بررسی ویژگی‌های مربوط به جمع‌شدگی، مقاومت و دوام فوم بتن-قسمت دوم (1400/07/13)

بررسی ویژگی‌های مربوط به جمع‌شدگی، مقاومت و دوام فوم بتن-قسمت دوم

عوامل موثر بر مقاومت فشاری فوم بتن

اگرچه مطالعات عمیقی در زمینه فوم بتن انجام شده است اما وجود برخی کاستی‌ها مانند مقاومت فشاری هنوز استفاده وسیع از این مصالح را محدود کرده است. مقاومت فوم بتن با توجه به نوع و ترکیب مصالح سیمانی، عیار سیمان، نسبت‌های اختلاط، نسبت آب به سیمان، حجم فوم، عامل فوم‌زا، روش‌های عمل‌آوری، سایر افزودنی‌ها و... تعیین می‌گردد. جدول زیر برخی مطالعات در مورد فاکتورهای تاثیرگذار بر مقاومت فشاری فوم بتن را نشان می‌دهد.

Overview on research on factors affecting compressive strength of FC.

Composites

Factors investigated

28 d CS

Main findings and conclusions

OPC

(i)Curing condition         (ii)Fiber content              (iii)Dry density

1.56-13.38

(1) Compressive strength increases with dry density increase in nearly linear, while bending strength increases more obviously.  (2) The flexural strength was significantly increased when fiber content increased to a certain extent, but the compressive strength was not significantly affected.

Cement, sand

(i)Coconut fiber content

9.6-14.6

(1) The volume increase of coconut fiber particle aggregate in FC can significantly enhance compressive strength with a maximum value of 15%.

OPC

(i) Water-cement ratio

3-5.1

(1) The FC compressive strength varies in an inverted V-shape with the increase of water cement ratio.

OPC

(i) Bentonite slurry content

3-4.7

(1) The compressive strength decreases with mixing content increase of bentonite slurry.

OPC, GBFS, FA

(i) Foam stabilizer

1.7-2.3

(1) XG stabilizer performs positively on thermal conductivity and compressive strength of FC.  (2) The compressive strength with mechanical and chemical foaming increased by 34% and 20%, respectively.

OPC

(i) Foaming agents            (ii) Dry densities               (iii) Cement type

0.20-11.74

(1) The compressive strength increases more obviously when protein based foaming agent is used in mix design as its positive effect on pores.  (2) The maximum strength value was recorded in cellophane curing while the minimum one was found in air curing.

OPC

(i) Aggregate substitution

Mar-48

(1) Slag partially substituted for fly ash improves FC strength at room temperature, but leads to a drying shrinkage and strength loss at high temperature.

Cement, natural sand

(i) Additive types

Jun-47

(1) The reinforcement of pore structure and microstructure improvement of cement paste are helpful to improve FC strength.  (2) The combination of additives reduces size and connectivity of pores and prevents them from merging as well as produces narrower pores distribution, and achieves higher strength.

OPC

(i) Different sand grading

5.6-7.0

(1) The samples prepared with 0.60 mm sand have the highest compressive strength compared to those prepared with coarse sand grade.  (2) The whole water curing provides a better development environment for strength increase compared to the air curing.

OPC

(i) Different pumice types

0.5-3.5

(1) The pumice-based FC has the highest compressive strength.  (2) The density-based empirical model for compressive strength prediction was proposed.

OPC, fine sand,

(i) Different filler types

23-Apr

(1) Adding superfine GGBS as a partial substitute for cement can increase strength slightly without significantly changing mix and workability.   (2) The strength with small pore diameter and uniform pore size is higher than other samples.

OPC

(i) Recycled waste as filler

1.53-10.26

(1) Recycled glass-filled FC has higher compressive strength compared to that filled with plastic.  (2) The addition of superplasticizer reduces the amount of macropore and greatly improves the strength.

OPC, sand

(i) Recycled waste as filler

5.2-6.8

(1) Compared with FC produced with 100% addition of river sand, using refined mineral powder as filler can improve compressive strength and strength performance index.

OPC, ordinary Portland cement; FA, fly ash; CS, compressive strength (unit: MPa); GBFS, granulated blast furnace slag

 

می‌دانیم که مقدار چگالی، مقاومت را کنترل می‌کند. ازین رو باید به دنبال تعادلی بین دانسیته و مقاومت باشیم تا با حداقل‌ترین دانسیته ممکن به بیشترین مقاومت برسیم. در پاره‌ای از مواقع این امر با بهینه‌سازی مقدار مصالح سیمانی، انتخاب عامل فوم‌زای با کیفیت و سنگدانه فوق سبک قابل حصول است. نامبیار طی آزمایشاتی نشان داد که در مقدار دانسیته برابر فوم بتن، با کاهش سایز ذرات ماسه، مقاومت فوم بتن سخت شده افزایش می‌یابد. همچنین مقدار حجم فوم وارده تاثیر قابل توجهی بر جریان فوم بتن تر داشته و کاهش سایز ذارت فیلر نیز مقاومت را بهبود می‌دهد. پارک و همکارانش نیز الیاف کربن را به مخلوط فوم بتن اضافه کردند و نتایج اندازه‌گیری‌ها حاکی از بهبود معنادار مقاومت و سختی بود. نسبت آب به سیمان پایین منجر به روانی پایین مخلوط شده و بنابراین به دلایل تراکم نامناسب مقاومت را کاهش می‌دهد. افزایش نسبت آب به سیمان تا جایی که از روانی مناسب مخلوط اطمینان حاصل شود منجر به رشد مقاومت خواهد شد. یک فاکتور قالب تاثیرگذار در مقاومت، کیفیت سیمان مورد استفاده می‌باشد بطوریکه استفاده از سیمان پر مقاومت بهترین راه افزایش سطح مقاومت است. با این حال مقدار افزایش در هزینه سیمان نیز باید همواره درنظر گرفته شود.

بررسی‌ها نشان ‌می‌دهد که مقاومت فوم بتن با افزایش تعداد حفرات داخل آن کاهش می‌یابد. تاثیر عامل فوم‌زا بر مقاومت عمدتا بر اساس اندازه‌ی حباب‌های هوای محبوس، توزیع یکنواخت حباب‌ها، پایداری فوم و ظرفیت فوم‌زایی آن تعیین می‌گردد. در حالت ایده آل، انتخاب یک عامل فوم‌ساز مناسب باید براساس قابلیت فوم‌زایی قوی، ظرفیت پایین حمل آب و تأثیرات نامطلوب اندک بر روی فوم بتن انجام شود.

 

شاخص‌های دوام در فوم بتن

المان‌های در تماس با محیط و زمین معمولا با شرایط مضر و نامطلوب مختلفی از جمله تغییرات دما، سیکل‌های ذوب و یخ و خوردگی ناشی از عوامل اسیدی مواجه هستند. این عوامل در نهایت منجر به دوام پایین اعضا و سازه‌های ساخته شده با فوم بتن شده و باعث خرابی‌ها و آسیب‌های جدی خواهد شد. از همین رو بررسی فاکتورهای تاثیرگذار بر دوام فوم بتن از اهمیت ویژگی برخودار است.

نفوذپذیری: جذب آب فوم بتن به دلیل وجود بیش از 20 درصد حباب هوا در داخل آن، بیش از دو برابر بتن معمولی است. همین جذب آب بالای فوم بتن به تشکیل و اتصال منافذ مویینه کمک می‌کند. اضافه کردن سنگدانه به فوم بتن تخلخل و نتیجتا نفوذپذیری آن را کاهش می‌دهد. افزایش نسبت خاکستر بادی به سیمان بخصوص در دانسیته‌های پایین نفوذپذیری بخار آب را افزایش می‌دهد.

روش‌های مختلفی جهت ارزیابی تاثیر ساختار منافذ، تخلخل، و سایز بحرانی منافذ بر نفوذپذیری و جذب آب فوم بتن توسط محققان بکار گرفته شده است. نتایج نشان می‌دهد که قطر بحرانی منافذ (200 nm<) با افزایش دانسیته کاهش می‌یابد که این کاهش با میزان نفوذپذیری رابطه مستقیم دارد. بنابراین، توانایی تولید فوم بتنی با حباب‌های هوای پایدار، کوچک و یکنواخت از حیث کاهش نفوذپذیری خمیر سیمانی بسیار حائز اهمیت است. این کاهش در نفوذپذیری به دلیل اثراتی است که پخش یکپارچه و ایزوله حباب‌ها ایجاد می‌کند.

میزان جذب آب فوم بتن عمدتا به نوع فیلر انتخابی، ساختار منافذ، و مکانیزم رسوخ آب وابسته است. گزارش‌ها نشان می‌دهد که وجود فیلر سنگدانه‌های معدنی بر ساختار منافذ و نفوذپذیری خمیر سیمان تأثیر می گذارد. جونز و مک کارتی مقایسه‌ای بین جذب آب فوم بتن دارای خاکستر بادی و ماسه انجام دادند. نتایج حاکی از میزان جذب آب بالای فوم بتن دارای خاکستر بادی بود. تحقیقات انجام شده توسط آوانگ و احمد نشان داد که جذب آب  با اضافه شدن الیاف فولاد و پلی پروپیلن در مخلوط پایه به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. هر نوع الیاف دارای مورفولوژی سطحی متفاوتی است که نقش مهمی در میزان جذب آب فوم بتن ایفا می‌کند. مطالعه‌ی دیگر نشان داد که استفاده از افزودنی‌های پوزولانی و تکنیک اختلاط قوی‌تر می‌تواند فوم بتنی مقاوم در برابر آب و با دوام ایجاد کند.

مقاومت در برابر یخ‌زدگی: سیکل‌های ذوب و یخبندان یکی از عوامل مهم در تخریب و آسیب المان‌های بتنی است. تحقیقات نشان داده که افزودن پودر سنگ آهک به فوم بتن مقاومت در یخ‌زدگی را کاهش می‌دهد. آزمایشات انجام شده برای نسبت‌های مختلف اختلاط فوم بتن این نتیجه را در بردارد که مقاومت، عمق نفوذ ابتدایی و میزان جذب آب تاثیر قابل توجهی بر مقاومت در برابر یخ‌زدگی دارند و در مقابل دانسیته و نفوذپذیری کمترین اثر را دارند.

کربناسیون: پدیده کربناسیون ریسک ترک‌خوردگی و کاهش دوام فوم بتن را افزایش می‌دهد. جونز و مک کارتی در مطالعاتشان نشان دادن که با کاهش میزان دانسیته، فوم بتن بیشتر مستعد کربناسیون خواهد شد. با جایگزینی خاکستر بادی بجای استفاده از ماسه ریزدانه بطور قابل توجهی ظرفیت مقاومت در برابر کربوناسیون افزایش می‌یابد. علاوه بر این، مقدار حجمی فوم در طرح با کاهش چگالی فوم افزایش می‌یابد و همین امر نیز پدیده‌ی کربناسیون را درفوم بتن کاهش می‌دهد.

خوردگی: مقاومت فوم بتن در محیط‌های فرسایشی مستقیما به ساختار سلولی آن وابسته است. اگرچه، این ساختار سلولی شکل، لزوماً ظرفیت مقاومت در برابر نفوذ را کاهش نمی‌دهد، اما سیستم حفرات موجود، نوعی اثر محافظتی در برابر نفوذ سریع ایجاد می‌کنند. وجود سولفات‌ در محیط  به عنوان یک عامل خورنده، عمر مفید فوم بتن را تحت تأثیر قرار می‌دهد. فرسایش ناشی از سولفات به عنوان یک فرآیند پیچیده می‌تواند تحت تأثیرعوامل مختلفی نظیر نوع سیمان انتخابی، نسبت آب به مواد سیمانی، مدت زمان قرارگیری فوم بتن در معرض محیط سولفاتی، وجود مواد افزودنی معدنی، میزان نفوذپذیری و غیره باشد. رنجانی و رامامورتی بمدت 12 ماه بصورت مداوم عملکرد نمونه‌های فوم بتن با چگالی‌های متغیر از 1000 تا 1500 کیلوگرم بر مترمکعب را با فرو بردن نمونه‌ها به ترتیب در داخل محلول‌های سولفات سدیم و سولفات منیزیم مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج نشان داد که میزان انبساط نمونه‌های فوم بتن در محیط سولفات سدیم 28٪ بیشتر از محیط سولفات منیزیم است که منجر به از دست دادن 1٪ جرمی نمونه‌ها در محیط سولفات منیزیم شد. علاوه بر این، مقاومت در برابر خوردگی نمونه‌های مورد مطالعه با کاهش مقدار چگالی فوم بتن افزایش یافت.