معرفی میکروسیلیس و نحوه عملکرد آن در بتن

میکروسیلیس یا دوده سیلیسی چیست؟

میکروسیلیس یا دوده سیلیسی طبق تعریف ACI 116 و ACI 234 یک نوع سیلیس غیرکریستالی بسیار ریز می‌باشد که در کوره قوس الکتریکی صنایع فروسیلیس به عنوان محصول جانبی ایجاد می‌شود. میکروسیلیس از جمع‌آوری گاز خروجی از دودکش حاصل می‌شود و بنابراین درصد سیلیس آمورف آن بسیار زیاد است و ذرات آن کروی بسیار ریز (بطور متوسط 1/0 تا 2/0 میکرون) هستند. رنگ این ماده معمولا خاکستری (روشن تا تیره) است که وجود ناخالصی‌های کربن یا اکسید آهن رنگ آن را تغییر می‌دهد. چگالی ذرات آن حدود 2.2 است و چگالی فله‌ای آن بسته به میزان متراکم کردن آن حدود 150 تا 700 کیلوگرم در مترمکعب می‌باشد. ریزی ذرات آن گاهی به کمر از یک صدم ذرات سیمان نیز می‌رسد. مشخصات فیزیکی و شیمیایی میکروسیلیس مصرفی در بتن در استاندارد آمریکایی ASTM C1240، استاندارد ملی INSO 13278 و استاندارد اروپایی EN 13263 بیان شده است.

به علت وجود سیلیس آمورف بسیار زیاد در این ماده، میکروسیلیس به عنوان یک ماده با خواص پوزولانی زیاد برای بهبود ویژگی‌ها و خواص مکانیکی و دوامی بتن، استفاده می‌شود. قابل ذکر است که نباید میکروسیلیس یا دوده سیلیسی (Silica Fume / Microsilica) را با سیلیس میکرونیزه (Micronized Silica)، اروزیل یا سیلیس پیروژنیک (Fumed Silica) اشتباه گرفت.

این ماده در ادبیات فنی اروپایی به نام میکروسیلیس (Microsilica) و در ادبیات فنی آمریکایی به نام دوده سیلیسی (Silica Fume) شناخته می‌شود.

میکروسیلیس در بتن چگونه عمل می‌کند؟

تاثیرات میکروسیلیس در بتن به دو صورت فیزیکی و شیمیایی اتفاق می‌افتد.

از نظر فیزیکی، میکروسیلیس به علت ریزی و نیاز آبی زیاد، باعث خمیری‌تر و سفت‌تر شدن بتن و کاهش آب انداختگی و جداشدگی می‌شود. همچنین ذرات ریز میکروسیلیس اصطلاحا با ایجاد مناطق هسته‌زایی، منجر به افزایش سرعت واکنش‌های سیمان می‌شوند. همچنین این ذرات با قرارگیری بین ذرات سیمان، بطور فیزیکی باعث افزایش تراکم جسم بتن و درنتیجه کاهش تخلخل می‌گردند. بطور میانگین، استفاده از 7 تا 8 درصد میکروسیلیس جایگزین سیمان، حدود 1میلیون ذره میکروسیلیس به ازای هر ذره سیمان وارد بتن می‌کند.

ازنظر شیمیایی، میکروسیلیس به عنوان یک ماده پوزولانی با فعالیت زیاد، در خمیر سیمان با هیدروکسید کلسیم (CH) یا آهک هیدراته ایجاد شده در آن واکنش می‌دهد و ژل سیلیکات کلسیمی (CSH) ایجاد می‌کند. از آنجا که CH از نظر مقاومتی و دوامی چندان مطلوب نیست، این تبدیل شدن به CSH می‌تواند خواص مقاومتی و دوامی بتن را به شدت بهبود دهد. شاید یکی از مهم‌ترین تاثیرات میکروسیلیس، بهبود ناحیه انتقالی (محل اتصال خمیر سیمان و سنگدانه) باشد که با کاهش همزمان تخلخل و همچنین افزایش تراکم CSH در این ناحیه، کیفیت این ناحیه ضعیف و بحرانی بهبود می‌یابد. از طرف دیگر، میکروسیلیس می‌تواند منجر به افزایش برخی انواع جمع‌شدگی در بتن شود. و همچنین با مصرف CH داخل بتن، pH آن را تا حدی کاهش دهد و فضای شیمیایی بتن را ناپایدارتر نماید.

مزایای شگفت انگیز و تاثیرات استفاده از میکروسیلیس در بتن

امروزه در بتن‌های ویژه و توانمند، میکروسیلیس یکی از گزینه‌های اصلی استفاده می‌باشد. در بتن‌های خودتراکم، بتن‌های پرمقاومت، بتن‌های آب‌بند، بتن‌های نمادار (اکسپوز)، بتن‌های با دوام بویژه محیط خورنده کلریدی، و غیره استفاده از میکروسیلیس بسیار مرسوم و گاهی اجتناب‌ناپذیر است.

افزایش چشمگیر مقاومت فشاری بتن

استفاده صحیح از میکروسیلیس در بتن می‌تواند منجر به افزایش مقاومت‌های مکانیکی بتن بویژه مقاومت فشاری آن تا بیش از 30 درصد (در نسبت آب به موادسیمانی ثابت) گردد. این افزایش معمولا در سنین کمتر، چشمگیرتر می‌باشد. بطور معمول میکروسیلیس در میزان مصرف کمتر از 4 تا 5 درصد نسبت به مواد سیمانی، ممکن است تاثیر زیادی بر مقاومت فشاری نداشته باشد. اما هرچه میزان مصرف آن افزایش می‌یابد، میزان تاثیر آن بر مقاومت فشاری افزایش پیدا می‌کند. در بتن‌های با مقاومت بسیار زیاد یا در بتن‌های فوق توانمند، گاهی میزان مصرف میکروسیلیس تا بیش از 25 درصد نیز می‌باشد. در بتن‌های معمولی و پرمقاومت که بطور صنعتی قابل تولید هستند، میزان مصرف میکروسیلیس معمولا بین 5 تا 10 درصد وزن مواد سیمانی می‌باشد.

کاهش شدید نفوذپذیری در برابر آب و یون‌های مهاجم و خورنده

مهم‌ترین دلیل استفاده از میکروسیلیس در بتن، تاثیر در افزایش دوام بتن است. میکروسیلیس به علت اندرکنش‌های فیزیکی و شیمیایی بیان شده، می‌تواند نفوذپذیری بتن را در برابر آب و انواع یون‌ها کاهش دهد.

برای بهبود دوام بتن با استفاده از میکروسیلیس، مصرف حداقل 4 تا 5 درصد میکروسیلیس ضروری است. مصرف کمتر میکروسیلیس از حداقل ذکر شده، گاهی حتی تاثیرات نامطلوب بر برخی جنبه‌های دوام از جمله نفوذپذیری دارد. در نشریه 55 (مشخصات فنی عمومی کارهای ساختمانی سال 1403) و آیین‌نامه بتن ایران (جلد دوم نشریه 120 سال 1400)، علاوه بر کاهش نسبت آب به مواد سیمانی، از میکروسیلیس به عنوان ماده مکمل سیمانی برای کاهش نفوذپذیری آب و یون کلرید، افزایش دوام در برابر خوردگی و افزایش مقاومت سایشی بتن، به میزان مصرف 5 تا 10 درصد اشاره شده است.

میکروسیلیس از نظر شیمیایی با مصرف آهک هیدراته در بتن و تبدیل آن به ماده مشابه ژل سیمان (CSH)، و از نظر فیزیکی با قرارگیری بین ذرات درشت‌تر و کاهش فضاهای خالی، منجر به کاهش نفوذپذیری بتن می‌شود. همچنین ساختار میکروسیلیس به نحوی است که به صورت شیمیایی و فیزیکی منجر به کاهش نفوذ و انتشار یون‌ها بویژه یون کلرید می‌شود. در ضمن میکروسیلیس با افزایش شدید مقاومت الکتریکی بتن، مقاومت میلگردهای داخل بتن در برابر خوردگی کلریدی را افزایش می‌دهد. استفاده از میکروسیلیس در بتن می‌تواند خطرات ناشی از واکنش‌زایی سنگدانه‌ها با قلیایی‌های سیمان را نیز کاهش دهد.

بهبود برخی خواص بتن تازه

استفاده از میکروسیلیس در بتن بر برخی خواص بتن تازه تاثیرگذار است. همانطور که بیان شد، استفاده از میکروسیلیس به میزان بیش از 4 تا 5 درصد وزن مواد سیمانی، منجر به افزایش شدید نیاز آبی در بتن می‌شود و بنابراین استفاده از افزودنی‌های فوق‌روان‌کننده همراه با مصرف میکروسیلیس ضروری می‌باشد. بتن حاوی میکروسیلیس معمولا چسبناک‌تر و خمیری‌تر است و به همین علت آب‌انداختگی و جداشدگی در این بتن‌ها کاهش می‌یابد. رنگ بتن‌های حاوی میکروسیلیس معمولا تیره‌تر می‌باشد. استفاده از میکروسیلیس به تنهایی، معمولا تاثیر چندانی بر زمان گیرش یا افت اسلامپ و افت روانی در طول زمان ندارد. استفاده از میکروسیلیس می‌تواند ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی خمیری را افزایش دهد، بنابراین جلوگیری از تبخیر از سطح بتن در بتن‌های حاوی میکروسیلیس، بسیار با اهمیت‌تر می‌باشد.

در بتن‌های حاوی مواد حباب‌زا، در صورت استفاده از میکروسیلیس، مقدار مصرف افزودنی حباب‌زا برای دستیابی به مقدار حباب مشخص در بتن، افزایش می‌یابد.

همچنین استفاده از میکروسیلیس در مقادیر کمتر از حدود 4 تا 5 درصد وزن مواد سیمانی، می‌تواند منجر به بهبود کارایی و پمپ‌پذیری در بتن شود.

کاهش شدید خوردگی میلگرد در بتن

استفاده از میکروسیلیس در بتن آرمه، به دو علت به کاهش شدید خوردگی در بتن منجر می‌شود. اولین دلیل، کاهش نفوذپذیری و کاهش ضریب انتشار بتن در برابر آب و یون کلرید است که باعث می‌شود مدت زمان نفوذ یون کلرید تا رسیدن به مقدار بحرانی، به شدت افزایش یابد. همچنین پس از آغاز خوردگی میلگرد در بتن، میکروسیلیس به علت افزایش قابل توجه مقاومت الکتریکی بتن، سرعت خوردگی را نسبت به حالت نبود آن، به شدت کاهش می‌دهد.

روش‌های مصرف میکروسیلیس در بتن

میکروسیلیس در بازار مصرف به شکل‌های مختلفی وجود دارد که می‌توان به شکل پودری سبک، پودری متراکم‌شده، پودری گرانول‌شده، و دوغاب‌شده (یا اصطلاحا ژل میکروسیلیس) اشاره کرد. در اصطلاح بازار ایران، به مخلوط میکروسیلیس و آب، دوغاب میکروسیلیس گفته می‌شود و اگر حاوی فوق‌روان‌کننده نیز باشد، از اصطلاح ژل میکروسیلیس استفاده می‌شود. در دنیا به هر دو حالت، دوغاب (Slurry) گفته می‌شود.

پودر میکروسیلیس

پودر میکروسیلیس پس از جمع‌آوری از محل خروجی دودکش، یک پودر بسیار ریز با چگالی انبوهی بسیار کم است. این ویژگی‌ها باعث می‌شود جابجایی، بسته‌بندی و حمل و نقل این نوع میکروسیلیس به سختی انجام شود و پرهزینه باشد. استفاده از این نوع میکروسیلیس در سیستم‌های معمول جابجایی (اسکرو، سیلو، بونکر و غیره)، بسیار پردردسر است. بسته‌بندی در کیسه‌های بزرگ (جانبوبگ) برای این نوع میکروسیلیس معمول‌تر می‌باشد اما پرکردن و تخلیه آن همراه با گرد و غبار زیاد می‌باشد و به علت چگالی انبوهی کم، هزینه حمل آن زیاد است.

برای حل برخی مشکلات مصرف میکروسیلیس، از متراکم کردن آن استفاده می‌شود. میکروسیلیس متراکم همچنان بصورت پودری است اما چگالی انبوهی آن افزایش یافته است. بنابراین هزینه‌های حمل و جابجایی و همچنین گرد و غبار ایجاد شده به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. این نوع میکروسیلیس قابلیت حمل با بونکر و اسکرو را دارد و راحت‌تر از سیلو تخلیه می‌شود. هرچند میکروسیلیس به علت سختی ذاتی، عامل سایش و فرسایش سطوح سیلو، اسکرو و تجهیزات بونکر می‌باشد.

میکروسیلیس گرانولی نیز نوع دیگری از پودر میکروسیلیس است که ذرات میکروسیلیس به تعداد زیاد کنار هم قرار داده شده‌اند و چگالی انبوهی آن بسیار افزایش یافته و گرد و غبار مصرف آن تقریبا حذف می‌شود.

دوغاب/ژل میکروسیلیس

در برخی موارد، برای راحتی مصرف و حتی حمل و نقل میکروسیلیس، از مخلوط از پیش آماده شده میکروسیلیس و آب (دوغاب میکروسیلیس) و حتی گاهی مقداری فوق‌روان‌کننده (اصطلاحا ژل مکیروسیلیس) استفاده می‌شود. تهیه این دوغاب یا ژل، نیاز به تجهیزات توزین، اختلاط، تخلیه و گاهی بسته‌بندی دارد و باعث تحمیل هزینه‌های اضافی می‌شود اما مصرف، جابجایی و حمل و نقل را راحت‌تر می‌کند.

دوغاب یا ژل را معمولا تولیدکنندگان محصولات شیمیایی ساختمان، تولید می‌کنند اما در برخی پروژه‌های بزرگ، از تجهیزات دوغاب‌ساز برای مصرف پروژه استفاده می‌شود. استفاده از این تجهیزات معمولا در پروژه‌های کوچک و متوسط توجیه اقتصادی و فنی ندارد و معمولا از تولیدکنندگان دوغاب یا ژل، محصول مدنظر تهیه می‌شود.

انتخاب روش مصرف

تصمیم به استقاده از میکروسیلیس بصورت پودری بطور مستقیم در بچینگ یا استفاده از دوغاب یا ژل آماده یا تولید آن در پروژه، یک تصمیم فنی، مدیریتی و اقتصادی می‌باشد.

در صورتی‌که بنا بر استفاده از میکروسیلیس پودری باشد، نوع بچینگ باید از نوع پره جدا از بدنه و ترجیحا دو محوره (Twin Shaft) باشد. ذخیره‌سازی، انبار و انتقال به بچینگ یا باید در سیلوی مخصوص و با اسکرو باشد یا بصورت کیسه‌های بزرگ و تخلیه مستقیم داخل بچینگ باشد که در هر صورت نیاز به اصلاحاتی در روش‌های معمول دارد.

در صورتی‌که تصمیم بر ساخت دوغاب در کارگاه یا پروژه باشد، باید تجهیزات نگهداری، حمل، توزین، تخلیه و اختلاط ویژه میکروسیلیس و دوغاب آن پیش‌بینی شود و مخازن نگهداری دوغاب که بطور مداوم تلاطم را در دوغاب ایجاد کند (با همزن یا پمپ)، لازم است. تیم تولید، نگهداری تجهیزات و کنترل کیفیت مربوط به دوغاب نیز باید مدنظر قرار گیرد. معمولا برای پروژه‌های کوچک و متوسط، استقرار این سیستم از نظر فنی، مدیریتی و اقتصادی به صرفه نیست، اما در پروژه‌های بزرگ، ازنظر فنی و اقتصادی استفاده از سیستم دوغاب ساز به صرفه است اما ممکن است بنابر شرایط پروژه، ازنظر مدیریتی این امر به صرفه نباشد.

سوالات متداول (FAQ)

میزان مصرف میکروسیلیس در بتن چقدر است؟

طبق آیین‌نامه بتن ایران و سایر آیین‌نامه معتبر داخلی و بین‌المللی، از نظر فنی برای مقاصد مقاومتی و دوامی، استفاده از حداقل 4 تا 5 درصد میکروسیلیس (معادل مقدار پودری آن) نسبت به مواد سیمانی، توصیه شده است و حداکثر آن معمولا به 10 درصد محدود می‌شود. البته استفاده از مقادیر کمتر مکیروسیلیس می‌تواند تاثیرات مثبتی بر کارایی و برخی خواص بتن تازه داشته باشد اما باید تاثیرات و مضرات آن بر برخی ویژگی‌های بتن سخت شده (نظیر مقاومت و دوام) مدنظر قرار داشته باشد.

آیا میکروسیلیس جایگزین سیمان می‌شود؟

معمولا مقدار مصرف میکروسیلیس برحسب میزان جایگزینی سیمان در مجموع مواد سیمانی بیان می‌شود. بطور مثال اگر مقدار مجموع مواد سیمانی مصرفی 400 کیلوگرم در مترمکعب و مقدار جایگزینی میکروسیلیس 5 درصد مدنظر باشد، مقدار سیمان و میکروسیلیس به ترتیب 380 و 20 کیلوگرم در مترمکعب خواهد بود. از آنجا که واکنش میکروسیلیس با آهک تولیدی حاصل از واکنش‌های سیمان، پیش می‌رود، بنابراین میکروسیلیس می‌تواند جایگزین بخشی از سیمان گردد.

تاثیر میکروسیلیس بر رنگ بتن چیست؟

رنگ میکروسیلیس در اثر وجود ناخالصی‌های کربن یا اکسید آهن بطور معمول خاکستری روشن تا تیره است. استفاده از میکروسیلیس در بتن با توجه به رنگ سیمان، می‌تواند رنگ بتن را تیره‌تر کند.