کف در بتون
یکی از ویژگیهای لازم برای بتون ، مقاومت در برابر یخ زدن های مکرر است . تجربه نشان داده است که حباب های هوا به طور شگفت انگیزی دوام بتون در معرض یخ زدگی و آب شدن های مکرر را بهبود می بخشد . این امر اهمیت بیشتری پیدا می کند اگر بخواهند که برای اجتناب از یخ زدن از مواد شیمیایی چون کلرور سدیم یا کلسیم استفاده شود . بنابراین برای استفاده از بتن در نقاطی چون کف گاراژهای عمومی ، پیاده روها و سنگفرش اطراف بزرگ راهها در مناطق سرد و یخبندان وجود هوا در بتون اهمیت بسیار زیادی دارد . علاوه بر این وجود هوای کافی دربتون باعث افزایش کارآیی بتون تازه شده و نیز آب انداختن بتن را کاهش داده یا از بین می برد .

مکانیزم کار :
چگونگی تاثیر هوا برای مقاومت در برابر یخ زدگی به این صورت است که اگر هوا در بتون بصورت حباب های ریز درآید و به طور یکنواخت در همه نقاط خمیر سیمان تازه توزیع شود در آن صورت حباب ها به صورت حفره های کوچکی در داخل بتن در می آیند که این ویژگی مهم را دارند که قابل انبساط و انقباش هستند ( چون هوای داخل حباب ها رفتار یک گاز را دارند ) و در نتیجه در اثر یخ زدن ها و آب شدن های مکرر این حباب ها هستند که منبسط یا منقبض می شوند . بنابراین انبساط و انقباض تاثیر مخربی روی بتن نخواهد گذاشت بعلاوهن محبوس بودن هوا در حباب باعث می شود که هوا در داخل حفره های بتن باقی بماند .

برای آنکه حباب داشته باشیم می بایستی از مواد فعال سطحی استفاده شود ( به بحث مواد فعال سطحی مراجعه شود ) چون ذرات سیمان در خمیر سیمان تازه معمولا دارای بار مثبت می باشند از این رو در تکنولوژی بتن معمولا از مواد فعال سطحی انیونی استفاده می شود .

اگر در خمیر سیمان تازه که متشکل از ذرات سیمان و آب می باشد ماده فعال سطحی موجود نباشد چون ذرات سیمان باردار هستند از این رو هیدروفیل بوده و تمایل به جذب آب دارند ولی این مولکولهای آب در مواقع یخبندان با انبساط و انقباض خود باعث تخریب بتن می گردند .

اما اگر در خمیر سیمان تازه مولکول های فعال سطحی آنیونی باشد سرمنفی این مولکول ها تمایل دارند که روی سطح ذرات سیمان جذب شده و در نتیجه بارالکتریکی سیمان را خنثی کرده و به صورت بدون بار در می آورد چنین ذرات بدون باری هیدروفوب (آب گریز) هستند و در نتیجه آب تمایلی به تر کردن ذرات سیمان ندارند اما هوا تمایل به پناه دادن ذرات هیدروفوب دارد و از این رو هوا آب را کنار زده و در اطراف ذرات سیمان جمع می شود . وجود ماده فعال سطحی و هوا در اطراف ذرات سیمان موقعیت مناسبی است که در اثر عوامل مساعد کننده چون هم زدن مکانیکی ، حباب هوا تشکیل شود . بنابراین بعد از افزودن مواد فعال سطحی به خمیر سیمان در خلل و فرج بتن بجای آب حباب هوا جایگزین می شود با این تفاوت مهم که انقباض و انبساط آب باعث تخریب می شود ولی انقباض و انبساط حباب هوا اثر تخریبی روی بتن ندارد .
برای آنکه بتن در برابر یخ زدن مقاومت خوبی داشته باشد لازم است که :

۱- حباب ها کوچک بوده و به طور یکنواخت در همه جای بتن پخش شده باشند .
۲- در هر میلی متر مکعب از بتن سطح حباب ها برابر ۶/۲۳ میلی متر مربع باشند
تعداد و توزیع اندازه حباب ها در بتن تابع عوامل زیر است :
۱ – مقدار و نوع ماده شیمیایی که به عنوان حباب زا به کار می رود .
۲ – طبیعت ، مقدار شکل و اندازه اجزاء سیمان و نیز ناخالصی های موجود در آن

۳ – شدت و طول مدت هم زدن
۴ – درجه حرارت

۵ – نیروهای فیزیکی اعمال شده
۶ – نسبت سیمان و آب بکاربرده شده در بتن
۷ – اثر مواد شیمایی دیگر که به عنوان افزودنی به بتن اضافه می شود .

۸ – کیفیت آب مورد استفاده
از طرف دیگر هوای محبوس شده در بتن ، استحکام بتن را کاهش می دهد و این کاهش استحکام در بتن هایی که در صد سیمان موجود در بتن زیاد است بیشتر است و بعلاوه کاهش استحکام بتن متناسب با مقدار هوای محبوس در آن است .

ماده اصلی که به عنوان ماده افزودنی حباب زا مصرف می شود سولفانات الکیل بنزن است که برای بسیاری از سیمان ها مناسب است . علاوه بر آن از انواع مختلف پاک کننده (دترژانت ها) و نمک های اسیدهای چرب برای تولید حباب در بتن می توان استفاده کرد هر چند که روغن های نباتی رزین های مصنوعی یا طبیعی دیگر ترکیبات آلی هم استفاده می شوند که معمولا به مقدار کم حدود کمتر از یک درصد به سیال اضافه می شوند .

البته با آزمایش باید معلوم شود که ماده حباب زا می تواند هم به اندازه کافی مقاومت بتن را در برابر یخ زدگی بالا ببرد و هم تاثیر منفی قابل توجهی روی ویژگیهای اساسی بتن نداشته باشد .

همانگونه که قبلا توضیح داده شد وجود هوای زیاد در بتن باعث کاهش استحکام ان می شود بنابراین ممکن است موارد پیش آید که نیاز به کنترل و کاهش مقدار هوای محبوس شود . در این صورت برای کاهش هوا در بتن از فسفات تری بوتیل و یا مواد مشابه آن به عنوان ضد کف استفاده می شود .
کف و آینده
علاوه بر کاربردهای معمول کف ، تحقیقاتی در جریان است که ممکن است منجر به استفاده از کف برای موارد جدیدی در آینده شود .
هدف از این تحقیق ان است که امکان استفاده از کف برای کاهش شدت تخریب انفجارها مورد بررسی قرار گیرد . در این عکس ۴/۲ کیلوگرم از ماده بسیار منفجره C4 را با ۲۳ مترمکعب از یک کف با دانسیته ۵ گرم در لیتر پوشانیده اند . محقق مربوطه ادعا کرده است که کف توانسته است ۹۰% از شدت تخریب انفجار را کاهش دهد یعنی ۹۰% از انرژی انفجاری توسط کف گرفته شده است . قسمتی از انرژی جذب شده صرف تبخیر قطرات ریز آب حاصله شده است .

ادعا شده است که کف می تواند در رابطه با انفجار نقش دیگری هم بازی کند و آن اینکه از پخش شدن قطعات و تکه های ناشی از انفجار جلوگیری ک ند و همچون یک تله قطعات انفجاری را در شبکه خود به دام اندازد .
مرگ کف
با توجه به بحث های گذشته می توان گفت که مقدمه مرگ کف ، ناپایداری کف است اما شاید بهتر باشد که عوامل ناپایداری کف را به دو دسته تقسیم کنیم :
۱ – عواملی که در پایداری کف اختلال فراهم می کنند .

۲ – عواملی که از تشکیل کف جلوگیری می کنند موسوم به ضد کف
در صفحات قبل دیدیم که عوامل زیادی در پایداری کف موثر هستند ، حال اگر این عوامل حاکم نباشند می توان نتیجه گرفت که پایداری کف دچار اختلال خواهد شد . مثلا دیدیم که افزایش ویسکوزیته آب باعث پایدار شدن کف می شود چون بالا بودن ویسکوزیته تخلیه آب کف را کاهش می دهد اما اگر ویسکوزیته آب کاهش یابد (مثلا با افزایش دما ) چون تخلیه آب کف تشدید می شود مرگ کف زودتر فرا خواهد رسید .

در عمل برای ناپایدار کردن کف روش های زیر مرسوم است :
۱ – استفاده از هم زن ها برای پاره کردن سلول های کف
۲ – استفاده از آب یا بخار که با اسپری کردن قطرات مایع یا بخار روی کف ، ساختمان آن را در هم می شکنند .
۳ – استفاده از جت هوا یا گاز دیگری برای سوراخ کردن دیواره سلولهای کف
۴ – استفاده از شوک صوتی یا گرمایی (افزایش ناگهانی دما)

روش های بالا خیلی موثر نیستند و ممکن است نتوانند انتظار نهایی را برآورده سازند ولی در شرایطی که به خاطر نگرانی از کیفیت محصول نهایی استفاده از مواد شیمیایی ممنوع است بناچار باید از روشهای فوق استفاده کرد .
ضد کف
یک آشپز ماهر بخوبی می داند که وقتی یک محلول جوشان دارد چگونه از سررفتن آن جلوگیری کند . در این مواقع او یک قاشق روغن (نباتی یا جانوری) به محلول می افزاید . این کار باعث می شود که از کف کردن محلول جلوگیری شود و انی مثالی است از چگونگی طرز کار ضد کف ها . قبل از آن که روش شیمیایی جلوگیری از کف کردن را شرح دهیم به این نکته اشاره کنم که همیشه پیشگیری ارزانتر از درمان است . بنابراین مهندس متخصص در کار خود سعی می کند که تولید کف در محلول ا با اعمال موارد زیر به حداقل برساند .
۱ – هم زدن در فصل مشترک گاز –مایع را به حداقل ممکن برسانید .

۲ – از ایجاد گرادیان زیاد خلاء و یا فشار جلوگری کنید .
۳ – از تلاطم در سطح مایع جلوگیری کنید . بنابراین بجای اینکه خوراک ورودی بصورت آبشار یا دوشی مانند روی سطح مایع بریزد سعی کنید حتی المقدور خوراک ورودی را در نزدیکترین نقطه به سطح مایع و حتی در عمق مایع وارد کنید .

۴ – غلظت موادی که تمایل به کف کنندگی دارند را در حداقل ممکن نگه دارید .
اگر با رعایت موارد فوق هنوز در محیط مشکل کف دارید بناچار باید سراغ ضد کف بروید . اما ضد کف ها چگونه کار می کنند ؟ و چه ویژگیهایی باید داشته باشند ؟
این مواد همیشه غیر محلول و معمولا مایع هستند هرچند که ذرات جامد آب گریز چون تفلون و یا مواد واکسی هم نیز کار ضد کف را می کنند .
واضح است هر ماده ای فقط به خاطر غیر محلول بودن نمی تواند حتما ضد کف باشد بلکه علاوه بر غیر محلول بودن بایستی شرایط اضافی دیگری هم داشته باشد برای اینکه این شرایط اضافی را بدانیم لازم است که مکانیزم کار ضد کف هارا بشناسیم .

مکانیزم ضد کف
همانطور که می دانید کف روی محلول می ایستد . پس برای اینکه یک ماده غیر محلول به عنوان ضد کف مفید باشد می بایستی دارای دانسیته کمتر از محلول کف کننده باشد تا بتواند روی سطح محلول با کف وارد عمل شود . این ویژگی هنوز کافی نیست چون هر چند ماده جامد غیرمحلول سبکتر از محلول در اثر هم زدن یا حرکت براونی به سطح مایع می آید ولی ممکن است که ماده ضد کف با لایه ای نازک (فیلمی) از محلول پوشیده شده باشد و این مطلوب نیست و شایسته این است که ماده ضد کف به صورت تر نشده روی سطح محلول قرار گیرد . برای ارضای این شرط می بایستی در رابطه زیر صفر یا مقدار مثبتی باشد .

یعنی کشش سطحی ماده ضد کف می بایستی از مجموع کشش سطحی محلول و کشش فصل مشترک کمتر باشد .
بزبان ساده تر ، این شرط مستلزم آن است که ماده ضد کف دارای کشش سطحی نسبتا کمی باشد کمتر از آنکه توسط محلول کف کننده تر شود .
ویژگی دیگری که باید ماده ضد کف داشته باشد این است که بتواند روی محلول را بپوشاند یا بهتر بگوییم در سطح محلول انتشار یابد تا از ایجاد حباب جلوگیری کند . برای ارضای این شرط می بایستی ضریب انتشار ضد کف روی محلول مثبت باشد .

اما ارضای همزمان دو شرط و مشکل است چون :

اما اگر کشش فصل مشترک بین محلول و ضد کف به اندازه کافی کوچک باشد در ان صورت ضد کف می تواند تر نشده روی سطح محلول آمده و سپس سطح محلول را بپوشاند (منتشر شود ) .
بعضی از محققین ادعا می کنند که تر نشدن ذرات ضد کف موثر تر از شرط انتشار در پارگی فیلم کف نقش دارد اما این ادعا همیشه صادق نیست چون وقتی بخار استن به عنوان کف شکن به کار می رود حتما بایستی شرط انتشار صادق باشد تا روی سطح حبابها منتشر شده و باعث پارگی فیلم کف شود .

برای توجه دادن خواننده به اهمیت و محدودیت شرط یاد شده این نکته را متذکر می شوم که هیدروکربن های مایع دارای کش سطحی کم حدود N/m 30-25 می باشند . برای چنین محلولهایی با چنین کشش سطحی کم نیاز به ضد کف هایی است که دارای کشش سطحی کمتر از باشد ( برای ارضای شرط ) اما محلول هایی که تا این حد کشش سطحی کم داشته باشند معمولا فرار هستند از این رو در بسیاری از مواقع کاربردی ندارند .

گونه ای از پلیمرها مثل پلی دی متیل سیل اکسان وجود دارند که هم فرار نیستند و هم دارای کشش سطحی خیلی کم هستند . این گونه از پلیمرها یکی از مهمترین ضد کف های موجود در بازار هستند . اکنون با این دانسته ها در مورد مکانیزم کار ضد کف ها زمان آن فرا رسیده است که ببینیم چگونه می توان با کف نامطلوب مبارزه کرد .
مبارزه با کف نامطلوب
در یک محلول مائی (آبی) که کف نامطلوب تولید می شود معمولا مقداری مواد آلی وجود دارد اثبات این امر مشکل نیست . اگر کشش سطحی محلول را اندازه بگیریم متوجه می شویم که کشش سطحی محلول کمتر از کشش سطحی آب خالص در آن دماست .