مقدمه
استفاده از افزودنیهای حباب هواساز بتن در صنعت بتن قدمتی نزدیک به یک قرن دارد. نخستین بار در دهه 1930 میلادی، مهندسان آمریکایی متوجه شدند که برخی از مواد شوینده و صابونهای طبیعی باعث ایجاد حبابهای ریز و پایدار در بتن می شوند. این پدیده در ابتدا به عنوان یک مشکل تلقی می شد، اما تحقیقات بعدی نشان داد که وجود مقدار کنترل شده ای از هوا در بتن می تواند باعث افزایش دوام و مقاومت بتن در برابر چرخه های یخ زدگی و ذوب شود.
در جنگ جهانی دوم، استفاده از بتنهای هوازده به طور گسترده در پروژه های نظامی و مناطق سردسیر آمریکا و کانادا رواج یافت. در آن زمان، مواد طبیعی مانند نمکهای چرب حیوانی، صابونهای رزینی و لیگنوسولفوناتها به عنوان ترکیبات اولیه حباب ساز به کار می رفتند.
با پیشرفت علم شیمی در دهه های 1950 تا 1970، افزودنیهای مصنوعی و ترکیبات سورفکتانت دار با عملکرد دقیقتر وارد بازار شدند. این محصولات قادر بودند اندازه و پایداری حبابها را به شکل کنترل شده تنظیم کنند و تأثیر منفی بر مقاومت فشاری بتن نداشته باشند.
در سالهای اخیر، با توسعه فناوری نانو و شیمی پلیمر، نسل جدیدی از افزودنیهای حباب ساز تولید شده اند که علاوه بر ایجاد هوای یکنواخت در بتن، می توانند خواص رئولوژیکی و کارایی بتن را نیز بهبود دهند. امروزه تقریباً در تمام پروژه های عمرانی در مناطق سرد و مرطوب، استفاده از افزودنیهای حباب ساز به عنوان یک الزام فنی در طرح اختلاط بتن شناخته می شود.
هواساز بتن یا همان افزودنی حباب ساز ماده شیمیایی است که به منظور ایجاد و تثبیت حبابهای ریز و یکنواخت هوا در داخل بتن مورد استفاده قرار می گیرد. این حبابها معمولاً بین 0.05 تا 1 میلی متر قطر دارند و به طور یکنواخت در حجم بتن پراکنده می شوند.
هواسازها از دسته مواد فعال سطحی یا سورفکتانت ها هستند که با کاهش کشش سطحی آب، باعث تشکیل حبابهای پایدار در حین اختلاط بتن می شوند. در واقع این افزودنیها همانند صابون عمل می کنند؛ یعنی آب و هوا را با هم ترکیب کرده و مانع از ترکیدن سریع حبابها می شوند.
هدف اصلی از به کارگیری هواساز در بتن، افزایش دوام بتن در برابر عوامل محیطی است. وجود حبابهای بسیار ریز در بتن باعث می شود فضاهایی خالی برای انبساط یخ درون منافذ ریز بتن ایجاد گردد، در نتیجه از ترک خوردگی و پوسته شدن بتن در اثر چرخه های یخ زدگی و ذوب جلوگیری می شود.
دلایل ایجاد حباب در بتن و نحوه کنترل آن
حبابها در بتن معمولاً به علت عوامل متعددی ایجاد میشوند که در صورت عدم مدیریت میتوانند به شکل حفرههای ناخواسته ظاهر شوند. از جمله مهمترین دلایل میتوان به نسبت بالای آب به سیمان، عدم تراکم مناسب، ویژگیهای سنگدانهها، استفاده نادرست از افزودنیهای حباب ساز و آب باقیمانده در قالب اشاره کرد.
- هرچه نسبت آب به سیمان در بتن بیشتر باشد، احتمال تشکیل حبابهای هوا افزایش مییابد. این موضوع همچنین باعث آب انداختن بتن میشود که جدایش آب و ذرات سیمان را ایجاد کرده و میتواند حفرههایی در سطح بتن ایجاد کند.
- عدم تراکم صحیح بتن یکی از رایجترین دلایل باقی ماندن حبابهاست. ویبره زدن نامناسب یا ناکافی باعث میشود هوای محبوس شده در مخلوط از بین نرود و حبابها در بتن باقی بمانند.
- دانههای ریز: افزایش دانههای ریز در مخلوط میتواند منجر به ایجاد حبابهای بیشتر شود.
- سطح آلوده یا بافت خاص: وجود آلودگیهای آلی یا سطح ناهموار دانهها، میتواند باعث هوازایی و تشکیل حبابهای کوچک شود.
- در قالبهای بتن اکسپوز یا جی اف آر سی، آب باقیمانده روی سطح قالب پس از عملآوری و تبخیر میتواند باعث ایجاد حفره یا حباب در سطح بتن شود.
- افزودنیهای حباب ساز به طور عمدی برای ایجاد حبابهای ریز و افزایش مقاومت بتن در برابر یخزدگی استفاده میشوند. با این حال، اگر میزان مصرف یا نحوه اختلاط آنها کنترل نشود، ممکن است حبابهای ناخواسته در سطح یا داخل بتن ایجاد گردد.
- برخی ترکیبات شیمیایی مانند نمکهای لیگنوسولفات کلسیم و عوامل پراکنده سیمان نیز میتوانند به تشکیل حبابهای ریز در بتن کمک کنند.
کاربردهای اصلی افزودنی های حباب ساز
- سازه های بتنی در مناطق سردسیر مانند جاده ها، پلها، باند فرودگاه ها
- سازه های هیدرولیکی مانند سدها، کانالها و مخازن
- قطعات پیش ساخته در معرض رطوبت و یخ زدگی
- بتنهای تزئینی و کف سازی در تماس مستقیم با محیط بیرونی
ویژگیهای مواد حباب ساز
مواد حباب ساز بتن ترکیباتی هستند که با تغییر کشش سطحی آب و سیمان، باعث ورود و تثبیت حبابهای ریز و پایدار هوا در داخل بتن می شوند. کیفیت و عملکرد این افزودنیها به ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی آنها بستگی دارد. در ادامه مهمترین ویژگیهای یک حباب ساز مرغوب بررسی می شود:
پایداری حباب هواساز بتن
یکی از ویژگیهای کلیدی یک افزودنی شیمیایی بتن حباب ساز، توانایی ایجاد حبابهای ریز، کروی و پایدار است. حبابها نباید در طول زمان اختلاط، حمل و تراکم از بین بروند یا به هم متصل شوند، زیرا این امر باعث ناهمگنی در ساختار بتن و کاهش مقاومت می شود.
اندازه یکنواخت حباب هواساز
افزودنیهای باکیفیت قادرند حبابهایی با اندازه و توزیع یکنواخت تولید کنند. حبابهای بسیار درشت یا نامنظم معمولاً منجر به کاهش مقاومت فشاری بتن می شوند، در حالی که حبابهای بسیار ریز و یکنواخت باعث بهبود دوام بتن در برابر یخ زدگی و ذوب می گردند.
سازگاری با سایر افزودنیها
افزودنی حباب ساز باید با کاهنده های آب، زودگیرها، دیرگیرها و روان کننده بتن ها سازگار باشد. در غیر این صورت ممکن است ترکیب این مواد باعث کاهش مقدار هوای مورد نیاز یا بی اثر شدن عملکرد حباب ساز شود.
مقاومت در برابر شرایط قلیایی
از آنجا که محیط بتن دارای خاصیت قلیایی بالاست، افزودنی حباب ساز باید در برابر pH بالا مقاومت شیمیایی مناسبی داشته باشد تا ساختار خود را در طول زمان حفظ کند.
تأثیر حداقلی بر مقاومت فشاری
یکی از چالشهای اصلی در استفاده از حباب هواساز، حفظ مقاومت فشاری بتن است. یک افزودنی باکیفیت باید طوری طراحی شده باشد که ضمن افزایش میزان هوای مفید، حداقل کاهش در مقاومت فشاری ایجاد کند.
پایداری در انبارداری
مواد حباب ساز بتن باید دارای پایداری بالا در زمان نگهداری باشند، به گونه ای که در اثر گذشت زمان ته نشین، فاسد یا دو فاز نشوند.
اثرات افزودنی های حباب هواساز
افزودنیهای حباب ساز با ایجاد حبابهای ریز و یکنواخت در بتن، تأثیرات متنوعی بر خواص بتن تازه و سخت شده می گذارند. این اثرات گاه مثبت و گاه در صورت مصرف بیش از حد، منفی هستند.
افزایش دوام در برابر یخ زدگی و ذوب
اصلی ترین اثر افزودنیهای حباب ساز، مقاوم سازی بتن در برابر چرخه های متناوب یخ زدگی و ذوب است. حبابهای ریز و بسته در بتن فضاهایی برای انبساط یخ ایجاد می کنند و از فشار داخلی و در نتیجه ترک خوردگی سطحی یا پوسته شدن بتن جلوگیری می نمایند.
کاهش نفوذپذیری بتن
وجود حبابهای یکنواخت و پایدار باعث قطع پیوستگی منافذ موئینه در بتن می شود. در نتیجه بتن در برابر نفوذ آب، یون کلر و مواد شیمیایی مهاجم مقاوم تر خواهد بود.
بهبود کارایی و روانی بتن
حبابهای هوا همانند روان کننده های طبیعی عمل می کنند و اصطکاک بین ذرات جامد را کاهش داده و باعث افزایش روانی و سهولت در تراکم، پمپ پذیری و پرداخت سطح بتن می شوند. این ویژگی بدون نیاز به افزایش آب اختلاط حاصل می شود.
کاهش وزن مخصوص بتن تازه
با توجه به اینکه بخشی از حجم بتن توسط هوا پر می شود، وزن مخصوص بتن تازه کاهش می یابد. این موضوع در ساخت بتنهای سبک و نیمه سبک کاربرد دارد.
بهبود مقاومت بتن در برابر واکنشهای شیمیایی
وجود حبابهای ریز باعث کاهش تماس مستقیم مواد مضر با خمیر سیمان می شود، در نتیجه بتن در برابر واکنشهایی نظیر واکنش قلیایی-سیلیسی یا حملات سولفاتی مقاومت بیشتری پیدا می کند.
اثرات منفی در صورت مصرف بیش از حد
اگر مقدار حباب ساز بیش از حد مجاز مصرف شود، میزان هوای بتن بیش از مقدار طراحی شده افزایش می یابد و این امر می تواند منجر به کاهش مقاومت فشاری و افزایش تخلخل سطحی گردد.
جدول علمی حباب هواساز بتن
| ویژگی |
توضیح |
| پایداری حبابها |
توانایی ایجاد حبابهای ریز، کروی و پایدار. حبابها نباید در طول اختلاط، حمل و تراکم از بین بروند یا به هم متصل شوند، زیرا این امر باعث ناهمگنی در ساختار بتن و کاهش مقاومت میشود. |
| اندازه یکنواخت حبابها |
افزودنیهای باکیفیت قادرند حبابهایی با اندازه و توزیع یکنواخت تولید کنند. حبابهای بسیار درشت یا نامنظم باعث کاهش مقاومت فشاری میشوند، در حالی که حبابهای ریز و یکنواخت دوام بتن را در برابر یخزدگی و ذوب افزایش میدهند. |
| سازگاری با سایر افزودنیها |
افزودنی حباب ساز باید با کاهندههای آب، زودگیرها، دیرگیرها و روانکنندهها سازگار باشد. ناسازگاری ممکن است عملکرد حباب ساز را کاهش دهد یا مقدار هوای مورد نیاز را کم کند. |
| مقاومت در برابر شرایط قلیایی |
محیط بتن دارای pH بالا است؛ افزودنی حباب ساز باید مقاومت شیمیایی مناسب در برابر قلیایی بودن محیط داشته باشد تا ساختار خود را حفظ کند. |
| تأثیر حداقلی بر مقاومت فشاری |
افزودنی باکیفیت باید افزایش هوای مفید را بدون کاهش قابل توجه مقاومت فشاری بتن فراهم کند. |
| پایداری در انبارداری |
مواد حباب ساز باید در زمان نگهداری پایدار باشند و در اثر گذر زمان تهنشین، فاسد یا دو فاز نشوند. |
مقدار مصرف و روش مصرف حباب ساز بتن
مقدار مصرف و روش مصرف حباب ساز بتن در زیر توضیح داده شده است.
مقدار مصرف
استفاده صحیح از افزودنیهای حباب ساز نقش مهمی در اثربخشی، دوام و کیفیت بتن دارد.
مقدار استاندارد مصرف معمولاً بین 0.05 تا 0.2 درصد وزن سیمان در مخلوط بتن است، اما بسته به نوع سیمان، دانه بندی مصالح، روانی بتن و شرایط محیطی قابل تغییر است.
بهترین روش، انجام آزمایشهای کنترل هوای بتن قبل از اجراست تا میزان دقیق افزودنی تعیین شود.
زمان افزودن به بتن حباب ساز می تواند قبل از اختلاط یا حین اختلاط بتن اضافه شود.اضافه کردن در زمان اختلاط اولیه باعث توزیع یکنواخت حبابها در تمام حجم بتن می شود و عملکرد بهتری دارد.
روش مصرف
روش اختلاط
حباب ساز معمولاً به صورت مایع یا پودر حل شده در آب اختلاط به بتن اضافه می شود.
پس از اضافه کردن، بتن حداقل 3 تا 5 دقیقه کامل مخلوط شود تا حبابها به طور یکنواخت توزیع گردند.
از اختلاط بیش از حد خودداری شود، زیرا ممکن است باعث ترکیدن بخشی از حبابها گردد.
کنترل هوای بتن
پس از افزودن حباب ساز، میزان هوا با دستگاه های استاندارد اندازه گیری شود.در صورت نیاز، می توان با تنظیم مقدار افزودنی یا افزودن مجدد، میزان هوا را به حد مطلوب رساند.نکات مهماز ترکیب حباب ساز با آب زیاد یا کم بدون مشورت با تولیدکننده خودداری کنید.افزودنیها باید دور از نور مستقیم و دمای بسیار بالا یا پایین نگهداری شوند.قبل از مصرف در پروژه های بزرگ، تست های آزمایشگاهی توصیه می شود.
طرز تهیه مایع حباب ساز بدون گلیسیرین
گاهی نیاز است حباب ساز به صورت خانگی یا بدون استفاده از گلیسیرین تهیه شود. این نوع افزودنی معمولاً برای بتنهای کم حجم یا آزمایشی کاربرد دارد.
مواد لازم:
صابون مایع یا شوینده ملایم: 50 میلی لیتر
آب تمیز: 1 لیتر
الکل ایزوپروپیل (اختیاری): 10 تا 20 میلی لیتر
روش تهیه:
آب را در ظرف تمیز ریخته و دمای آن حدود 20 تا 30 درجه سانتی گراد باشد.
صابون مایع را به آرامی به آب اضافه کرده و به صورت دورانی مخلوط کنید تا کف زیادی ایجاد نشود.
برای افزایش پایداری حبابها، می توان مقدار کمی الکل ایزوپروپیل اضافه کرد.
محلول را 5 دقیقه آرام نگه دارید تا هواهای اضافی خارج شود.
محلول آماده شده را جایگزین مقداری از آب اختلاط بتن کرده و به آرامی به مخلوط اضافه کنید.
نکات مهم:
محلول نباید کف زیادی داشته باشد زیرا باعث افزایش حبابهای بزرگ و کاهش مقاومت فشاری بتن می شود.
بهتر است مایع تازه تهیه شده و در مدت کوتاه استفاده شود.
این روش برای پروژه های کوچک یا آزمایشگاهی مناسب است و در پروژه های صنعتی، استفاده از افزودنیهای استاندارد توصیه می شود.
اندازه گیری مقدار هوای موجود در بتن
کنترل میزان هوای موجود در بتن اهمیت بالایی دارد زیرا مقدار هوا بر دوام، مقاومت فشاری و کارایی بتن تأثیر می گذارد.
روشهای متداول اندازه گیری هوا
- روش فشار هوا (ASTM C231)
نمونه بتن تازه در محفظه مخصوص قرار گرفته و تحت فشار قرار می گیرد. تغییر حجم محفظه ناشی از فشرده شدن هوا اندازه گیری شده و درصد هوای موجود در بتن محاسبه می شود.
- روش چگالی یا وزن مخصوص (ASTM C138)
با اندازه گیری وزن مخصوص بتن تازه و مقایسه آن با وزن بتن بدون هوا، مقدار هوا تخمین زده می شود. این روش ساده تر است اما دقت کمتری دارد.
- روش حباب سنجی دستی
ابزارهای دستی با پر کردن محفظه و هم زدن بتن، درصد هوا را نمایش می دهند و برای کنترل سریع در کارگاه مناسب هستند.
نتیجهگیری
ایجاد حباب های ناخواسته در بتن میتواند هم بر ظاهر سطح بتن و هم بر مقاومت و دوام سازه تأثیر منفی بگذارد. همانطور که توضیح داده شد، عوامل مختلفی از جمله نسبت بالای آب به سیمان، تراکم ناکافی، ویژگیهای سنگدانهها، آب باقیمانده در قالب و استفاده نادرست از افزودنیهای حباب ساز باعث ایجاد این مشکل میشوند. بنابراین کنترل هر یک از این عوامل ضروری است.
برای دستیابی به بتنی با کیفیت، بدون حفرههای ناخواسته و با دوام بالا، توصیه میشود:
- نسبت آب به سیمان را به دقت محاسبه و کنترل کنید تا از آب انداختن و تشکیل حبابهای تصادفی جلوگیری شود.
- بتن را به درستی ویبره و متراکم کنید تا هوای محبوس شده از بین برود و حبابها در مخلوط باقی نمانند.
- از سنگدانههای تمیز و استاندارد استفاده کنید و از ورود مواد آلوده به بتن جلوگیری شود.
- میزان و روش استفاده از افزودنیهای حباب ساز را مطابق با استانداردهای فنی و نیاز پروژه انتخاب کنید.
در این میان، استفاده از حباب هواساز تولیدی بتن پلاست میتواند یک راهکار عملی و مطمئن برای کنترل حبابها و افزایش دوام بتن باشد. این محصول با ایجاد حبابهای ریز و یکنواخت، علاوه بر افزایش مقاومت بتن در برابر یخ زدگی و چرخههای ذوب و انجماد، باعث بهبود کارایی و روانی بتن نیز میشود. به کمک این افزودنی میتوان بدون کاهش مقاومت فشاری، هوای مناسب را در بتن کنترل کرده و از تشکیل حفرههای ناخواسته جلوگیری کرد.
بنابراین، برای پروژههای حساس، مخصوصاً در مناطق سردسیر یا سازههایی که در معرض رطوبت و یخزدگی هستند، استفاده از حباب هواساز بتن پلاست یک انتخاب هوشمندانه است که علاوه بر کیفیت بتن، طول عمر سازه را نیز تضمین میکند.
