فوم بتن به‌عنوان عایق

فوم بتن به‌عنوان عایق

فوم بتن به عنوان عایق استفاده می شود نوعی بتن است که وزن واحد حجمی آن با حفظ فضای خالی هوا در داخل آن کاهش می‌یابد. اگرچه فوم بتن برای اولین بار در سال 1923 ثبت اختراع شد (Valore, 1954)، امّا در سال‌های اخیر مشاهده شده است که این ماده به‌عنوان مصالح ساختمانی تولید شده با چگالی بین 400 تا 1600 کیلوگرم بر متر مکعب برای استفاده در دیوارهای جداکننده سازه‌ای و اجزای غیر ساختمانی به‌دلیل ویژگی‌های متمایز آن مانند فوق سیالیت، وزن کم، حاوی حداقل سنگدانه در داخل، مقاومت قابل کنترل و عملکرد عالی به‌عنوان عایق، ترجیح داده می‌شود (رامامورتی و کونهاندان، 2009). ایده کاهش جرم مخصوص ظاهری با ساخت فوم به‌منظور ایجاد فضای خالی هوا در داخل بتن به دهه 1900 برمی‌گردد.

اولین گردآوری مفصل در مورد مطالعات روی فوم بتن توسط Valore در سال 1954 انجام شد، پس از آن رودنای در سال 1963 و متعاقباً (شورت و کینیبورگ، 1963) محتویات فوم بتن، ویژگی‌ها و زمینه‌های استفاده آن را بدون تجزیه و تحلیل روش‌ها ارائه کرد. اخیراً جونز و مک کارتی تحقیقی در مورد تاریخچه فوم بتن، مصالح مورد استفاده، ویژگی‌های آنها و کاربرد آن در کاربردهای ساختمانی در سراسر جهان منتشر کرده‌اند (جونز و مک کارتی، 2005).

ضریب هدایت حرارتی مقدار حرارتی است که بین دو لایه یا سطح از 1 متر مربع در دو جهت عمود بر واحد زمانی که اختلاف دما 1 درجه سانتی‌گراد و واحد آن W/mK است عبور می‌کند، به‌عبارتی دیگر ضریب انتقال حرارت هدایتی عبارت است از مقدار انرژی که از ماده در واحد ضخامت و در واحد زمان، در دمای مشخص عبور می‌کند (شکل 1).

ضریب هدایت حرارتی

شکل1: ضریب هدایت حرارتی

ضریب انتقال گرما U (W/m2K) مقاومت در برابر انتقال حرارت است که توسط یک جزء ساختمانی ساخته شده از مواد مختلف نشان داده شده است. U وابسته به ضریب هدایت حرارتی (λ) مواد و ضخامت در جهت انتقال حرارت است. هرچه مقدار U کمتر باشد، اتلاف حرارت کمتر است.

با این‌حال، داشتن ضریب هدایت حرارتی پایین به خودی خود عامل کافی برای نشان دادن ویژگی‌های «عایق حرارتی» آن نیست. برای محاسبات عایق حرارتی، مقدار مقاومت حرارتی R (m2.K/W) = (از این رو هدایت حرارتی+ مقدار ضخامت) استفاده می‌شود. عایق حرارتی = R = مقاومت حرارتی = ضخامت / d (m) ضریب هدایت حرارتی [W/(m.K)]  d / λ =

از آنجایی که هدف از اعمال عایق حرارتی جلوگیری از تلفات حرارتی و افزایش حرارت است، بنابراین لازم است مقاومتی که مواد عایق حرارتی در برابر اینها نشان می‌دهد، زیاد باشد.

بزرگی این مقدار به ضخامت ماده عایق و ضریب هدایت حرارتی کوچک بستگی دارد. در مواد عایق، مقاومت حرارتی با افزایش ضخامت، افزایش می یابد.

طبق استانداردهای IS0 و CEN، موادی که دارای ضریب هدایت حرارتی کمتر از 065/0 W/mK هستند به‌عنوان مواد عایق حرارتی طبقه‌بندی می‌شوند و این ویژگی تعیین کننده‌ترین عامل در انتخاب مواد عایق حرارتی است.

مواد از نظر درجه غیر قابل احتراق به‌شرح زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

A1 مواد غیر قابل احتراق

A2 مواد غیر قابل احتراق

B1 اشتعال مواد دشوار است.

B2 مواد قابل احتراق معمولی

B3 موادی که به‌راحتی مشتعل می‌شوند.

C مواد با سهم محدود در آتش‌سوزی

D مواد با سهم قابل قبول در آتش‌سوزی

E مواد با واکنش قابل قبول در برابر آتش

F مواد با واکنش نامشخص در برابر آتش

درجات مقاومت در برابر آتش بر اساس TS EN 13501-1+A1 در زیر ذکر شده است.

در رابطه با مدت زمان مقاومت آنها:

F 30: مدت زمان مقاومت بین 30-59 دقیقه

F 60: مدت زمان مقاومت بین 60-89 دقیقه

F 90: مدت زمان مقاومت بین 90-119 دقیقه

F 120: مدت زمان مقاومت بین 120-179 دقیقه

F 180: مدت زمان مقاومت بالای 180 دقیقه برای اجزای ساختمانی.

به موازات افزایش ضریب خطر، مصالحی با مدت زمان مقاومت طولانی‌تر در برابر آتش‌سوزی، باید در ساختمان‌ها ترجیح داده شوند.

پشم معدنی ترجیح داده شده‌ترین ماده عایق در سال 2014 در اروپا بود. از آنجایی که آنها طیف وسیعی از کاربردها را دارند، انواع پشم معدنی مانند پشم سنگ و پشم شیشه 58 درصد بازار را تشکیل می‌دهند.

مطالعات گذشته درباره فوم بتن به عنوان عایق

در ایالات‌متحده، اندازه کل بازار عایق حرارت، صدا و ایمنی آتش 268 میلیون متر مکعب بیان شده است. 84 درصد از بازار عایق‌های آمریکا را پشم‌های معدنی، 10 درصد را پلاستیک‌ها و 6 درصد را سایر عایق‌ها تشکیل می‌دهند (شن، 2006).

مشاهده می‌شود که به‌خصوص در آمریکا و اروپا برای عایق‌بندی از مواد غیر قابل اشتعال استفاده می‌کنند.

با کاهش وابستگی به مواد مبتنی بر نفت، فوم بتن ابتدا عمدتاً به‌عنوان یک ماده عایق استفاده می‌شده است. امّا در سال‌های اخیر  به‌دلیل سبک وزن بودن و خواص عایق آن به‌عنوان سازه نیز مورد استفاده قرار گرفته است.

در مطالعات گذشته بیشتر موضوعاتی مانند عوامل کف‌زا، تولید کف، سازگاری مواد افزودنی شیمیایی با عامل کف‌زا، استفاده از سنگدانه‌های درشت و ریز، مخلوط فوم بتن، حمل و نقل و نحوه قرارگیری آن مورد تجزیه و تحلیل قرار داده شده است. طبق استانداردهای ISO و CEN، موادی که دارای ضریب هدایت حرارتی کمتر از 065/0 W/mK دارند، به‌عنوان عایق حرارتی در نظر گرفته می‌شود در حالی که سایر مواد به‌عنوان مصالح ساختمانی طبقه‌بندی می‌شوند.

تحقیقات پیشین فوم بتن به عنوان عایق

جونز و مک کارتی (2005) بیان کردند که فوم بتن با چگالی خشک بین 600 تا 1600 کیلوگرم بر متر مکعب، دارای رسانایی حرارتی است که بین 1/0 و 7/0 W/mK متغیر است. و در مقایسه با بتن با وزن معمولی، 5 تا 30 درصد هدایت حرارتی کمتری دارد.

وایگلر و کارل (1980) دریافتند که فوم بتن با سنگدانه‌های سبک که در تولید اجزای ساختاری استفاده می‌شود، با کاهش چگالی خشک آن، هدایت حرارتی آن کاهش می‌یابد: به ازای هر 100 کیلوگرم بر متر مکعب کاهش در چگالی خشک، رسانایی حرارتی آن 004/0 W/mK کاهش می‌یابد.

نظر گذشتگان درباره فوم بتن به عنوان عایق

اثرات عمل‌آوری فوم بتن با محلول آب اشباع Ca (OH)2 با توجه به سه روش غوطه‌وری در آب، پاشش آب و عمل‌آوری با هوای خشک بررسی شده است. در مطالعه‌ای که اثرات محیط‌های مختلف عمل‌آوری مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، مشخص شد که رطوبت نسبی به‌طور قابل‌توجهی بر مقاومت فشاری بتن با چگالی کم تأثیر می‌گذارد و آن را افزایش می‌دهد (Chi et al 2016). در مطالعه دیگری که در آن اثرات عمل‌آوری بتن با آب، هوا و رطوبت بررسی شده است، نمونه‌های عمل‌آوری شده با رطوبت دارای بالاترین مقاومت فشاری در 28 روز را داشتند (Alonge et al. 2015). در مطالعه دیگری که ویژگی‌های رئولوژیکی فوم بتن به‌صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفت و همچنین ویژگی‌های ویسکوزیته فوم بتن با استفاده از ویسکومتر و مخروط مارش مورد بررسی قرار گرفت، و بر اساس این بررسی‌های انجام شده، بیان شده است که مخروط مارش در تعیین ویسکوزیته مزیت عملی دارد و مخلوط دارای خواص بالایی است. ویسکوزیته اگر مدت زمان جریان آن از 1 دقیقه بیشتر شود، در نتیجه بر خواص مکانیکی فوم بتن تأثیر منفی می‌گذارد (Demir et al. 2017).

در مطالعه‌ای که در آن از فلای اش / خاکستر بادی در فوم بتن استفاده شد، مشخص شد که فلای اش / خاکستر بادی تأثیر مثبتی بر مقاومت فشاری دارد (Kılınçarslan and Tuzlak، 2018).

محققان دریافته‌اند که چگالی فوم بتن 150 کیلوگرم بر متر مکعب و ضریب هدایت حرارتی آن 005/0 W/mK کاهش یافته است (Pan et al. 2014). با توجه به نتایج این مطالعه، می‌توان از فوم بتن  به‌عنوان یک ماده عایق نیز استفاده کرد.

مواد و روش‌های فوم بتن به عنوان عایق

1. مواد

در تولید فوم بتن از سیمان، کلسیت، دوده سیلیس، مواد افزودنی روان‌کننده بر پایه پلی‌کربوکسیلات و آب و برای تولید فوم از مولد فوم استفاده می‌شود.

1.1. سیمان

نوع سیمان مورد استفاده در این مطالعه CEM I 52.5 R بوده و خواص شیمیایی سیمان در جدول 1 نشان داده شده است. چگالی سیمان سفید 06/3 گرم بر سانتی‌متر مکعب و سطح آن 4950 سانتی‌متر مربع بر گرم است.

K2ONa2OSO3MgOCaOFe2O3Al2O3Sio2KK

سیمان سفید

(5/52 R)

35/030/030/330/17/6526/005/416/2150/2

جدول شماره1: خواص شیمیایی سیمان سفید

2.1. مواد افزودنی شیمیایی

افزودنی‌های شیمیایی فوق‌ روان کننده مبتنی بر پلی کربوکسیلات در SCC  – بتن خود متراکم نیز استفاده می‌شود.

خواص فیزیکی افزودنی‌های شیمیایی فوق روان کننده مبتنی بر پلی کربوکسیلات مورد استفاده در این مطالعه در جدول 2 نشان داده شده است.

خواصپلی کربوکسیلات
چگالی (g/cm3)06/1
pH6/5
ماده جامد (%)25

 جدول شماره 2: خواص فیزیکی افزودنی‌های شیمیایی

خواص فیزیکی مواد افزودنی فوم بتن در جدول 3 آورده شده است.

pHمشخصات ظاهریچگالی
6±2قهوه‌ای روشن05/1

جدول شماره 3: خواص فیزیکی مواد افزودنی‌های فوم بتن

3.1. کلسیت

کلسیت مورد استفاده در این مطالعه از طریق یک الک 75 میکرونی الک شده است. چگالی کلسیت معادل 72/2 گرم بر سانتی‌متر مکعب و سطح ویژه آن 4160 سانتی‌متر مربع بر گرم است.

TotalK2ONa2OSO3MgOCaOFe2O3Al2O3Si2OCA
53/9913/006/001/193/194/5305/007/001/034/43

جدول شماره 4: تجزیه و تحلیل شیمیایی کلسیت

آنالیزهای XRD (شکل 2) و شیمیایی (جدول 4) کلسیت انجام شده است، که در نتیجه، نوع کلسیت مورد استفاده در محدوده مطالعه برای این مقاله 98 درصد کلسیت تعیین شد.

پراش اشعه ایکس کلسیت

شکل2: پراش اشعه ایکس کلسیت

4.1. دوده سیلیس

دوده سیلیس دارای چگالی 32/2 gr/cm³ است و باقیمانده دوده سیلیس در الک 45 میکرومتر 8/4 درصد است.

سطح دوده سیلیس 15هزار سانتی‌متر مربع بر گرم است. خواص شیمیایی دوده سیلیس مورد استفاده در این مطالعه در جدول شماره 5 آورده شده است.

K2ONa2OSO3MgOCaOFe2O3Al2O3Sio2KK 
35/148/182/040/147/44/8126/4دوده سیلیس

جدول شماره 5: خواص شیمیایی دوده سیلیس

2. روش ها

در تولید فوم بتن ابتدا مخلوط (سیمان، کلسیت، دوده سیلیس، آب و افزودنی بر پایه پلی‌کربوکسیلات) تهیه می‌شود. سپس فوم ساخته شده در مولد فوم بتن به مخلوط اضافه می‌شود.

مهم‌ترین عنصر در تولید فوم بتن، فومی است که متعاقباً به مخلوط اضافه می‌شود که باعث ایجاد فضای خالی هوای بسته در داخل می‌شود.

حفره‌های هوای سلول بسته که برای تولید فوم بتن لازم است از طریق ایجاد کف (آب + افزودنی فوم بتن+ هوا) در مولد فوم به‌دست می‌آید. به لطف این فوم اضافه شده، حفره‌های هوای سلول بسته که از یکدیگر جدا شده‌اند در داخل بتن جامد شده، ظاهر می‌شوند و در نتیجه وزن واحد بتن کاهش می‌یابد.

1.2. تولید فوم بتن

نسبت مخلوط مورد استفاده در تولید فوم بتن از اهمیت بالایی برخوردار است. هنگام تولید فوم بتن، آب و مواد افزودنی فوم بتن به مخزن داخل مولد فوم اضافه می‌شود. نسبت افزودنی فوم به آب 1 به 40 در نظر گرفته شده است. سپس کمپرسور واقع در مولد فوم هوای مورد نیاز برای تولید فوم بتن را تامین می‌کند. عامل مهم در اینجا مقدار هوایی است که باید به مخلوط آب + افزودنی داده شود.

نسبت مخلوط کنترل نشده و هوا دادن بدون کنترل اثرات نامطلوبی بر روی فوم بتن تولید شده خواهد داشت. به‌همین دلیل نسبت انبساط فوم باید تحت کنترل باشد. در زیر فرمول نسبت انبساط فوم، بیان شده است.

مقدار هوای داده شده در نسبت انبساط فوم مطابق با فرمول زیر بررسی می‌شود و نسبت انبساط مطلوب به‌دست می‌آید.

FER: Vfoam / Vsolution

FER (نسبت انبساط فوم)

Vfoam: حجم فوم تولید شده (هوا + حجم محلول)

Vsolution: حجم محلول فوم (آب + افزودنی فوم)

فوم با حباب‌های فوم در اندازه‌های مختلف

شکل3: فوم با حباب‌های فوم در اندازه‌های مختلف

همانطور که در شکل 3 مشاهده می‌شود، فوم ایجاد شده دارای قطرهای همگن نیست. فوم بتن تولید شده با این فرم دارای چگالی همگن و حباب‌های داخل آن دارای اندازه‌های همگن نیستند.

فوم بتن به عنوان عایق با حباب های فوم همگن

شکل4: فوم با حباب های فوم همگن

در شکل 4 فوم تولید شده با حباب‌های فوم را نشان می‌دهد که بسیار همگن هستند. هنگامی که این فوم به بتن اضافه می‌شود، حفره‌های هوای داخل بتن نیز همگن‌تر می‌شوند و چگالی فوم ایجاد شده 85 گرم در لیتر اندازه‌گیری می‌شود.

ساخت فوم بتن به عنوان عایق با استفاده از مولد فوم

شکل5: ساخت فوم با استفاده از مولد فوم

تولید فوم ساخته شده از افزودنی فوم و آب با استفاده از مولد فوم در شکل 5  قابل مشاهده است. سپس فوم به‌دست آمده با نرخ حجمی از پیش محاسبه شده به مخلوط‌های آماده شده اضافه می‌شود.

 

وزن واحد مورد نظر (خشک)نسبت مخلوط فوم

حجم فوم

(لیتر)

دوده سیلیسکلسیتافزودنی فوم بتنعامل روان کنندهآبسیمان

300

Kg/m3

40 لیتر آب

1 لیتر

افزودنی فوم بتن

827101521/185220

200

Kg/m3

40 لیتر آب

1 لیتر

افزودنی فوم بتن

873101038/060160

جدول شماره 6: محاسبه حجم فوم برای فوم بتن 1 متر مکعبی

در جدول 6، مواد مورد استفاده برای تولید فوم بتن 200 و 300 کیلوگرم بر متر مکعب و مقادیر حجم فوم اضافه شده آورده شده است. برای کاهش وزن واحد حجمی در فوم بتن، حجم فوم اضافه شده همانطور که مشاهده می‌شود، افزایش می‌یابد.

2.2. تهیه دوغاب

در میکسر به ‌شکل مارپیچ، دوغاب با مخلوط کردن سیمان، دوده سیلیس، کلسیت، آب و افزودنی فوق روان کننده تهیه می‌شود. در مرحله اوّل عناصر افزودنی آب، سیمان و روان کننده تقریباً به مدت 45 ثانیه مخلوط می‌شوند. سپس دوده سیلیس و کلسیت را اضافه می‌کنند تا 45 ثانیه دیگر مخلوط شوند. در مجموع در پایان 90 دقیقه، دوغاب با قوام مورد نظر به‌دست می‌آید.

میکسر به شکل مارپیچ فوم بتن به عنوان عایق

شکل6: میکسر به شکل مارپیچ

برای تهیه دوغاب از میکسرهایی به شکل مارپیچ استفاده می‌شود (شکل 6).

3.2. افزودن فوم به دوغاب

فوم با حجم از پیش محاسبه شده به دوغاب آماده شده اضافه می‌شود. فوم به دوغاب اضافه و دوغاب را مخلوط کرده تا مخلوط یکدست و همگن شود. این مخلوط زمانی به بیشترین میزان حجم خود می‌رسد که فوم اضافه شده به‌طور کامل توسط بتن محصور شود. به‌منظور جلوگیری از محو شدن یا خرد شدن فوم اضافه شده در مرحله اختلاط، سرعت میکسر 30-40 دور در دقیقه تنظیم می‌شود. برای قرار دادن بتن تازه در قالب از پمپ بتن نوع آزمایشگاهی استفاده می‌شود. مکانیسم عملکرد این پمپ بتن توسط موادی که یکدیگر را به جلو می‌رانند فعال می‌شود. به این ترتیب، از اتلاف حجم احتمالی قبل از اینکه در حین پمپاژ اتفاق بیفتد، جلوگیری می‌شود. در مطالعات اولیه ما مشاهده شده است که هنگامی که پمپاژ با هوای فشرده انجام می‌شود، تلفات حجمی در بتن وجود دارد. دستگاه پمپاژ فوم بتن در شکل 7 آورده شده است.

پمپ فوم بتن به عنوان عایق نوع آزمایشگاهی

شکل7: پمپ فوم بتن نوع آزمایشگاهی

فوم بتن تازه‌ای که تهیه می‌شود به قالب منتقل می‌شود و سپس در دمای اتاق (21+ درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد.

نتایج و بحث

مقاومت فشاری فوم بتن با توجه به میانگین محاسبه شده از سه نمونه به ابعاد 15×15×15 سانتی‌متر، 75/0 مگاپاسکال است (TS EN 1354,2007).

وزن مخصوص فوم بتن در حالت تازه 294 کیلوگرم بر متر مکعب و پس از 28 روز، وزن مخصوص ظاهری بتن سخت شده 250 کیلوگرم بر متر مکعب اندازه‌گیری شده است.

مقدار هدایت حرارتی فوم بتن 075/0 W/mK مشخص شده است (جدول 7).

مقاومت فشاری (MPa)ضریب هدایت حرارتی (W/mK)

وزن مخصوص

فوم بتن سخت شده (Kg/m3)

وزن مخصوص

فوم بتن تازه

(Kg/m3)

75/0075/0250294

جدول شماره 7: آنالیز تست فوم بتن تازه و سخت شده

در ساخت‌و سازها سعی می‌شود فوم بتن به‌صورت تسطیح بتن با روکش عایق و تا حدی به‌صورت بلوک‌های سازه‌ای تولید شود. فن‌آوری تولید نیز می‌تواند توسط صنعت داخلی ساخته شود.

نتیجه‌گیری

تولید فوم بتن به‌دلیل سهولت کاربرد، استفاده از منابع محلی و سبک بودن آن، یک مصالح ساختمانی اقتصادی به‌شمار می‌رود. در این مقاله، وزن مخصوص فوم بتن به 250 کیلوگرم بر متر مکعب کاهش یافت. مقاومت فشاری فوم بتن 75/0 مگاپاسکال و ضریب هدایت حرارتی آن 075/0 W/mK اندازه‌گیری شد. به‌شرطی که وزن مخصوص فوم بتن زیر 250 کیلوگرم بر متر مکعب کاهش یابد و حفره‌های هوای به‌دست‌آمده سلول‌های بسته باشند، ضریب هدایت حرارتی را می‌توان زیر 065/0 W/mK کاهش داد و در نتیجه امکان استفاده از آن به‌عنوان ماده عایق را فراهم کرد. از آنجایی که مواد اولیه مورد استفاده در تولید فوم بتن قابل اشتعال نیستند، در هنگام آتش‌سوزی خاصیت اشتعالی از خود نشان نمی‌دهند.