فوم بتن چیست؟ بررسی مواد اولیه و خواص فیزیکی

فوم بتن (Low density cellular concrete) یکی از انواع بتن سبک غیر سازه‌ای است که از آب، سیمان، کف یا فوم پیش‌ساخته تشکیل شده است. این ماده خصوصیات فیزیکی ویژه‌ای، مانند چگالی کمتر از 800 کیلوگرم بر متر مکعب دارد و تولید آن به شیوه‌‌ای خاص امکان‌پذیر است. در کنار شیوه تولید، خواص فیزیکی آن نیز منحصربه‌فرد است. از این رو در این مقاله بر آن هستیم ضمن معرفی آن، نحوه تولید، مزایا و معایب و خصوصیات این ماده را بررسی کنیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

فوم بتن چیست؟

فوم یا بتن سلولی کم چگالی، مخلوطی از آب، سیمان هیدرولیک و فوم پیش‌ساخته با نسبت چگالی پایین (50 پوند بر فوت مکعب) است. البته در این ترکیب، گاهی مواد دیگری مثل سنگدانه‌ها، خاکستر بادی و مواد افزودنی شیمیایی نیز حضور دارند.

این محصول به سرعت اجرا شده و عایق صوتی و حرارتی مناسبی است. مقاطع ضخیم فوم با مقاومت فشاری کم، جایگزین خاک‌های ضعیف بوده و پرکننده مناسبی برای سازه‌های متروک مانند خطوط لوله است. از نظر قیمت نهایی نیز بسیار ارزان‌تر از بکارگیری روش‌های سنتی مانند پوکه‌ریزی است. همین موضوع باعث شده امروزه از فوم به جای پوکه‌ریزی برای کفسازی ساختمان و شیب‌بندی بام استفاده شود.

مواد اولیه تشکیل‌دهنده فوم بتن

مواد اولیه تشکیل‌دهنده این نوع بتن، سیمان، آب و فوم پیش‌ساخته است. اما از آن‌جا که ماده اصلی کاهنده چگالی بتن سلولی، فوم پیش‌ساخته است، لازم است سایر مواد اضافه شده به فوم با فوم پیش‌ساخته در سازگاری کامل باشند.

سیمان

سیمان به کار رفته در این ترکیب، باید الزامات ASTM C 150 (سیمان پرتلند)، C 595 (سیمان مخلوط‌شده) و C 1157 (سیمان هیدرولیک) را برآورده کند. سیمان‌های مخلوط‌شده،حاوی ترکیباتی از سیمان پرتلند، پوزولان‌ها، سرباره، سایر سیمان‌های هیدرولیک یا ترکیبی از آن‌ها هستند.

استفاده از سیمان ترکیبی در فوم بتن، ممکن است باعث کاهش سرعت رشد مقاومت اولیه بتن شود. از این رو لازم است در صورت استفاده آزمایش گردد. این در حالی است که سیمان‌های نوع 3 یا HE که مقاومت اولیه بالایی دارند، سرعت رشد مقاومت اولیه بتن را افزایش می‌دهند.

آب

آب مورد استفاده در طرح اختلاط بتن سلولی، باید عاری از هر نوع مواد مضر مانند روغن، اسید، قلیا، نمک، آلی یا سایر مواد مضر برای بتن باشد. بنابراین هر گونه آب غیر قابل شرب باید از نظر سختی، pH، مواد جامد معلق، مقدار کل نمک و سایر ویژگی‌هایی که ممکن است روی فوم پیش‌ساخته، زمان گیرش و مقاومت فوم تأثیر گذارد، آزمایش شود.

فوم پیش‌ساخته

فوم پیش‌ساخته از رقیق کردن کنسانتره کف مایع با آب (در نسبت‌های از پیش تعیین شده) و عبور دادن این مخلوط از مولد فوم تولید می‌شود. فوم پیش‌ساخته موجود در دوغاب آب و سیمان، باید مستقیماً در محل پروژه اندازه‌گیری شود. چگالی فوم پیش‌ساخته معمولاً بین 40 تا 65 کیلوگرم بر متر مکعب است.

فرمول شیمیایی کنسانتره فوم باید به گونه‌ای باشد که بتواند سلول‌های هوای پایدار در مخلوط بتن را تولید و حفظ کند. سلول‌های هوا باید بتوانند در برابر نیروهای فیزیکی و شیمیایی وارد شده و در هنگام اختلاط، پمپاژ، قرار دادن و گیرش فوم بتنی مقاومت کنند. اگر ساختار سلولی فوم پایدار نباشد، ممکن است تحت این نیروهای فیزیکی و شیمیایی شکسته شده و در نتیجه، چگالی بتن افزایش یابد.

اکثر فرمولاسیون‌های اختصاصی رایج کنسانتره‌های فوم، حاوی پروتئین هیدروزیلات یا سورفکتانت‌های مصنوعی هستند. برای آشنایی بیشتر با روش‌های آزمایشگاهی اندازه‌گیری ماده شیمیایی کف‌ساز و نحوه تولید فوم پیش‌ساخته، می‌توانید از دو استاندارد ASTM C 796 و ASTM C 869 استفاده کنید.

بیشتر بخوانید: بتن فوق توانمند

سنگدانه

در ترکیب فوم بتن با چگالی کم ممکن است از سنگدانه‌های سبک، مانند ورمیکولیت یا پرلیت استفاده شود. استفاده از این سنگدانه‌ها باعث می‌شود الزامات ASTM C 332 گروه یک، جهت کاهش اسلامپ بتن در شیب‌های سقفی تندتر و حفظ رطوبت در آب و هوای خشک برآورده شود. سنگدانه‌های پیشنهادی در ترکیب بتن سلولی، باید از نظر خواص فیزیکی، قابلیت پمپاژ و سازگاری با مخلوط‌های آزمایشی مورد آزمایش قرار گیرند.

افزودنی‌ها

افزودنی‌های مورد استفاده در فوم بتن به دو دسته افزودنی‌های شیمیایی و مواد سیمانی تکمیلی تقسیم می‌شوند.

• افزودنی‌های شیمیایی: از جمله افزودنی‌های مورد استفاده در ساختار فوم، می‌توان به افزودنی‌های کاهنده آب و تسریع‌کننده‌ها (زودگیر بتن) اشاره کرد. همان‌طور که پیش از این اشاره شد، انواع افزودنی بتن باعث بهبود مقاومت فشاری و افزایش سرعت گیرش اولیه فوم می‌شوند. برای مثال افزودنی‌های کاهنده آب مقاومت فشاری را در مخلوط فوم بتنی با کاربردهای خاص بهبود می‌بخشند یا برای تسریع گیرش اولیه بتن سلولی، می‌توان از آب گرم، سیمان نوع III یا HE و زودگیرها به صورت جداگانه یا ترکیبی استفاده کرد.
  توجه داشته باشید زودگیرهای حاوی یون کلرید نباید در تماس با فولاد (آرماتور) استفاده شوند. همچنین افزودنی‌های شیمیایی باید با استاندارد ASTM C 494 مطابقت داشته و در مقادیر توصیه شده توسط شرکت سازنده یا مقادیر تعیین شده توسط مخلوط‌های آزمایشی به کار گرفته شوند.
• مواد سیمانی تکمیلی: پوزولان‌های مورد استفاده در تولید بتن سلولی، معمولاً خاکستر بادی، دوده سیلیسی، متاکائولن با واکنش‌پذیری بالا و سیمان سرباره است که برای کاهش مقدار آب‌انداختگی، جداشدگی و افزایش مقاومت استفاده می‌شود. از آن‌جا که این مواد ممکن است از نظر ترکیب و سایر خواص به طور قابل توجهی متفاوت باشند، فرد باید با این مواد آشنایی کامل داشته باشد.

خواص فیزیکی فوم بتن

چگالی فوم بتن

یکی از خصوصیات مهم و شاخص فوم بتن، چگالی آن است. اساساً بتن سلولی به خاطر چگالی پایین با این نام شناخته می‌شود. فوم از دو چگالی حائز اهمیت برخوردار است:

1. چگالی فوم بتن تازه (as-cast density): روش اندازه‌گیری این چگالی مانند روش اندازه‌گیری چگالی بتن تازه است و در محل پروژه انجام می‌شود. برای اندازه‌گیری این چگالی باید چگالی نمونه‌ها با استفاده از ظرفی با حجم مشخص و وزن صفر تعیین شود. توجه داشته باشید توجه به چگالی فوم تازه، ابزاری مهم برای تضمین کنترل یکنواختی و چگالی مخلوط فوم در محل پروژه است.
2. چگالی خشک شده فوم بتن (Oven-dry density): چگالی خشک در کوره، با استفاده از ASTM C 796 و C 495 ارزیابی می‌شود. این چگالی همان چگالی معرفی شده فوم است که باید زیر 800 کیلوگرم بر متر مکعب باشد.

مقاومت فشاری

دومین خصوصیت مهمی که در بتن سلولی حائز اهمیت است، مقاومت فشاری آن است. رابطه بین مقاومت فشاری و چگالی، شاخصی مهم برای تعیین کیفیت فوم بتن است. برای ارزیابی مقاومت فشاری بتن سلولی، باید از استاندارد ASTM C 796 و C 495 استفاده کنید. اما توجه داشته باشید برای اندازه‌گیری مقاومت فشاری نباید نمونه‌ها را در آون خشک کرد.

از آن‌جا که بتن سلولی معمولاً به عنوان پُر کننده استفاده می‌شود، مقاومت فشاری و ظرفیت باربری نهایی آن می‌تواند در کمترین مقدار باشد. بر همین اساس، مقاومت فشاری فوم بتن عموماً حدود 2 تا 3 مگاپاسکال است. البته بسته به کاربردهای تخصصی این ماده، گاهی مقدار مقاومت فشاری آن می‌تواند کمتر یا بیشتر از 2 تا 3 مگاپاسکال باشد؛ برای مثال بتن‌های سلولی با مقاومت فشاری کمتر از 0.48 مگاپاسکال برای عایق لوله، دیوار، پر کردن تونل و معدن، جذب انرژی یا کاهش ضربه، پر کردن فاضلاب، ساخت بزرگراه و… استفاده می‌شود.

یکی از نکات مهم که در بحث مقاومت فشاری بتن باید به آن توجه داشت این است که چگالی خشک فوم و مقاومت فشاری با هم رابطه مستقیم دارند. بر این اساس هر قدر چگالی خشک در فوم بالاتر باشد، مقاومت فشاری هم بالاتر خواهد بود.

انقباض ناشی از خشک‌شدگی

dry shrinkage یا انقباض ناشی از خشک‌شدگی در فوم بتن، معمولاً بین 0.3 تا 0.6% و پس از گذشت 6 ماه از زمان بتن‌ریزی، در شرایطی که رطوبت نسبی 50% و درجه حرارت 23 درجه سانتی‌گراد باشد، ایجاد می‌شود و انقباض ناشی از خشک‌شدگی با کاهش چگالی آن افزایش می‌یابد. البته این پدیده جای نگرانی ندارد، زیرا با اضافه کردن مقدار الیاف به فوم می‌توان برخی از آثار ناشی از این اتفاق را تا حدی کاهش داد.

عایق بودن

مقدار عایق بودن بتن سلولی یکی دیگر از کاربردهای مهم آن است. بر این اساس، ضریب انبساط حرارتی و ضریب هدایت حرارتی در فوم بتن مهم است. توجه به ضریب انبساط حرارتی در مکان‌هایی مانند عرشه سخت نیروگاه‌های حرارتی و کوره‌های خطوط بخار اهمیت زیادی دارد. این ضریب در فوم معمولاً بین 9 تا ^6-10×12.6 بر درجه سانتی‌گراد متغیر است. این در حالی است که ضریب هدایت حرارتی با چگالی آن رابطه مستقیم دارد؛ یعنی هر قدر چگالی فوم بیشتر باشد، مقدار K یا ضریب هدایت حرارتی بیشتر می‌شود. بنابراین هر قدر فوم سبک‌تر بوده و چگالی کمتری داشته باشد، بتن سلولی به صورت عایق‌تر عمل می‌کند.

قابلیت پیاده‌روی (walkability)

قابلیت پیاده‌روی روی فوم بتن یا همان walkability، اصطلاحی است که برای بیان حد توانایی و تحمل بتن با چگالی کم در برابر ترافیک معمول و تردد افراد در ساختمان بدون آسیب‌دیدگی به کار می‌رود. طبیعتاً هر قدر مقدار تراکم افزایش یابد، این قابلیت در فوم ارتقا پیدا می‌کند.

سایر خواص فیزیکی فوم بتن

1. مقاومت در برابر آتش
2. مقاومت در برابر نفوذپذیری
3. مقاومت در برابر سیکل ذوب و یخبندان
4. انبساط حرارتی
5. پیوست مکانیکی

این گونه از خواص فیزیکی معمولاً با توجه به پروژه خاصی که لازم است فوم بتن در آن اجرا شود، اهمیت پیدا می‌کنند. در این مقاله به بررسی همه‌جانبه و کاربردی فوم‌های بتن، مواد تشکیل‌دهنده‌ی آن و خواص فیزیکی فوم که شامل چگالی فوم بین، مقاومت فشاری، انقباض ناشی از خشک‌شدگی، عایق بودن، قابلیت پیاده‌روی و… است، پرداختیم. در پایان از شما خواهشمندیم با بیان نظرات و پیشنهادات خود، ما را در ارتقای کیفیت مقالات یاری رسانید.