در این مقاله در مورد بتن متخلخل سبک وزن که با افزودن افزودنی فوم بتن با درصدهای وزنی متفاوت از 0 تا 7 درصد وزنی، ساخته شده است و همچنین تأثیر تثبیت‌کننده فوم و افزودن فیبر پلی‌پروپیلن (PPF) بر عملکرد مکانیکی بتن فوم‌دار/متخلخل سبک وزن مورد بررسی قرار گرفته است. داده‌های تجربی نشان داده است که چگالی، هدایت حرارتی، مقاومت خمشی و فشاری با افزایش محتوای افزودنی فوم بتن به‌دلیل ایجاد تعداد زیادی منافذ با تجزیه عامل کف‌زا، روند نزولی سریع‌تری را نشان می‌دهند. نمونه‌های دارای افزودنی تثبیت‌کننده فوم به‌دلیل بهبود ساختار منافذ، خواص مکانیکی بهتر و هدایت حرارتی کمتری نسبت به نمونه‌هایی بدون افزودنی تثبیت‌کننده فوم، داشتند. علاوه بر این، مقدار مناسبی از PPF می‌تواند مقاومت خمشی و فشاری نمونه‌ها را افزایش دهد، در حالی که ثابت شده است که PPF اضافی می‌تواند نتیجه معکوس داشته باشد.
در سال‌های اخیر، مواد عایق حرارتی سبک به‌طور گسترده در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار گرفته است، زیرا استفاده از آنها می‌تواند وزن خود ساختمان را کاهش دهد و مصرف انرژی ساختمان را بسته به چگالی کم و عملکرد عالی عایق حرارتی آنها کاهش دهد [1، 2]. در سال‌های گذشته، مواد عایق حرارتی آلی مانند فوم‌های پلی‌یورتان [3] و پلی‌استایرن منبسط شده (EPS)[4] به‌دلیل هزینه کم و راندمان بالا در حفظ حرارت، در بازار ساختمان بسیار محبوب شده بودند. با این‌حال، کاربرد آنها به‌دلیل مقاومت ضعیف در برابر آتش که منجر به بروز حوادث و نقص موارد ایمنی ساختمان مانند وقوع حوادث آتش‌سوزی در ساختمان‌ها می‌شد، به‌شدت محدود شده است [5، 6].
بتن فوم‌دار/متخلخل سبک وزن به‌عنوان یکی از مهم‌ترین مواد عایق حرارتی معدنی، به دلیل قابلیت‌های بسیار عالی از جمله عایق صوتی عالی، وزن سبک، عملکرد عالی عایق حرارتی و مقاومت خوب در برابر آتش، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است [7-9]. بتن اسفنجی/متخلخل سبک معمولاً با وارد کردن مواد کف‌ساز مانند پراکسید هیدروژن و سورفکتانت‌های گیاهی [10، 11] در خمیر سیمان تهیه می‌شود تا حجم زیادی از منافذ و حفره‌ها را در ملات تشکیل دهد. به‌دلیل تخلخل بالا، چگالی و هدایت حرارتی به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد که برای مواد عایق حرارتی سبک مفید است، در حالی که خواص مکانیکی مانند مقاومت خمشی به‌شدت کاهش می‌یابد که تأثیر منفی بر کاربرد آن دارد و به‌منظور افزایش خواص مکانیکی می‌توان اقداماتی همچون افزودن الیاف انجام داد. علاوه بر این، منافذ/تخلخل بخش مهمی از بتن متخلخل هستند و برای بتن فوم‌دار بسیار مهم است که ساختار منافذ بهبود یابد. راه اصلی برای بهبود ساختار منافذ، معرفی تثبیت‌کننده فوم/کف مانند پلی‌وینیل‌الکل، استئارات‌کلسیم و پلی‌اتیلن است [11، 12]. علاوه بر منافذ، مواد سیمانی مانند سیمان پرتلند معمولی (OPC) یکی دیگر از اجزای اصلی بتن فوم‌دار هستند. در سال‌های اخیر، بسیار تلاش شده است که جایگزینی برای OPC به‌دلیل انتشار مقدار زیادی CO2 و مصرف انرژی در فرآیند تولید OPC، پیدا شود. بنابراین بهره‌گیری از خاکستر بادی/فلای اش (FA) و گچ گوگرد (FGD) به‌دلیل مصرف کم انرژی آنها بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، تحقیقات کمی در مورد تهیه بتن فوم سبک وزن با این ضایعات جامد صنعتی انجام شده است. در این مقاله، بتن سبک فوم‌دار با FGD، FA، OPC (گوگرد، فلای اش، سیمان پرتلند معمولی) و عامل کف‌ساز تهیه شد و اثرات تثبیت کننده کف و افزودن PPF (الیاف پلی پروپیلن) بر خواص مکانیکی بتن سبک فوم‌دار مورد بررسی قرار گرفته است.
FGD و FA (گوگرد و فلای‌اش/خاکستر بادی) از یک نیروگاه در Laiwu چین و OPC (سیمان پرتلند معمولی) از یک کارخانه سیمان در Jinan چین تهیه شده است. این مواد به‌عنوان مواد سیمانی در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفتند و ترکیبات شیمیایی در جدول 1 نشان داده شده است.
| Fe2O3 | Al2O3 | CaO | SiO2 | MgO | SO3 | |
| 0/21 | 0/53 | 31/80 | 1/45 | 2/01 | 43/11 | FGD |
| – | 40/33 | 4/13 | 47/13 | 0/93 | 0/64 | FA |
| 3/19 | 6/48 | 55/81 | 19/67 | 3/26 | 3/52 | OPC |
جدول شماره 1: ترکیب مواد (درصد وزنی – wt%)
از H2O2 با غلظت 37/5% به‌عنوان عامل کف‌زا برای کاهش چگالی و هدایت حرارتی و NaOH به‌عنوان فعال‌کننده برای بهبود میزان هیدراتاسیون FA (فلای‌اش) استفاده شده است. همچنین PPF (الیاف پلی‌پروپیلن) با طول 25 میلی‌متر و تثبیت‌کننده فوم که عمدتاً از پلی‌وینیل‌الکل تشکیل شده است، برای افزایش استحکام مکانیکی نمونه‌ها، اضافه شده است.
| عامل کف‌زا | فعال‌کننده | آب | کامپوزیت سیمانی | نمونه‌ها |
| 0 | 1/5 | 53 | 100 | 0A |
| 1 | 1/5 | 53 | 100 | 1A |
| 2 | 1/5 | 53 | 100 | 2A |
| 3 | 1/5 | 53 | 100 | 3A |
| 4 | 1/5 | 53 | 100 | 4A |
| 5 | 1/5 | 53 | 100 | 5A |
| 6 | 1/5 | 53 | 100 | 6A |
| 7 | 1/5 | 53 | 100 | 7A |
جدول 2. نسبت مخلوط نمونه‌ها (درصد وزنی – wt%)
FGD به مدت 200 دقیقه در دمای 155 درجه سانتی‌گراد کلسینه شد و قبل از استفاده به مدت 7 روز در دمای اتاق قرار گرفت تا به گچ نیمه هیدراته تبدیل شود. کامپوزیت‌های سیمانی (TCC) از FGD، FA و OPC با نسبت جرمی 6:2:2 تشکیل شده‌اند. نسبت آب به اتصال‌دهنده (TCC) در این مطالعه 0/53 بود.
نسبت مخلوط نمونه‌ها در جدول 2 نشان داده شده است. FGD، FA و OPC به افزودنی‌های حاوی آب، فعال‌کننده و تثبیت‌کننده کف اضافه شدند تا به‌طور یکنواخت مخلوط شوند. عامل کف‌زا به خمیر همگن مخلوط اضافه شد تا با سرعت 120 دور در دقیقه به مدت 1 دقیقه مخلوط شود و سپس خمیر به داخل قالب تزریق شد تا کف کند (دمای قالب حدود 40 درجه سانتی‌گراد بود). نمونه‌ها پس از قرار دادن به مدت 6 ساعت قالب‌گیری شدند و به مدت 28 روز در جعبه استاندارد آزمایش عمل‌آوری بتن قرار گرفتند. چگالی بتن سبک با تقسیم جرم بر حجم به‌دست آمده است.
مقاومت خمشی و مقاومت فشاری توسط یک دستگاه تست جهانی الکترومکانیکی (CMT5105، چین) بر اساس GB/T 5486-2008 ارزیابی شده است. نمونه‌ها شکل گرفته و رسانایی حرارتی از طریق دستگاه تست هدایت حرارتی دو صفحه‌ای (IM-DRY3001) بر اساس GB/T 10294-2008 به‌دست آمده است.
چگالی، هدایت حرارتی، مقاومت خمشی و فشاری بتن فوم‌دار با درصدهای جرمی مختلف عامل فوم RPP در شکل 1 و 2 نشان داده شده است. می‌توان دریافت که افزودن عامل فوم اثرات فوق‌العاده‌ای بر چگالی، هدایت حرارتی، مقاومت خمشی و فشاری دارد. همه این خواص به سرعت با افزایش افزودن عامل کف‌زا از 0 به 5 درصد وزنی کاهش می‌یابد که عمدتاً به ایجاد تخلخل بالا در ماتریس/ ساختار نمونه با افزودن عامل کف‌زا نسبت داده می‌شود. برای بتن سبک وزن، کاهش هدایت حرارتی و چگالی برای کاربرد آن مفید است. کاهش چگالی منجر به کاهش بار مواد کامپوزیتی می‌شود و کاهش هدایت حرارتی می‌تواند اتلاف گرما را کاهش داده و کارایی حفظ گرما و حفظ انرژی را بهبود بخشد. با این‌حال، هنگامی که افزودن عامل فوم‌زا از 5 درصد وزنی تا 7 درصد وزنی متغیر باشد، منحنی چگالی و هدایت حرارتی به آرامی تمایلی به سمت بالا نشان می‌دهد. دلیل آن این است که گاز تولید شده در اثر تجزیه عامل کف‌ساز به‌تدریج افزایش می‌یابد و حجم کل حباب‌ها در دوغاب با افزایش بیشتر و بیشتر محتوای عامل کف‌زا در نمونه‌ها بزرگ می‌شود و در نتیجه چگالی مواد کاهش می‌یابد. هنگامی که محتوای عامل کف‌زا بیش از 5 درصد وزنی باشد، به‌دلیل تولید گاز بیش از حد که مستعد سرریز شدن از خمیرهای مواد سیمانی است، حباب‌ها نمی‌توانند در دوغاب پایدار باشند که این امر منجر به افزایش چگالی و هدایت حرارتی می‌شود. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، مقاومت خمشی و فشاری بتن سبک فوم‌دار، با افزایش افزودن عامل کف‌زا از 5 درصد وزنی به 7 درصد وزنی، تمایل به کاهش دارد که این امر با روند چگالی و هدایت حرارتی متفاوت است. هنگامی که مقدار زیادی گاز از ماتریس خارج می‌شود، منافذ متصل و منافذ بزرگ تمایل به افزایش در ساختار مواد کامپوزیتی دارند که می‌تواند منجر به کاهش مقاومت مکانیکی شود. برای بتن سبک، افزودن عامل فوم‌زا برای مقاومت مکانیکی نمونه‌ها مضر است و برای رفع عیوب ایجاد شده ناشی از افزودن عامل کف‌زا، همانطور که در بخش 2.3 و 3.3 نشان داده شده است، تثبیت‌کننده فوم و PPF با درصدهای جرمی متفاوت و عامل کف‌زا به مقدار 5 درصد وزنی، به نمونه‌ها اضافه می‌شود.
شکل 1. هدایت حرارتی و چگالی نمونه‌ها با اضافه شدن عامل فوم‌زا
شکل 2. استحکام خمشی و فشاری نمونه‌ها با اضافه شدن عامل فوم‌زا
شکل 3. هدایت حرارتی، مقاومت خمشی و فشاری نمونه‌ها با اضافه شدن تثبیت کننده فوم
در شکل 3 اثرات افزودن تثبیت‌کننده فوم بر رسانایی حرارتی، مقاومت خمشی و فشاری بتن فوم‌دار به‌عنوان عایق حرارتی فوم نشان داده شده است. همانطور که در شکل 3 نشان داده می‌شود، مقاومت خمشی و فشاری بتن عایق حرارتی فوم‌دار به‌تدریج افزایش می‌یابد که محتوای تثبیت‌کننده فوم از 0 تا 3 درصد وزنی در نمونه‌ها متغیر است، در حالی که با محتوای تثبیت‌کننده فوم از 3 درصد وزنی به 5 درصد وزنی، روند نزولی را نشان می‌دهد. استحکام خمشی و فشاری نمونه‌ها با افزودن تثبیت‌کننده فوم با 3 درصد وزنی تا حداکثر مقدار 0/46 مگاپاسکال و 1/18 مگاپاسکال است که بسیار بیشتر از مقاومت مکانیکی نمونه‌های بدون تثبیت‌کننده فوم است.
منافذ متصل و منافذ بزرگ معمولاً با افزودن عامل فوم‌زا تشکیل می‌شوند. تنش تحت‌تأثیر نیروی خارجی در نقطه‌ای از نمونه متمرکز می‌شود که منافذ متصل و منافذ بزرگ وجود دارد و در نتیجه قابلیت‌های مکانیکی نمونه‌ها کاهش می‌یابد. افزودن تثبیت‌کننده فوم می‌تواند ساختار منافذ را با تشکیل یک لایه پلیمری در ماتریس بهبود بخشد که در نتیجه منجر به کاهش منافذ متصل و منافذ بزرگ می‌شود [11، 12]. علاوه بر این، در شکل 3 نیز می‌توان مشاهده کرد که افزودن تثبیت‌کننده فوم نیز تأثیر مثبتی بر هدایت حرارتی دارد که عمدتاً به بهبود ساختار منافذ و کاهش اتلاف حرارت از منافذ متصل به خارج نسبت داده می‌شود.
شکل 4 اثرات افزودن PPF بر قابلیت‌های مکانیکی بتن فوم‌دار عایق حرارتی را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، استحکام خمشی و فشاری نمونه‌های فوم شده با افزایش PPF از 0 به 0/9 درصد وزنی، در مقایسه با نمونه‌های بدون افزودن PPF، گام به گام افزایش می‌یابد و سپس به حداکثر مقدار یعنی 0/61 MPa و 1/27 MPa می‌رسد که به‌ترتیب 32/61٪ و 7/63٪ افزایش می‌یابد. PPFتمایل دارد به‌طور تصادفی در سه بعد توزیع شود تا یک سیستم پشتیبانی شبکه تشکیل شود که این امر، همگنی دوغاب مواد سیمانی را بهبود می‌بخشد. هنگامی که نمونه‌ها در معرض نیروهای خارجی قرار می‌گیرند، ترک زیادی ایجاد می‌شود و سپس به سرعت در بتن سبک فوم‌دار پخش می‌شود که می‌تواند منجر به کاهش خواص مکانیکی شود.
در مورد نمونه‌هایی کهPPF به آنها اضافه شده است، توسعه ترک می‌تواند مانع پراکنده شدن PPF در کامپوزیت‌ها شود که همین امر باعث طولانی شدن مسیر انتشار ترک و منجر به‌مصرف انرژی بیشتر می‌شود [15]. علاوه بر این، PPF خود ماده‌ای با قابلیت‌های مکانیکی خوب، مانند چقرمگی خوب است که برای افزایش قابلیت‌های مکانیکی نمونه‌های فوم‌دار مفید است. با این حال، از شکل 4 نیز می‌توان دریافت که منحنی خواص مکانیکی هنگامی که محتوای PPF بیش از 0/9٪ باشد، رو به پایین است که عمدتاً به تجمع PPF در داخل ماتریس کامپوزیت نسبت داده می‌شود که می‌تواند جایی که فیبر جمع می‌شود و خواص مکانیکی کاهش می‌یابد منجر به تمرکز تنش در آن محل شود.
شکل 4. استحکام خمشی و فشاری نمونه‌ها با افزودن PPF
به‌طور کلی، چگالی، رسانایی حرارتی، مقاومت خمشی و فشاری بتن سبک عایق حرارتی به‌طور ناگهانی با افزایش محتوای عامل کف‌زا کاهش یافت که این امر عمدتاً به‌وجود تخلخل بالا در نمونه‌هایی با افزدونی عامل کف‌زا با تجزیه عامل کف نسبت داده شده است. وجود تثبیت‌کننده فوم به‌دلیل بهبود ساختار منافذ، تأثیر مثبتی بر عملکرد عایق حرارتی و استحکام مکانیکی داشته است. علاوه بر این، مقاومت خمشی و فشاری نمونه‌های فوم‌دار با افزودن PPF بهبود یافت. با این‌حال، به‌دلیل تجمع PPF در داخل ماتریس، الیاف اضافی اثر معکوس بر خواص مکانیکی کامپوزیت داشتند.
[1] Polypropylene fibre : الیاف پلی پروپیلن
[2] Flue Gas Desulfurization: هر یک از چند فرایند فیزیکی/شمیایی که ترکیبات گوگرد تشکیل شده طی احتراق زغال را جدا می سازد.
M.Gh.
تونگ لیو، گوپو شی، گوزونگ لی و ژی وانگ Tongwei Liu, Guopu Shi, Guozhong Li and Zhi Wang))
دانشکده علوم و مهندسی مواد، دانشگاه جینان، چین
2019
[1] W. Villasmil, L. J. Fischer, J. Worlitschek, A review and evaluation of thermal insulation materials and methods for thermal energy storage systems, Renew. Sust. Energ. Rev. 103(2019)
71-84.
[2] M. Khoukhi, The combined effect of heat and moisture transfer dependent thermal conductivit of polystyrene insulation material: impact on building energy performance, Energy. Build. 169(2018) 228-235.
[3] E. Ciecierska, M.J. Kowalska, P. Bazarnik, M. Gloc, M. Kulesza, M. Kowalski, Flammability
mechanical properties and structure of rigid polyurethane foams with different types of carbon
reinforcing materials, Compos. Struct. 140 (2016) 67-76.
[4] Z.Z. Wang, S.J. Jiang, H.Y. Sun, Expanded polystyrene foams containing ammonium
polyphosphate and nano-zirconia with improved flame retardancy and mechanical properties, Iran Polym. J. 26 (2017) 71-79.
[5] L. Jiang, H.H. Xiao, W.G. An, Y. Zhou, J.H. Sun, Correlation study between flammability and
the width of organic thermal insulation materials for building exterior walls, Energ. Build. 82(2014) 243-249.
[6] L. Zhou, A. Chen, L. Gao, Z. Pei, Effectiveness of vertical barriers in preventing lateral flame
spread over exposed EPS insulation wall, Fire. Safety. J. 91 (2017) 155-164.
[7] H.D. Li, Q. Zeng, S.L. Xu, Effect of pore shape on the thermal conductivity of partially saturated cement-based porous composites, Cem. Concr. Compos. 81 (2017) 87-96.
[8] E. Kuzielova, L. Pach, M. Palou, Effect of activated foaming agent on the foam concrete
properties, Constr. Build. Mater.125 (2016) 998-1004.
[9] K. Ramamurthy, E.K.K. Nambiar, G.I.S. Ranjani, A classification of studies on properties of
foam concrete, Cem. Concr. Compos. 31 (2009) 388-396.
[10] C. Sun, Y. Zhu, J. Guo, Y.M. Zhang, G.X. Sun, Effects of foaming agent type on the workability, drying shrinkage, frost resistance and pore distribution of foamed concrete, Constr. Build. Mater.186 (2018) 833-839.
[11] Y. Cui, D.M. Wang, J.H. Zhao, D.L. Li, S. Ng, Y.F. Rui, Effect of calcium stearate based foam
stabilizer on pore characteristics and thermal conductivity of geopolymer foam material, J. Build. Eng. 20 (2018) 21-29.
[12] M.S. Cilla, M.R. Morelli, P. Colombo, Open cell geopolymer foams by a novel saponification/peroxide/gelcasting combined route, J. Eur. Ceram. Soc. 34 (2014) 3133-3137.
[13] S. Duan, H. Liao, F. Cheng, H. Song, H. Yang, Investigation into the synergistic effects in
hydrated gelling systems containing fly ash, desulfurization gypsum and steel slag, Constr. Build. Mater. 187 (2018) 1113-1120.
[14] Y. Hefni, Y. A. E. Zaher, M. A. Wahab, Influence of activation of fly ash on the mechanical
properties of concrete, Constr. Build. Mater. 172 (2018) 728-734.
[15] A. Noushini, M. Hastings, A. Castel, F. Aslani, Mechanical and flexural performance of synthetic fibre reinforced geopolymer concrete, Constr. Build. Mater. 186 (2018) 454-475.
