بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۳۶: افزودنی‌های بتن (قسمت هفتم: مواد حبابزا / حباب‌ساز / هوازا – معرفی، انواع، عملکرد، کاربرد و نحوه نگهداری و مصرف)
پیدایش و گسترش بتن هوازایی شده در سال‌های میانی دهه‌ی ۱۹۳۰ یکی از پیشرفت‌های اساسی تکنولوژی بتن به شمار می‌آید. در اثر اختلاط و هم‌زدن بتن، مانند هر ماده خمیری دیگر، حباب‌های ریز و درشت هوا به طور اتفاقی و ناخواسته در بتن حبس می‌شوند. حباب‌های هوای حبس‌شده دارای شکل نامنظم هستند و اندازه آنها بزرگتر از ۱۰۰۰ میکرون (یک میلی‌متر) است. این حباب‌ها ناپایدارند و بخش عمده‌ای از حباب‌های درشتی که به این ترتیب ایجاد می‌شوند به سرعت از بین می‌روند. هوای حبس شده به نام «هوای محبوس» (Entrapped air) شناخته می‌شود. منظور از «هوازایی» (Entrained Air) آن بخش از حباب‌های ریز هوا است که به طور عمدی در بتن ایجاد می‌شوند و با هوای محبوس تفاوت آشکار دارد. قطر حباب‌هایی که به طور عمدی در بتن ایجاد می‌شوند (هوازایی) از اندازه حباب‌های محبوس کوچکتر و عمدتا بین ۱۰ تا ۱۰۰ میکرون و با فواصل منظم حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ میکرون است.
برای هوازایی در بتن از یک افزودنی هوازا که در حین اختلاط به بتن افزوده می‌شود استفاده می‌گردد. برای هوازایی می‌توان از سیمان هوازا نیز استفاده کرد ولی در حال حاضر در ایران سیمان هوازا تولید نمی‌شود.
از دهه ۴۰ میلادی، آثار و خواص افزودنی‌های حباب‌ساز در بتن بتدریج در آمریکا شناخته شد و بکار رفت. برخی کارخانه‌های سیمان در آمریکا، به تجربه دریافته بودند که افزودنی پیه گاو به کلینکر در هنگام آسیاب آن در کارخانه، عمل آسیاب کردن را تسهیل می‌بخشد. بعدها دریافتند که بتن‌های ساخته شده با این نوع سیمان‌ها از دوام مناسبی برخوردار بودند، در حالیکه بتن‌های مشابه با همان نسبت آب به سیمان خیلی سریعتر از بین می‌رفتند. این یافته‌ها بسیار مهم و عجیب تلقی شده و به کشف خواص یا ساختار میکروسکوپی خمیر سیمان حاوی حباب‌ها منجر گردید. امروزه مصرف این مواد بصورتی فراگیر شده است که در اغلب آیین‌نامه‌ها مصرف این مواد بویژه زمانی که بتن در معرض چرخه‌های یخ‌زدن و آب‌شدن مکرر قرار دارد، توصیه می‌شود یا الزامی دانسته شده است.
انواع و نحوه عملکرد
افزودنی‌های هوازا (Air Entraining Admixtures) یا حباب‌ساز بنا به تعریف، افزودنی‌هایی هستند که در حین اختلاط (با تاثیرگذاری بر نیروهای کشش سطحی آب)، ساختاری همگن از ریزحباب‌های ناپیوسته در بتن، ملات، یا خمیر سیمان پدید می‌آورند. افزودنی‌های هوازا در حقیقت با تشکیل و تثبیت حباب‌های هوایی که در حین اختلاط وارد بتن می‌شوند، مقدار هوای بتن را افزایش می‌دهند و بر خلاف افزودنی‌های گازساز یا کف‌زا هیچگونه گاز یا کفی در اثر واکنش شیمیایی در بتن ایجاد نمی‌کنند. البته برخی معتقدند مواد حبابزا با آهک موجود در سیمان در مجاورت آب ترکیب شده و حباب ریز تولید می‌کنند.
هوازاها از نوع افزودنی‌های با عملکرد فیزیکی هستند و تاثیر مستقیم بر فرآیند آبگیری سیمان ندارند. این افزودنی‌ها عمدتا از مواد اثرکننده بر سطح تشکیل می‌شوند. مواد اثرکننده بر سطح (Surfactants / Surface active agents) موادی هستند که در سطح مشترک بین دو فاز آمیخته نشدنی متمرکز می‌شوند و نیروهای فیزیکی-شیمیایی موثر بر این سطح را تغییر می‌دهند.
هوازاها در سطح مشترک هوا–آب در خمیر سیمان عمل می‌کنند و کشش سطحی آب را کاهش می‌دهند و بدین ترتیب بخش عمده‌ای از حباب‌های هوای ناپایدار پدیدآمده در حین اختلاط را به ریزحباب‌های پایدار تبدیل می‌کنند. این افزودنی‌ها عمدتا دارای یک انتهای آب‌دوست و یک دنباله آب‌گریز هستند. انتهای آب‌دوست آنها در آب می‌ماند و دنباله آب‌گریز آنها در داخل حباب هوا گرفتار می‌شود و از داخل شدن آب به درون حباب (ترکیدن حباب) جلوگیری می‌کند و موجب پایداری حباب‌های تشکیل‌شده می‌شود. نمایی از چگونگی پایدار شدن حباب‌های هوا توسط افزودنی هوازا در شکل زیر نشان داده شده است.
انتهای آب‌دوست که در سطح حباب و در تماس با آب قرار دارد با بار الکتریکی که به حباب‌ها می‌دهد از یک سو با استفاده از پدیده دفع بارهای همنام از به هم چسبیدن حباب‌ها به یکدیگر جلوگیری می‌کند (مطابق شکل زیر).
از سوی دیگر مانند شکل زیر، به جذب این حباب‌ها به سطح ذرات سیمان و سنگدانه کمک و مانند یک عامل رابط و پیونددهنده بین ذرات سیمان و سنگدانه عمل می‌کند و چسبندگی درونی (قوام یا Cohesion) بتن را بهبود می‌بخشد.
بسیاری از مواد وجود دارند که قابلیت ایجاد حباب در خمیر سیمان را دارند، اما آنچه در مورد افزودنی‌های حباب‌ساز مهم است ایجاد حباب‌هایی با ساختار مناسب و پایدار است. امروزه اکثر حباب‌زاهایی که به شکل تجاری در دسترس هستند، در یکی از دسته‌های زیر قرار می‌گیرند.
– نمک‌های صمغ‌های چوب (وینسول)
– نمک‌های مواد پروتئینی
– نمک‌های اسیدهای نفتی
– نمک‌های آلی هیدروکربن‌های سولفوناته (سولفونات آلکیل-آریل و سولفات آلکیل)
– دترجنت‌های مصنوعی
– اسیدهای رزینی و چرب و نمک‌های آنها
– فنل اتوکسیلات‌ها
حباب‌های هوای عمدی ایجاد شده در خمیر سیمان، ریز و پخش هستند. میلیاردها حباب ریز در یک متر مکعب بتن یا ملات توسط این مواد حبابزا بوجود می‌آید که کاملاً پخش و توزیع شده‌اند. وقتی بتن یا ملات در برابر چرخه‌های متوالی یخ‌زدن و آب‌شدن پایداری می‌کند که فاصله حباب‌ها از یکدیگر بیش از ۳/۰ میلی متر نباشد.
کاربرد و مقدار مصرف در بتن
افزودنی‌های هوازا به دلایل زیر در بتن به کار می‌روند:
– بهبود پایایی بتن سخت‌شده به ویژه در برابر چرخه‌های یخ‌زدن و آب‌شدن
– بهبود ویژگی‌های بتن تازه به ویژه کارآیی (کارپذیری) و قوام
هر چند دلیل اصلی کاربرد افزودنی هوازا بهبود پایایی در برابر چرخه‌های یخ‌زدن و آب‌شدن است ولی این افزودنی سایر ویژگی‌های بتن را نیز به اندازه‌ای بهبود می‌بخشد که کاربرد آن در مناطق معتدل و گرم (بدون خطر یخبندان) را با رشد روزافزون روبرو کرده است.
با توجه به شرایط محیطی از نظر یخبندان و آب‌شدگی یا سایر شرایط موجود در حین بهره برداری در هر آیین‌نامه‌ای درصد حباب هوای لازم مشخص می‌شود. مقدار حباب هوای لازم در بتن معمولاً به حداکثر اندازه سنگدانه مصرفی ارتباط دارد. معمولاً هرچقدر خمیر سیمان بتن کمتر باشد، درصد حباب هوای لازم در بتن کمتر می‌شود، در حالیکه ممکن است عملاً درصد حباب هوا در خمیر سیمان ثابت باشد.
هر چقدر شرایط محیطی حادتر باشد، درصد حباب هوای لازم بتن بیشتر می‌شود. با کاهش حداکثر اندازه سنگدانه بتن، درصد حباب هوای لازم افزایش می‌یابد. معمولاً حداکثر حباب هوای لازم در بتن‌های دارای حداکثر اندازه سنگدانه ۱۰ میلی‌متر و در شرایط حاد، حداقل ۵/۷ درصد و برای حداکثر اندازه ۱۵۰ میلی‌متر و شرایط متوسط، ۳ درصد می‌باشد. بدیهی است برای حداکثر اندازه‌های ۷۵/۴ یا ۳۸/۲ میلی‌متر برای ملات‌ها ممکن است حباب هوا به حدود ۱۰ درصد برسد و در خمیر سیمان در حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد خواهد بود. رواداری مجاز درصد حباب هوای بتن معمولاً ۱ تا ۵/۱ درصد در کارگاه می‌باشد.
نحوه نگهداری و مصرف
مواد حبابزا به دو صورت جامد (پودر یا پولک) یا مایع تولید و مصرف می‌شوند. این مواد حتی بصورت مایع در اثر یخبندان آسیب نمی‌بینند، اما در دستورالعمل تولیدکنندگان جلوگیری از یخ زدن آنها توصیه می‌شود. معمولاً تا ۶ ماه نگهداری در شرایط مساعد مشکلی برای این مواد به وجود نمی‌آید، اما پس از ۶ ماه انجام آزمایش بر روی آنها و انطباق آنها با مشخصات استاندارد ضروری به نظر می‌رسد.
بهتر است ماده حبابزا بصورت مایع یا محلول به بتن اضافه شوند. مقدار مصرف مواد پودری بسیار کم است و نمی تواند به خوبی و با سرعت در بتن مخلوط و توزیع شود. معمولاً مواد پودری پروتئینی به میزان ۴ تا ۵ درصد در آب حل می‌شوند.
مقدار مصرف مواد افزودنی حبابزای مایع یا محلول، عملاً از حدود ۰۵/۰ تا ۱۵/۰ درصد وزن سیمان تغییر می‌کند که در مقایسه با سایر افزودنی ها ناچیز به نظر می‌رسد. میزان مصرف مواد پودری پروتئینی در بتن عملاً ۰۰۲/۰ تا ۰۰۷/۰ درصد وزن سیمان خواهد بود که به شدت ناچیز است و هزینه بسیار کمی را به مصرف‌کننده تحمیل می‌کند.
مقدار مصرف افزودنی حبابزا با انجام آزمایش و دستیابی به مقدار حباب هوای مورد نظر و خواص مطلوب در بتن تعیین می‌شود و تابع عوامل مختلفی است که با تغییر نوع سنگدانه و سیمان یا مقدار آنها، تغییر روانی بتن و دانه‌بندی سنگدانه تغییر می‌نماید.
حداکثر مقدار مصرف افزودنی حبابزا در بتن های سفت، پرسیمان، حاوی ماسه های ریز زیاد و مواد ریزتر از الک ۷۵ میکرون، دارای سیمان ریز و در شرایط هوای گرم حاصل می‌گردد. مسلماً وقتی درصد حباب هوای بیشتری در بتن لازم است، مقدار ماده حبابزای مصرفی بیشتری بکار می‌رود.