عملکرد حباب ساز بتن در شرایط سرما و یخبندان

در این مقاله به عملکرد حباب ساز بتن در شرایط سرما و یخبندان خواهیم پرداخت. حباب زا بتن یکی از انواع افزودنی‌های شیمیایی مقاوم سازی افزیر است که در بتن ایجاد حباب‌‌های ریز و یکنواخت هوا می‌نماید.

دوام بتن در برابر چرخه های ذوب – یخ

مهمترین دلیل استفاده از افزودنی حباب هوا ساز بتن به عنوان یک افزودنی شیمیایی بتن رسیدن به دوام و پایایی مطلوب در برابر چرخه ذوب – یخ است. بطور کلی تمام بتن‌ها دارای ترک‌های مویی اند، که در داخل آن‌ها رطوبت جمع می‌شود. و وقتی بتن‌ها در معرض چرخه ذوب – یخ قرار بگیرند به دلیل یخ زدن آب موجود در داخل حفره‌های مویینه و افزایش حجم آن به سرعت تخریب می‌شوند. یخبندان باعث ایجاد دو نوع فشار داخلی در بتن می‌شود : 1- فشار هیدرولیکی 2- فشار اسمزی

فشار هیدرولیکی و حباب ساز بتن

فشارهای هیدرولیکی در بتن از انبساط ناشی از یخ زدن آب در داخل حفرات ایجاد می‌شود. برخلاف تصور وقتی دمای بتن به صفر درجه می‌رسد تنها بخشی از آب درون حفره یخ می‌زند. زیرا درجه منجمد شدن آب حفره ای به قطر حفرات بستگی دارد و از آنجا که بتن شامل طیف وسیعی از حفره‌ها از لحاظ اندازه است، انجماد آب حفره ای کمتر از صفر درجه سانتی گراد است. آب در داخل حفره‌هایی به قطر 10 نانومتر تا دمای 5- درجه سانتی گراد و همچنین در حفره‌های به قطر 3.5 نانومتر تا دمای 20- درجه سانتی گراد منجمد نخواهد شد، با توجه به اینکه اندازه حفرات موئینه بسیار ریز است با پایین آمدن دما آب از روزنه‌های ژله ای به سمت حفرات مویینه که بعضی از آن‌ها ممکن است شامل مقداری یخ باشند فرار می‌کند و در آنجا منجمد می‌شود.

افزایش حجم آب ناشی از انجماد سبب می‌شود آب باقی مانده در حفرات فشرده شود در این زمان اگر آب بتواند از حفره‌های مویی به طرف فضای خالی که هنوز در آن‌ها یخ تشکیل نشده فرار کند، این فشار آزاد می‌شود و صدمه چندانی به بتن وارد نمی‌شود، اما اگر فضایی برای فرار وجود نداشته باشد مواد اطراف حفره‌ها تحت فشار قرار می‌گیرند و سرانجام این فشار از مقاومت کششی خمیر بتن فراتر رفته و باعث گسیختگی و فرسایش بتن می‌شود. برای افزایش دوام بتن در برابر سرما و یخبندان می‌توان حباب ریزی در بتن ایجاد نمود که در صورت یخ زدن آب بتواند به داخل این حفره‌ها نفوذ کند و از فشار ناشی از یخ زدن کاسته شود. این فضا خالی و حفرات که باعث کاهش فشار می‌شوند را می‌توان توسط مواد حباب ساز بتن ایجاد کرد.

برای اینکه تاثیر وجود حفره‌ها بر پایداری بتن در شرایط سرما و یخبندان بهتر درک شود مثالی بررسی می‌گردد. اگر بطری در بسته ی پر از آبی منجمد شود افزایش حجم ناشی از یخ زدن آب داخل بطری می‌شود. اما اگر در بطری باز باشد یخ فضای لازم برای افزایش حجم را دارد و بطری دیگر نمی‌شکند. حفاظت از بتن در مقابل یخبندان همانند مثال است، وجود حفرات هوای اضافی در بتن باعث خنثی شدن افزایش حجم ناشی از منجمد شدن آب می‌شود بنابراین به بتن آسیبی نمی‌رسد.

در ادامه فرایند با افزایش مجدد دما، یخ شروع به آب شدن می‌کند، این آب به علت وجود خاصیت موئینگی و فشار ناشی از دیواره‌های حفره‌ها به درزهای مویینه برمی‌گردد. بنابراین حفرات برای محافظت بتن در مقابل چرخه بعدی ذوب – یخ آماده می‌شوند. به زبان ساده حباب‌ها به عنوان شیر اطمینان عمل می‌کنند.

فشار اسمزی و افزودنی حباب هوا زا

دومین عاملی که باعث تخریب بتن بر اثر سرما و یخبندان می‌گردد،  فشار اسمزی است. فشارهای اسمزی به خاطر تغییر غلظت محلول قلیایی در خمیر سیمان گسترش می‌یابند. وقتی آب منجمد می‌شود غلظت قلیایی آب مجاور (آب موجود در حفره که هنوز منجمد نشده) افزایش می‌یابد، بنابراین در آب موجود در بتن اختلاف غلظت به وجود می‌آید.

طبق فرایند اسمزی محلول قلیایی قوی تر از آب را از محلول قلیایی ضعیف تر موجود در حفره‌ها بیرون می‌کشد، این جابجایی آب تا وقتی که تعادل در غلظت مایع‌های قلیایی بدست آید ادامه خواهد داشت. بطور کلی تاثیر فشارهای اسمزی نسبت به فشارهای هیدرولیکی در فرآیند یخبندان کمتر است. توجه به این نکته ضروری است که ضدیخ‌هایی که برای اجرای بتن در هوای سرد استفاده می‌شود نه تنها مقاومت بتن سخت شده را در برابر سرما و یخبندان افزایش نمی‌دهد بلکه دوام دراز مدت بتن در برابر چرخه ذوب – یخ را به مخاطره می‌اندازد.

هر چند مشخصات سیستم حفرات هوا بر مقاومت یخبندان تاثیر گذار است، اما میزان هوای بهینه موجود در بتن مهمترین عامل موثر بر دوام بتن در برابر شرایط یخبندان است. در بتنی که سنگدانه‌های آن کوچکتر از 5 میلی متر است، میزان هوا باید در حدود 9 درصد باشد (یعنی در حدود 18 درصد حجم خمیر بتن) و برای بتنی که حداکثر اندازه سنگدانه‌هایش 20 میلی متر است میزان هوای بهینه باید در حدود 6 درصد باشد زیرا وقتی سنگدانه‌ها درشت تر می‌شوند حجم خمیر بتن کم می‌شود. اضافه کردن مقدار حباب بیش از مقدار بهینه به شدت مقاومت مکانیکی و دوام بتن در برابر یخ زدگی خواهد کاست.

 

حداکثر اندازه سنگدانه ها (میلیمتر)	درصد هوا در شرایط محیطی
	شدید	متوسط
9.5	7.5	6
12.5	6	5.5
19	6	5
25	6	4.5
37	5.5	4.5
50	5	–
75	4.5	–

از طرفی دیگر با استفاده از مواد حباب ساز بتن می‌توان در اسلامپ ثابت نسبت آب به سیمان را کاهش داد که این امر مقاومت مکانیکی را زیاد و نفوذپذیری بتن را کم می‌کند و باعث بالا رفتن دوام بتن در برابر پدیده ی ذوب – یخ می‌شود. برای مقدار ثابت حباب چنانچه نسبت آب به سیمان زیاد شود فاصله حباب‌ها و اندازه حباب‌ها زیاد می شود بنابراین برای رسیدن به دوام مورد نظر باید حباب بیشتری ایجاد کرد.

دوام بتن در برابر نمک‌های یخ زدا

ضدیخ‌های شیمیایی که برای ذوب کردن برف و یخ بر روی سطح راه‌ها استفاده می‌شود می‌تواند باعث تشدید پوسته شدگی سطحی بتن شوند. این تخریب عمدتا یک عمل فیزیکی است. دلیل این عمل را می‌توان ایجاد فشار اسمزی در بتن دانست. اگر این فشار به حالت بحرانی برسد بتن تخریب خواهد شد. اما اگر حباب‌ها در سطح داخلی بتن وجود داشته باشد این فشارها کمتر خواهند شد.

علاوه بر این مورد نمک‌های ضد یخ به روش‌های دیگر نیز بر دوام بتن تاثیر منفی می‌گذارند. نمک‌های ضد یخ دارای خصوصیت جذب رطوبتی هستند و این امر باعث می‌شود که آب را به خود جذب کنند و بتن اشباع تر بماند. بنابراین پتانسیل برای تخریب در برابر پدیده ذوب – یخ افزایش می‌یابد. مطالعات نشان می‌دهد که در غیاب یخبندان هم، تشکیل کریستال‌های نمک در بتن ممکن است باعث پوسیدگی بتن شود. حضور حفره‌های هوا در بتن فضای خالی برای رشد کریستال‌ها را فراهم می کند، بنابراین تنش داخلی بتن کاهش می‌یابد بنابراین بتن در مقابل این گونه تخریب‌ها محافظت می‌شود.

برای محافظت از بتن در مقابل ضد یخ‌ها،  در بتنی که حداکثر قطر سنگدانه‌ها 38 میلی متر باشد درصد هوا باید 5 تا 6 درصد باشد و اگر قطر سنگدانه‌ها بین 19 تا 25 میلی متر باشد درصد هوا باید بین 6 تا 7 درصد باشد. هر چند با کم کردن نسبت آب به سیمان میتوان مقاومت در برابر پوسته شدگی را کاهش داد اما برای رسیدن به اسلامپ مورد نظر باید افزودنی حباب ساز به بتن اضافه کرد. افزودنی‌های حباب ساز افزیر به نوبه خود باعث کاهش تخریب ناشی از نمک‌های یخ زدا می‌شوند.