چکیده
یکی از مکمل‌های سیمانی (موادی که جایگزین بخشی از سیمان می‌شوند)، میکروسیلیس است. سیمان با درصدهای مختلف میکروسیلیس جایگزین شد و تأثیر این جایگزینی بر مقاومت فشاری ملات و بتن بررسی گردید. نتایج این تحقیق نشان داد جایگزینی سیمان با ۵ درصد میکروسیلیس، بهترین نتایج را در بر خواهد داشت.
واژه‌های کلیدی: میکروسیلیس، مقاومت فشاری، ملات، بتن.
مقدمه
مواد جایگزین سیمان به دو دسته پوزولان‌ها و مواد شبه‌سیمانی دسته‌بندی می‌شوند. این مواد به‌منظور تأمین یک یا چند خاصیت، بسته به مورد، به کار می‌روند. این خاصیت‌ها شامل کاهش مصرف سیمان در تولید بتن در
بچینگ پلنت، کاهش سرعت و میزان گرمای آبگیری (هیدراته شدن سیمان)، افزایش مقاومت بتن تولیدی در
بچینگ پلنت و افزایش پایداری بتن از طریق کاهش نفوذپذیری آن هستند.
شرکت بهین کنترل صنعت در راستای بهبود کیفیت بتن و افزایش دوام آن، به بررسی و استفاده از مواد جایگزین سیمان توسط دستگاه های
بچینگ پلنت پرداخته است. پوزولان‌هایی که در
بچینگ پلنت استفاده می‌شوند، عبارت‌اند از مواد سیلیسی یا سیلیسی و آلومینی که خود به‌تنهایی فاقد ارزش چسبندگی هستند یا ارزش چسبندگی آن‌ها کم است، اما به‌صورت ذرات بسیار ریز، در دمای متعارف و در مجاورت رطوبت با هیدروکسید کلسیم واکنش می‌دهند و ترکیباتی را تولید می‌کنند که ساختار آن‌ها تا حدودی مشابه ترکیباتی است که بر اثر آبگیری سیمان پرتلند تولید می‌شود.
پوزولان‌ها بر دو نوع‌اند:
1- پوزولان‌های طبیعی
2- پوزولان‌های مصنوعی یا صنعتی
پوزولان‌های طبیعی در انواع خام یا تکلیس‌شده وجود دارند و به‌طور عمده شامل خاکسترهای آتش‌فشانی غیربازالت می‌باشند. پوزولان‌های مصنوعی یا صنعتی به‌طور عمده شامل دوده سیلیسی (میکروسیلیس)، خاکستر بادی و خاکستر پوسته برنج می‌باشند.
شرکت بهین کنترل صنعت با ساخت دستگاه های
بچینگ پلنت در راستای بهبود عملکرد بتن و افزایش دوام آن، از این مواد به‌عنوان جایگزین‌های مناسب برای سیمان استفاده می‌کند. مواد شبه‌سیمانی دارای خاصیت پنهان هیدرولیکی هستند و در صورتی که به‌گونه‌ای مناسب فعال شوند، خواص سیمانی پیدا می‌کنند. این مواد فقط در محیط قلیایی با آب واکنشی مشابه سیمان پرتلند نشان می‌دهند. متداول‌ترین ماده شبه‌سیمانی روباره یا سرباره کوره آهن‌گدازی است.
مواد افزودنی معدنی، نفوذپذیری بتن را به حداقل می‌رسانند و مقاومت بتن را در مقابل خوردگی آرماتور و نیز حملات اسیدی و سولفاتی افزایش می‌دهند.
با جایگزینی بخشی از سیمان پرتلند به‌وسیله مواد افزودنی معدنی، مقاومت بتن در سنین 7 و 28 روزه کمتر از سیمان پرتلند خواهد بود، اما به‌مرور زمان و با تکمیل واکنش پوزولانی شدن، مقاومت بتن افزایش خواهد یافت. تحقیقات و مطالعات انجام‌شده در شرکت بهین کنترل صنعت نشان داده است که میکروسیلیس حتی در سنین اولیه نیز به توسعه مقاومت کمک خواهد کرد.
میکروسیلیس
استاندارد 13778 با نام دوده سیلیسی مورد استفاده در مخلوط‌های سیمانی، دوده سیلیسی را اینگونه تعریف می‌کند: ماده پوزولانی بسیار ریز که عمدتاً از سیلیس غیر بلوری تشکیل شده و محصول جانبی فرآیند تولید سیلیسیم در کوره‌های قوس الکتریکی می‌باشد.
دوده سیلیسی (Silica fume) محصول جانبی فرآیند تولیدکننده فلز سیلیسیم و یا آلیاژهای سیلیسیم است. دمای گازها در کوره‌ها در برخی موارد از 2000 درجه سانتی‌گراد تجاوز کرده و گازهای خارج‌شده از کوره شامل ذرات بسیار ریز و غیر بلوری دی‌اکسید سیلیسیم (Sio₂) می‌باشد. این بخارات را جدا نموده و دوده سیلیسی را جدا می‌نمایند.
در این استاندارد به دوده سیلیسی متراکم (silica fume, densified) و دوده سیلیسی غیرمتراکم (silica fume, undensified) اشاره شده است:
دوده سیلیسی متراکم: دوده سیلیسی با چگالی بالا تولید شده است تا حمل‌ونقل تسهیل شود.
دوده سیلیسی غیرمتراکم: دوده سیلیسی به شکل فرآوری نشده و خام تهیه و جمع‌آوری شده است.
تأثیرگذاری میکروسیلیس در بتن بدین شرح است:
1- پر کردن حفره‌های خالی: میکروسیلیس از سیمان نرم‌تر است، از این رو بین ذرات سیمان قرار گرفته و بدین ترتیب باعث پر کردن فضاهای خالی می‌شود. این ویژگی باعث افزایش چگالی و کاهش نفوذپذیری بتن می‌شود.
2- واکنش با هیدروکسید کلسیم: همان‌گونه که پیش‌تر گفته شد، هیدروکسید کلسیم یکی از محصولات هیدراتاسیون سیمان است. هیدروکسید کلسیم نه‌تنها نقش چندانی در مقاومت ندارد، بلکه از منظر دوام، باعث کاهش دوام بتن می‌شود. اکسید سیلیس موجود در میکروسیلیس با هیدروکسید کلسیم واکنش می‌دهد و تولید کلسیم سیلیکات هیدراته (C-S-H) می‌نماید. در اثر این واکنش، دوام و مقاومت، هر دو افزایش می‌یابند.
3- تقویت پیوند سنگدانه و خمیر سیمان: میکروسیلیس بهبود پیوند بین سنگدانه‌ها و خمیر سیمان را فراهم می‌کند که موجب تقویت خواص مکانیکی بتن می‌شود و از احتمال ترک‌خوردگی آن در طول زمان می‌کاهد.
شرکت بهین کنترل صنعت با استفاده از این ویژگی‌های میکروسیلیس در طراحی اختلاط بتن، به افزایش کیفیت و دوام بتن در پروژه‌های مختلف کمک می‌کند.
شش طرح اختلاط بتن با مصالح سنگی یکسان و نسبت آب به سیمان ۰٫۳۴ ساخته شد. مقدار مصرف مواد شیمیایی روان‌کننده به‌گونه‌ای تنظیم شد که تمام نمونه‌ها اسلامپ تقریباً یکسانی داشته باشند. در طرح اول (طرح کنترل) ۴۴۰ کیلوگرم سیمان استفاده شد. در پنج طرح بعدی، این مقدار سیمان ثابت نگه داشته شد اما به آن ۲/۵، ۵/۰، ۷/۵، ۱۰ و ۱۳ درصد میکروسیلیس افزوده شد.
مزایای استفاده از میکروسیلیس به شرح زیر می‌باشد:
افزایش مقاومت فشاری اولیه و نهایی
افزایش مقاومت کششی، خمشـی و مدول الاستیسـیته
کاهش نفوذپذیری بتن
افزایش دوام بتن
افزایش مقاومت بتن در برابر سایش و فرسایش.
تأثیر میکروسیلیس بر خواص بتن تازه بدین صورت است:
- کاهش جداشدگی و آب انداختگی: ذرات میکروسیلیس بسیار نرم هستند و می‌توانند بین ذرات سیمان قرار گرفته و نقش پرکننده (فیلر) داشته باشند. بدین ترتیب باعث کاهش جداشدگی و آب انداختگی می‌شوند.
- افزایش آبخواهی: میکروسیلیس به دلیل نرمی زیاد خود، باعث افزایش آبخواهی سیمان می‌شود.
- افزایش زمان گیری سیمان: میکروسیلیس جایگزین بخشی از سیمان می‌شود. به بیان دیگر، مقدار سیمان کمتر شده و از این رو زمان گیرش آن افزایش می‌یابد.
معمولاً میکروسیلیس از سیمان گران‌تر است و فقط برای کاربردهای خاص مثل بتن‌های پرمقاومت یا بتن‌هایی که قرار است در شرایط محیطی سخت قرار گیرند و یا گروت‌هایی که جهت ترمیم بتن تزریق می‌شوند، استفاده می‌شود.
تأثیر میکروسیلیس بر بتن
شش طرح اختلاط بتن با مصالح سنگی یکسان و نسبت آب به سیمان ۰٫۳۴ ساخته شد. مقدار مصرف مواد شیمیایی روان‌کننده به‌گونه‌ای تنظیم شد که تمام نمونه‌ها اسلامپ تقریباً یکسانی داشته باشند. در طرح اول (طرح کنترل) ۴۴۰ کیلوگرم سیمان استفاده شد. در پنج طرح بعدی، این مقدار سیمان ثابت نگه داشته شد اما به آن ۲/۵، ۵/۰، ۷/۵، ۱۰ و ۱۳ درصد میکروسیلیس افزوده شد.
تحلیل نتایج:
1- تأثیر بر کارایی بتن تازه: در اسلامپ تقریباً برابر با افزایش درصد میکروسیلیس، نیاز به مصرف روان‌کننده کاهش یافت. به بیان دیگر، میکروسیلیس باعث روانی بتن تازه شده است. این موضوع به دلیل رفتار فیزیکی میکروسیلیس و همچنین افزایش هوای بتن می‌باشد.
2- درصد هوای بتن: با افزایش درصد میکروسیلیس، درصد هوای بتن نیز افزایش پیدا کرده است.
مقاومت ملات و بتن: با افزایش درصد میکروسیلیس تا ۵٪، مقاومت بتن افزایش یافت. (این عدد برای ملات ۷/۵ درصد بود) و بعد از آن روند نزولی داشت. عامل کاهش مقاومت، افزایش هوازایی در بتن می‌باشد.
شرکت بهین کنترل صنعت با بررسی این نتایج به اهمیت دقت در انتخاب مقدار میکروسیلیس برای دستیابی به تعادل مناسب در ویژگی‌های بتن و ملات پی برده است.
نتیجه‌گیری:
در این مطالعه موردی، افزودن ۵ درصد میکروسیلیس به سیمان، بهترین نتایج را در بتن به همراه داشت. این مقدار میکروسیلیس باعث بهبود کارایی بتن و افزایش مقاومت آن تا حد مطلوب شد.
مراجع:
1- Hossain M.M, Karim M.R., Hasan M., Hossain M.K. & Zain M.F.M. (2016). Durability of Mortar and Concrete made up of Pozzolans as a partial replacement of Cement. Construction and Building Materials, (116),128140-
2- Nili, M., & Taday on, M. The Relationships between Setting Time and Early Age Strength of Concrete containing Silica fume, Fly ash and Slag, Third International Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies, http://www.claisse.info/proceedings.htm
3- مهتا، ک. و مونته ئیرو، ب.چ.م. (۲۰۰۶). ریزساختار، خواص و اجزای بتن (تکنولوژی بتن پیشرفته) ویرایش سوم. ترجمه رمضانیان پور، قدوسی، گنجیان، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، الف، چاپ هفتم، تهران: (۱۳۹۵)
4- دوده سیلیس مورد استفاده در مخلوط‌های سیمانی - ویژگی‌ها و روش‌های آزمون، استاندارد ملی ایران شماره ۱۳۷۸۸، تجدید نظر دوم، ۱۴۰۲
5- Siddique, R. & Iqbal Khan, M. Supplementary Cementing Materials, pages 67, 73, 75
6- Aïtcin, P.C., Binders for Durable and Sustainable Concrete, page 298
7- Kosmatka, S.H. & Wilson, M.L., Design and Control of Concrete Mixtures, fifteenth edition, page 71
