ضدیخ بتن

مواد افزودنی ضدیخ بتن در هنگام بتن ریزی در هوای سرد

هنگامی که بتن تازه در معرض انجماد قرار می گیرد، مقاومت بتن را بین 20 الی 40 درصد کاهش می دهد. مواد افزودنی ضدیخ بتن، خواص و کاربردهای آن در بتن ریزی در هوای سرد مورد بحث قرار گرفته است. مقاومت بتن تازه در برابر چرخه یخ زدگی و ذوب توسط ضریب دوام به دست می آید که 40 تا 60 درصد نیز کاهش می یابد همچنین کاهش 70 درصدی پیوند بین آرماتور و بتن نیز امکان پذیر می باشد. از این رو در طول بتن ریزی در شرایط آب و هوایی سرد بسیار ضروری است که اطمینان حاصل شود که بتن در حالت پلاستیکی خود دچار یخ زدگی نمی شود.

دو روش برای انجام بتن ریزی در هوای سرد وجود دارد:
1. تامین دمای معمولی محیط برای بتن (طبق استانداردهای ملی و بین المللی ISO). این کار را می توان از طریق حرارت دادن اجزای بتن یا با تهیه محفظه های گرمایشی انجام داد.
2. افزودن مواد افزودنی شیمیایی.

استفاده از افزودنی های شیمیایی معمولی در بتن برای بتن ریزی در هوای سرد

بتن معمولی از کلرید کلسیم به عنوان مواد افزودنی تسریع کننده برای جبران اثرات تاخیری هیدراتاسیون آهسته بتن در دماهای پایین استفاده می کند. این مخلوط در دمای انجماد موثر نیست. به نظر می رسد که این یک اشکال در شکل معمولی مواد افزودنی است. از این رو، برای شرایط آب و هوایی قطب شمال، افزودنی های ویژه لازم است. یکی از این مواد افزودنی ضد یخ بتن است.

مواد افزودنی ضدیخ بتن و ملات های پایه سیمانی

افزودنی های ضدیخ بر وضعیت فیزیکی آب مخلوط مورد استفاده در بتن ریزی تأثیر می گذارد. اینها می توانند نقطه انجماد آب را تا حد زیادی کاهش دهند و در دماهای کمتر از -30 درجه سانتیگراد قابل استفاده هستند. این می تواند باعث تمدید دوره فعالیت ساخت و ساز شود.

ترکیب شیمیایی و عملکرد مواد افزودنی ضدیخ بتن

دو گروه از افزودنی های ضدیخ بتن وجود دارد که ویژگی های ضد یخ و خاصیت گیرش و سفت شدن سریع را ارائه می دهند. آنها عبارتند از:

1. گروه اول: این شامل مواد شیمیایی، الکترولیت های ضعیف، نیتریت سدیم، کلرید سدیم و ترکیبات آلی غیرالکترولیتیک است که نقطه انجماد آب مصرفی در بتن را کاهش می دهد. اما این گروه به عنوان شتاب دهنده های ضعیف برای تقویت گیرش و سخت شدن عمل می کنند.

2. گروه دوم اینها شامل ترکیبات دوتایی و سه تایی است که حاوی پتاس و افزودنی‌های مبتنی بر کلرید کلسیم، نیتریت سدیم، کلرید کلسیم با نیتریت سدیم، نیتریت کلسیم – نیترات – اوره و سایر مواد شیمیایی است.

این ها دارای خواص ضد یخ موثر و خاصیت تسریع کننده برای افزایش گیرش و سفت شدن هستند. اینها در دوزهای بزرگتر در مقایسه با مواد افزودنی معمولی استفاده می شوند. یکی از این نمونه ها استفاده از 8 درصد نیتریت سدیم برای نگهداری مایع در دمای 15- درجه سانتیگراد است.

این مواد افزودنی با کاهش نقطه انجماد فاز مایع و با تسریع هیدراسیون سیمان در دماهای انجماد عمل می کنند. بر اساس دوز موجود در مخلوط، افزودنی بدون کلرید باعث می شود که مخلوط (بتن یا ملات) در دمای زیر انجماد قرار گیرد.

این امر نیاز به اقدامات حفاظتی مورد نیاز در طول کار هوای سرد را کاهش می دهد. این روش کیفیت بتن را بهبود می بخشد و از آنجایی که گیرش زودهنگام را تسهیل می کند، می توان قالب بندی اولیه را نیز انجام داد.

این به استفاده مجدد از فرم (قالب) در مدت زمان کمی کمک می کند و در نتیجه سرعت ساخت را افزایش می دهد. نتایج آزمایشات نشان می دهد که تفاوت قابل توجهی افزایش مقاومت در 3، 7 و 28 روز برای بتن ساده و بتن های دارای افزودنی ضد یخ مشاهده می شود.

مقاومت فشاری بتن با افزودنی و بدون افزودنی ضد یخ بتن

این امکان وجود دارد که افزودنی‌های دیگری که حاوی فوق روان‌کننده‌های بتن هستند با افزودنی‌های ضد یخ ترکیب شوند. مزیت اصلی چنین ترکیبی این است که امکان کاهش آب مصرفی در بتن وجود خواهد داشت. کاهش آب مصرفی در بتن باعث کاهش محتوای آب آزاد قابل انجماد در مخلوط می شود. این آب موجود قابل انجماد برای گرمای آزاد شده توسط واکنش های هیدراتاسیون اولیه عمل می کند. بنابراین میزان مواد افزودنی ضد یخ را کاهش می دهد.

پارامتر های تاثیرگزار در انتخاب ضد یخ بتن:

عواملی که بر اساس آنها انتخاب مواد افزودنی ضد یخ انجام می شود عبارتند از:
1. نوع ساختار
2. شرایط عملیاتی
3. روش های حفاظتی به کار رفته در بتن ریزی در زمستانه
4. تیپ سیمان و انواع سنگدانه های مصرفی در بتن

یک آزمون آزمایشگاهی باید با مواد عملیاتی و میزان مصرف های مختلف افزودنی های ضد یخ که برای استفاده در کارگاه عمرانی در نظر گرفته شده است انجام شود. ادغام سایر افزودنی ها مانند دیرگیر بتن، فوق روان کننده بتن با افزودنی های ضد یخ بتندر بتن ریزی در هوای سرد محدودیتی ندارد. میزان مصرف تمام مواد افزودنی مورد استفاده باید به صورت تجربی و در آزمایشگاه بتن تعیین شود.

مزایا و کاربرد ضد یخ بتن:

افزودنی های ضد یخ بتن از نظر فناوری ساده و برای بتن ریزی در هوای سرد بسیار مفید هستند. این مخلوط به بهبود چسبندگی، به حداقل رساندن ایجاد درز سرد، شن زدگی و روانی کمک می کند. تخمین زده می شود که این روش ها صرفه جویی زیادی در هزینه ها نسبت به سایر روش های عمل آوری با بخار یا محفظه های بتنی ایجاد می کنند. ترکیب مواد ضد یخ با مواد کاهنده آب بتن یا حباب هوا به افزایش مقاومت بتن در برابر سیکل های یخ زدگی و خوردگی کمک می کند.

زمینه های کاربردی افزودنی ضدیخ بتن

• در هوای سرد، یخبندان شبانه و دوره های سرد که از قبل پیش بینی نمی شوند.
• در هوای سرد، قدرت اولیه نیاز به شرایط دارد.
• برای محافظت در برابر یخ زدگی گچ های داخلی و خارجی بر پایه سیمان.
• مورد استفاده در جاهایی که ممکن است دما به طور ناگهانی کاهش یابد،
• در جاهایی که نیاز به حذف زود هنگام قالب است استفاده می شود.
ویژگی ها و مزایا ضد یخ بتن
• مقاومت بتن در برابر سرما را در شرایط آب و هوایی سخت افزایش می دهد.
• زمان عمل آوری بتن را کاهش می دهد.
• مقاومت اولیه بتن را در سنین اولیه بهبود می بخشد.
• حاوی یون کلرید نیست.

روش مصرف ضد یخ بتن و ضد یخ ملات:

ضد یخ بتن وندشیمی ساختمان (آنتی فریز بتن وندشیمی) به میزان ۰.۵ الی ۱ % وزن سیمان در محل بچینگ به آب مصرفی اضافه می شود یا در محل کارگاه به میکسر بتن آماده (داخل جام تراک میکسر) اضافه می شود. برای پخش یکنواخت در بتن یا ملات باید با سرعت بالا به مدت 1-2 دقیقه مخلوط شود. هنگامی که به طور جداگانه به بتن تازه مخلوط شده اضافه می شود، زمان اختلاط بیشتر می شود و باید حداقل به مدت 3 دقیقه انجام شود. قبل از تخلیه، بتن باید از نظر قوام یکنواخت مناسبی از لحاظ بصری داشته باشد.
برای دماهای بین +5 درجه سانتیگراد تا -5 درجه سانتیگراد؛ ۰.۵ % (نیم درصد) وزن سیمان ضد یخ بتن و برای دماهای بین -5 درجه سانتیگراد تا -10 درجه سانتیگراد؛ حدود ۱ درصد وزنی سیمان ضد یخ بتن مورد نیاز می باشد.

بتن ریزی در هوای سرد:

در شرایط آب و هوایی سرد و در دمای انجماد، آب یخ می زند و فرآیند هیدراسیون بتن کند می شود. بتن ریزی بدون مواد کمکی و در هوای سرد پروسه ای کند و در نتیجه بتن ریزی در آب و هوای سرد گران قیمت است. علاوه بر این، محصول حاصل اغلب یک بتن بی کیفیت با موارد زیر است:
• مقاومت و دوام نهایی پایین و جبران ناپذیر به دلیل ایجاد اختلال در ماتریس خمیر سیمان (مسائل هزینه، ایمنی و بهداشت)
• ترک‌ها و شکاف‌های ریز به دلیل کریستال‌های یخ بوجود آمده که به بتن آسیب می‌رسانند. این باعث می شود که سطح بتن تحت فشار کم، تکه تکه شود.
• پوسته پوسته شدن، که شامل جدا شدن تکه های بزرگتر از سطح و باقی ماندن گودال ها یا چاله هایی است که توسط شبکه هایی از ترک های ریز احاطه شده اند.

اجتناب از یخ زدگی قبل از رسیدن بتن به مقاومت فشاری 5 مگاپاسکال، بخشی از شرایطی است که باید رعایت شود. محصول “ضد یخ بتن” از یخ زدن آب و رطوبت داخل بتن قبل یا در طول فرآیند هیدراتاسیون جلوگیری می کند. این می تواند توسط:

1. کاهش نقطه انجماد آب از طریق غلظت بالای نمک
2. افزایش دما در بتن

در داخل بتن، از جمله مناطق بیرونی آن که قالب را به آن متصل می‌کند، دما باید حداقل 5 درجه سانتیگراد باشد تا واکنش‌پذیری کافی و در دسترس بودن آب تضمین شود. بتن باید قبل از انجماد حداقل دارای مقاومت 5 مگاپاسکال باشد.
روش های جایگزین بتن ریزی در هوای سرد اغلب تکنیک های پرهزینه، غیرعملی و چالش برانگیز محیطی هستند مانند:

• گرم نگه داشتن بتن با تحویل بتن گرم (گرم نگه داشتن یک یا چند ماده )(مانند استفاده از آب داغ و …)
• حفاظت از بتن در چادر گرم شده، با استفاده از عایق، پتو و …

خلاصه آزمایش های ضد یخ بتن

این مطالعه به بررسی اثرات ضدیخ بتن بر خواص فیزیکی و مکانیکی بتن تولید شده در هوای سرد پرداخته است. 30% نیترات کلسیم و 5% هیدروکسی اتیل آمین مخلوط (HEA)، نیترات کلسیم (KN) و پلی هیدروکسی آمین (PA) به عنوان افزودنی در ضد یخ استفاده شد.

نمونه های بتن آماده شده در قالب قرار داده شدند و به مدت 2 روز در دمای 0 درجه سانتی گراد، 5- درجه سانتی گراد، 10- درجه سانتی گراد، 15- درجه سانتی گراد و 20- درجه سانتی گراد در معرض یخ زدگی قرار گرفتند.

سپس نمونه‌های بتن در فریزر در دمای اتاق تا روز بیست و هشتم و حجم فضای منافذ نفوذپذیر، نسبت جذب آب، چگالی، نسبت موئینگی، نفوذناپذیری، مقاومت فشاری، مدول الاستیسیته استاتیکی، نسبت پواسون و مقادیر مقاومت کششی فریز شدند.

نمونه های بتن پس از عمل آوری بررسی شدند. در نتیجه، 30٪ نیترات کلسیم و 5٪ هیدروکسی اتیل آمین مخلوط (HEA) بهترین عملکرد را در بین انواع ضد یخ بتن نشان دادند.

خواص فیزیکی و مکانیکی بتن از تمام انواع ضد یخ به دلیل کاهش دمای بتن تازه در معرض تأثیر منفی قرار گرفت.

دیدگاه جدید استفاده از ضدیخ بتن:

روش و زمان قرار دادن بتن در قالب و شرایط عمل آوری به طور قابل توجهی بر خواص فیزیکی و مکانیکی بتن بدون توجه به مواد به کار رفته در ترکیب بتن روی آن تأثیر می گذارد.

سیمان پرتلند نمی تواند در نقطه انجماد بدون حفاظت حرارتی سخت شود. به همین دلیل، اگر بتن تازه زیر نقطه انجماد باشد، باید از آن محافظت شود. روش های حفاظتی را می توان با یک ماده عایق یا با افزایش دمای داخلی بتن بیش از 5 درجه سانتی گراد انجام داد. در شرایط اضطراری حتما باید دما را حفظ کرد. اگر بتن از سرما محافظت نشود، آب و رطوبت داخل أن یخ می زند و ممکن است فاجعه ایجاد نماید.

بتن به طور گسترده در ساختمان هایی که دائما در معرض دما و رطوبت هستند استفاده می شود. خواص مکانیکی و فیزیکی بتن با توجه به شرایط محیطی در دوره تولید و در شرایط عمل آوری متفاوت است.

حجم وسیعی از تحقیقات برای توضیح مکانیسم انجماد بتن موجود است. اکثر مطالعات نشان دادند که حفره های سنگدانه و انتقال بین سطح مشترک دانه های خمیر سیمان بر انجماد بتن تأثیر می گذارد.

بتن با توجه به تعدد منافذ روی مواد تشکیل دهنده بتن که به اندازه کافی بزرگ هستند که امکان نفوذ آب را فراهم می کند، تحت تأثیر یخبندان قرار می گیرد. در هوای سرد، آب داخل این منافذ یخ می زند و در نتیجه منبسط می شود. همانطور که مشخص است، زمانی که آب به یخ تبدیل می شود، تقریباً 9 درصد افزایش حجم رخ می دهد.

بر این اساس، اگر انجماد زمانی اتفاق بیفتد که 91 درصد یا بیشتر از حجم منافذ داخل بتن با آب پر شده باشد، حجم آب در هنگام تبدیل شدن به یخ به حجم موجود نمی‌رسد، زیرا به محیط اطراف فشار وارد می‌کند.

از آنجایی که مقداری از آب تبدیل به یخ می شود و باعث افزایش حجم می شود، آبی را که هنوز به یخ تبدیل نشده است را به سمت بیرون می راند و فشار هیدرولیکی بالایی ایجاد می کند.

این فشار هیدرولیکی ممکن است باعث تاثیر روی خمیر سیمان که سنگدانه را احاطه کرده شود سبب ترک خوردن دانه های سنگدانه در داخل بتن شود. از سوی دیگر، محققان گزارش کردند که وقتی بتن با چگالی بالا و سطح غیرقابل نفوذ به دست می‌آید، بتن کمتر تحت تأثیر آسیب سرما قرار می‌گیرد.

پیشرفت های قابل توجهی در تولید، جای دهی بتن، عمل آوری و حفاظت بتن در شرایط هوای سرد حاصل شده است. در نتیجه، شرکت ها برای قرار دادن بتن در هوای سرد نیازی به استراحت و توقف کار ندارند.

از آنجایی که دمای اجزای مصالح بتن در هوای سرد دمای پایینی خواهد داشت، دمای بتن تولیدی نیز پایین می‌آید. دمای ایده‌آل برای جایدهی بتن 15 تا 16 درجه سانتی‌گراد است و دمایی که بین 5 تا 32 درجه سانتی‌گراد متغیر است، نرمال در نظر گرفته می‌شود. در دماهای کمتر از 5+ درجه سانتی گراد واکنش های شیمیایی بین سیمان و آب به طور قابل توجهی کاهش می یابد. به دلیل کند شدن هیدراتاسیون سیمان در دماهای پایین، زمان گیرش طولانی تر می شود. از آنجایی که سرعت هیدراتاسیون پایین تشکیل ژل های کلسیم-سیلیکات-هیدرات (C-S-H) را که مهم ترین جزء هیدراتاسیون است و خاصیت پیوند دارند، کند می کند، منجر به ایجاد مقاومت تاخیری می شود. به دست آوردن مقاومت مطلوب در زمان تأخیر بر خواص بتن تأثیر منفی می گذارد و زمان برداشتن قالب را به تأخیر می اندازد.

هنگامی که آب داخل بتن کاملاً بدون گیرش به یخ تبدیل می شود، آب کافی برای هیدراتاسیون وجود نخواهد داشت، زیرا هیدراتاسیون به طور کامل متوقف می شود و حجم بتن افزایش می یابد. پس از مدت زمان معین، اگر یخ داخل بتن در اثر افزایش دما ذوب شده و به آب تبدیل شود، بتن می تواند بگیرد و سفت شود.

اما در چنین مواردی از آنجایی که حجم فضای خالی که در اثر ذوب یخ ایجاد می شود بسیار زیاد و ژل هایی که محصول هیدراتاسیون هستند، نمی تواند این فضاهای خالی را به اندازه کافی پر کند و باعث کاهش مقاومت بتن و در نتیجه کاهش مقاومت بتن می شود. نفوذ ناپذیری بتن افزایش می یابد.

با این حال، اگر بتن در حال گیرش در هنگام یخ زدن مقاومت کافی به دست نیاورد، با یخ زدن و انبساط آب در حفره های مویینه، بتن ترک خورده و مقاومت کمی به دست می آید.

محققان مختلف 5 تا 14 مگاپاسکال را به عنوان یک مقاومت فشاری کافی پیشنهاد می کنند. روش دیگر تعیین این است که چند روز بعد نمونه های بتنی که در دماهای مختلف نگهداری می شوند، در اثر یخ زدگی سالم می مانند. با این حال، در مواردی که بتنی که شروع به گیرش نموده به سطح مقاومت کافی نرسید، از دست دادن مقاومت در بتن انتظار می رود.

یخ زدن آب در یک بتن با مقاومت کافی برای یک بار باعث ایجاد ترک نمی شود و تاثیری بر مقاومت نمی گذارد. این امر با این واقعیت توضیح داده می شود که از آب داخل بتن با درجه مقاومت کافی برای هیدراتاسیون استفاده می شود و در نتیجه مقدار آب کاهش می یابد.

طبق استاندارد ACI 306R-88 (بتن ریزی در هوای سرد)، برای جلوگیری از آسیب دیدن بتنی که یک بار در معرض یخ زدگی قرار گرفته است، مقاومت آن باید حداقل به 3.5 مگاپاسکال برسد. بتن با نسبت مخلوط خوب در +10 درجه سانتی گراد می تواند 2 روز پس از قرار دادن به مقاومت 3.5 مگاپاسکال برسد.

به عنوان یک جایگزین، افزودنی های ضد یخ بتن را می توان در هوای سرد استفاده کرد. این افزودنی های شیمیایی نقطه انجماد آب را زیر صفر درجه سانتیگراد سرکوب کرده و هیدراتاسیون سیمان را تسریع می کنند.

با این حال، اثرات طولانی مدت این مواد افزودنی ناشناخته باقی مانده است. مواد افزودنی ضدیخ بتن جزء ضروری بتن به ویژه در فصل زمستان و در مناطقی با آب و هوای سرد است. اثرات کلی این افزودنی‌ها که تصور می‌شود اثرات مثبت کلی دارند، باید مشخص شود و این اثرات باید در فرآیند طراحی در نظر گرفته شوند.