راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن بخش سوم : کاربرد میکروسیلیس در بتن‌های با عملکرد بالا

در دهه‌های اخیر، استفاده از میکروسیلیس به‌عنوان یک ماده پوزولانی در صنعت بتن نقش برجسته‌ای یافته است. این افزودنی معدنی با ذراتی فوق‌العاده ریز و سطح فعال بالا، تأثیر بسزایی در بهبود خواص مکانیکی، دوام، و پایداری بتن در برابر عوامل مهاجم دارد. این مقاله با تکیه بر فصول ۷، ۸ و ۹ کتاب راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن و نیز مقالات علمی تکمیلی، به بررسی جامع فرآیند تولید، نحوه اجرای صحیح، و ملاحظات بهداشتی و ایمنی مرتبط با استفاده از میکروسیلیس در بتن می‌پردازد.

در پایان، مقاله با نتیجه‌گیری مبتنی بر داده‌های علمی، راهکارهایی برای بهینه‌سازی کاربرد این ماده در پروژه‌های عمرانی ارائه می‌دهد.ما در فصل های قبل با نگاهی بر کتاب راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن در دو مقاله راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن بخش اول  و  راهنمای کاربر میکروسیلس در بتن بخش دوم به بررسی اطلاعات مورد نیاز جهت راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن پرداختیم. پیشنهاد می­شود برای نتیجه گیری بهتر، ابتدا دو مقاله بالا مطالعه شود و سپس این مقاله که بخش پایانی از کتاب راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن است بررسی شود.

افزایش پیچیدگی سازه‌های مهندسی، نیاز به مصالح ساختمانی مقاوم‌تر و بادوام‌تر را دوچندان کرده است. در این میان، بتن به‌عنوان پرکاربردترین مصالح ساختمانی، همواره در معرض نوآوری و ارتقاء ترکیبات بوده است. یکی از این نوآوری‌ها، استفاده از مواد پوزولانی واکنش‌پذیر مانند میکروسیلیس (Microsilica) در ترکیب بتن است.

میکروسیلیس محصول جانبی فرآیند تولید فروسیلیکون یا سیلیکون متال است. این ماده با ذراتی به اندازه کمتر از ۱ میکرون (تقریباً ۱۰۰ برابر کوچک‌تر از ذرات سیمان) و با بیش از ۸۵٪ دی‌اکسید سیلیکون آمورف، یکی از مؤثرترین افزودنی‌های معدنی در بتن‌های با عملکرد بالا به شمار می‌رود.

هدف این مقاله، تحلیل جامع و کاربردی از سه حوزه کلیدی مرتبط با میکروسیلیس است: فرآیند تولید و اختلاط بتن حاوی میکروسیلیس (فصل ۷)، نحوه اجرا و عمل‌آوری (فصل ۸)، و الزامات ایمنی و بهداشتی (فصل ۹). همچنین داده‌های میدانی، مطالعات موردی، و استانداردهای بین‌المللی در راستای غنی‌سازی مقاله مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

تولید بتن حاوی میکروسیلیس

انواع شکل‌های میکروسیلیس

میکروسیلیس در سه شکل متداول به بازار عرضه می‌شود:

• پودر متراکم (Densified): رایج‌ترین شکل تجاری که از لحاظ حمل‌ونقل، انبارش و استفاده در کارگاه مزایای بیشتری دارد.
• پودر غیرمتراکم: دارای توزیع یکنواخت‌تر ولی گرد و غبار زیاد و ریسک بالاتر برای ایمنی شغلی.
• دوغاب (Slurry): ترکیب میکروسیلیس با آب که بیشتر در کارخانه‌های قطعات پیش‌ساخته کاربرد دارد.
• ژل میکروسیلیس: ژل میکروسیلیس در واقع از میکروسیلیس و روان کننده های بر پایه پلی کربوکسیلات اتر ساخته شده است که از مزایای حضور همزمان میکروسیلیس و روان کننده در کنار هم بهره می­برد.

ذخیره‌سازی و حمل

میکروسیلیس باید در سیلوهای خشک و با تهویه مناسب نگهداری شود. ورود رطوبت به مخزن باعث چسبندگی ذرات و انسداد لوله‌ها در حین انتقال می‌شود. برای انتقال پودری، سیستم‌های پنوماتیک رایج هستند که باید با فیلتر گردوغبار همراه باشند.

توزین دقیق و دوزینگ

مقدار بهینه میکروسیلیس در مخلوط بتن معمولاً بین ۵٪ تا ۱۵٪ وزن سیمان است. سیستم‌های توزین اتوماتیک و سنسورهای دیجیتال دقت لازم را فراهم می‌کنند. با توجه به کتاب راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن، استفاده نادرست از میزان میکروسیلیس ممکن است منجر به کاهش کارایی یا افزایش ویسکوزیته شود.تعیین دوز مناسب و نحوه اختلاط حتما باید زیر نظر کارشناسان انجام شود.

فرآیند اختلاط

به دلیل سطح ویژه بالا، پراکندگی و اختلاط میکروسیلیس در بتن به زمان و انرژی بیشتری نسبت به سیمان معمولی نیاز دارد. میکسرهای پن‌تیپ یا محور افقی عملکرد بهتری در همگن‌سازی دارند. زمان اختلاط به طور معمول بین ۷ تا ۱۰ دقیقه است. روان‌کننده‌های بر پایه پلی‌کربوکسیلات برای حفظ اسلامپ بتن ضروری هستند.این روان کننده ها با معلق نگه داشتن ذرات میکروسیلیس موجب اختلاط بهتر و عدم ته نشینی میکروسیلیس در مخلوط بتنی خواهند شد.

اجرای بتن حاوی میکروسیلیس

قالب‌بندی و ریختن

میکروسیلیس به دلیل چسبندگی بالا باعث افزایش مقاومت در برابر جداشدگی می‌شود. با این حال، به علت کاهش روانی بتن، استفاده از فوق‌روان‌کننده‌ها برای ریختن در قالب‌های پیچیده یا با تراکم آرماتور بالا الزامی است.با نگاهی برکتاب راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن، مشخص می­گردد برای رسیدن به دوز مناسب فوق روان کننده و میکرو سیلیس برای رسیدن به ایده آل ترین نتیجه، قطعاً مشورت با کارشناسان و متخصصان اجتناب ناپذیر است.

تراکم بتن

ویسکوزیته بالای بتن میکروسیلیسی احتمال حبس هوا را افزایش می‌دهد. بنابراین استفاده از ویبراتورهای با فرکانس بالا و کنترل دقیق زمان تراکم برای جلوگیری از ایجاد حفرات ضروری است.

پرداخت نهایی

کاهش شدید bleeding در بتن حاوی میکروسیلیس باعث می‌شود سطح بتن سریع‌تر برای پرداخت آماده شود. این ویژگی در پروژه‌هایی با زمان‌بندی فشرده مانند روکش پل‌ها و باند فرودگاه‌ها کاربرد دارد.

عمل‌آوری

واکنش‌های پوزولانی میکروسیلیس در حضور رطوبت و در زمان کافی صورت می‌گیرند. عمل‌آوری مرطوب به مدت حداقل ۷ روز با استفاده از گونی خیس، مه‌پاشی یا مواد غشایی الزامی است. در پروژه‌های پیش‌ساخته، از عمل‌آوری بخار استفاده می‌شود.

خواص بتن حاوی میکروسیلیس

مقاومت فشاری

با افزودن ۱۰٪ میکروسیلیس به مخلوط، افزایش مقاومت فشاری تا ۳۰٪ نسبت به بتن معمولی گزارش شده است. این افزایش ناشی از واکنش با Ca(OH)₂ و تشکیل ژل C-S-H اضافی است.

نفوذپذیری

نفوذپذیری آب، کلرید و سایر یون‌های مهاجم در بتن میکروسیلیسی به شدت کاهش می‌یابد. آزمون RCPT نشان داده که مقدار عبور جریان در بتن‌های میکروسیلیسی کمتر از ۱۰۰۰ کولن است (در مقابل بیش از ۳۰۰۰ در بتن معمولی).

حمله اسیدی یا سایر حمله های شیمیایی. پایدار بتن میکروسیلیسی در برابر حمله مواد شیمیایی خورنده تفاوت چندانی با بتن حاوی سیمان پرتلند معمولی ندارد. با این وجود نفوذپذیری کاهش یافته بتن میکروسیلیسی عمر سازه بتنی یا دوره زمانی بین تعمیرات را با کم کردن سرعت حمله افزایش میدهد. در صورتی که در یک پروژه محافظت در مقابل ماده شیمیایی خاصی الزامی باشد، آزمایش نمونه های حاوی مقادیر مختلف میکروسیلیس در برابر آن ماده شیمیایی شدیدا توصیه می شود.

کاهش نفوذپذیری تنها اثر میکروسیلیس بر دوام نیست. دلیل محکمی وجود دارد که وقتی این ماده به تنهایی یا با یک خاکستر بادی مناسب بکار میرود، احتمال واکنش قلیایی-مصالح سنگی را در مواردی که مصالح سنگی واکنش پذیر مصرف شده اند، حذف میکند یا کاهش میدهد. با توجه به کتاب راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن، مجددا انجام آزمایش برای تعیین مقادیر و انواع مناسب مواد سیمانی مصرفی در هر زمینه کاربردی توصیه میشود.

دوام در برابر محیط‌های خورنده

بتن میکروسیلیسی مقاومت بالایی در برابر حملات سولفاتی، اسیدی و واکنش قلیایی-سیلیسی دارد. همچنین این بتن در سیکل‌های یخ‌زدگی و ذوب، پایداری بالاتری از خود نشان می‌دهد.

توجه کنید که آسیب خوردگی در بتن در چند مرحله زیر اتفاق می افتد:

1- یونهای کلرید به آرامی وارد بتن شده و به سطح فولاد مسلح کننده می رسند. خوردگی وقتی شروع می شود که مقدار معینی کلرید که به آن مقدار حدی می گویند، به سطح فولاد برسد.

2- هنگامی که یونهای آهن از فولاد مسلح کننده جدا میشوند، در چند مرحله اکسید یا دچار زنگ زدگی میشوند. در هر مرحله حجم آهن افزایش می یابد

3- مدامی که مقدار زنگ زدگی افزایش می یابد، لکه های زنگ زدگی روی سطح بتن مشاهده می شوند. سپس ترک خوردگی مشاهده میشود. سرانجام ترک خوردگی سبب ورقه ورقه شدن و قلوه کن شدن پوشش بتنی روی فولاد مسلح کننده می شود.

در بسیاری از موارد، دوام بتن با نفوذپذیری ان رابطه مستقیم دارد. میکروسیلیس در کاهش نفوذپذیری بتن نقش دارد. با کاهش نفوذپذیری، مدت زمان لازم برای ورود مواد شیمیایی خورنده به بتن که می توانند به بتن آسیب برسانند کاهش می یابد.  بتن های میکروسیلیسی بطور گسترده در مناطقی که بتن در معرض نمک از هر منبعی قرار دارد، به کار میروند. نفوذپذیری کاهش یافته این بتن میتواند طول عمر مورد انتظار برای سازه را افزایش دهد.

ملاحظات بهداشتی و ایمنی

خطرات ناشی از گردوغبار میکروسیلیس

استنشاق ذرات میکروسیلیس ممکن است منجر به تحریک ریوی یا بیماری‌هایی مانند سیلیکوزیس شود. گرچه شکل آمورف آن کم‌خطرتر از کریستالی است، اما استفاده از تجهیزات حفاظت فردی الزامی است

• استفاده از وسایل ایمنی: هنگام کار با پودر میکروسیلیس، استفاده از ماسک تنفسی مناسب (ماسک N95 یا بالاتر)، دستکش، عینک ایمنی و لباس کار ضروری است.
• تهویه مناسب: در محل کار با پودر میکروسیلیس، از تهویه مناسب برای جلوگیری از تجمع ذرات معلق در هوا استفاده نمایید.
• نگهداری صحیح: پودر میکروسیلیس را در بسته بندی‌های دربسته و در محیط خشک و خنک نگهداری کنید. از ریختن و پراکنده شدن میکروسیلیس پودری در محیط کار خودداری نمایید.
• شستشوی مناسب: پس از اتمام کار با انواع میکروسیلیس، لباس‌های کار خود را بشویید و دوش بگیرید تا از باقی ماندن ذرات پودر روی بدن جلوگیری شود.

با رعایت این نکات ایمنی می‌توانید از خطرات ناشی از کار با  میکروسیلیس پیشگیری کرده و به سلامت کارگران و ایمنی آن‌ها احترام بگذارید.

الزامات قانونی و استانداردها

بر اساس مقررات OSHA، حداکثر مجاز تماس با ذرات سیلیس غیرکریستالی 6 mg/m³ است. تجهیزات ایمنی شامل ماسک فیلتر دار، عینک، لباس یکبارمصرف، و تهویه موضعی باید در محل حمل و اختلاط استفاده شود.

آموزش نیروی انسانی

آموزش کارگران در خصوص خواص خطرناک، روش‌های حمل ایمن، و اقدامات واکنشی در صورت تماس، یکی از عوامل کلیدی موفقیت ایمنی در پروژه‌های بتن میکروسیلیسی است.

مطالعات موردی

پل پیش‌تنیده در واشنگتن

در این پروژه از بتن میکروسیلیسی با مقاومت فشاری ۱۲۰ مگاپاسکال استفاده شد. دوام بتن در برابر کلرید تا ۵ برابر افزایش یافت و نیاز به لایه‌های ضدزنگ کاهش پیدا کرد.

با افزایش مقاومت بتن می توان اندازه ستون را کاهش داد. علاوه بر کاهش اندازه ستون میتوان مقدار فولاد مسلح کننده مصرفی در ستونها را کاهش داده و از سیستم مسلح کننده ساده تری استفاده کرد. در مجموع فضای کف بیشتری بوجود می آید که در نواحی شهری مزیت اقتصادی مهمی محسوب می شود.

اخیرا اداره های راه و ترابری ایالات متحده در ساخت پلهای با عملکرد بالا از بتن با مقاومت بالا استفاده کرده است. این اداره ها در حالت کلی، این نوع بتن را برای حصول یک یا چند هدف از سه هدف زیر به کار برده اند:

افزایش دهانه پل

کاهش تعداد شاه تیرها

کاهش ارتفاع مقطع برای یک دهانه معین

ایستگاه ساحلی در خلیج فارس

در یک پروژه دریایی، استفاده از ۱۲٪ میکروسیلیس در بتن موجب کاهش نفوذپذیری به کلریدها تا ۸۰٪ شد و عمر سازه به بیش از ۷۰ سال افزایش یافت.

نتیجه‌گیری

با توجه به کتاب راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن، میکروسیلیس یکی از افزودنی‌های پرکاربرد در مخلوط بتن است که باعث ایجاد بهبود عملکرد دوام بتن، افزایش مقاومت آن، ایجاد آب‌بندی مناسب و… می‌شود. میکروسیلیس افزودنی مؤثری برای ارتقاء کیفیت بتن است که با طراحی دقیق، اجرای حرفه‌ای و رعایت الزامات ایمنی می‌توان از پتانسیل کامل آن بهره‌برد.

اما در عین حال باید توجه داشت برای بهره مندی از تمام مزایای میکروسیلیس و به حداقل رساندن عوارض جانبی آن، حتما باید در خصوص دوز مصرف، نوع مصرف، نحوه اختلاط و… با متخصصین مشورت نمود. برای این منظور می­توانید با مشاوران ما در سایت های بتنو و ایران بتن در ارتباط باشید.

ما در یک سلسله مقاله تلاش نمودیم با نگاهی بر کتاب راهنمای کاربر میکروسیلیس در بتن به بررسی اجمالی ابعاد مختلف میکروسیلیس و نقش آن در بتن بپردازیم. همان گونه که اشاره شد میتوانید بخش های اول و دوم این مقاله را نیز برای بررسی بیشتر مطالعه نمایید و همچنین دیگر سلسله مقالات ما به عنوان راهنمای  استفاده از میکروسیلیس در بتن نیز میتواند راهگشای شما در استفاده از این ماده پوزولانی بسیار مفید در صنعت ساختمان باشد

منابع:

1. Holland, T. C. (2005). Silica Fume User’s Manual. FHWA-IF-05-016
2. ASTM C1240-04. Standard Specification for Silica Fume. ASTM International
3. ACI Committee 234. (1996). Guide for the Use of Silica Fume in Concrete. ACI 234R-96
4. Mehta, P. K., & Monteiro, P. J. M. (2014). Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. McGraw-Hill
5. Neville, A. M. (2011). Properties of Concrete. Pearson Education Limited

مقالات ویژه:

بتن الیافی چیست؟ خصوصیات انواع الیاف های بتن  بتن یو اچ پی‌ سی UHPS چیست؟ بررسی کامل مقدار مصرف الیاف پ پ در بتن بتن جی اف آر سی چیست؟ سفید بام الیاف دار چیست؟ HANDBOOK OF LOW CARBON CONCRETE_ راهنمای بتن کم کربن Handbook of recycled concrete and demolition waste_ کتاب راهنمای بتن بازیافتی و ضایعات تخریب Silica fume users manual_ راهنمای مصرف میکروسیلیس Guide to Diagnosis and Appraisal of AAR Damage to Concrete in Structures_راهنمای تشخیص وارزیابی AAR آسیب به بتن در سازه ها Best Practices Guide for High-Volume_راهنمای بهترین روش ها برای حجم بالا