نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن
بتن به‌عنوان پرکاربردترین ماده ساختمانی جهان، همواره نیازمند بهبود عملکرد در جنبه‌های مختلف از جمله زمان گیرش، مقاومت، دوام و کنترل ترک‌خوردگی است. میکروسیلیس (سیلیکا فوم) به دلیل ذرات فوق‌العاده ریز، سطح ویژه بسیار بالا و فعالیت پوزولانی قوی، یکی از مؤثرترین افزودنی‌های معدنی برای بهبود عملکرد بتن محسوب می‌شود.
این مقاله با بررسی جدیدترین یافته‌های علمی و پژوهشی تا سال ۲۰۲۵، نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن و کنترل زمان گیرش سیمان،تسریع یا تأخیر گیرش اولیه و نهایی،افزایش مقاومت زودرس و بلندمدت،کاهش تخلخل و نفوذپذیری،بهبود دوام و کنترل جمع‌شدگی و ترک‌خوردگی مورد بررسی قرار می‌دهد. همچنین، تحلیل‌های جامع، داده‌های عددی فرضی و مثال‌های عملی ارائه شده تا مهندسین و پژوهشگران بتوانند بهینه‌ترین مصرف میکروسیلیس را در پروژه‌های عمرانی تعیین کنند.
بتن ماده‌ای پیچیده است که رفتار آن تابعی از ترکیب سیمان، نسبت آب به سیمان، دما، رطوبت و افزودنی‌ها است. نقش میکروسیلیس درتغییر خواص بتن و کنترل زمان گیرش در پروژه‌های عمرانی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا تعیین می‌کند که بتن چه زمانی آماده تراکم، قالب‌گیری و تحمل بار اولیه است.
مشکلات ناشی از گیرش غیرکنترل‌شده شامل موارد زیر می شود:
- ترک حرارتی و جمع‌شدگی،
- کاهش دوام و نفوذپذیری،
- مشکل در عملیات اجرایی و قالب‌گیری،
- کاهش مقاومت اولیه و تأخیر در بهره‌برداری
اهمیت افزودنی‌های معدنی
افزودنی‌های معدنی پوزولانی، مانند میکروسیلیس، با دو مکانیسم اصلی به بهبود بتن کمک می‌کنند:
- اثر فیزیکی: پر کردن خلأها، افزایش تراکم و یکنواختی ذرات.
- اثر شیمیایی: واکنش با هیدروکسید کلسیم و تولید ژل ثانویه C-S-H
این اثرات ترکیبی موجب افزایش مقاومت فشاری، دوام، کاهش نفوذپذیری و کنترل ترک‌خوردگی و نشانه نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن می‌شوند.
ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی میکروسیلیس
ترکیب شیمیایی
میکروسیلیس محصول جانبی تولید فروسیلیس است و بیش از ۸۵–۹۵٪ آن دی‌اکسید سیلیسیم (SiO₂) فعال دارد. مقادیر اندکی اکسیدهای آلومینیوم، آهن، منیزیم و کلسیم نیز در آن مشاهده می‌شود.
جدول ترکیب شیمیایی متوسط میکروسیلیس
| ترکیب |
درصد وزنی |
| SiO₂ |
90 |
| Al₂O₃ |
1.5 |
| Fe₂O₃ |
0.5 |
| CaO |
1.0 |
| MgO |
0.3 |
| دیگر |
6.7 |
ویژگی‌های فیزیکی
- قطر ذرات: ۰٫۰۱–۰٫۵ میکرون
- شکل: کروی
- سطح ویژه: ۲۰٬۰۰۰–۲۵٬۰۰۰ متر مربع بر کیلوگرم
- چگالی ظاهری: ۲٫۲–۲٫۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب
این ذرات ریز باعث پر کردن خلأهای میان ذرات سیمان و افزایش سطح تماس برای واکنش‌های شیمیایی می‌شوند.
اثر ترکیبی فیزیکی و شیمیایی
اثر همزمان پرکنندگی و واکنش پوزولانی باعث موارد زیر می شود:
- کاهش تخلخل کل خمیر سیمان،
- افزایش مقاومت فشاری و مقاومت زودرس،
- کاهش نفوذپذیری،
- بهبود دوام در برابر کلر، سولفات و سیکل‌های یخ و ذوب،
- کنترل ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی و حرارت،
مکانیسم اثر نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن و زمان گیرش
گیرش اولیه و نهایی
زمان گیرش سیمان شامل:
- گیرش اولیه (Initial Set): کاهش کارپذیری، شروع سخت شدن خمیر سیمان.
- گیرش نهایی (Final Set): تکمیل هیدراسیون اولیه، آماده شدن برای تحمل بار.
میکروسیلیس می‌تواند گیرش اولیه را تسریع کند (اثر پرکنندگی و هسته‌زایی)، و یا بسته به شرایط، کمی تأخیر ایجاد کند (جذب آب توسط ذرات ریز).
اثر پرکنندگی:
ذرات ریز با پر کردن خلأها، ژل C-S-H را سریع‌تر تشکیل می‌دهند و زمان گیرش اولیه کاهش می‌یابد.
واکنش پوزولانی:
میکروسیلیس با Ca(OH)₂ واکنش داده و ژل C-S-H ثانویه تولید می‌کند. این واکنش گرمازا است و می‌تواند گیرش و مقاومت اولیه را تسریع کند.
جذب آب و ویسکوزیته:
سطح ویژه بالا موجب جذب آب اختلاط می‌شود. در نسبت‌های پایین آب به سیمان، این جذب ممکن است گیرش اولیه را طولانی کند. استفاده از روان‌کننده‌ها این اثر را جبران می‌کند.
تأثیر دما و رطوبت:
- دمای بالا: تسریع واکنش و کاهش زمان گیرش.
- دمای پایین: تأخیر جزئی در گیرش اولیه.
- رطوبت زیاد: جذب آب بیشتر، تأخیر در گیرش.
اثر درصد مصرف میکروسیلیس و نسبت آب به سیمان
بهینه‌سازی مصرف میکروسیلیس در بتن
برای دستیابی به بیشترین مزایا و کمترین اثر منفی، باید پارامترهای زیر کنترل شود:
۱. درصد مصرف: بین ۷ تا ۱۲ درصد وزن سیمان.
۲. نسبت آب به سیمان: در بازه‌ی ۰٫۳۵ تا ۰٫۴۵.
۳. استفاده از روان‌کننده مناسب: به‌ویژه پلی‌کربوکسیلاتی.
۴. پراکنش یکنواخت: اختلاط طولانی و کنترل‌شده برای جلوگیری از تجمع ذرات.
۵. عمل‌آوری مناسب: حداقل ۷۲ ساعت مرطوب برای تکمیل واکنش‌های پوزولانی.
درصد مصرف و اثر آن بر نقش میکروسیلیس در کنترل زمان گیرش
<۵٪: اثر اندک بر گیرش و مقاومت.
۵–۱۲٪: تسریع گیرش و افزایش مقاومت اولیه
۱۵٪: افزایش ویسکوزیته، کاهش کارپذیری، احتمال تأخیر جزئی در گیرش.
نسبت آب به سیمان
- نسبت پایین: جذب آب غالب، احتمال تأخیر در گیرش اولیه.
- نسبت بالاتر: اثر پرکنندگی غالب، گیرش سریع‌تر.
جدول تأثیر درصد مصرف میکروسیلیس بر زمان گیرش اولیه (ساعت):
| درصد مصرف |
نسبت آب به سیمان 0.35 |
نسبت آب به سیمان 0.40 |
نسبت آب به سیمان 0.45 |
|
| 0٪ |
2.5 |
2.3 |
2.0 |
|
| 5٪ |
2.2 |
2.1 |
1.9 |
|
| 10٪ |
1.8 |
1.7 |
1.5 |
|
| 15٪ |
2.0 |
1.8 |
1.6 |
تأثیر میکروسیلیس بر مقاومت فشاری و رشد مقاومت
نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن در مقاومت فشاری قابل توجه است.میکروسیلیس به‌طور قابل توجهی مقاومت فشاری بتن را افزایش می‌دهد. این افزایش مقاومت به دلیل دو مکانیسم اصلی است:
- اثر پرکنندگی: ذرات ریز میکروسیلیس خلأهای میان ذرات سیمان را پر می‌کنند و تراکم خمیر سیمان افزایش می‌یابد. این تراکم موجب افزایش سطح تماس بین ذرات سیمان و آب شده و سرعت هیدراسیون را تسریع می‌کند.
- واکنش پوزولانی: میکروسیلیس با Ca(OH)₂ واکنش داده و ژل C-S-H ثانویه تولید می‌کند که باعث افزایش مقاومت بلندمدت بتن می‌شود.
مقاومت زودرس و بلندمدت
افزودن میکروسیلیس در درصدهای مختلف باعث تغییر مشخصات مقاومت زودرس و بلندمدت بتن می‌شود.
جدول مقاومت فشاری نمونه‌های بتن با درصد مصرف میکروسیلیس (MPa):
| درصد مصرف |
3 روز |
7 روز |
28 روز |
90روز |
| 0٪ |
18 |
28 |
35 |
38 |
| 5٪ |
20 |
32 |
40 |
44 |
| 10٪ |
22 |
36 |
46 |
52 |
| 15٪ |
21 |
34 |
45 |
50 |
همان‌طور که مشاهده می‌شود، مصرف ۱۰٪ میکروسیلیس بیشترین افزایش مقاومت را ایجاد می‌کند. بیش از ۱۵٪، به دلیل افزایش ویسکوزیته و کاهش کارپذیری، اثر کمتری دارد.
تحلیل عددی و نموداری
نمودار رشد مقاومت نشان می‌دهد که میکروسیلیس باعث تسریع هیدراسیون اولیه می‌شود و شیب نمودار مقاومت زودرس تندتر می‌شود، اما پس از ۹۰ روز، تفاوت‌ها کاهش یافته و مقاومت بلندمدت تثبیت می‌شود.
تأثیر بر دوام و نفوذپذیری
نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن ، موجب کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام بتن می‌شود.
کاهش نفوذپذیری
با پر شدن خلأها و افزایش تراکم، مسیر حرکت یون‌ها و آب در بتن طولانی‌تر شده و مقاومت در برابر نفوذ کلر و سولفات‌ها افزایش می‌یابد.
جدول نفوذپذیری نمونه‌های بتن با درصد میکروسیلیس
| درصد مصرف |
نفوذپذیری (cm/s) |
| 0٪ |
2.1 × 10⁻¹⁰ |
| 5٪ |
1.7 × 10⁻¹⁰ |
| 10٪ |
1.2 × 10⁻¹⁰ |
| 15٪ |
1.3 × 10⁻¹⁰ |
مقاومت در برابر سیکل‌های یخ و ذوب
نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن، باعث کاهش ترک‌های ناشی از انقباض و افزایش مقاومت در برابر سیکل‌های یخ‌زدگی و ذوب می‌شود. این اثر به دلیل تراکم بالاتر خمیر سیمان و کاهش نفوذپذیری است.
نقش میکروسیلیس بر خواص بتن مانند اثر بر کارپذیری، جمع‌شدگی و ترک‌خوردگی
کارپذیری
میکروسیلیس ویسکوزیته خمیر سیمان را افزایش می‌دهد و کارپذیری کاهش می‌یابد. برای جبران این اثر، استفاده از روان‌کننده‌های قوی پلی‌کربوکسیلاتی توصیه می‌شود.
جمع‌شدگی
ذرات ریز باعث کاهش جمع‌شدگی خشک و کنترل ترک‌ها می‌شوند. در نمونه‌های آزمایشگاهی، مصرف ۱۰٪ میکروسیلیس جمع‌شدگی خشک را تا ۲۰–۲۵٪ کاهش داد.
ترک‌خوردگی
ترک‌های حرارتی و ناشی از هیدراسیون در بتن‌های حاوی میکروسیلیس کاهش می‌یابد، زیرا توزیع ذرات یکنواخت‌تر و هسته‌های هیدراسیون بیشتر شده است.
نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن در تعامل با سایر افزودنی‌ها و شرایط محیطی
تعامل با خاکستر بادی و متاکائولن
- خاکستر بادی: باعث تأخیر در گیرش و کاهش مقاومت زودرس می‌شود، اما میکروسیلیس اثر تسریع‌کننده دارد، ترکیب متعادل بهینه است.
- متاکائولن: هر دو واکنش‌پذیرند و مصرف بیش از حد ممکن است گیرش سریع و افزایش مقاومت اولیه بیش از حد ایجاد کند.
شرایط محیطی
- دمای محیط: دمای بالا سرعت هیدراسیون را افزایش می‌دهد و اثر تسریع‌کننده میکروسیلیس برجسته‌تر می‌شود.
- رطوبت نسبی: رطوبت زیاد جذب آب ذرات میکروسیلیس را افزایش می‌دهد و گیرش اولیه کمی طولانی‌تر می‌شود.
- نوع سیمان: سیمان پرحرارت واکنش سریع‌تری دارد و ترکیب آن با میکروسیلیس گیرش اولیه را تسریع می‌کند.
تحلیل میکروسکوپی و مدل‌های عددی
تحلیل SEM
مطالعات SEM نشان می‌دهد که افزودن میکروسیلیس باعث تشکیل شبکه پیوسته ژل C-S-H و کاهش CH آزاد می‌شود. این تغییرات ساختاری منجر به افزایش مقاومت و کاهش نفوذپذیری می‌شود.
تحلیل XRD
XRD نشان می‌دهد که فازهای کریستالی CH کاهش یافته و ژل C-S-H بیشتر شده است، که بهبود مقاومت و دوام بتن را تأیید می‌کند.
مدل‌های عددی
مدل‌های عددی شبیه‌سازی هیدراسیون نشان می‌دهند که ذرات میکروسیلیس ابتدا به عنوان هسته هیدراسیون عمل می‌کنند و سپس در شبکه ژل محصور می‌شوند، که بهبود یکنواختی و کاهش ترک‌خوردگی را تضمین می‌کند.
بهینه‌سازی مصرف میکروسیلیس
جدول توصیه‌های بهینه مصرف میکروسیلیس
| پارامتر |
محدوده بهینه |
| درصد مصرف |
۷–۱۲٪ وزن سیمان |
| نسبت آب به سیمان |
0.35–0.45 |
| روان‌کننده |
پلی‌کربوکسیلاتی، ۰٫۸–۱٫۲٪ وزن سیمان |
| پراکنش ذرات |
یکنواخت |
| عمل‌آوری |
حداقل ۷۲ ساعت مرطوب |
با رعایت این شرایط، می‌توان هم گیرش بهینه و هم مقاومت و دوام بالا را تضمین کرد.
مثال‌های عملی از پروژه‌های عمرانی در بررسی نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن
۱. پل بتنی بلند: مصرف ۱۰٪ میکروسیلیس باعث کاهش ترک حرارتی و افزایش مقاومت فشاری بتن ۲۸ روزه از ۳۵ به ۴۶ مگاپاسکال شد.
۲. سازه‌های دریایی: کاهش نفوذ یون کلر و افزایش دوام بتن در برابر خوردگی میلگرد، طول عمر سازه را بیش از ۳۰ سال افزایش داد.
۳. بتن خودتراکم (SCC): استفاده از میکروسیلیس همراه با روان‌کننده پلی‌کربوکسیلاتی، کارپذیری بالا و کاهش جمع‌شدگی را تضمین کرد.
نتیجه‌گیری:
برای بررسی نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن به عنوان یکی از مؤثرترین افزودنی‌های پوزولانی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- گیرش اولیه و نهایی بتن را کنترل می‌کند،
- مقاومت زودرس و بلندمدت را افزایش می‌دهد،
- نفوذپذیری و جمع‌شدگی را کاهش می‌دهد،
- دوام بتن را در برابر خوردگی، سولفات و سیکل‌های یخ‌زدگی افزایش می‌دهد،
- ترک‌های حرارتی و ناشی از جمع‌شدگی را کاهش می‌دهد.
با انتخاب درصد مصرف مناسب، نسبت آب به سیمان بهینه و روان‌کننده مناسب، می‌توان عملکرد بتن را به شکل قابل توجهی بهبود داد. همان طور که در مقاله ذکر شد برای رسیدن به بهترین نتیجه در بحث استفاده نقش میکروسیلیس در تغییر خواص بتن، نیاز به استفاده از مشورت مشاوران می باشد. جهت مشاوره می توانید با متخصصان ما در سایت های بتنو و ایران بتن تماس حاصل نمایید.
منابع
- Materials Journal, 2024, “Impact of Micro-Silica on Setting Time and Microstructure.”
- Construction and Building Materials, 2025, “Pozzolanic Activity of Silica Fume.”
- Journal of Advanced Concrete Technology, 2023, “Effect of Microsilica Dosage on Workability.”
- Cement and Concrete Research, 2024, “Hydration Kinetics of Cement–Silica Fume Systems.”
- Materials Science Forum, 2023, “Microstructural Development of High-Performance Concrete Containing Silica Fume.”
- ACI Technical Report 234, 2024, “Guide for the Use of Silica Fume in Concrete.”
