فرآیند بازیافت حلالهای متنوع و صمغهای چوب کاج است.
بعد از فرآیند عصارهگیری با هیدروکربنها، پسماندهای نامحلول باقی میماند. این رزین پیچیده از 60 درصد ترکیبهای فنول، 15 درصد موم و اسید رزین تشکیل شده است. برای اینکه به عنوان افزودنی در بتن عمل کند، ابتدا باید توسط سدیم هیدروکسید خنثی شده و به حالت محلول تبدیل شود تا صابون سدیم محلول تشکیل گردد.
این خنثی شدن به افزودنی اجازه میدهد بلافاصله بعد از اضافه شدن و مخلوط شدن با مخلوط بتن به شکل قشر نازکی اطراف حبابها درآید و دیگر نیازی به واکنش اضافه با مواد قلیایی تولید شده ناشی از هیدراتاسیون سیمان نداشته باشد.
حبابهای هوای ایجاد شده در بتن، دارای افزودنیهای حباب ساز بر پایهای غیر از وینسول رزین، در مقایسه با حبابهای تولید شده توسط سایر گروههای عوامل حباب ساز اندازهی متوسطی دارند. محصولات دیگر که معمولاً محصول فرعی فرآیندهایی روی چوب هستند، از لحاظ شیمیایی مشابه افزودنیهای حباب هوا ساز بتن بر پایهای غیر از وینسول رزین میباشند، در حالی که مشتقات چوب (مانند اسیدهای سه حلقهای) عمدتاً جزو اصلی سازنده این مواد هستند.
گروه دیگر مواد که از فرآیندهای انجام شده روی چوب به دست میآید، روغن تال هستند. این مواد شامل اسیدهای چربند که توسط زنجیرهی بلند هیدروکربنی که با گروه کربوکسیلیک (-COOH) پایان مییابند. این مواد شامل اسید اولئیک غیر اشباع و اسیدهای اشباع با دنبالهی کربنی 8 تا 18 اتم کربن، مثل اسید کابریک (C9 میباشند و حباب را بسیار آهستهتر از افزودنیهای حباب ساز بر پایهای غیر از وینسول رزین ایجاد میکنند.
حبابهای هوا ممکن است با طولانی شدن اختلاط زیاد شوند و به همین صورت اسیدهای بیشتری با مواد قلیایی تولید شده در طول هیدراتاسیون سیمان واکنش دهند. در نظر داشته باشید حباب تولید شده توسط این افزودنیها در مقایسه با سایر افزودنیهای رایج کوچکتر است.
پاککنندههای مصنوعی: در فرآیندهای صنعتی که به منظور تولید روغنهای موتور و نفت سفید انجام میشود، اسیدهای سولفونیک معطر به عنوان محصول فرعی این فرآیند تولید شده و این مواد خواص پاککنندگی خوبی از خود نشان میدهد. این گروه به طور کلی شامل آریل – آلکیل سولفونات است.
سولفوناتها را میتوان معمولاً با سود سوزآور خنثی کرد تا به شکل سدیم سولفات محلول در آب درآیند. ترکیباتی از این دست که برای تولید افزودنی حباب هوا ساز بتن استفاده شدهاند، شامل: ارتو و پاراسدیم دو دسیل بنزن سولفونات و سدیم دو دسیل سولفات میباشند.
هنگامی که پاککنندههای مصنوعی سبب تولید سریع حبابهای هوا در بتن میشوند، حباب تولید شده توسط پاککنندههای مصنوعی، درشتتر از حبابهایی است که با استفاده از مشتقات چوب تولید شدهاند.
کاربرد اصلی این مواد تولید کف است. بعضی نیز به عنوان افزودنیهای حباب ساز استفاده میشوند. پاککنندههای مصنوعی را میتوان با افزودنیهای کاهندهی آب مخلوط کرد تا افزودنی کاهندهی آب و حباب ساز ایجاد شود.
مکانیزم تولید هوا توسط افزودنیهای حباب هوا ساز بتن
هوای ایجاد شده در بتن به طور کلی با هوای محبوس شده در بتن متفاوت است. هوای محبوس شده در بتن به صورت اتفاقی در بتن پایدار شده و اندازهی آنها حدود 1 میلیمتر تا 3 میلیمتر است، اما حبابهای موجود در بتن که توسط افزودنیهای حباب ساز ایجاد میشوند، به صورت عمدی در بتن پایدار شدهاند و اندازهی آنها در حدود 0.05 میلیمتر تا 0.2 میلیمتر است.
نکتهی مهم این است که افزودنی حباب هوا ساز بتن در مخلوط بتن حباب تولید نمیکند، بلکه حبابهایی که در طول فرآیند اختلاط وارد بتن میشود را پایدار میکند. این فرآیند کاملاً با فرآیند تولید گاز توسط افزودنیهای گازساز متفاوت است و هر یک کاربردهای متفاوتی دارند.
کشش سطحی کم، حبابها را در برابر تغییر شکل و گسیختگی مکانیکی پایدار میکند. این امر باعث میشود حبابها راحتتر تشکیل شده و با قطرهای نسبتاً کوچکتر پایدار شوند. در نبود افزودنی حباب هوا ساز بتن، فشار داخلی حبابهای موجود در بتن زیاد خواهد بود.
بنابراین، قطر حبابهای موجود در بتن سخت شده که از افزودنیهای حباب ساز استفاده نشده است، معمولاً بزرگتر از 0.1 میلیمتر است؛ زیرا با کاهش قطر حبابها، فشار داخلی حباب بیشتر میشود. بنابراین حبابهای با قطر کمتر از 0.1 میلیمتر، تمایل پیدا میکنند در آب اختلاط حل شوند.
خنثی کردن افزودنیهای حباب ساز بتن
در بعضی پروژهها ممکن است به صورت تصادفی، افزودنی حباب هوا ساز بتن بیش از اندازهی مورد نیاز در بتن ریخته شود. برای جلوگیری از تولید هوای اضافه، میتوان از مواد ضدکف برای خنثیسازی افزودنیهای حباب ساز استفاده کرد.
از جمله مواد ضدکف، میتوان تری بوتیل فسفات، دی بوتیل فسفات، اکتیل الکل، استرهای نامحلول کربنیک اسید، بوریک اسید و سیلیکونها را نام برد. مقدار کمی از این مواد، مشکل را برطرف میکند. استفاده بیش از اندازه این مواد، ممکن است بر خصوصیات بتن نتیجهی عکس بگذارد.
هوای ایجاد شده در بتن به طور کلی با هوای محبوس شده در بتن متفاوت است. هوای محبوس شده در بتن به صورت اتفاقی در بتن پایدار شده و اندازهی آنها حدود 1 میلیمتر تا 3 میلیمتر است، اما حبابهای موجود در بتن که توسط افزودنیهای حباب ساز ایجاد میشوند، به صورت عمدی در بتن پایدار شدهاند و اندازهی آنها در حدود 0.05 میلیمتر تا 0.2 میلیمتر است.
تهیه و تنظیم: پرفسور حشمدار فوق دکترای سازه گرایش سازه های غیرخطی دینامیکی
سامانه جامع تحلیل و آنالیز سازه های پیشرفته (نظام مهندسی کل کشور)
