بررسی سازوکار میکروسیلیس برای اصلاح خواص بتن
ما در یک سلسله مقاله ، با نگاهی بر کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن براساس گزارش 234 ACI قصد داریم به بررسی اجمالی خواص میکروسیلیس بپردازیم. پیشنهاد می شود برای درک بهتر مطالب پیش از مطالعه ی این مطلب، مقالات راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن بخش اول و راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن بخش دوم را مطالعه نمایید.
در این مقاله به بررسی جامع سازوکارهایی می‌پردازیم که از طریق آن میکروسیلیس خواص خمیر سیمان، ملات و بتن را تغییر می‌دهد. میکروسیلیس یک محصول جانبی صنعت فروسیلیسیم، عملکرد بتن را از طریق ترکیبی از اثرات فیزیکی و شیمیایی افزایش می‌دهد. این مقاله این سازوکارها، از جمله اثرات فیزیکی، واکنش‌های شیمیایی، اصلاحات ریزساختاری، خودخشک‌شدگی، جمع‌شدگی خودبه‌خودی، تغییرات در ترکیب آب موجود در منافذ و واکنش با سایر مواد سیمانی و افزودنی‌ها را بررسی می‌کند. درک این سازوکارها برای بهینه‌سازی استفاده از میکروسیلیس در بتن به منظور دستیابی به ویژگی‌های عملکردی مورد نظر بسیار مهم است.
اثرات فیزیکی
میکروسیلیس یک ماده پوزولانی بسیار واکنش‌پذیر است که به یک جزء مهم در فناوری مدرن بتن تبدیل شده است. اثرات فیزیکی میکروسیلیس عمدتاً به اندازه ذرات بسیار ریز آن نسبت داده می‌شود. ذرات میکروسیلیس، با قطر متوسط 0.1 تا 0.2 میکرومتر، به طور قابل توجهی کوچک‌تر از ذرات سیمان هستند. این نرمی منجر به موارد زیر می‌شود:
- تراکم ذرات: ذرات میکروسیلیس فضاهای بین دانه‌های سیمان را پر کرده و تراکم بسته‌بندی ذرات را افزایش داده و تخلخل را کاهش می‌دهند. این “اثر پرکننده” به بهبود مقاومت و کاهش نفوذپذیری کمک می‌کند.
- بهبود ناحیه انتقال: میکروسیلیس ناحیه انتقال فصل مشترک بین خمیر سیمان و سنگدانه را اصلاح می‌کند. با کاهش تخلخل و میزان کریستال‌های هیدروکسید کلسیم در این ناحیه، میکروسیلیس پیوند بین خمیر و سنگدانه را افزایش می‌دهد و منجر به بهبود خواص مکانیکی می‌شود.
اثرات شیمیایی
اثر اصلی شیمیایی میکروسیلیس، واکنش پوزولانی آن با هیدروکسید کلسیم (CH)، یک محصول جانبی هیدراتاسیون سیمان است. این واکنش، سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H) بیشتری تولید می‌کند که فاز اصلی اتصال دهنده در بتن است.
- واکنش پوزولانی: واکنش پوزولانی ساختار منافذ را اصلاح می‌کند، نفوذپذیری را کاهش می‌دهد و مقاومت را افزایش می‌دهد. سرعت و میزان این واکنش به عواملی مانند خواص میکروسیلیس، نوع سیمان و شرایط عمل آوری بستگی دارد.
- تخفیف واکنش قلیایی-سیلیسی (ASR): میکروسیلیس همچنین می‌تواند اثرات مضر ASR را با کاهش قلیاییت محلول منفذی و مصرف هیدروکسید کلسیم که در واکنش شرکت می‌کند، کاهش دهد.
اصلاحات ریزساختاری
اثرات فیزیکی و شیمیایی میکروسیلیس منجر به تغییرات قابل توجهی در ریزساختار خمیر سیمان می‌شود.
- کاهش تخلخل: میکروسیلیس هم تخلخل مویرگی و هم تخلخل ناحیه انتقال را کاهش می‌دهد. این منجر به یک ریزساختار متراکم‌تر و کمتر نفوذپذیر می‌شود.
- اصلاح ساختار منافذ: میکروسیلیس ساختار منافذ را اصلاح کرده و متوسط اندازه منافذ را کاهش می‌دهد. این اصلاح به افزایش مقاومت و دوام کمک می‌کند.
- بهبود ناحیه انتقال: همانطور که قبلاً ذکر شد، میکروسیلیس ناحیه انتقال را متراکم‌تر و کمتر متخلخل می‌کند و خواص و عملکرد کلی بتن را بهبود می‌بخشد.
خودخشک‌شدگی و آب هیدراتاسیون
تأثیر میکروسیلیس بر فرآیند هیدراتاسیون منجر به خودخشک‌شدگی می‌شود، پدیده‌ای که در آن رطوبت نسبی داخلی کاهش می‌یابد.
- خودخشک‌شدگی: افزایش تولید C-S-H ناشی از واکنش پوزولانی، آب را مصرف می‌کند و منجر به کاهش رطوبت داخلی می‌شود. این اثر در نسبت‌های آب به مواد سیمانی (w/cm) پایین‌تر بیشتر است.
- اتصال آب: ژل C-S-H تشکیل شده در حضور میکروسیلیس، آب را محکم‌تر متصل می‌کند و به خودخشک‌شدگی کمک می‌کند.
جمع‌شدگی خودبه‌خودی
میکروسیلیس می‌تواند جمع‌شدگی خودبه‌خودی را افزایش دهد، که کاهش حجم بتن به دلیل واکنش‌های شیمیایی است، نه خشک شدن.با توجه به کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن میتوان اثرات میکروسیلیس در جمع شدگی را به دو شکل زیر نشان داد:
- افزایش جمع‌شدگی: خودخشک‌شدگی ناشی از میکروسیلیس می‌تواند باعث افزایش جمع‌شدگی خودبه‌خودی شود، به ویژه در بتن پرمقاومت با نسبت w/cm پایین.
- خطر ترک خوردگی: جمع‌شدگی خودبه‌خودی بالاتر می‌تواند خطر ترک خوردگی در سنین اولیه را افزایش دهد و نیاز به بررسی دقیق در طراحی اختلاط بتن و عمل آوری دارد.
ترکیب شیمیایی مایع موجود در منافذ بتن
میکروسیلیس ترکیب شیمیایی آب موجود در منافذ در بتن را تغییر می‌دهد.
- کاهش قلیاییت: میکروسیلیس غلظت هیدروکسید کلسیم و یون‌های هیدروکسیل را در آب موجود در منافذ کاهش می‌دهد، که می‌تواند در کاهش ASR مفید باشد.
- تأثیر بر افزودنی‌ها: تغییرات در شیمی آب موجود در منافذ بتن می‌تواند بر رفتار و اثربخشی افزودنی‌های شیمیایی تأثیر بگذارد.
واکنش‌ها با سایر مواد سیمانی
میکروسیلیس اغلب در ترکیب با سایر مواد سیمانی مانند خاکستر بادی یا سرباره کوره بلند گرانوله شده (GGBFS) استفاده می‌شود.
- مخلوط‌های سه تایی: این مخلوط‌های سه تایی می‌توانند اثرات هم افزایی تولید کرده و خواص بتن را بیشتر افزایش دهند. به عنوان مثال، میکروسیلیس می‌تواند مقاومت اولیه را بهبود بخشد، در حالی که خاکستر بادی به افزایش مقاومت طولانی مدت و بهبود کارایی کمک می‌کند.
واکنش‌ها با انواع مختلف سیمان پرتلند
نوع سیمان پرتلند مورد استفاده در بتن می‌تواند بر واکنش‌های میکروسیلیس تأثیر بگذارد.
- سازگاری سیمان: میکروسیلیس به طور کلی با اکثر انواع سیمان پرتلند به خوبی واکنش می‌دهد. با این حال، تفاوت در شیمی و نرمی سیمان می‌تواند بر سرعت و میزان واکنش پوزولانی تأثیر بگذارد.
- حساسیت به دما: واکنش پوزولانی به دما حساس است، اما میکروسیلیس نسبت به خاکستر بادی حساسیت کمتری دارد. دماهای بالاتر عمل آوری به طور کلی واکنش را تسریع می‌کنند.
گرمای هیدراتاسیون
میکروسیلیس می‌تواند بر گرمای هیدراتاسیون بتن تأثیر بگذارد.
- کاهش گرما: جایگزینی بخشی از سیمان با میکروسیلیس به طور کلی گرمای کلی هیدراتاسیون را کاهش می‌دهد، که می‌تواند در کاربردهای بتن حجیم برای به حداقل رساندن ترک خوردگی حرارتی مفید باشد.
- گرمای اولیه تسریع شده: با این حال، میکروسیلیس همچنین می‌تواند گرمای تکامل یافته اولیه را به دلیل تأثیرش بر هیدراتاسیون سیمان تسریع کند.
واکنش‌ها با افزودنی‌های شیمیایی
میکروسیلیس می‌تواند با افزودنی‌های شیمیایی واکنش داده و بر عملکرد آنها تأثیر بگذارد.
- کاهنده‌های آب: مواد افزودنی کاهنده آب قوی (HRWRAs) برای حفظ کارایی در بتن میکروسیلیس به دلیل تقاضای آب بالای میکروسیلیس ضروری هستند.
- مواد هوازا: میکروسیلیس می‌تواند بر هوازایی تأثیر بگذارد و نیاز به کنترل دقیق مقدار مصرف مواد افزودنی هوازا دارد.
بنا بر آن چه گفته شده و با نگاهی بر کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن می توان نتیجه گرفت عملکرد بهبود یافته بتن میکروسیلیس به ترکیبی از اثرات فیزیکی، واکنش‌های شیمیایی و اصلاحات ریزساختاری نسبت داده می‌شود. درک این سازوکارها برای بهینه‌سازی استفاده از میکروسیلیس در کاربردهای مختلف بتن، از جمله بتن پر مقاومت، سازه‌های بادوام و موارد در معرض محیط‌های تهاجمی، ضروری است. برای دریافت اطلاعات بیشتر در این زمینه می توانید با مشاوران ما در سایت های بتنو و ایران بتن تماس حاصل فرمایید تا علاوه بر آشنایی بیشتر و کسب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن، از میزان دوز مصرف و شرایط نگهداری و … نیز اطلاعات به دست آورید.
منابع:
Guide for the Use of Silica Fume in Concrete Reported by ACI Committee 234
