میکروسیلیس چیست ؟ کاربرد آن در بتن

1.1 میکروسیلیس چیست؟

میکروسیلیس ماده ای با واکنش پذیری بالاست که در مقادیر نسبتا کم برای افزایش خواص بتن بکارمی رود. این ماده محصول جانبی تولیدات فلزات خاص در کوره های قوس الکتریکی است. این مقاله به تعریف و نحوه تولید میکروسیلیس می پردازد.

تعریف میکروسیلیس

موسسه بتن آمریکا (ACI) میکروسیلیس را به عنوان سیلیس غیربلوری بسیارریز تولیدی در کوره های قوس الکتریکی که محصول جانبی تولید آلیاژهای سیلیسیم یا سیلیسیم فلزی است، تعریف می کند

(ACI116R). میکروسیلیس پودری خاکستری رنگ، تا حدی شبیه سیمان پرتلند یا خاکسترهای بادی است. شکل 1.1 میکروسیلیس متداول را نشان می دهد. به نظر میرسد این میکروسیلیس پس از خارج شدن از کوره نشان داده شده باشد.

معمولا میکروسیلیس در رده مواد مکمل سیمانی رده بندی میشود. این اصطلاح به موادی اطلاق می شود که همراه سیمان پرتلند در بتن مصرف می شوند. این مواد خواص زیر را از خود نشان می دهند:

پوزولانی. مواد دارای این خاصیت هنگامی که با آب مخلوط می شوند، مقاومت کسب نمی کنند. میکروسیلیس و خاکستربادی کم کلسیم از جمله این موادند که میکروسیلیس باید با ملزومات مشخصات فنی استاندارد میکروسیلیس مصرفی در مخلوط سیمانی ASTM C 1240 و خاکستربادی کم کلسیم باید با ملزومات مشخصات فنی استاندارد خاکستر ذغال سنگ و پوزالان های طبیعی خام و کلسینه شده رده F مصرفی در بتن ACTM C 618 مطابق باشد.

سیمانی، مواد داری این خاصیت هنگامی که با آب مخلوط میشوند، مقاومت کسب می کنند. سرباره کوره آهن گدازی آسیاب شده و خاکستربادی پرکلسیم از جمله این موادند که سرباره کوره آهن گدازی آسیاب شده باید با ملزومات مشخصات فنی استاندارد سرباره کوره آهن گدازی آسیاب شده مصرفی در بتن و ملات ها ASTM C 989، و خاکستربادی پرکلسیم باید با ملزومات خاکستربادی رده C یعنی ASTM C 618 مطابق باشد.

پوزولانی و سیمانی. ترکیبی از هر دو خاصیت بالا. برخی از خاکسترهای بادی از جمله این موادند. میکروسیلیس را به نامهای دیگری نیز می شناسند. در این راهنما اصطلاح میکروسیلیس طبق تعریف موسسه بتن آمریکا به کار برده شده است. سایر نامهای میکروسیلیس عبارتند از:

میکروسیلیس چگال شده

دوده سیلیس

میکروسیلیس تبخیر شده

مواد دیگری نیز وجود دارند که از نظر فیزیکی و شیمیایی کاملا شبیه میکروسیلیس اند. این مواد ممکن است محصول جانبی یا محصول اصلی یک کارخانه باشند. برخی از این مواد را میتوان در بتن بکار برد، اما معمولا قیمت آنها از این نوع کاربرد ممانعت می کند.

سیلیس ته نشین شده

سیلیس بخارشده

ژل سیلیس

ژل کلوئیدی

گرد سیلیس و خاک سیلیس. سیلیس بلوری اند اما مانند میکروسیلیس در بتن کاربرد ندارند.

2.1 تولید

میکروسیلیس محصول جانبی تولید فلز سیلیسیم یا آلیاژهای فروسیلیسیم در گدازه خانه های کوره های قوس الکتریکی است. این فلزات در بسیاری از صنایع از قبیل تولید آلومینیوم و آهن، ساخت چیپ ها کامپیوتری، و تولید سیلیسیم ها که بطور گسترده در روغن ها و درزگیرها مصرف میشوند، کاربرد دارند. اگرچه این مواد بسیار مفیدند، اما کاربرد محصول جانبی میکروسیلیس بیشتر در صنعت بتن است.

شکل 2.1 یک گدازه خانه را پیش از آنکه میکروسیلیس متصاعد شده از آن برای مصرف در بتن و سایر کاربردها جمع آوری شود، نشان می دهد. دودی که از کارخانه خارج میشود، همان میکروسیلیس است. امروزه در ایالات متحده آمریکا اجازه داده نمیشود که هیچ میکروسیلیسی در جو آزاد شودطرح شماتیک تولید میکروسیلیس در شکل 3.1 و طرح شماتیک گدازه خانه در شکل4.1 نشان داده شده است. میکروسیلیس در فیلترخانه های کیسه ای بسیار بزرگ جمع آوری شده و سپس بطور مستقیم یا پس از فرآوری های بیشتر که در مقالات بعدی در وب سایت کلینیک بتن ایرانشرح داده خواهد شد برای مصرف در بتن توزیع می شود.

شکل 4.1 طرح شماتیک گدازه خانه برای تولید آلیاژ فروسیلیسیم یا سیلیسیم فلزی. میکروسیلیس در فیلتر های کیسه ای بزرگ جمع آوری میشود.

خواص میکروسیلیس و واکنشها در بتن

میکروسیلیس بر خواص بتن تازه و سخت شده اثر میگذارد. اینن تاثیرات از خواص فیزیکی و شیمیایی میکروسیلیس ناشی میشوند. این بخش به خواص و چگونگی اثر میکروسیلیس بر بهبود بتن تازه و سخت شده می پردازد.

1.2 خواص شیمیایی

خواص شیمیایی میکروسیلیس در جدول 1.2 نشان داده شده است.

در ادامه هریک از این خواص شرح داده خواهند شد. توجه کنید که خواص شیمیایی اصلی میکروسیلیس در مشخصات فنی آن که در مقالاتکلینیک بتن ایران شرح داده خواهد شد ذکر شده است.

آمورف. این اصطلاح به زبان ساده بدین معنی است که میکروسیلیس یک ماده بلوری نیست. مواد بلورین در بتن حل نمیشوند. کلیه مواد قبل از واکنش دادن باید حل شوند. فراموش نکنید که یک ماده بلوری در بتن وجود دارد که از نظر شیمیایی مانند میکروسیلیس است. این ماده ماسه میباشد. اگرچه ماسه در اصل سیلیسیم دی اکسید (SiO2) است، اما بدلیل ماهیت بلوری اش واکنش نمیدهد.

سیلیسیم دی اکسید (SiO2). یک ترکیب واکنش پذیر در میکروسیلیس است. چگونگی واکنش میکروسیلیس در بتن در بخش 3.2 شرح داده شده است.

جدول 1.2

عناصر کمیاب. ممکن است مواد دیگری نیز در میکروسیلیس وجود داشته باشند که این امر به دوده باقی مانده از فلز تولید شده در گدازه خانه بستگی دارد. معمولا این مواد تاثیری بر عملکرد میکروسیلیس در بتن ندارند. مشخصات فنی استاندارد محدودیت هایی را برای برخی از مواد که در این رده هستند مشخص کرده اند. این محدودیت ها در مقلات وب سایت شرح داده شده اند.

2.2 خواص فیزیکی

خواص شیمیایی میکروسیلیس در جدول 2.2 نشان داده شده است.

هر یک از این خواص در ادامه شرح داده خواهند شد. توجه کنید که خواص فیزیکی اصلی میکروسیلیس در مشخصات فنی آن که در مقالات کلینیک بتن ایران شرح داده خواهد شد ذکر شده است.

اندازه ذره. ذرات میکروسیلیس بی نهایت کوچک اند. بطوریکه بیش از 95 درصد ذرات از µm1 (یک میکرومتر) کوچکترند. اندازه ذرات اهمیت بسزایی در مشارکت فیزیکی و شیمیایی میکروسیلیس در بتن دارد. (چنانچه در ادامه شرح داده خواهد شد) عکس دانه های سیمان پرتلند و ذرات میکروسیلیس در شکل 1.2 نشان داده شده است.

چگالی انبوهی. اصطلاح دیگری برای وزن مخصوص است. چگالی انبوهی میکروسیلیس به فلزی که در کوره ساخته میشود و چگونگی طرز کار کوره بستگی دارد. از آنجا که معمولا  چگالی انبوهی میکروسیلیس پس از تولید بسیار پایین است، این ماده برای حمل در مسافت های طولانی ممناسب نیست. برای اطلاع از شکل های مختلف تولید میکروسیلیس به بخش مقالات وب سایت کلینیک بتن ایران رجوع کنید.

جدول 2.2

چگالی ویژه. یک عدد نسبی است که نسبت میکروسیلیس به آب (که چگالی ویژه آن 00/1است) را بیان میکند. این عدد در نسبت بندی بتن که در مقالات بعدی در وب سایت کلینیک بتن ایران شرح داده میشود، کاربرد دارد. چگالی ویژه میکروسیلیس حدود 2/2 است که تا حدی از سیمان پرتلند (که چگالی ویژه آن 15/3 است) سبکتر می باشد. بنابراین اضافه کردن میکروسیلیس به بتن، چگالی بتن را افزایش نمی دهد.

سطح ویژه. سطح ویژه عبارت از کل سطح جانبی جرم معینی از یک ماده است. از آنجا که ذرات میکروسیلیس بسیار کوچک اند، سطح ویژه آنها بسیار زیاد است. می دانیم هرچه ذرات ماسه کوچکتر باشند، به میزان آب بیشتری نیاز دارند، چنین موردی برای میکروسیلیس نیز صادق است و به همین دلیل است که هنگام مصرف میکروسیلیس در بتن از ترکیب آب با یک ماده افزودنی کاهنده یا فوق روان کننده استفاده میشود. سطح جانبی میکروسیلیس را باید با آزمایش ویژه ای به نام «روش BET» یا «روش جذب نیتروژن» تعیین کرد. سطح جانبی که بر اساس روش الک یا نفوذپذیری هوا تعیین می شود، برای میکروسیلیس بی معنی است.