میکروسیلیس: افزودنی قدرتمند برای بتن پرمقاومت و با دوام

میکروسیلیس (Micro Silica) که با نام‌های دیگری مانند دوده سیلیس (Silica Fume) و میکروسیلیکا هم شناخته می‌شود، یک افزودنی مهم و پوزولانی برای بتن پر مقاومت و با دوام است. این ماده که محصول جانبی تولید آلیاژهای فروسیلیسیم و سیلیسیم است، از ذرات بسیار ریز و غیربلوری (آمورف) دی‌اکسید سیلیسیم (SiO2) تشکیل شده است. با توجه به خواص پودر میکروسیلیس و اثرات آن بر روی بتن، این ماده به عنوان یک سوپرپوزولان در صنعت ساخت‌وساز شناخته می‌شود و به طور گسترده‌ای برای تولید انواع بتن‌های خاص و مقاوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از ژل میکروسیلیس و دوغاب میکروسیلیس راه حل‌های موثری برای بهبود خواص بتن و دستیابی به بتن آب‌بند و با دوام است.

ویژگی‌های فنی و ساختار شیمیایی

میکروسیلیس از نظر فنی و ساختار شیمیایی دارای خصوصیاتی است که آن را به یک ماده ارزشمند در صنعت بتن تبدیل می‌کند.

ترکیب شیمیایی

 دوده سیلیس از خلوص بسیار بالایی از دی‌اکسید سیلیسیم (SiO2) برخوردار است که معمولاً باید بیش از ۸۵ درصد باشد. این خلوص بالا، عامل اصلی واکنش‌پذیری و پوزولانی بودن آن است. این ویژگی باعث می‌شود میکروسیلیس به خوبی با هیدروکسید کلسیم آزاد (آهک آزاد) در بتن واکنش دهد و مواد مفید تولید کند.

خواص فیزیکی ذرات

 ذرات میکروسیلیکا فوق‌العاده ریز هستند. اندازه آن‌ها کمتر از ۱ میکرومتر است و به طور میانگین حدود ۱۰۰ برابر کوچک‌تر از ذرات سیمان هستند. این ذرات بسیار کوچک و کروی‌شکل (غیربلوری یا آمورف) هستند، که باعث می‌شود در فضاهای خالی بین ذرات سیمان قرار بگیرند و بتن را بسیار متراکم کنند. چگالی ویژه میکروسیلیس حدود ۲.۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب است که کمتر از سیمان (۳.۱۵) است. همچنین، به دلیل اندازه ریز ذرات، سطح ویژه آن بسیار بالاست و بین ۱۵۰۰۰ تا ۳۰۰۰۰ متر مربع بر کیلوگرم متغیر است. این سطح ویژه بالا باعث افزایش واکنش‌پذیری شیمیایی می‌شود، اما همزمان نیاز به آب بیشتری برای پخش یکنواخت در بتن دارد.

میکروسیلیس چگونه تولید و در بازار عرضه می‌شود؟

فرآیند تولید

 تولید میکروسیلیس یک فرآیند پیچیده و صنعتی است. این ماده در واقع محصول جانبی تولید آلیاژهای فروسیلیسیم و سیلیسیم متالیک است. در این فرآیند، کوارتز با خلوص بالا در کوره‌های قوس الکتریکی با دمای بالا (حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) حرارت داده می‌شود. در این دما، سیلیسیم و مونوکسید سیلیسیم (SiO) به صورت بخار از کوره خارج می‌شوند. پس از سرد شدن بخار در هوا، مونوکسید سیلیسیم با اکسیژن هوا واکنش می‌دهد و به دی‌اکسید سیلیسیم (SiO2) تبدیل می‌شود. این ذرات بسیار ریز و کروی‌شکل سپس با استفاده از فیلترهای کیسه‌ای (بگ فیلترها) جمع‌آوری می‌شوند.

انواع حالت‌های میکروسیلیس در بازار

دوده سیلیس در سه شکل اصلی به بازار عرضه می‌شود:

• پودری: این حالت خود به دو دسته پودر غیرمتراکم (سبک) و پودر متراکم (سنگین) تقسیم می‌شود. نوع متراکم برای حمل و نقل و نگهداری آسان‌تر است.
• دوغابی (Slurry): این حالت مخلوطی از میکروسیلیس با آب است. استفاده از دوغاب میکروسیلیس باعث پخش یکنواخت‌تر در بتن شده و از ایجاد کلوخه‌ها جلوگیری می‌کند.
• ژل میکروسیلیس: این محصول ترکیبی از میکروسیلیکا و فوق روان کننده بتن است. استفاده از ژل میکروسیلیس علاوه بر تسهیل پخش در بتن، مشکل افت کارایی ناشی از آن را نیز برطرف می‌کند.

بسته‌بندی میکروسیلیس

 معمولاً در کیسه‌های کاغذی یا پلاستیکی ۲۰ تا ۴۰ کیلوگرمی یا در جامبوبگ‌های ۱۰۰۰ کیلوگرمی برای پروژه‌های بزرگ‌تر بسته‌بندی و عرضه می‌شود. بسته‌بندی مناسب از پخش شدن گرد و غبار و مشکلات بهداشتی جلوگیری می‌کند.

نقش و تأثیر در بتن (مکانیسم عملکرد)

میکروسیلیس تنها یک پرکننده ساده نیست؛ بلکه با دو مکانیسم اصلی، خواص بتن را به شکل چشمگیری تغییر می‌دهد:

اثر فیزیکی (پرکننده میکروسکوپی)

ذرات دوده سیلیس به دلیل اندازه بسیار کوچک (تقریباً ۱۰۰ برابر ریزتر از ذرات سیمان)، می‌توانند فضاهای میکروسکوپی بین ذرات سیمان و سنگدانه را پر کنند. این عمل باعث ایجاد یک ساختار متراکم و توپُر می‌شود که به شدت نفوذپذیری بتن را کاهش می‌دهد. این اثر فیزیکی، افزایش چسبندگی خمیر سیمان را نیز به دنبال دارد و از جداشدگی (آب انداختگی) بتن تازه جلوگیری می‌کند.

اثر شیمیایی (پوزولانی)

 مهم‌ترین نقش میکروسیلیکا، فعالیت پوزولانی آن است. در فرآیند هیدراتاسیون سیمان، مقدار زیادی کلسیم هیدروکسید (آهک آزاد) تولید می‌شود که به تنهایی خاصیت چسبندگی ندارد و باعث کاهش دوام بتن می‌شود. ذرات میکروسیلیس با این آهک آزاد واکنش داده و هیدرات سیلیکات کلسیم (C-S-H) ثانویه تولید می‌کنند. این محصول ثانویه همانند هیدراتاسیون اصلی سیمان، در استحکام و مقاومت بتن نقش دارد و با مصرف آهک آزاد، باعث افزایش دوام بتن در برابر عوامل مهاجم می‌شود.

تأثیر بر بتن تازه میکروسیلیس

به دلیل سطح ویژه بسیار بالا، نیاز به آب بیشتری برای پخش شدن در مخلوط دارد. این موضوع باعث کاهش کارایی (اسلامپ) بتن می‌شود، بنابراین استفاده همزمان از فوق روان کننده بتن برای جبران این افت کارایی ضروری است. از سوی دیگر، این افزودنی می‌تواند زمان گیرش بتن را افزایش دهد که در هوای گرم یک مزیت محسوب می‌شود.

تأثیر بر بتن سخت شده

• افزایش مقاومت: با تولید C-S-H ثانویه و پر کردن فضاهای خالی، میکروسیلیس مقاومت فشاری و کششی بتن را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد. این افزایش مقاومت در مقادیر بهینه (۷ تا ۱۰ درصد وزن سیمان) می‌تواند تا ۵۶ درصد نیز برسد.
• افزایش دوام: کاهش نفوذپذیری، مقاومت بتن را در برابر حملات سولفاتی، یون کلرید، سیکل‌های ذوب و یخ، و سایش بهبود می‌بخشد.
• کاهش نفوذپذیری و تخلخل: این اصلی‌ترین مزیت استفاده از میکروسیلیس است که بتن را در برابر نفوذ آب، مواد شیمیایی و گازها مقاوم می‌سازد و عمر مفید سازه را افزایش می‌دهد.

کاربردها و موارد استفاده

به دلیل خواص منحصر به فردی که میکروسیلیس به بتن می‌دهد، در پروژه‌های مختلفی از آن استفاده می‌شود:

• بتن با مقاومت بالا (HSC): برای ساخت ستون‌ها و دیوارهای برشی در ساختمان‌های بلند، پل‌ها و سازه‌هایی که نیاز به مقاومت فشاری بسیار بالا دارند، میکروسیلیس یک جزء کلیدی است.
• سازه‌های آبی و دریایی: در اسکله‌ها، شمع‌ها، سدها و سازه‌های ساحلی که در معرض یون‌های کلرید و سولفات قرار دارند، استفاده از میکروسیلیس برای افزایش دوام ضروری است. این ماده بتن آب‌بند و غیرقابل نفوذ ایجاد می‌کند.
• بتن آب‌بند و بادوام: در تونل‌ها، مخازن آب، تصفیه‌خانه‌ها و سازه‌های زیرزمینی، برای جلوگیری از نفوذ آب و عوامل خورنده، میکروسیلیس استفاده می‌شود.
• بتن پاششی (شاتکریت): افزایش چسبندگی ناشی از میکروسیلیس، باعث کاهش بازگشت مصالح در هنگام پاشش بتن می‌شود و آن را برای تثبیت شیب‌ها، تونل‌ها و سازه‌های زیرزمینی مناسب می‌کند.
• کف‌های صنعتی: کف کارخانه‌ها و انبارها که در معرض سایش و ضربه شدید هستند، با استفاده از میکروسیلیس مقاومت خود را افزایش می‌دهند.
• انواع دیگر بتن: این ماده در تولید بتن خودتراکم و بتن‌های ژئوپلیمری نیز کاربرد دارد.

نکات اجرایی و میزان مصرف

برای اینکه میکروسیلیکا عملکرد بهینه‌ای در بتن داشته باشد، رعایت نکات اجرایی و میزان مصرف صحیح بسیار مهم است.

مقدار مصرف استاندارد

مقدار مصرف دوده سیلیس معمولاً بر اساس وزن سیمان و بین ۳ تا ۱۵ درصد است. با این حال، مقدار بهینه و رایج آن در پروژه‌های مختلف، بین ۷ تا ۱۰ درصد وزن سیمان است. برای تولید بتن پر مقاومت و بتن آب‌بند که به دوام بالا نیاز دارند، ممکن است این مقدار تا ۱۷ درصد نیز افزایش یابد. استفاده بیش از حد می‌تواند باعث افزایش جمع‌شدگی و نیاز به روان‌کننده‌های بیشتر شود.

روش مصرف

 توصیه می‌شود برای پخش یکنواخت و جلوگیری از کلوخه شدن ذرات بسیار ریز میکروسیلیکا، از حالت ژل میکروسیلیس یا دوغاب میکروسیلیس استفاده شود. در صورت استفاده از پودر میکروسیلیس، بهتر است آن را با یک سوم آب طرح اختلاط مخلوط کرده و سپس به تدریج به بتن اضافه کنید. از آنجایی که سطح ویژه بالای میکروسیلیس باعث افت شدید کارایی بتن می‌شود، استفاده از فوق روان کننده بتن برای جبران این افت و دستیابی به اسلامپ مورد نظر، ضروری است.

عمل‌آوری

 پس از بتن‌ریزی، عمل‌آوری دقیق و مراقبت سطحی از بتن حاوی میکروسیلیس اهمیت بالایی دارد. این بتن‌ها به دلیل تخلخل کمتر، به سرعت رطوبت خود را از دست می‌دهند. بنابراین، برای جلوگیری از ترک‌خوردگی سطحی و بهبود خواص مکانیکی، باید بلافاصله پس از گیرش اولیه، عمل‌آوری با استفاده از پوشش پلاستیکی، مرطوب نگه‌داشتن یا مواد عمل‌آوری صورت گیرد.

مزایا، معایب و نکات بهداشتی

استفاده از میکروسیلیس در کنار مزایای فراوان، معایبی نیز دارد که باید به آن‌ها توجه کرد.

مزایا

• افزایش دوام: مقاومت در برابر حملات سولفاتی و کلریدی، مقاومت در برابر سیکل‌های ذوب و یخ، و کاهش سرطان بتن از مهم‌ترین مزایای آن است.
• افزایش مقاومت: به طور قابل توجهی مقاومت‌های کششی و فشاری بتن را بالا می‌برد.
• کاهش نفوذپذیری: اصلی‌ترین مزیت میکروسیلیکا، کاهش شدید تخلخل و نفوذپذیری بتن است که عمر مفید سازه را افزایش می‌دهد.
• کاهش حرارت هیدراتاسیون: در مقایسه با سیمان، حرارت کمتری تولید می‌کند که در بتن‌ریزی‌های حجیم مفید است.

معایب

• افت کارایی: میکروسیلیس باعث کاهش شدید اسلامپ بتن می‌شود و برای جبران آن باید از فوق روان کننده بتن استفاده کرد.
• افزایش جمع‌شدگی: بتن حاوی میکروسیلیس ممکن است دچار جمع‌شدگی بیشتری شود که می‌تواند منجر به ترک‌های سطحی گردد. این مشکل با عمل‌آوری دقیق و صحیح قابل کنترل است.

نکات بهداشتی و زیست‌محیطی

گرد و غبار دوده سیلیس بسیار ریز است و در صورت استنشاق برای ریه‌ها مضر است. بنابراین، هنگام کار با پودر میکروسیلیس باید از تجهیزات حفاظت فردی مناسب (ماسک) استفاده شود. استفاده از حالت دوغاب میکروسیلیس یا ژل میکروسیلیس به دلیل کاهش گرد و غبار، مشکلات بهداشتی و زیست‌محیطی را به حداقل می‌رساند.

استانداردها و کنترل کیفیت

استفاده از میکروسیلیس در پروژه‌های بتنی نیازمند رعایت استانداردها و کنترل کیفیت دقیق است تا از عملکرد مناسب آن در بتن اطمینان حاصل شود.

• استانداردهای مرتبط: در سطح بین‌المللی، استانداردهایی مانند ASTM C 1240 و ACI 234R مشخصات فنی، روش‌های آزمایش، و راهنمای استفاده از دوده سیلیس را تعیین می‌کنند. این استانداردها به مهندسان و تولیدکنندگان کمک می‌کنند تا کیفیت محصول و اجرای صحیح آن را تضمین کنند. در ایران نیز آیین‌نامه ملی بتن شماره ۱۳۲۷۸ به عنوان مرجعی برای استفاده از این افزودنی در پروژه‌های عمرانی شناخته می‌شود.
• شاخص پوزولانی: یکی از مهم‌ترین آزمون‌های کنترل کیفیت برای میکروسیلیکا، تعیین شاخص پوزولانی آن است. این شاخص نشان‌دهنده میزان واکنش‌پذیری میکروسیلیس با سیمان است. بر اساس استانداردها، این شاخص باید حداقل ۱۰۵ درصد باشد. این تست تضمین می‌کند که ماده مورد استفاده دارای فعالیت پوزولانی کافی برای افزایش مقاومت و دوام بتن است.