راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن براساس گزارش ACI 234R-06 بخش هفتم: کاربرد میکروسیلیس در طراحی و اجرای بتن در پروژه‌های میدانی

استفاده از میکروسیلیس در بتن، به دلیل تأثیر چشمگیر آن بر خواص مکانیکی و دوام، به‌طور گسترده در پروژه‌های زیرساختی و ساختمانی رایج شده است. این مقاله با تمرکز بر فصل‌های هشتم و نهم از کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن براساس گزارش ACI 234R-06  ، به بررسی اصول طراحی طرح اختلاط، ویژگی‌های اجرایی و الزامات فنی بتن حاوی میکروسیلیس در محیط واقعی پروژه می‌پردازد. همچنین به جنبه‌های کلیدی همچون حمل، اختلاط، عمل‌آوری و مراقبت در شرایط میدانی پرداخته می‌شود.

ما در یک سلسله مقاله با نگاهی بر کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن براساس گزارش ACI 234R-06 تلاش داریم به بررسی جوانب مختلف میکروسیلیس بپردازیم.پیشنهاد میکنیم برای درک بهتر مطالب ابتدا مقالات راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن بخش اول، بخش دوم، بخش سوم، بخش چهارم، بخش پنجم وبخش ششم را مطالعه نمایید.

میکروسیلیس، ماده‌ای پوزولانی با سطح ویژه بالا و قطر ذرات بسیار ریز، موجب بهبود خواص مکانیکی، کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام بتن می‌شود. به‌ویژه در بتن‌های با مقاومت بالا، کف‌سازی صنعتی، سازه‌های دریایی و پل‌ها، این ماده از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. طراحی دقیق طرح اختلاط و کنترل مناسب در مرحله اجرا، کلید بهره‌برداری موفق از این ماده است.

تأثیر میکروسیلیس بر خواص مکانیکی بتن

مقاومت فشاری

افزودن میکروسیلیس به بتن باعث افزایش مقاومت فشاری می‌شود. به‌عنوان مثال، جایگزینی ۱۰٪ سیمان با میکروسیلیس می‌تواند مقاومت فشاری بتن را تا ۴۸.۷۵ مگاپاسکال در ۲۸ روز افزایش دهد .

مقاومت کششی و خمشی

میکروسیلیس باعث افزایش مقاومت کششی و خمشی بتن می‌شود. تحقیقات نشان داده‌اند که جایگزینی ۹٪ سیمان با میکروسیلیس می‌تواند مقاومت کششی را تا ۱۷٪ افزایش دهد، در حالی که جایگزینی ۱۵٪ می‌تواند مقاومت خمشی را تا ۲۷٪ افزایش دهد .

مدول الاستیسیته

افزایش مقاومت فشاری و کاهش تخلخل بتن حاوی میکروسیلیس منجر به افزایش مدول الاستیسیته می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود بتن در برابر تغییر شکل‌های ناشی از بارهای وارده مقاومت بیشتری داشته باشد.

مکانیزم اثر ژل میکروسیلیس در بتن

از جمله مکانیزم‌های اثر این محصول در بتن می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• تحت‌تأثیر قرار گرفتن ریزساختار بتن
• کوچک سازی ساختار حفره‌ای خمیر سیمان
• عدم تغییر تخلخل کل با افزودن میکروسیلیس
• تقسیم شدن حفرات بزرگ به حفرات کوچک‌تر و در نتیجه، تغییر ریزساختار خمیر سیمان
• بهبود ناحیه انتقال (ITZ) بین خمیر سیمان و سنگدانه‌ها
• کاهش مقدار هیدروکسید کلسیم در ITZ و در نتیجه، کاهش تخلخل و نفوذپذیری بتن در ناحیه انتقال و افزایش پیوستگی خمیر و سنگدانه‌ها

میزان نفوذپذیری بتن نیز تحت‌تأثیر میکروسیلیس است؛ چنان که در یک پروژه پژوهشی، مخلوط بتن حاوی ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مربع سیمان پرتلند، ۲۰٪ میکروسیلیس و یک فوق روان کننده، نفوذپذیری تقریباً مشابه بتن معمولی حاوی ۲۵۰ کیلو گرم بر متر مربع سیمان پرتلند را نشان داده است.

در شکل زیر، اثر میکروسیلیس بر نفوذ آب به بتن به وضوح نمایش داده شده است و عمق نفوذ آب در بتن حاوی دوده سیلیسی حدود ۶ برابر کمتر از بتن معمولی است. شما می‌توانید نفوذپذیری آب در بتن‌های حاوی میکروسیلیس را در شکل زیر برای نمونه‌ مغزه‌های بتنی ببینید.

طراحی طرح اختلاط بتن حاوی میکروسیلیس

محتوای سیمان و میکروسیلیس

در بتن‌های با مقاومت بالا، مقدار کل مواد سیمانی معمولاً بین ۳۵۰ تا ۵۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است و نسبت میکروسیلیس بین ۵ تا ۱۰ درصد انتخاب می‌شود. نسبت آب به مواد سیمانی (w/c) می‌تواند تا ۰٫۲۰ کاهش یابد. برای افزایش دوام در سازه‌هایی مانند پارکینگ‌ها و پل‌ها، w/c  در محدوده ۰٫۳۵ تا ۰٫۴۵ و درصد میکروسیلیس در بازه ۳ تا ۱۰ درصد در نظر گرفته می‌شود.

نیاز آبی و روان‌کننده‌ها

با افزایش درصد میکروسیلیس (بیش از ۵٪)، نیاز به آب افزایش می‌یابد. استفاده از روان‌کننده‌های قوی (HRWRA) برای حفظ کارایی مخلوط الزامی است. اگر از میکروسیلیس دوغابی استفاده شود، باید آب موجود در آن از کل آب مخلوط کسر گردد. این دوغاب معمولاً حاوی ۴۸ تا ۵۲ درصد جامدات می‌باشد و دقت در محاسبه آن برای دستیابی به نسبت آب به سیمان صحیح ضروری است.

سنگدانه‌ها و افزودنی‌های شیمیایی

برای بتن‌های بادوام، توصیه‌های ACI 211.1 در انتخاب سنگدانه‌ها معتبر است و برای بتن‌های با مقاومت بالا باید به ACI 363R مراجعه کرد. افزودنی‌های ضد خوردگی نیز گاهی در ترکیب با میکروسیلیس به کار می‌روند که ممکن است در مقادیر بالا (تا ۶ لیتر بر متر مکعب) استفاده شوند و باید مقدار آب افزوده شده توسط آنها نیز محاسبه گردد.

روش گام‌ به ‌گام طراحی

در این فصل یک روند هفت مرحله‌ای برای طراحی بتن حاوی میکروسیلیس پیشنهاد شده است:

1. تعیین الزامات پروژه از جمله مقاومت فشاری، دوام، شرایط محیطی و درصد مواد سیمانی؛
2. هماهنگی با پیمانکار برای درک نیازهای اجرایی؛
3. انتخاب مخلوط اولیه از جداول موجود یا تجربیات قبلی؛
4. تعیین میزان هوای لازم برای شرایط انجماد و ذوب؛
5. جایگزینی مصالح محلی در مخلوط؛
6. ساخت طرح‌های آزمایشی در مقیاس آزمایشگاهی؛
7. انجام آزمایش‌های میدانی در مقیاس کامیونی برای بررسی یکنواختی و سازگاری.

الزامات مشخصات فنی میکروسیلیس

الزامات عمومی

طبق فصل ۷ کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن براساس گزارش ACI 234R-06، باید مشخص شود که میکروسیلیس به چه صورتی در بتن استفاده خواهد شد: به عنوان ماده افزودنی جداگانه، یا در قالب سیمان آمیخته یا افزودنی‌های آماده مصرف. این تفکیک برای تفسیر و اجرای صحیح مشخصات بسیار مهم است.

مشخص‌کردن میکروسیلیس

در مشخصات فنی باید نوع میکروسیلیس (خشک متراکم، دوغاب یا به صورت افزوده به سیمان) به‌وضوح ذکر شود. علاوه بر این، منشأ آن (تولید از آلیاژ سیلیکون یا فروسلیکون)، درصد SiO₂ (معمولاً >85%)، و نوع استاندارد مرجع (مانند ASTM C1240 یا CSA A23.5) باید قید گردد.

 مشخص‌کردن افزودنی‌های حاوی میکروسیلیس

افزودنی‌های تجاری حاوی میکروسیلیس، ممکن است شامل روان‌کننده‌ها یا کندگیرکننده‌ها باشند. بنابراین، مقدار میکروسیلیس خالص موجود در این افزودنی‌ها باید تعیین شود تا امکان کنترل دقیق نسبت آب به مواد سیمانی فراهم گردد.

 مشخص‌کردن سیمان آمیخته با میکروسیلیس

در برخی پروژه‌ها ممکن است از سیمان‌های حاوی درصد مشخصی از میکروسیلیس استفاده شود. در چنین حالتی، میزان میکروسیلیس و عملکرد آن بر اساس آزمایش‌های دوام و مقاومت باید به‌طور کامل در مشخصات فنی ذکر شود.

مشخصات بتن حاوی میکروسیلیس

در این بخش، باید ویژگی‌های نهایی بتن از قبیل مقاومت فشاری، نسبت آب به مواد سیمانی، اسلامپ، نفوذپذیری یون کلر، و دوام در برابر سیکل‌های یخ‌زدگی و ذوب، به‌روشنی تعریف شود. همچنین شرایط عمل‌آوری، دمای اختلاط و محدودیت‌های اجرایی نظیر حداکثر زمان حمل و ریختن نیز باید در مشخصات لحاظ گردد.

کار با بتن حاوی میکروسیلیس در محیط واقعی پروژه

حمل و جابجایی میکروسیلیس

میکروسیلیس ممکن است به صورت خشک (فله‌ای یا کیسه‌ای) یا به صورت دوغاب حمل شود. وزن مخصوص حجمی برای نوع خشک از ۱۳۰ تا ۷۲۰ کیلوگرم بر متر مکعب متغیر است. برای انتقال، انبارش و تخلیه هر نوع باید تجهیزات خاصی در نظر گرفته شود که بتوانند دقت لازم را در وزن‌کشی و اختلاط فراهم کنند.

تولید بتن

در مرحله تولید، برای دستیابی به بتن یکنواخت و با کیفیت بالا، باید به زمان اختلاط، دمای محیط و توالی افزوده شدن مواد توجه شود. استفاده از میکسرهای با توان اختلاط بالا برای پراکندگی یکنواخت میکروسیلیس (به‌ویژه نوع متراکم) ضروری است.

حمل بتن

بتن حاوی میکروسیلیس را می‌توان با تجهیزات متداول بتن (کامیون مخلوط‌کن، پمپ، تاور کرین) منتقل کرد، مشروط بر اینکه ویژگی‌های رئولوژیکی آن در نظر گرفته شود. رعایت مدت زمان مجاز برای حمل و تخلیه اهمیت زیادی دارد.

بتن‌ریزی و تراکم

به دلیل ویسکوزیته بالای بتن حاوی میکروسیلیس، احتمال گیر افتادن هوا زیاد است. بنابراین تراکم مؤثر با ویبراتورهای مناسب اهمیت بسیاری دارد. اسلامپ بتن میکروسیلیسی معمولاً در محدوده ۲۰۰ تا ۲۵۰ میلی‌متر است که در مقایسه با بتن معمولی بالا محسوب می‌شود، اما این عدد نباید باعث اطمینان کاذب نسبت به تراکم شود.

پرداخت نهایی

از آنجا که بتن حاوی میکروسیلیس فاقد آب انداختگی است، عملیات پرداخت باید زودتر از بتن معمولی انجام گیرد. احتمال ترک‌خوردگی انقباضی پلاستیک در این نوع بتن بالا است، به‌ویژه در آب‌وهوای گرم و خشک.

عمل‌آوری

شروع فوری عمل‌آوری پس از پرداخت الزامی است. استفاده از روش‌هایی مانند پوشاندن سطح، اسپری آب یا افزودن ماده نگهدارنده رطوبت توصیه می‌شود. در مناطق سردسیر، مانند بتن معمولی، نیاز به عایق‌کاری یا استفاده از پوشش‌های گرم‌کننده وجود دارد، اما برای بتن میکروسیلیسی حساسیت بیشتری نسبت به کاهش دما وجود دارد.

ترک‌خوردگی ناشی از انقباض پلاستیک

بنا بر کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن از مهم‌ترین چالش‌های اجرای بتن میکروسیلیسی، ترک‌های ناشی از تبخیر زودهنگام رطوبت سطحی است. به‌دلیل نبود آب انداختگی، این بتن بسیار مستعد ترک‌خوردگی اولیه است. استفاده از دستگاه مه‌پاشی با هوای فشرده، کاهش سرعت باد و تابش مستقیم خورشید و همچنین استفاده از مواد تأخیر دهنده تبخیر، روش‌هایی برای جلوگیری از این ترک‌ها هستند.یکی دیگر از روش های جلوگیری از ترک خوردگی در بتن حاوی میکروسیلیس استفاده از الیاف می باشد.

الیاف

الیاف از دیگر افزودنی‌های ژل میکروسیلیس است که به طور دائمی در فرمولاسیون ژل مورد استفاده قرار نمی‌گیرد و حضور آن در ژل، زمانی الزامی می‌شود که حذف ترک‌های مویی در بتن اهمیت داشته باشد. در واقع الیاف پلی پروپیلن و فولادی که در ساختار ژل به کار می‌روند، رکن ثابت فرمولاسیون ژل نیستند. از این رو، زمانی که در ساخت این محصول حضور داشته باشند، به محصول مزبور، ژل الیافی گفته می‌شود.

میکروسیلیس به‌عنوان یک ماده معدنی پوزولانی با عملکرد بالا، در ارتقای کیفیت بتن نقش کلیدی دارد. طراحی علمی طرح اختلاط و کنترل دقیق در مراحل مختلف اجرایی، از مهم‌ترین عوامل موفقیت در استفاده از بتن میکروسیلیسی هستند. همان گونه که قبلا عنوان شد ما در یک سلسله مقالات به بررسی اصول اولیه میکروسیلیس و اثرات آن در بتن تازه و سخت شده و…براساس کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن براساس گزارش ACI 234R-06  پرداختیم. آشنایی با چالش‌های اجرایی مانند ترک‌خوردگی انقباضی، نیاز به عمل‌آوری سریع و تراکم دقیق، برای جلوگیری از نقص‌های احتمالی حیاتی است.

کتاب راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن براساس گزارش ACI 234R-06  منبعی معتبر و کاربردی برای مهندسان، طراحان و ناظران در به‌کارگیری مؤثر میکروسیلیس در پروژه‌های عمرانی است.استفاده از میکروسیلیس برای رسیدن به نتیجه ی مطلوب نیاز به آشنایی کامل با این مقوله دارد برای کسب اطلاعات بیشتر در زمینه طرح اختلاط و دوز مصرف و تهیه ی میکروسیلیس می توانید با متخصصان با در سایت های بتنو و ایران بتن تماس حاصل نمایید.

منابع:

راهنمای استفاده از میکروسیلیس در بتن براساس گزارش ACI 234R-06

Guide for the Use of Silica Fume in Concrete Reported by ACI Committee 234
ACI 234R-06

مقالات ویژه:

بتن الیافی چیست؟ خصوصیات انواع الیاف های بتن  بتن یو اچ پی‌ سی UHPS چیست؟ بتن جی اف آر سی چیست؟ بررسی کامل مقدار مصرف الیاف پ پ در بتن سفید بام الیاف دار چیست؟