راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن: تأثیر میکروسیلیس بر خواص بتن تازه
بتن، به عنوان اصلی‌ترین ماده ساختمانی در سراسر جهان، همواره در معرض پیشرفت و بهبود خواص بوده است. میکروسیلیس، یک ماده پوزولانی بسیار ریز که از فرآیند تولید آلیاژهای فروسیلیسیم به دست می‌آید، به طور گسترده‌ای برای بهبود خواص بتن، به ویژه در بتن تازه و حالت سخت‌شده، مورد استفاده قرار می‌گیرد. گزارش ACI کمیته 234 با عنوان “راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن”، اطلاعات فنی و کاربردی ارزشمندی را در این زمینه ارائه می‌دهد.ما در یک سلسله مقاله در تلاش هستیم به بررسی نقش میکروسیلیس در بتن بپردازیم. این مقاله، با تمرکز ویژه بر فصل 4 این گزارش، به بررسی دقیق و تخصصی تأثیرات میکروسیلیس بر خواص بتن تازه می‌پردازد و مکانیسم‌های عمل و ملاحظات اجرایی مرتبط با هر خاصیت را تشریح می‌کند .پیشنهاد می کنیم قبل از مطالعه ی این مبحث مقاله راهنمای استفاده ازمیکروسیلیس در بتن بخش اول، راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن بخش دوم و راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن بخش سوم را مطالعه نمایید.
اثرات میکروسیلیس بر خواص بتن تازه
نیاز به آب
افزودن میکروسیلیس به مخلوط بتن، به طور معمول، نیاز به آب را افزایش می‌دهد. این پدیده عمدتاً ناشی از سطح ویژه بسیار بالای ذرات میکروسیلیس است. ذرات ریز میکروسیلیس، به دلیل داشتن سطح بسیار گسترده، آب بیشتری را برای خیس شدن سطح خود و ایجاد روانی مناسب در مخلوط جذب می‌کنند. به عبارت دقیق‌تر، سطح وسیع این ذرات، اصطکاک داخلی بین اجزای بتن را افزایش داده و در نتیجه، برای دستیابی به کارایی مطلوب، آب بیشتری مورد نیاز است.
حفظ یا کاهش نسبت آب به مواد سیمانی (w/c) برای تولید بتن با عملکرد بالا و دوام مناسب، از اهمیت بالایی برخوردار است. این نسبت، تأثیر مستقیم بر مقاومت، نفوذپذیری و سایر خواص بتن دارد. برای جبران افزایش نیاز به آب ناشی از افزودن میکروسیلیس و حفظ نسبت w/c در محدوده مطلوب، استفاده از مواد افزودنی کاهنده آب (WRAs) و به ویژه فوق روان‌کننده‌ها (HRWRAs) ضروری است.
فوق روان‌کننده‌ها، که به عنوان کاهنده‌های قوی آب عمل می‌کنند، امکان کاهش قابل توجه آب اختلاط را فراهم می‌آورند. این مواد افزودنی با پراکنده کردن ذرات سیمان و میکروسیلیس، روانی بتن را افزایش داده و نیاز به آب اضافی را به حداقل می‌رسانند. در نتیجه، می‌توان با استفاده از فوق روان‌کننده‌ها، ضمن حفظ یا کاهش نسبت w/c، به کارایی و روانی مطلوب بتن حاوی میکروسیلیس دست یافت.
در کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن به این نکته مهم اشاره دارد که میزان افزایش آب مورد نیاز در بتن حاوی میکروسیلیس، تحت تأثیر عوامل متعددی از جمله ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی میکروسیلیس، میزان مصرف آن و سایر اجزای مخلوط بتن قرار دارد. به طور خاص، هر چه سطح ویژه میکروسیلیس بیشتر باشد، یعنی ذرات آن ریزتر و سطح کل آن‌ها بیشتر باشد، نیاز به آب برای دستیابی به روانی یکسان، افزایش می‌یابد. این موضوع، انتخاب نوع میکروسیلیس و تعیین مقدار دقیق فوق روان‌کننده را در طرح مخلوط بتن، حیاتی می‌سازد.
کارایی و روانی
میکروسیلیس تأثیر قابل توجهی بر کارایی و روانی بتن تازه دارد. به طور کلی، بتن حاوی میکروسیلیس در مقایسه با بتن معمولی، چسبنده‌تر است. این چسبندگی، که به عنوان یک خاصیت رئولوژیکی بتن شناخته می‌شود، ناشی از ذرات بسیار ریز میکروسیلیس است که سطح کل مخلوط را افزایش داده و اصطکاک داخلی بین اجزای آن را بالا می‌برند.
افزایش چسبندگی بتن حاوی میکروسیلیس می‌تواند هم مزایا و هم معایبی به همراه داشته باشد. در برخی کاربردهای خاص، مانند بتن پاششی (شاتکریت)، چسبندگی بالا مطلوب است، زیرا از ریزش و هدر رفتن بتن در سطوح عمودی و شیب‌دار جلوگیری می‌کند. با این حال، در بسیاری از موارد دیگر، به ویژه در بتن‌ریزی قالب‌های پیچیده یا قطعات با آرماتور متراکم، افزایش چسبندگی می‌تواند باعث کاهش کارایی، دشواری در بتن ریزی و تراکم بتن و افزایش احتمال گیر افتادن هوا شود.
برای حفظ کارایی مطلوب و جلوگیری از مشکلات اجرایی در بتن حاوی میکروسیلیس، معمولاً توصیه می‌شود که اسلامپ بتن کمی افزایش یابد. اسلامپ، که معیاری از روانی بتن است، با افزایش میزان آب اختلاط یا استفاده از مواد افزودنی روان‌کننده، قابل تنظیم است. افزایش اسلامپ، روانی بیشتری را فراهم می‌کند و اثر چسبندگی میکروسیلیس را تا حدی جبران می‌کند.
با این حال، افزایش صرف اسلامپ با افزایش آب، می‌تواند منجر به کاهش مقاومت و افزایش نفوذپذیری بتن شود. بنابراین، استفاده از فوق روان‌کننده‌ها، که امکان افزایش روانی را بدون افزایش نسبت w/c فراهم می‌کنند، راهکار بهتری برای بهبود کارایی بتن حاوی میکروسیلیس است. فوق روان‌کننده‌ها با کاهش نیروهای بین ذرات سیمان و میکروسیلیس، روانی بتن را به طور چشمگیری افزایش می‌دهند و امکان بتن‌ریزی آسان‌تر و تراکم بهتر را فراهم می‌سازند.
ACI 234R-06 تأکید می‌کند که تعیین میزان اسلامپ مناسب و مقدار بهینه فوق روان‌کننده برای بتن حاوی میکروسیلیس، نیازمند انجام آزمایش‌های کارگاهی است. این آزمایش‌ها باید با در نظر گرفتن شرایط محیطی (دما، رطوبت)، روش اجرا (پمپ بتن، لوله ترمی)، ابعاد و شکل سازه و نوع آرماتوربندی انجام شوند. به عنوان مثال، در بتن‌ریزی مقاطع نازک یا دارای آرماتور متراکم، اسلامپ بالاتری نسبت به بتن‌ریزی دال‌های ضخیم مورد نیاز است.
افت اسلامپ
افت اسلامپ، به معنای کاهش روانی بتن با گذشت زمان، یک پدیده رایج در بتن تازه است که می‌تواند مشکلات اجرایی متعددی را به همراه داشته باشد. میکروسیلیس می‌تواند بر میزان و سرعت افت اسلامپ بتن تأثیر بگذارد، اما این تأثیر پیچیده است و به عوامل مختلفی از جمله نوع و مقدار میکروسیلیس، نوع سیمان، دما و استفاده از سایر مواد افزودنی بستگی دارد.
در برخی موارد، میکروسیلیس می‌تواند باعث افزایش افت اسلامپ شود. این امر به ویژه در بتن‌های با نسبت w/c پایین و حاوی درصد بالایی از میکروسیلیس مشاهده می‌شود. دلیل این پدیده، واکنش پوزولانی میکروسیلیس است که با گذشت زمان، محصولات هیدراتاسیون بیشتری را تولید کرده و چسبندگی مخلوط را افزایش می‌دهد. این افزایش چسبندگی، روانی بتن را کاهش داده و افت اسلامپ را تسریع می‌کند.
با این حال، استفاده از فوق روان‌کننده‌ها، به ویژه فوق روان‌کننده‌های دیرگیر، می‌تواند اثر منفی میکروسیلیس بر افت اسلامپ را کاهش دهد. فوق روان‌کننده‌های دیرگیر، هیدراتاسیون اولیه سیمان را به تأخیر انداخته و روانی بتن را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کنند. این مواد افزودنی، امکان بتن‌ریزی و تراکم مناسب بتن را حتی در شرایطی که فاصله زمانی بین اختلاط و جایگذاری بتن طولانی است، فراهم می‌سازند.
ACI 234R-06 توصیه می‌کند که برای ارزیابی دقیق تأثیر میکروسیلیس بر افت اسلامپ و تعیین زمان مناسب برای بتن‌ریزی، آزمایش‌های دوره‌ای بر روی بتن تازه در شرایط کارگاهی انجام شود. این آزمایش‌ها، که معمولاً شامل اندازه‌گیری اسلامپ در فواصل زمانی مشخص هستند، به تعیین نیاز به افزودن مجدد فوق روان‌کننده یا تغییر در طرح مخلوط بتن کمک می‌کنند.
زمان گیرش
میکروسیلیس به طور کلی تأثیر قابل توجهی بر زمان گیرش بتن ندارد. زمان گیرش، که به مدت زمان لازم برای سفت شدن بتن اشاره دارد، تحت تأثیر عوامل متعددی از جمله نوع و مقدار سیمان، دما، نسبت w/c و استفاده از مواد افزودنی شیمیایی قرار دارد. در برخی موارد، میکروسیلیس ممکن است باعث تسریع جزئی در گیرش بتن شود، اما این تأثیر معمولاً ناچیز و از نظرعملی قابل چشم‌پوشی است.
ACI 234R-06 و کتاب “راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن “خاطر نشان می‌کند که در صورت استفاده از میکروسیلیس، زمان گیرش بتن باید مطابق با استانداردهای ملی و بین‌المللی تعیین شود. این استانداردها، روش‌های آزمایشگاهی مشخصی را برای تعیین زمان گیرش اولیه و نهایی بتن ارائه می‌دهند.
جداسازی و آب انداختن
میکروسیلیس به طور کلی باعث کاهش جداسازی و آب انداختن در بتن می‌شود. جداسازی، به جدا شدن اجزای تشکیل دهنده بتن (سنگدانه‌ها، خمیر سیمان و آب) از یکدیگر اشاره دارد، در حالی که آب انداختن، به جمع شدن آب اضافی در سطح بتن پس از جایگذاری گفته می‌شود. هر دو این پدیده‌ها می‌توانند منجر به کاهش کیفیت و دوام بتن شوند.
ذرات ریز میکروسیلیس با پر کردن فضاهای خالی بین ذرات سیمان و سنگدانه، انسجام مخلوط بتن را افزایش داده و از جدا شدن اجزای آن جلوگیری می‌کنند. این ذرات، مانند یک پرکننده عمل کرده و ساختار متراکم‌تری را ایجاد می‌کنند که مقاومت بیشتری در برابر جداسازی دارد.
کاهش آب انداختن، به ویژه در بتن‌های با نسبت w/cm پایین، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. آب انداختن زیاد می‌تواند باعث تشکیل لایه ضعیف در سطح بتن و کاهش چسبندگی بین خمیر سیمان و سنگدانه‌ها شود. میکروسیلیس با کاهش میزان آب آزاد در مخلوط، از این پدیده جلوگیری می‌کند.
ACI 234R-06 بیان می‌کند که میکروسیلیس به ویژه در تولید بتن‌های خود متراکم (SCC) مفید است. این نوع بتن‌ها، که به دلیل روانی بالا، مستعد جداسازی هستند، با استفاده از میکروسیلیس، انسجام بیشتری پیدا کرده و خطر جداسازی در آن‌ها کاهش می‌یابد.
حباب هوا
میکروسیلیس می‌تواند بر میزان و پایداری حباب هوا در بتن تأثیر بگذارد. حباب‌های هوا، که به طور عمدی با استفاده از مواد افزودنی هوازا در بتن ایجاد می‌شوند، نقش مهمی در افزایش مقاومت بتن در برابر یخ‌زدگی و آب‌شدگی دارند.
ذرات ریز میکروسیلیس می‌توانند باعث ناپایداری حباب‌های هوا در بتن تازه شوند. این ذرات، با افزایش سطح ویژه مخلوط و تغییر در کشش سطحی، می‌توانند باعث به هم پیوستن و از بین رفتن حباب‌های هوا شوند و در نتیجه، میزان هوای بتن کاهش یابد.
برای تولید بتن مقاوم در برابر چرخه‌های یخ‌زدگی و آب‌شدگی، استفاده از مواد افزودنی هوازا در بتن حاوی میکروسیلیس ضروری است. با این حال، به دلیل تأثیر میکروسیلیس بر حباب‌های هوا، ممکن است نیاز به مقدار بیشتری ماده هوازا برای دستیابی به میزان هوای مطلوب باشد.
ACI 234R-06 توصیه می‌کند که میزان هوای بتن حاوی میکروسیلیس به دقت کنترل شود و آزمایش‌های لازم برای تعیین مقدار بهینه ماده هوازا انجام شود. این آزمایش‌ها، که معمولاً شامل اندازه‌گیری میزان هوای بتن تازه با استفاده از روش‌های استاندارد هستند، برای اطمینان از دوام بتن در شرایط آب و هوایی سرد ضروری هستند.
وزن مخصوص
افزودن میکروسیلیس به مخلوط بتن، به طور جزئی وزن مخصوص بتن تازه را افزایش می‌دهد. این افزایش وزن مخصوص ناشی از وزن مخصوص بالاتر میکروسیلیس نسبت به سیمان است. با این حال، این افزایش معمولاً ناچیز است و تأثیر قابل توجهی بر محاسبات و طراحی سازه ندارد.
میکروسیلیس تأثیرات متعددی بر خواص بتن تازه دارد که درک صحیح آن‌ها برای تولید بتن با کارایی و کیفیت مطلوب ضروری است. با رعایت رهنمودهای ACI کمیته 234 و انجام آزمایش‌های مناسب، می‌توان از مزایای میکروسیلیس در بهبود خواص بتن تازه بهره برد و بتن‌هایی با عملکرد بالا و دوام طولانی تولید کرد. همان گونه که اشاره شد در این سلسله مقالات تلاش داریم با نگاهی بر کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن به بررسی اجمالی نقش میکروسیلیس در صنعت ساختمان بپردازیم .پیشنهاد میکنیم مقالات دیگر با همین عنوان استفاده از میکروسیلیس به دانش و تجربه فنی نیاز دارد. برای اطلاع از شرایط استفاده و دوز مصرف و تهیه ی میکروسیلیس می توانید با مشاوران ما درسایت های بتنو و ایران بتن تماس حاصل نمایید.
منابع:
Guide for the Use of Silica Fume in Concrete Reported by ACI Committee 234
