کاربرد دوغاب میکروسیلیس ( ژل میکروسیلیس ) در صنعت بتن ریزی

هر آنچه که باید درباره کاربرد دوغاب میکروسیلیس بدانید

امروزه استفاده از مواد جایگزین سیمان که خاصیت پوزولانی دارند در صنعت بتن، رشد روزافزونی دارد. در کشور ما، میکروسیلیس دارای بیشترین مصرف میان سایر مواد پوزولانی است. میکروسیلیس محصول ثانویه کارخانه های فروسیلیس می باشد که در حالت اولیه به صورت پودری نرم و سبک است به طوری که حمل و نقل آن را مشکل می کند و همچنین در حین اختلاط با سایر اجزای بتن به خوبی پخش نمی شود و ممکن است باعث کاهش دوام بتن گردد.

دوغاب میکروسیلیس به عنوان محصولی جدید می تواند جایگزین مناسبی برای پودر میکروسیلیس باشد به طوری که حمل و نقل آنرا راحت تر و کم هزینه تر کرده همچنین به خوبی در بتن پخش می شود . در این مقاله موارد ذکر شده بیشتر توضیح داده شده است و نهایتا نتایج آزمایش مقاومت فشاری انجام شده بر روی نمونه های حاوی پودر میکروسیلیس و نمونه بدون میکروسیلیس و نمونه حاوی دوغاب میکروسیلیس ارائه شده است. نتایج حاکی از بازدهی بیشتر کاربرد دوغاب میکروسیلیس نسبت به پودر میکروسیلیس یک ماده پوزولانی قوی است که جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن به کار می رود. این ماده محصول جانبی صنعت فروسیلیس است که از روی فیلتر هوای خروجی از کوره های قوس الکتریکی در صنایع فروسیلیس بدست می آید. سالانه 110,000 تن پودر میکروسیلیس در دنیا به مصرف می رسد که بر این اساس، برآورد میزان مصرف سالانه بتن حاوی میکروسیلیس در دنیا، 6 میلیون متر مکعب است. در دهه پنجاه میلادی اولین آزمایش ها بر روی تاثیرات میکروسیلیس بر روی بتن در نروژ به انجام رسید. در دهه 80 میلادی استفاده آن در بتن شکل اقتصادی به خود گرفت.

خواص فیزیکی و ساختار شیمیایی میکروسیلیس

پودر میکروسیلیس به رنگ خاکستری روشن تا تیره عرضه می شود. رنگ مشاهده شده به دلیل حضور اکسید آهن و کربن در ساختار میکروسیلیس می باشد. هرچه میکروسیلیس تیره تر باشد مقدار کربن بیشتری دارد. ذرات میکروسیلیس دارای سطح مخصوص تقریبی  20000 هستند. ذرات منفرد میکروسیلیس تقریبا صد برابر ریزتر از ذارات سیمان می باشند. پودر میکروسیلیس ذرات بسیار ریز با ساختار غیر کریستالی و آمورف است که اندازه ذرات آن در حدود 0/2 – 0/1 میکرون می باشد. بخشی از ذرات آن به هم جوش خورده و کلوخه تشکیل می دهند. مقایسه ابعاد ذرات سیمان و میکروسیلیس در شکل 1 آمده است. درجه کلوخه شدن ذرات بستگی به فرآیند تولید و دمای کوره دارد. این ذرات به دلیل سطح موثر بالا دارای جاذبه زیادی بوده و تمایل به کلوخه شدن دارند. یک آزمون مهم در خصوص توزیع ذرات میکروسیلیس، میزان باقیمانده میکروسیلیس روی الک 45 میکرون می باشد.

شکل 1- سیمان پرتلند (سمت چپ) و ذرات میکروسیلیس (سمت راست) با بزرگی تصویر یکسان. میله سفید طولانی تر در عکس مربوط به میکروسیلیس 1 میکرومتر می باشد. R ACI 234 تخمین می زند که با جایگزینی 15 درصد سیمان توسط میکروسیلیس تقریبا 000,000,2 ذره میکروسیلیس به ازای هر ذره سیمان وجود خواهد داشت.

 وزن مخصوص میکروسیلیس حدودا 2/2 است در حالیکه وزن مخصوص سیمان 3/1 می باشد که خود نشانگر سبک بودن پودر میکروسیلیس است. بعضا مشاهده می شود برخی افراد سودجو سیلیس میکرونیزه را به جای دوده سیلیسی به فروش می رسانند که هیچ خاصیت پوزولانی ندارد.

وجه تمایز و راه تشخیص این دو از یکدیگر، وزن بسیار سنگین تر سیلیس میکرونیزه نسبت به وزن دوده سیلیسی در حجم مساوی می باشد.  pH سوسپانسیون % 20 میکروسیلیس در آب در حدود 7 – 6 می باشد. مقادیر جزئی عنصر سیلیسیم در پودر میکروسیلیس می تواند در واکنش هیدراتاسیون، تولید هیدروژن کرده و در استحکام بتن تاثیر بگذارد.
 مطالعات زیادی بر روی تغییرات خواص بتن نسبت به تغییرات ساختار شیمیایی و فیزیکی میکروسیلیس صورت نگرفته است. درصد بالاتر SiO2 ، میکروسیلیس را در بتن واکنش پذیرتر می کند. اغلب استانداردهای مهم حداقل میزان 85% را برای SiO2 در میکروسیلیس اعلان کرده اند. بیشتر بودن SiO2 به معنای کمتر بودن ناخالصی ها در میکروسیلیس است. چنانچه میزان کربن میکروسیلیس زیاد باشد، برای تامین هوای مورد نیاز در بتن حاوی این میکروسیلیس افزودنی هوازا به کار می رود. هیچ گزارشی از ارتباط بین کیفیت بتن و نرمی میکروسیلیس مشاهده نشده است. میکروسیلیس نرم تر واکنش پذیرتر بوده و به علت نرمی بالا نیاز به آب بیشتری دارد و با نرم شدن میکروسیلیس نیاز به فوق روان کننده بیشتر می شود.

3- اثرات میکروسیلیس بر بتن تازه و بتن سخت شده
 3-1- بتن تازه
3-1-1- افزایش چسبندگی
 بتن تازه حاوی میکروسیلیس نسبت به بتن معمولی بدون میکروسیلیس، چسبندگی بیشتری داشته و با افزایش میکروسیلیس این چسبندگی افزایش می یابد. نتایج تحقیقات حاکی از این است که بتن حاوی میکروسیلیس باید دارای اسلامپ اولیه به اندازه 50 میلیمتر بیشتر از بتن فاقد میکروسیلیس باشد تا همان کارپذیری را داشته باشد. منظور از افزایش چسبندگی سه مورد است: 1- چسبندگی خمیر سیمان به سنگدانه 2- چسبندگی خمیر سیمان به میلگرد 3- چسبندگی بتن قدیم به بتن جدید.

3-1-2- کاهش آب انداختگی
 به دلیل کاهش سطح مخصوص زیاد میکروسیلیس و مقدار کم آب موجود در بتن های حاوی میکروسیلیس، آب انداختگی در این گونه بتن ها مقدار کم و جزئی دارد. با افزایش میزان میکروسیلیس، آب انداختگی به صفر می رسد. در اثر نشست سنگدانه آب که سبکتر است به سمت سطح کشیده می شود. بخشی از آب در زیر سنگدانه ها و یا زیر میرگرد محبوس شده و بخشی از آن به سطح می رسد. این جابجایی آب از طریق کانال های مویینه صورت می گیرد. وقتی آب تبخیر می شود این مجاری مویینه به راهی مناسب برای نفوذ مواد مخرب از خارج به داخل بتن تبدیل می شوند. بنابراین کاهش آب انداختگی و در نتیجه کاهش این کانال ها باعث بهبود دوام بتن می گردد. از طرف دیگر، ، با کاهش آب انداختگی خطر ترک خوردن بتن در اثر جمع شدگی پلاستیک افزایش می یابد که خود این ترک ها در صورت کنترل نشدن، راهی برای نفوذ مواد مخرب به داخل بتن می شوند. لذا باید بتن های حاوی میکروسیلیس را پس از اجرا به دقت عمل آوری کرد. تغییرات دمای هوا، وجود باد در محیط، دمای بالای بتن و رطوبت کم محیط، عوامل مهم در این نوع ترکها می باشند. گونی کشی مرطوب و پوشاندن بتن با فیلم های پلاستیکی بهترین روش عمل آوری این نوع بتن ها می باشند که بین 3 تا 7 روز باید انجام گیرد.

3-2- بتن سخت شده
3-2-1- بهبود خواص مکانیکی
3-2-1-1- افزایش واکنش هیدراسیون
پودر میکروسیلیس یک ماده پوزولانی با واکنش پذیری بالاست، این ماده با آهک آزاد شده در اثر هیدراتاسیون سیمان واکنش داده و تولید کلسیم سیلیکات هیدرات می کند که محصول اصلی هیدراتاسیون می باشد. جایگزینی % 10 میکروسیلیس با سیمان، مقدار آهک آزاد بتن را نسبت به بتن شاهد پس از 28 روز تا نصف کاهش می دهد و تبدیل به محصولات ثانویه هیدراسیون می نماید.

3-2-1-2- بهبود لایه مرزی
 ضعیف ترین بخش بتن، لایه مرزی روی سنگدانه ها می باشد که ضخامت حدود 50 میکرون دارد. این لایه به این علت که تراکم ذرات جامد به خوبی انجام نمی شود و از طرفی آب انداختگی بتن در این لایه زیاد اتفاق می افتد، غلظت بالایی از کلسیم هیدروکسید خواهد داشت. میکروسیلیس به خاطر ساختار نرمی که دارد در این لایه نفوذ کرده و علاوه بر واکنش پوزولانی که منجر به کاهش غلظت کلسیم هیدروکسید می شود، تراکم این لایه را بالا می برد.

3-2-2- بهبود دوام
3-2-2-1- کاهش نفوذ پذیری

همان طور که در شکل 1 توضیح داده شد، ساختار میکروسیلیس به قدری ریز می باشد که اگر 10% سیمان را با آن جایگزین کنیم به ازای هر ذره سیمان بیش از یک میلیون ذره میکروسیلیس وجود خواهد داشت. ذرات میکروسیلیس در بتن سخت شده، فضاهای خالی ایجاد شده در اطراف ذرات سیمان را پر می کند و بنابراین نفوذ پذیری کاهش می یابد. همچنین افزایش واکنش هیدراسیون و بهبود لایه مرزی نیز باعث کاهش نفوذ پذیری می گردد.
کاهش نفوذ پذیری در بتن های حاوی میکروسیلیس در مقابل موادی مانند یون کلر، باعث شده است که معمولا عرشه پل ها، سازه های پارکینگ و سازه های دریایی به وسیله میکروسیلیس مقاوم گردند. جایگزینی % 5 میکروسیلیس با سیمان نسبت به کاهش w/c بتن از 0/5 به 0/4 در مقابله با نفوذ یون کلر موثرتر عمل می کند.

3-2-2-2- افزایش مقاومت سایشی

مقاومت بتن میکروسیلیسی در برابر خوردگی سایشی به علت تراکم بیشتر بتن و افزایش استحکام لایه مرزی سنگدانه و تولید خمیر سیمان بیشتر می باشد.

3-2-2-3- افزایش مقاومت در برابر واکنش سیلیکاتی قلیایی
 مقاومت بتن میکروسیلیس در برابر انبساط ناشی از واکنش سیلیکاتی قلیایی، به شرطی که پخش شوندگی میکروسیلیس به خوبی اتفاق بیافتد، افزایش خوبی دارد. چنانچه ذرات میکروسیلیس به خوبی پخش نشوند نتیجه معکوس داشته و خود آنها باعث واکنش سیلیکاتی قلیایی می شوند. جایگزینی % 10 سیمان با میکروسیلیس، مقدار قلیای بتن را تا 3 برابر کاهش می دهد که همین عامل، باعث بهبود این خاصیت می شود. ترکیب میکروسیلیس با دیگر پوزولانها مقاومت در برابر انبساط قلیایی را بهتر می کند.
 


3-2-2-4- افزایش مقاومت در برابر حمله یون سولفات
 بتن میکروسیلیس مقاومت بسیار خوبی در برابر حمله یون سولفات دارد و این مقاومت با افزایش درصد میکروسیلیس بالا می رود.

3-2-2-5- افزایش مقاومت الکتریکی
 مقاومت الکتریکی بتن میکروسیلیسی نسبت به بتن معمولی بیشتر می باشد و همین عامل باعث کاهش واکنش خوردگی میلگردها در بتن می شود.

 4- شکل های مصرفی میکروسیلیس
 میکروسیلیس عمدتاً به سه شکل پودر خشک، ژل و دوغاب به صورت تجاری در دسترس می باشد. همه شکل های میکروسیلیس دارای نقاط ضعف و قوت می باشند که بر روی کیفیت بتن ، حمل و نقل مواد، و راندمان و سرعت اجرای کار تاثیر می گذارند.

4-1- پودر خشک:

 این شکل میکروسیلیس ساختار پودر نرم دارد این شکل میکروسیلیس به صورت فله و کیسه بسته بندی و عرضه می شوند. نرمی بسیار زیاد میکروسیلیس باعث ایجاد مشکلاتی در حمل و نقل این محصول می شود. گرفتگی تاسیسات و لوله های انتقالی، چسبندگی به سطوح و تشکیل پل در مخازن نگهداری از مشکلات این شکل از میکروسیلیس می باشد. امروزه پودر خشک تازه تولید شده با مکانیسم هایی متراکم شده و سپس عرضه می شود و افزودن مستقیم پودر سبک به بتن رایج نمی باشد. هزینه های زیاد مربوط به حمل و نقل و ایجاد گرد و خاک زیاد دو عامل اصلی این کار می باشد.
 
  4-2- ژل میکروسیلیس:

از اختلاط آب و پودر میکروسیلیس به همراه مقادیر مشخصی افزودنی روان کننده بدست می آید و حاوی 40 الی 45 درصد میکروسیلیس می باشد و نسبت به دوغاب، میکروسیلیس کمتری دارد.

4-3- دوغاب میکروسیلیس:

برای غلبه بر مشکلات استفاده از پودر سبک، این محصول با آب مخلوط شده و مخلوط های % 60-42 میکروسیلیس در آب تهیه می شود که نسبت به ژل میکروسیلیس حاوی مقدار بیشتر پودر میکروسیلیس می باشد. دوغاب % 50  میکروسیلیس در آب دارای

kg/m 31400 است که دارای میکروسیلیس خشک به مقدار  700 است. این دانسیته نسبت به شکل پودری میکروسیلیس که دانسیته حدود   300 دارد تقریبا 2 برابر بوده و لذا هزینه های حمل و نقل را تا 2 برابر کاهش می دهد. ترکیب دوغاب می تواند شامل روان کننده یا فوق روان کننده بتن باشد ولی محصول فعلی شرکت کلینیک بتن ایران بدون افزودنی روان کننده است تا به مصرف کننده این امکان را بدهد تا میزان افزودنی روان کننده مورد نیاز بتن خود را تعیین کنند. از آنجا که پودر میکروسیلیس ریز ساختار بوده، سطح موثر بالایی دارد و مقدار زیادی از آب بتن را جذب سطح می کند و استفاده از میکروسیلیس در بتن، نیاز به آب را بیشتر می کند که باید با افزودنی های کاهنده آن نیاز را جبران کرد. دوغاب میکروسیلیس به دلیل روانی بیشتر نسبت به ژل توانایی پخش شدگی بیشتری نسبت به ژل دارد. دوغاب میکروسیلیس در بسته بندی سطل و بشکه قابل عرضه می باشند و نحوه نگهداری و استفاده از آن باید توسط تولید کنندگان ارائه شود.

5- نتایج آزمایش انجام شده بر روی بتن حاوی دوغاب و پودر خشک میکروسیلیس

در ادامه به نمونه ای از آزمایش های انجام شده بر روی بتن حاوی دوغاب میکروسیلیس تولیدی شرکت کلینیک بتن ایران اشاره می شود. لازم به ذکر است که این آزمایش ها در انستیتو مصالح ساختمانی دانشگاه تهران انجام شده است. طرح اختلاط نمونه های مورد آزمایش در جدول 1 آمده است. لازم به ذکر است عیار مواد سیمانی در نمونه حاوی دوغاب، 360 و کمتر از نمونه های شاهد می باشد و همچنین سیمان کمتری دارد. مقاومت فشاری بر روی نمونه های بتنی مکعبی با ابعاد 15 * 15 * 15 سانتی متر انجام شده است. مقدار مصالح سنگی در تمامی نمونه ها برابر بوده و از سیمان تیپ 2 تهران در تمامی نمونه ها استفاده شده است.

*** 80 کیلو در متر مکعب دوغاب استفاده شده است. چون 50 درصد دوغاب میکروسیلیس است بنابراین مقدار میکروسیلیس 40 کیلو در متر مکعب به دست می آید. نتایج آزمایش مقاومت فشاری در جدول 2 و شکل 2 آمده است.

همانطور که در جدول 2 و شکل 2 مشاهده می شود، نمونه حاوی دوغاب، با اینکه عیار مواد سیمانی کمتری دارد، نسبت به نمونه حاوی پودر میکروسیلیس دچار افت مقاومت نشده و همچنین، نسبت به نمونه بدون میکروسیلیس با عیار سیمان بیشتر مقاومت بیشتری دارد. این مطلب به دلیل پخش شدن بهتر میکروسیلیس در بتن حاوی دوغاب میکروسیلیس است به طوری که پخش مناسب باعث افزایش بیشتر هیدراتاسیون و افزایش بازده نمونه حاوی دوغاب گردد. همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، آزمایش نفوذ تسریع شده یون کلر نشان می دهد نمونه حاوی دوغاب میکروسیلیس با عیار مواد سیمانی کمتر تقریبا شاری برابر با نمونه حاوی پودر دارد و در دسته بتن با نفوذپذیری کم قرار دارد.

شکل 2- نمودار ستونی نتایج آزمایش مقاومت فشاری

شکل 3- مقایسه نتایج شار عبوری برای آزمایش RCPT

6- نتیجه گیری

 دانسیته دوغاب میکروسیلیس بر اساس ماده خشک، بالاتر از پودر میکروسیلیس می باشد و لذا هزینه های حمل و نقل و انبارش را کاهش می دهد. دانسیته دوغاب 50 % در حدود1400 کیلوگرم در متر مکعب بوده که بر اساس 50 % ماده خشک، دانسیته میکروسیلیس خالص، 700 کیلو گرم بر مترمکعب می باشد ولی دانسیته پودر در بهترین حالت حدود 450 کیلوگرم در متر مکعب می باشد.
انتقال دوغاب میکروسیلیس به داخل بتن راحتتر و سریعتر می باشد و عاری از هر گونه گرد و غبار می باشد.
اختلاط ذرات میکروسیلیس داخل بتن، زمانی که به شکل دوغاب وارد بتن می شود راحتتر و سریعتر از زمانی بوده که به شکل پودر وارد شده است. پخش شدگی موثر میکروسیلیس در بتن یکی از نکات بسیار مهم استفاده از این افزودنی می باشد به طوری که بازده این محصول را نسبت به پودر میکروسیلیس افزایش می دهد.
دوغاب میکروسیلیس می تواند مصرف سیمان در بتن را کاهش داده منجر به صرفه جویی در مصرف سیمان و افزایش سود گردد.
عدم وجود هرگونه روان کننده بتن در محصول دوغاب نسبت به ژل، علاوه بر کاهش قیمت این محصول، باعث می شود تنظیم مقدار افزودنی روان کننده مورد نیاز طرح توسط پیمانکار راحت تر انجام شود.

منابع 

ACI 234R-06: Guide for the Use of

Silica Fume in Concrete, 2006