فوم بتن چیست؟
«فوم بتن» (Foam Concrete)، یکی از انواع بتن‌های اسفنجی است که از دوغاب سیمانی و فوم (حداقل 20 درصد حجمی) تشکیل می‌شود. فوم، ماده‌ای متشکل از حباب‌های هوا است.
حبس کردن این حباب‌ها درون یک ملات یا دوغاب سیمانی، امکان ساخت بتن با چگالی بسیار پایین را فراهم می‌کند. فوم بتن، با عناوین دیگری نظیر بتن اسفنجی، بتن سبک، بتن اسفنجی سبک، بتن هوادار، بتن متخلخل و بتن کفی نیز شناخته می‌شود.
در برخی از موارد، فوم بتن، با بتن گازی اشتباه گرفته می‌شود. بتن گازی، یکی دیگر از انواع بتن اسفنجی است. در بخش‌های بعدی به مقایسه این نوع بتن خواهیم پرداخت.
مواد فوم بتن چه هستند؟
فوم بتن، معمولا از سه جز اصلی ماده اتصال‌دهنده (سیمان)، آب و عامل کف‌زا (پروتئین یا رزین) ساخته می‌شود. البته به منظور تغییر خواص فیزیکی این نوع بتن می‌توان از پرکننده (خاکستر بادی)، افزودنی‌ها و الیاف مختلف نیز استفاده کرد. در ادامه، به معرفی نقش هر یک از این مواد می‌پردازیم.
نقش سیمان در فوم بتن چیست؟
سیمان، متداول‌ترین ماده اتصال‌دهنده مورد استفاده در فوم بتن است. سیمان پرتلند معمولی، سیمان پرتلند زود سخت شونده، سیمان سولفو آلومینات کلسیم و سولفات آلومینا با مقدار 25 تا 100 درصد وزنی در ترکیب ماده اتصال دهنده مورد استفاده قرار می‌گیرند. از بین این موارد، سیمان پرتلند معمولی و زود سخت شونده از گزینه‌های رایج هستند. فوم بتن را می‌توان از ترکیب‌های مختلف سیمان با مواد مختلف ساخت.
نقش آب در فوم بتن چیست؟
الزامات مربوط به کیفیت آب مورد استفاده در فوم بتن، به ترکیبات دیگر، روانی و پایداری ملات بستگی دارد. هر چه میزان آب مورد استفاده کمتر باشد، مخلوط سخت‌تر می‌شود. این مسئله، ترکیدن راحت حباب‌های هوا را در پی دارد. در طرف مقابل، افزایش محتوای آب، ضخامت مخلوط را کاهش می‌دهد. در این حالت، حباب‌های هوا از درون مخلوط به بیرون رانده می‌شوند.
بر اساس پیشنهاد «موسسه بتن آمریکا» (American Concrete Institute) یا به اختصار «ACI»، آب مورد استفاده در ترکیب فوم بتن باید تازه، تمیز و آشامیدنی باشد. کیفیت و نسبت آب، بر روی مقاومت نهایی بتن‌های سبک تاثیرگذار است.
نقش عامل کف زا در فوم بتن چیست؟
عامل کف‌زا، از مهم‌ترین مواد تشکیل‌دهنده فوم بتن است. در واقع این ماده، با کنترل نرخ تولید حباب‌های موجود در خمیر سیمانی، چگالی بتن را تعیین می‌کند. عوامل کف‌زا به سه نوع طبیعی، مصنوعی و ترکیبی تقسیم می‌شوند. از بین این موارد، مواد مصنوعی و طبیعی، کاربرد گسترده‌تری دارند. رزین، اولین عامل کف‌زای مصنوعی و خون، اولین عامل کف‌زای طبیعی مورد استفاده در ترکیب بتن است.
پروتئین هیدرولیز شده یا مواد فعال سطحی مصنوعی، رایج‌ترین مواد مورد استفاده برای ساخت فوم هستند. کار با مواد مصنوعی ساده‌تر و هزینه آن‌ها پایین‌تر است. به علاوه، عوامل کف‌زای مصنوعی را می‌توان برای مدت طولانی‌تری نگهداری کرد. عوامل کف‌زای پروتئینی، هزینه بالاتر اما مقاومت بیشتر و عملکرد بهتری دارند. فوم، معمولا به دو شکل مرطوب و خشک قابل تولید است.
فوم مرطوب با چگالی کمتر از 100 کیلوگرم بر متر مکعب برای ساخت فوم بتن مناسب نیست. در این شرایط، حباب‌های بزرگ به صورت ناپایدار در ساختار این نوع فوم ایجاد می‌شوند. اسپری کردن عامل کف‌زا و آب بر روی یک شبکه ریز، فوم با حباب‌های 2 تا 5 میلی‌متری را ایجاد می‌کند.
فوم خشک، از پایداری بیشتری نسبت به فوم مرطوب بهره می‌برد. برای ساخت این نوع فوم، محلولی از عامل کف‌زا و آب توسط کمپرسور هوا به درون یک محفظه مخلوط کننده انتقال داده می‌شود. اندازه حباب‌های ایجاد شده در فوم خشک از فوم مرطوب کوچک‌تر است (ابعاد کمتر از 1 میلی‌متر). همین موضوع باعث ساختار منظم حباب‌های هوا در فوم خشک می‌شود.
نقش مواد پرکننده در فوم بتن چیست؟
به منظور تقویت خواص مکانیکی فوم بتن، معمولا از مواد پرکننده یا اصطلاحا «فیلر» (Filler) استفاده می‌شود. از پرکننده‌های رایج در فوم بتن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- سیلیکا فیوم
- خاکستر بادی
- پودر سنگ آهک
- سرباره دانه‌ای
از بین موارد بالا، خاکستر بادی و سرباره به طور گسترده در ساخت فوم بتن مورد استفاده قرار می‌گیرند. میزان خاکستر بادی معمولا بین 30 تا 70 درصد و میزان سرباره بین 10 تا 50 درصد است. به منظور افزایش مقاومت نیز می‌توان حدود 10 درصد وزنی سیلیکا فیوم به ترکیب اضافه کرد. به طور کلی، استفاده از این مواد، باعث کاهش مصرف سیمان و کاهش هزینه تمام‌شده می‌شود. اضافه کردن فیلرها به ترکیب فوم بتن، طرح اختلاط بهبود می‌بخشد و استحکام بلندمدت را افزایش می‌دهد.
نقش افزودنی ها در فوم بتن چیست؟
افزودنی‌ها، مواد مایع یا پودرهایی هستند که قبل یا در حین مخلوط کردن به ترکیب بتن اضافه می‌شوند. از افزودنی‌های پرکاربرد در فوم بتن، می‌توان به مواد کاهنده آب، ضد رطوبت و دیرگیر کننده اشاره کرد. روان کننده، در اکثر مواقع برای افزایش تراکم‌پذیری بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع، این افزودنی در کنار کاهنده آب (کاهش جریان‌پذیری و خاصیت خمیری)، به منظور بهبود عملکرد بتن تازه بدون تاثیر بر روی جداشدگی ذرات استفاده می‌شوند.
تاثیر الیاف در فوم بتن چیست؟
الیاف، به منظور افزایش مقاومت و کاهش جمع‌شدگی در ترکیب فوم بتن مورد استفاده قرار می‌گیرند. الیاف به کار رفته در این نوع بتن می‌تواند به صورت طبیعی یا مصنوعی و از جنس پلی‌پروپیلن، ترکیب شیشه با پلی‌پروپیلن، الیاف رامی، روغن نخل، فولاد، نارگیل، سلولز و کربن باشد. با این وجود، بخش عمده‌ای از این الیاف از پلی‌پروپیلن ساخته می‌شوند. الیاف مورد استفاده در فوم بتن معمولا 0.2 تا 1.5 درصد حجمی کل مخلوط را تشکیل می‌دهند.
طرح اختلاط فوم بتن چگونه تعیین می‌شود؟
طرح اختلاط فوم بتن، به عوامل مختلفی نظیر حجم فوم، میزان سیمان، میزان مواد پرکننده و سن بستگی دارد. بر خلاف بتن‌های معمولی، تاثیر نسبت آب به سیمان بر روی ویژگی‌های بتن‌های اسفنجی بسیار کم است. فوم بتن، معمولا با چگالی کمتر از 600 کیلوگرم بر متر مکعب برای مصارف مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای این چگالی معمولا سیمان، آب، فوم و خاکستر بادی یا پودر سنگ آهک، مواد اصلی تشکیل‌دهنده بتن هستند. در این حالت، طرح اختلاط بتن سبک به صورت زیر خواهد بود:
- نسبت عامل کف‌زا به آب: ۱ به 30
- نسبت خاکستر بادی به سیمان: 0، 1 به 10، 1 به 6.7 یا 1 به 20
- نسبت آب سیمان: ۱ به 2.3، ۱ به 2.2، ۱ به 2.1 و 1 به 2
به منظور دستیابی به چگالی‌های بالاتر، مقداری ماسه به ترکیب بتن اضافه می‌شود. ماسه در این حالت، به عنوان ماده پرکننده، جایگزین بخشی از سیمان پرتلند نوع CEM I می‌شود. نسبت ماسه به سیمان برای حالت پایه، 1 به 1 و برای بتن‌های سنگین‌تر، ۱ به ۳ است.
برای ساخت فوم بتن با چگالی بالاتر از 1500 کیلوگرم بر متر مکعب می‌توان از مواد پرکننده بیشتر و ماسه‌هایی با ابعاد متوسط استفاده کرد. حداکثر ابعاد ماسه قابل استفاده برای فوم بتن، 5 میلی‌متر است. به علاوه، ماسه‌های ریز باید دارای حداکثر ابعاد 2 میلی‌متر بوده و درصد عبوری آن‌ها از الک نمره 30 (مش 600 میکرون)، 60 تا 95 درصد باشد.
به منظور کاهش چگالی، باید میزان مواد پرکننده را کاهش داد. به طور کلی، پیشنهاد می‌شود برای چگالی‌های پایین‌تر از 600 کیلوگرم بر متر مکعب، از هیچ ماده پرکننده‌ای در ترکیب فوم بتن استفاده نشود.