پراکندگی ذرات میکروسیلیس در دوغاب و مقایسه با ژل میکروسیلیس

مقدمه:

بتن به عنوان پر مصرف‌ترین مصالح ساختمانی مصرفی در دنیا مطرح است. نسبت بهای تمام شده بتن به استحکام آن پائین بوده و همین امر باعث فراوانی مصرف این ماده و رشد قابل توجه آن در صنعت ساختمان شده است. اجزای بتن شامل دو بخش اصلی می باشد، بخش اصلی سنگدانه و بخش فرعی سیمان هیدراته شده‌ای است که نقش چسب را برای سنگدانه ها ایفا می‌کند. سیمان پرتلند در واکنش با آب دو محصول اصلی دارد:

  • کلسیم سیلیکات هیدرات CSH که نقش چسب بین سنگدانه ها را دارد.
  • محصول جانبی آهک CH که در واکنش هیدراتاسیون سیمان آزاد می شود.

محصول جانبی آهک علاوه بر داشتن استحکام کم و نقش منفی بر استحکام بتن، واکنش پذیری بالائی با مواد شیمیائی اسیدی داشته و همچنین دارای حلالیت نسبی در آب می‌باشد.

غلبه بر این نقطه ضعف بتن، بخصوص در شرایط محیطی خورنده مثل سازه های بتنی صنعتی، سازه های دریائی و تاسیسات فاضلابی بسیار حائز اهمیت است. اگرچه در سازه‌هائی که در تماس زیاد با آب و بخصوص جریان آب هستند نیز مسئله دوام بتن قابل توجه است.

مواد پوزولانی

استفاده از پوزولان‌ها در بتن، به منظور غلبه بر نقص بتن به عنوان راهکار اصلی در سازه‌هائی که در محیط های خورنده شیمیائی می‌باشند، مطرح می‌شود. برای محیط های مرطوب، که فاقد مواد شیمیائی هستند، استفاده از مواد آب بند کننده می تواند دوام خوبی ایجاد کند. پوزولان‌ها ترکیبات سیلیسی هستند که سیلیس آنها دارای ساختار آمورف است و واکنش پذیری بالائی با مواد قلیائی از جمله آهک آزاد شده در واکنش هیدراتاسیون سیمان دارند. از آنجا که محصول واکنش پوزولان با آهک آزاد، همان کلسیم سیلیکات هیدرات می‌باشد، علاوه بر افزایش مقاومت شیمیائی، عملاً استحکام بتن را نیز افزایش می دهد.

پوزولانهای طبیعی، خاکستر بادی (Fly ash)، میکروسیلیس (Silica fume)، سرباره آهنگدازی (GGBFS) و انواعی از زئولیتها جهت واکنش پوزولانی در بتن به مصرف می رسند. استفاده از خاکستر بادی در دنیا رایج‌تر از بقیه موارد است ولی در ایران ماده میکروسیلیس بسیار پر مصرف می باشد.

میکروسیلیس(Silica Fume)

میکروسیلیس، خاکستری‌ست که در فیلتر دودکش های صنایع آلیاژی فروسیلیس رسوب می کند و پس از جدا سازی به صورت پودر بسته بندی شده به فروش می‌رسد. میکروسیلیس پودری با دانسیته پائین و سطح ویژه بسیار بالا بوده و اندازه ذرات آن در حد ذرات دود سیگار است. میکروسیلیس از لحاظ ریزی اندازه ذرات در بین پوزولانها منحصر به فرد می‌باشد. مشاهده شده که برخی سیلیس میکرونیزه که ساختار کریستالی دارد را به عنوان میکروسیلیس برای منظور پوزولانی معرفی کرده‌اند که قطعاً فاقد کارائی لازم است. تست تمایز سیلیس کریستالی با سیلیس آمورف، آزمون پراش اشعه ایکس می باشد.

مشکلات مصرف میکروسیلیس

  • مسائل بهداشت و ایمنی
  • هزینه های حمل و نقل
  • پخش شوندگی

مسائل بهداشت و ایمنی:

میکروسیلیس بقدری نرم و سبک است که سریعاً در هوا ایجاد غبار می‌کند و با آلودگی هوا باعث مشکلات بهداشتی برای عوامل اجرائی پروژه می‌شود. اگرچه مطالعات حاکی از اینست که میکروسیلیس آمورف سرطانزا نیست، ولی باعث ایجاد حساسیت در پوست و مخاط تنفسی می شود و لذا عوامل اجرائی برای استفاده از این کالا بصورت پودر، حتماً باید لباس و ماسک ویژه در حین عمل را استفاده کنند.

هزینه های حمل و نقل:

حجم بالای این ماده، هزینه‌های حمل و نقل و انبارش نسبتاً بالائی را به پروژه تحمیل می کند و ضمناً پرت ناشی از حمل و نقل و مصرف نسبتاً بالائی دارد.

پخش شوندگی:

مسئله دیگری که در مصرف میکروسیلس آزار دهنده است، پخش شوندگی این ذرات در ماتریس بتن است. از آنجا که سطح مؤثر ذرات میکروسیلیس بالا می‌باشد، جاذبه سطحی بالائی به یکدیگر داشته و در سطح میکروسکوپیک این ذرات به هم چسبیده و تولید کلوخه می کند. این کلوخه ها به سختی در بتن پخش می شوند. عدم پخش شدگی این ذرات در بتن، موجب می‌شود تا در بلند مدت ذرات واکنش نداده میکروسیلیس، باعث واکنشهای جانبی در بتن سخت شده و ایجاد ترک در بلند مدت کند که می تواند بر دوام بتن تاثیر منفی زیادی داشته باشد. لذا برای اثر بخش بودن میکروسیلیس در بتن لازم است که تمهیدات خاصی در حین تولید بتن میکروسیلیسی مد نظر قرار داده شود

سوسپانسیون میکروسیلیس

برای غلبه بر مشکلات مصرف میکروسیلیس، تشکیل یک سوسپانسیون میکروسیلیس داخل آب سالهاست که در دنیا به عنوان یک راه حل اصلی مورد توجه قرار گرفته است. پودر میکروسیلیس به تنهائی در مقادیر کم در آب، به سرعت سفت شده و حالت خمیری پیدا می کند که قابلیت استفاده آن در بتن از بین می رود. استفاده از دیسپرس کننده های سیمان نظیر پلی نفتالن سولفوناتها و پلی کربوکسیلات ها در ابتدا مورد توجه قرار گرفته است. کارائی پائین در پخش کنندگی میکروسیلیس توسط این مواد روان کننده، باعث می شود که دوغاب تولید شده در مقادیر درصد جامد بالای ۴۰% در مدت زمان کوتاهی افزایش ویسکوزیته بالائی پیدا کند که معمولاً تحت عنوان ژل میکروسیلیس در بازار معروفند. علاوه بر مشکل بالا بودن ویسکوزیته که منجر به مشکلات اجرائی می شود، طراحی اختلاط بتن نیز با پیچیدگی همراه است. اول اینکه نوع و میزان روان کننده ژل میکروسیلیس، بسته به میزان مصرف ژل در بتن طیف گسترده ای از روانی را ایجاد می کند که خارج از کنترل طراح بتن می باشد و از آنجا که متغیر اصلی درصد پودر میکروسیلیس می باشد، این نقیصه تا حدی آزار دهنده می باشد. در درصدهای پائین مصرف ژل، روانی بتن کم بوده و نیاز به یک روان کننده کمکی می باشد. در این حالت روان کننده جدید می تواند باعث ایجاد کمپلکس با روان کننده ژل میکروسیلیس شود. در مقادیر مصرف بالای ژل میکروسیلیس نیز گاهاً افزایش روانی بیش از اندازه ایجاد می شود که این نیز می تواند برای اجرا مشکل ساز باشد

در جمع، استفاده از ژل میکروسیلیس، علاوه بر داشتن ویسکوزیته بالا، مسئله کمپلکس روان کننده را نیز همزمان دارد. ضمن اینکه توان این روان کننده ها نیز برای جدا سازی ذرات میکروسیلیس بالنسبه پائین می باشد.

مطالعه بر روی دیسپرس کننده های مؤثرتر، منتج به موادی متفاوت از روان کننده های سیمان شده است. ترکیبات آلی و معدنی مختلفی مورد مطالعه قرار گرفته اند که عمدتاً ترکیبات پلیمری می باشند که دارای گروه های عاملی یونیک نظیر کربوکسیلات، فسفات، سولفات و دیگر عوامل بوده که اثر بخشی پخش را به مراتب بالا می برند.

دوغاب میکروسیلیس

شرکت کپکو در مطالعه مشترکی با پژوهشگاه رنگ و رزین، به محصولی بر پایه پلی کربوکسیلیک اسیدها دست یافته است که به میزان قابل توجهی اثربخشی توزیع ذرات میکروسیلیس در آب را افزایش می دهد. این ماده با نام تجاری Silurix 520 عرضه می شود. محصول نهائی دوغابی با ۵۰% میکروسیلیس بوده که تحت عنوان Silury 500 به عرضه می رسد. این محصول کاملاً روان بوده و پخش شوندگی ذرات آن بسیار بهبود یافته است. علاوه بر آن، این پخش کننده هیچگونه کمپلکسی با روان کننده های بتن ایجاد نکرده و هر نوع روان کننده ای می تواند در کنار این دوغاب به مصرف برسد.

نتایج توزیع اندازه ذرات میکروسیلیس در سه محصول ژل میکروسیلیس نفتالنی، کربوکسیلاتی و دوغاب میکروسیلیس به ترتیب در نمودار و جداول ذیل ارائه می شود:

  • ژل میکروسیلیس نفتالنی
  • ژل میکروسیلیس کربوکسیلاتی
  • دوغاب میکروسیلیس

همانگونه که از نتایج آزمون توزیع اندازه ذرات مشاهده می شود، تمایزات این سه محصول در جدول ذیل ارائه می گردد:

مشخصات ژل نفتالنی ژل کربوکسیلاتی دوغاب میکروسیلیس
(۰.۱)d ۱/۰۰۷µm ۵۲/۰۸۴µm ۰/۵۹۹µm
(۰.۵)d ۴۶۶/۷۲۸µm ۱۲۶/۶۳۶µm ۱۳/۲۹۸µm
(۰.۹)d ۱۱۲۳/۱۰۹µm ۲۳۳/۵۲۵µm ۸۰۰/۱۳۰µm
Specific Surface Area m2/g ۱/۵۳ ۰/۳۸۸ ۳/۰۶

ویژگی متمایز دوغاب در (۰.۵)d می باشد که در دوغاب به میزان ۱۳/۳ میکرون می باشد که نسبت به ژل کربوکسیلاتی ۱۰ برابر و نسبت به ژل نفتالنی تقریباً ۳۵ برابر ریزتر می باشند. معنای این مسئله اینست که ۵۰% ذرات در دوغاب زیر ۱۳/۳ میکرون می باشد که بسیار قابل توجه می باشد.

سطح ویژه دوغاب نیز نسبت به ژل به میزان ۲ تا ۱۰برابر بیشتر می باشد که همین امر باعث افزایش واکنش پذیری پوزولانی میکروسیلیس می شود.

بهبود کیفیت بتن با دوغاب میکروسیلیس

نتایج تاثیر دوغاب دوده سیلیس Silury 500 بر مقاومت فشاری بتن در سنین یک، سه و ۲۸ روزه در شکل زیر نشان داده شده است. نتایج به دست آمده با بتن ساخته شده با پودر دوده سیلیس که به صورت خشک به مخلوط اضافه شده است مقایسه شده است. طرح شماره یک به عنوان شاهد مورد آزمایش قرار گرفت که فاقد دوده سیلیس بوده و مواد سیمانی آن صرفا ۴۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب سیمان پرتلند بوده است. دو طرح دیگر هر کدام به ترتیب حاوی ۱۰ درصد دوده سیلیس و ۲۰ درصد دوغاب دوده سیلیس به عنوان جایگزین سیمان بوده اند. با در نظرگرفتن این نکته که دوغاب دوده سیلیس سیلیس Silury 500 دارای ۵۰ درصد مواد جامد است میزان کل دوده سیلیس در طرح ۲ و ۳ مشابه و برابر ۴۰ کیلوگرم بر متر مکعب می باشند. از طرف دیگر مجموع مواد سیمانی در طرح ۱ و ۲ برابر ۴۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب بوده اما طرح آخر که با دوغاب دوده سیلیس ساخته شده نسبت به سایر طرح ها دارای مجموع مواد سیمانی کمتری (۳۶۰ کیلوگرم بر مترمکعب) بوده است.

با توجه به نتایج به دست آمده ملاحظه می شود که استفاده از دوده سیلیس به صورت پودر اضافه شده به مخلوط بتن و یا به صورت دوغاب دوده سیلیس منجر به افزایش مقاومت فشاری در تمامی سنین شده است. افزودن دوغاب دوده سیلیس و دوده سیلیس خشک در سن ۲۸ روزه به ترتیب منجر به ۱۶ و ۱۳ درصد رشد مقاومت نسبت به نمونه بدون دوده سیلیس شده است این در حالی است که در سنین اولیه این رشد مقاومت به ترتیب ۲۳ و ۲۷ درصد بوده است. این نتایج نشان دهنده عملکرد بهتر دوغاب دوده سیلیس در سنین بیشتر بتن است به طوری که بتن شاهدی که در سن ۲۸ روزه دارای مقاومت فشاری ۵۰ مگاپاسکال بوده است با استفاده از دوغاب دوده سیلیس نزدیک به ۶۰ مگاپاسکال مقاومت کسب کرده است.

مقایسه نتایج مقاومت فشاری طرح های شاهد۱،۲ و نمونه مورد آزمایش در سنین مختلف

نتایج عملکرد دوغاب میکروسیلیس در بتن نیز حاکی از بهبود ویژگی ها می باشد. مقایسه بتن شاهد با عیار ۴۰۰ در برابر بتن با عیار ۳۶۰ که ۱۰ درصد از عیار پودر میکروسیلیس بوده است، حاکی از افزایش استحکام و نفوذ ناپذیری بالاتر بتن بوده است که عملکرد قابل توجهی را نشان می دهد.

دیدگاه ها

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*
*