تاثیر میکروسیلیس بر بتن و کاربردهای مختلف آن

میکروسیلیس یک پودر بسیار ریز است که به عنوان یک محصول جانبی در طول تولید آلیاژهای سیلیکون و فروسیلیکون جمع آوری می‌شود. از ذرات کروی با قطر متوسط ۱۵۰ نانومتر تشکیل شده است. کاربرد اصلی میکروسیلیس به عنوان ماده پوزولانی برای بتن با کارایی بالا است. این محصول منحصر به فرد خالص و کارآمد است. هنگامی که به عنوان یک افزودنی بتن استفاده می‌شود، میکروسیلیس به طور چشمگیری دوام و ماندگاری بتن را بهبود می‌بخشد و در نتیجه هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد.

هنگامی که میکروسیلیس به مخلوط بتن اضافه می‌شود، دوز کوچک میکروسیلیس میلیون‌ها ذره ریز دی اکسید سیلیکون را وارد بتن می‌کند. شکاف‌های مخلوط بتن مرطوب را پر می‌کند و با سیمان پرتلند واکنش شیمیایی می‌دهد. نتیجه یک بتن فشرده سخت شده با استحکام و دوام بسیار بهبود یافته است.

دوده سیلیس یا ژل میکروسیلیس، محصول جانبی مهمی است که در طی فرآیند تولید فروسیلیکون و آلیاژهای فلز سیلیکون تولید می‌شود. این ترکیب کاربردهای گسترده‌ای در بتن پیدا می‌کند و مزایای مهمی برای صنایع دریایی، ساختمان‌سازی و نفت و گاز در سراسر جهان دارد. در شرکت پارتاک، ارائه‌دهنده افزودنی‌های بتن در ایران، ما با تمام نکات کاربردی میکروسیلیس آشنا هستیم. امروز، ما قصد داریم نگاهی دقیق به مزایا و معایب میکروسیلیس در هنگام افزودن به بتن داشته باشیم.

میکروسیلیس چیست؟

دوده سیلیس یا ژل میکروسیلیس یک ماده پوزولانی است که از نظر ظاهری شبیه خاکستر بادی یا سیمان پرتلند است. ژل میکروسیلیس خود از دی اکسید سیلیکون غیر کریستالی یا آمورف (SiO2) با ذرات ۱۰۰ برابر کوچکتر از یک ذره سیمان استاندارد تشکیل شده است. این بدان معنی است که قطر ذرات سیلیس کمتر از ۱ میکرون است و یک پودر فوق ریز را تشکیل می‌دهد. چگالی ۲.۲ گرم بر سانتی متر مکعب است. ژل میکروسیلیس را می‌توان به دو دسته غلیظ شده و غلیظ نشده تقسیم کرد:

• ژل میکروسیلیس غلیظ نشده دارای چگالی توده ۲۵۰-۳۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب است.
• دود سیلیس متراکم شده دارای چگالی ظاهری ۵۵۰-۷۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است.

هنگامی که فرد نیاز به اصلاح یا افزایش خواص طبیعی بتن دارد، می‌توان ژل میکروسیلیس را در طول بچینگ به محلول اضافه کرد و استحکام و دوام ماده را افزایش داد.

پیشنهاد می‌کنیم مقاله بچینگ بتن چیست و چه کاربردی دارد را مطالعه کنید.

چرا استفاده از ژل میکروسیلیس مهم است؟

پودر سیلیس ریز یکی از مواد کلیدی مورد استفاده در ساخت مواد نسوز و بتن است. هنگامی که دوده سیلیس به بتن اضافه می‌شود، می‌تواند خواص مکانیکی آن را افزایش دهد و به مقاومت خورنده بهتر، افزایش مقاومت سولفات و مقاومت سایشی برتر دست یابد. علاوه بر این، استفاده از دوده سیلیس در بتن به کاهش نفوذپذیری مخلوط و بهبود دوام آن کمک می‌کند.

دود سیلیس یک ماده واقعا همه کاره است که برای تولید تقریبا تمام گریدهای بتن استفاده می‌شود. همچنین می‌توان از آن برای بهبود استحکام و عملکرد دیرگدازها در دمای بالا استفاده کرد و کاربردهایی در صنایع لاستیک و شیشه آب پیدا کرد.

دوده سیلیس چگونه در بتن استفاده می شود؟

برای درک بهتر مزایا و معایب دوده سیلیس، مهم است که بدانیم پس از افزودن دوده سیلیس به بتن چه واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد یا به عبارت دیگر، تاثیر میکروسیلیس بر بتن تا چه حدی است. هنگامی که به بتن اضافه می‌شود، دوده سیلیس در ابتدا بی‌اثر می‌ماند. سپس، هنگامی که آب با سیمان پرتلند در مخلوط شروع به واکنش کرد (هیدراته)، واکنش شیمیایی اولیه دو ترکیب شیمیایی مهم تولید می‌کند:

• کلسیم سیلیکات هیدرات (CSH)، ترکیب کریستالی مسئول استحکام مواد است.
• هیدروکسید کلسیم (CH)، یک محصول جانبی که به عنوان پرکننده عمل می‌کند و منافذ داخل بتن را پوشش می‌دهید.

تولید میکروسیلیس چگونه انجام می شود؟

میکرو سیلیس یک محصول جانبی است که در طی ساخت سیلیکون و آلیاژهای فروسیلیکون در یک کوره الکتریکی با قوس غوطه‌ور به دست می‌آید. این آلیاژها از کوارتز با خلوص بالا و زغال سنگ تولید می‌شوند. همچنین دوده سیلیس به عنوان یک محصول جانبی در طول ساخت سایر آلیاژهای سیلیکون مانند فروکروم، فرومنگنز، فرو منیزیم و سیلیکون کلسیم جمع آوری می‌شود.

سیلیکون عنصری است که به مقدار زیاد در بیشتر سنگ‌ها یافت می‌شود اما هرگز در حالت خالص نیست. تقریبا ۲۶ درصد از پوسته زمین از سیلیکون تشکیل شده است. کوارتز یکی از سنگ‌هایی است که حاوی مقادیر زیادی سیلیکون است اما به شدت با اکسیژن ترکیب شده است. مواد اولیه‌ای که معمولا به کارخانه ذوب می‌رود شامل کوارتز متالورژی، تراشه‌های چوب و زغال سنگ است. مخلوط‌ها به سیلو کوره منتقل می‌شوند و سپس مستقیما از طریق لوله‌های شارژ چرخان که مخلوط را در اطراف الکترودهای کوره پخش می‌کنند، به داخل کوره فرو می‌روند.

این مخلوط توسط سه الکترود بزرگ تا دمای بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد گرم می‌شود. در این دما، اکسیژن موجود در کوارتز در فرآیند کاهش آزاد می‌شود و با کربن دوباره ترکیب می‌شود. در ناحیه دمای پایین اکسید شده و متراکم می‌شود و به ذرات ریز متشکل از سیلیس غیر کریستالی تبدیل می‌شود. تولید دوده سیلیس به توان الکتریکی عظیمی نیاز دارد. ۱۱۰۰۰ کیلووات ساعت برای تولید یک تن سیلیکون خالص مورد نیاز است.

تصفیه سیلیکون با افزودن اکسیژن به مذاب از طریق پایین برچسب تصفیه انجام می‌شود. هنگامی که فرآیند پالایش کامل شد، سیلیکون در سردهای بزرگ آهنی ریخته می‌شود. ریخته‌گری بخش مهمی از تولید است زیرا بسیار مهم است که سرباره تولید شده توسط فرآیند پالایش در برچسب پالایش باقی بماند. وجود حتی مقدار کمی سرباره ممکن است کیفیت محصول نهایی را خراب کند.

زمانی که شمش‌ها خنک شدند به اندازه دلخواه خرد شده و در ظروف پر شده و به مشتری منتقل می‌شوند. فیلتر کارآمد تقریبا تمام غبارهای گازهای ساطع شده از کوره‌ها را حذف می‌کند. این گرد و غبار متشکل از ذرات ریز سیلیس، میکروسیلیس است و ثابت شده است که برای اهداف مختلف، به عنوان مثال، به عنوان یک افزودنی به بتن، بسیار مفید است.

ملاحظات اختلاط و قرار دادن ژل میکروسیلیس

• مدیریت میکرو سیلیس: میکرو سیلیس به دلیل ظرافت فوق العاده‌اش، مشکلاتی را در حمل و نقل ایجاد می‌کند. یک تانکر سیمانی که معمولا می‌تواند ۳۵ متریک تن سیمان را حمل کند، تنها ۷ تا ۹ تن میکرو سیلیس خشک را در خود جای می‌دهد و به ۲۰ تا ۵۰ درصد زمان بیشتری برای تخلیه نیاز دارد.
• آب مورد نیاز مخلوط: هنگامی که از مواد کاهنده آب استفاده نمی‌شود، افزودن میکرو سیلیس به مخلوط بتن به آب بیشتری برای حفظ اسلامپ معین نیاز دارد. برای جلوگیری از مصرف آب اضافی، از یک کاهنده آب یا فوق روان کننده بتن همراه با میکرو سیلیس استفاده می‌شود.
• قرار دادن، تکمیل و پخت: ژلی که در چند دقیقه اول مخلوط کردن میکرو سیلیس ایجاد می‌شود، مخلوط را سفت می‌کند. لازم است بتن را به پایان برسانید و یک ترکیب یا پوشش را فورا اعمال کنید. اثرات مختلف متفاوتی با مخلوط‌های بتن بدون چربی یا مخلوط‌هایی گزارش شده است که خاکستر بادی جایگزین سیمان هستند.

آشنایی با خواص میکرو سیلیس

• قطر یک ذره دوده سیلیس بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ نانومتر است.
• ذرات آن کروی شکل هستند.
• چگالی دوده سیلیس متراکم مورد نیاز برای استفاده به عنوان افزودنی در بتن باید حدود ۵۰۰ تا ۷۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب باشد.
• حاوی ۸۵ تا ۹۷ درصد دی اکسید سیلیکون است.
• سایر ترکیبات موجود در میکرو سیلیس کربن، گوگرد همراه با اکسیدهای آلومینیوم، آهن، کلسیم، منیزیم، سدیم و پتاسیم است.
• جایگزینی سیمان با حدود ۱۰ درصد دوده سیلیس متعاقبا منجر به افزایش مقاومت فشاری بتن می شود.
• به دلیل افزایش مقاومت، استحکام کششی بالا و نفوذپذیری کمتر، خوردگی آرماتور بسیار کاهش می یابد.

بررسی تاثیر میکروسیلیس بر بتن

در ادامه به بررسی تاثیر میکروسیلیس بر بتن خواهیم پرداخت:

۱.اثر پوزولانی

طبق گفته محققان، زمانی که آب به سیمان پرتلند معمولی اضافه می‌شود، هیدراته شدن بتن انجام می‌شود که منجر به تشکیل محصولات زیر می‌شود:

OPC + H_۲O  →  CSH + Ca (OH)_۲

در حضور دوده سیلیس، دی اکسید سیلیکون با هیدروکسید کلسیم واکنش می دهد و CHS (هیدرات سیلیکات کلسیم) را تشکیل می دهد که به شرح زیر است:

Ca (OH)_۲ + SiO_۲ + H_۲O  →  CSH

این واکنش باعث کاهش مقدار هیدروکسید کلسیم در بتن می‌شود. این واکنش مفید است زیرا هیدروکسید کلسیم ضعیف‌تر هیچ مقاومتی به بتن نمی‌دهد. هنگامی که با دی اکسید کربن ترکیب می‌شود، نمک محلول را تشکیل می‌دهد که از طریق بتن شسته می‌شود. هنگامی که مقدار زیادی هیدروکسید کلسیم به بتن اضافه می‌شود، بتن در برابر حمله سولفات، حمله شیمیایی و همچنین واکنش‌های نامطلوب سنگدانه‌های قلیایی آسیب پذیرتر می‌شود.

۲.اثر میکرو پرکننده

طبق گفته محققان، میکرو سیلیس ماده ریزتری است که از نظر قطر متوسط تقریبا ۱۰۰ برابر ریزتر از سیمان است. با افزودن نزدیک به ۸ درصد وزن سیمان، تقریبا ۱۰۰۰۰۰ ذره برای هر ذره سیمان، فضاهای آب را در بتن تازه پر می‌کند. این امر نشت و ناحیه انتقال ضعیف بین سنگدانه و خمیر بتن را از بین می‌برد. این اثر میکرو پرکننده نفوذپذیری را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و پیوند خمیر به سنگدانه را در بتن دوده سیلیسی در مقایسه با بتن معمولی بهبود می‌بخشد. واکنش بخار سیلیس سریع است و در مراحل اولیه استحکام و دوام بالایی را ارائه می‌دهد. از نظر راندمان دوده سیلیس ۳-۵ برابر بیشتر از OPC است و به طور همزمان عملکرد بتن نیز می‌تواند به شدت بهبود یابد.

۳.اثرات میکروسیلیس بر روی هوای بتن تازه

دوز مواد افزودنی مانند عوامل حباب هواساز برای حفظ محتوای هوای مطلوب در حین استفاده از میکرو سیلیس کمی بیشتر از مقدار مورد نیاز برای بتن معمولی است. این کار به دلیل سطح بالای سطح علاوه بر وجود کربن است. از این رو، با افزایش مقدار میکرو سیلیس در بتن؛ دوز مواد حباب کننده هوا افزایش می‌یابد.

۴.اثرات میکروسیلیس بر نیازهای آبی بتن تازه

با افزودن دوده سیلیس به بتن، تقاضای آب به طور خودکار افزایش می‌یابد. این اغلب منجر به نیاز به یک پوند آب اضافی برای هر پوند دود سیلیس اضافه می‌شود. این مشکل را می‌توان به راحتی با استفاده از کاهش دهنده‌های آب برد بالا (HRWR) حل کرد.

۵.تأثیر میکروسیلیس بر قوام و نشت بتن تازه

افزودن بیش از ۱۰ درصد دوده سیلیس در بتن باعث ایجاد چسبندگی در بتن می‌شود. بنابراین برای افزایش کارایی بتن باید اسلامپ اولیه را افزایش داد. مشاهده شده است که دوده سیلیس تغلیظ شده به دلیل تأثیر آن بر خواص رئولوژیکی، نشت بتن را کاهش می‌دهد.

کاربردهای میکرو سیلیس که هر پیمانکاری باید بدانید

بتن دارای میکرو سیلیس معمولا برای دستیابی به خواص زیر استفاده می‌شود:

۱.مقاومت در برابر خوردگی

کاهش نفوذپذیری توسط میکرو سیلیس، محافظت در برابر نفوذ یون‌های کلرید را فراهم می‌کند و در نتیجه زمان لازم برای رسیدن یون‌های کلرید به میله فولادی و شروع کار را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، بتن میکرو سیلیس مقاومت الکتریکی بسیار بالاتری در مقایسه با بتن معمولی دارد و در نتیجه سرعت خوردگی را کاهش می‌دهد. این اثر ترکیبی عمر یک سازه را بین ۵ تا ۱۰ برابر افزایش می‌دهد.

۲.مقاومت سولفات

بتن حاوی دوده سیلیس حساسیت کمی برای نفوذ یون‌های سولفات و مقاومت شیمیایی بالایی دارد که درجه حفاظت بالاتری در برابر سولفات‌ها نسبت به آلومینات‌تری کلسیم کم (C۳A) و سایر سیمان‌های مقاوم به سولفات یا خاکستر بادی و سایر سیستم‌های چسبنده سیمانی ایجاد می‌کند.

۳.کاهش حرارت

با جایگزینی سیمان با دوده سیلیس تغلیظ شده و رعایت ضریب کارایی آن، حداکثر افزایش دما و اختلاف دمای کمتری برای بتن با مقاومت یکسان ایجاد می‌شود. عملکرد بهتری در مقایسه با مخلوط سرباره و خاکستر بادی در مورد مقاطع ضخیم دارد. همچنین ثابت شده است که موثرترین راه برای دستیابی به بتن با حرارت کم بدون کاهش مقاومت در سنین پایین است.

۴.مقاومت در برابر سایش

مقاومت سایشی بتن دوده سیلیسی بسیار بالاست. استفاده از بتن فوم سیلیس در ساخت کفپوش و روسازی باعث صرفه جویی در زمان و هزینه می‌شود. همچنین کارایی عملیاتی را برای اپراتور تأسیسات بهبود می‌بخشد. مقاومت هیدرولیکی بتن در برابر سایش و فرسایش افزایش یافته است که آن را برای ساخت سرریز سدها کاملا مناسب می‌کند.

۵.مقاومت شیمیایی

بتن میکروسیلیس در سازه‌های صنعتی کاربرد گسترده‌ای پیدا می‌کند که در معرض مجموعه‌ای از مواد شیمیایی تهاجمی قرار دارند. در صنایع غذایی به دلیل اسیدهای چرب، سایر اسیدها و مواد شوینده و غیره قرار گرفتن در معرض بیش از حد است. در جایی که مانند صنایع شیمیایی، مواجهه با اسیدهای معدنی، فسفات‌ها، نیترات‌ها، پتروشیمی‌ها و غیره است. بنابراین استفاده در هر دو مورد بخش‌های صنعتی و کشاورزی بسیار ارزشمند است.

۶.بتن ضد آب میکرو سیلیس

از آنجایی که دود سیلیس دارای نفوذپذیری پایینی است، می‌تواند به عنوان یک بتن ضد آب یکپارچه برای سازه‌های زیرزمینی استفاده شود که رطوبت زیادی مورد انتظار است. به عنوان مثال، می‌توان از آن‌ها در پارکینگ، زیرزمین و غیره استفاده کرد.

۷.بتن با مقاومت بالا

دوده سیلیس تغلیظ شده همراه با فوق روان کننده‌ها می‌تواند برای تولید بتن با مقاومت بسیار بالا در حدود ۷۰ Mpa تا ۱۲۰ Mpa استفاده شود. بتن با استحکام بالا با کاهش ضخامت ستون و دیوار در ساختمان‌های بلند و بهبود برنامه زمان‌بندی ساخت، مزایای اقتصادی زیادی را برای سازندگان به همراه دارد. آلکیل میکروسیلیس برای دستیابی به بتن با استحکام بالا و کارایی بالا برای ساخت بلندترین ساختمان‌های جهان مانند برج خلیفه در دبی استفاده شد.

۸.شاتکریت

شاتکریت فرآیندی است که از اعمال یا پاشش بتن یا ملات بر روی عنصر یا سطح توسط فشار پنوماتیک با سرعت بالا برای ایجاد یک لایه بتن یا ملات با دوام بسیار متراکم است. همچنین به عنوان بتن یا ملات دمنده هوا شناخته می‌شود.

بتن میکروسیلیسی را می‌توان در شاتکریت استفاده کرد که با فرآیندهای مرطوب یا خشک تولید می‌شود. ضخامت کاربرد در هر جرم را افزایش می‌دهد و مقاومت در برابر شستشو در ساختمان‌های دریایی یا مناطق مرطوب را بهبود می‌بخشد. همچنین خواص شاتکریت سخت شده را بهبود می‌بخشد.

۹.عملیات تونل و معدن

در عملیات تونل و معدن، استفاده از دوده سیلیس به طرق مختلف رایج است. در مخلوط‌های بتن پاشیده شده، ذرات میکرو سیلیس با کاهش هدر رفت و برگشت، مخلوط‌های بتن را منسجم‌تر می‌کنند.

۱۰.پل سازی

بسیاری از طولانی‌ترین پل‌های دریایی جهان از دود سیلیس استفاده می‌کنند، زیرا باعث کاهش نفوذپذیری بتن و همچنین افزایش مقاومت در برابر سولفات‌ها، ورود کلرید و خوردگی آرماتور می‌شود.

مزایای استفاده از ژل میکروسیلیس شامل چه مواردی است؟

هنگامی که میکروسیلیس به سیمان معمولی اضافه می‌شود، خواص ذکر شده در زیر بتن را افزایش می‌دهد:

• بهبود باند؛
• گرمای کمتر هیدراتاسیون؛
• کاهش واکنش سنگدانه قلیایی؛
• افزایش مقاومت فشاری؛
• کاهش نفوذپذیری؛
• نشت را به حداقل می رساند؛
• جداسازی بتن را کاهش می دهد؛
• دوام بتن را بهبود می بخشد؛
• بتن را منسجم تر می کند.

معایب استفاده از میکرو سیلیس

• قیمت آن در مقایسه با گروت سیمانی بالاتر است.
• انقباض گروت سیمانی را افزایش می‌دهد که خطر ترک خوردن را افزایش می‌دهد.
• از آنجایی که کارایی بتن دوده سیلیسی کمتر است، کاربرد آن مشکل می‌شود. در این حالت یکنواختی سطح به خطر می‌افتد.

به طور خلاصه می توان گفت، ژل میکرو سیلیس یا دود سیلیس یک ماده پوزولانی خوب است که استحکام و دوام بتن را افزایش می‌دهد. حفره‌ها را کاهش می‌دهد و یک ماتریس بتنی متراکم ایجاد می‌کند. به عنوان یک محصول جانبی، دود سیلیس برای ساخت بتن سبز استفاده می‌شود و منجر به توسعه پایدار می‌شود. همچنین در انواع مختلف ساخت و ساز برای اهداف مختلف مانند استحکام بالا، شاتکریت، کاهش حرارت، مقاومت در برابر خوردگی، سولفات، سایش، شیمیایی و غیره استفاده می‌شود.