تاثیر میکروسیلیس و نانوسیلیس بر بتن خودمتراکم

تأثیر میکروسیلیس و نانوسیلیس بر بتن خودمتراکم

محمد شکری-کارشناس ارشد مهندسی عمران- دانشگاه پارس

      m.shokri.770@gmail.com

چکیده

سال‌های زیادی است که از بتن به‌عنوان یکی از مصالح ساختمانی مهم (باقابلیت تحمل فشارهای بالا) استفاده می‌شود و همواره تحقیقات جدیدی برای بالا بردن کیفیت این محصول انجام می‌گیرد. یکی از روش‌های ارتقاء کیفیت اجرا استفاده از بتن بدون نیاز به ویبره یا بتن خود متراکم SCC است که امروزه در برخی از کشورهای جهان رایج شده است. بتن خود متراکم یکی از دستاوردهای نوین فن‌آوری بتن است که بدون اعمال هیچ‌گونه انرژی خارجی و تحت اثر وزن خود متراکم گردد. این بتن که ماده‌ای بسیار سیال و روان و مخلوطی همگن است، بسیاری از مشکلات بتن معمولی نظیر جداشدگی، آب انداختن، جذب آب، نفوذپذیری و… را رفع نموده و علاوه بر این بدون نیاز به هیچ لرزاننده (ویبره) داخلی یا ویبره بدنه قالب تحت اثر وزن خود متراکم می‌شود. همچنین افزودن درصد مناسب از موادی مانند میکروسیلیس و نانوسیلیس به بتن خودمتراکم، می‌تواند باعث کاهش زمان‌گیرش، کاهش ترک‌های ناشی ازهیدراتاسیون سیمان، دوام بهتر در مقابل آسیب‌های سولفات‌ها و آب‌های اسیدی و دست یافتن به مقاومت‌های نهایی بالا و کاهش عمق نفوذ کلر در بتن همچنین باعث بهبود دوام در برابر یخبندان و کاهش آب انداختن بتن تازه شود. در این پژوهش سعی بر آن است تا بابیان تفصیلی موارد فوق به معرفی هرچه بهتر بتن خودمتراکم و بررسی تأثیر میکروسیلیس و نانوسیلیس بر آن بپردازیم.

کلمات کلیدی: بتن خودمتراکم، SCC، میکرو سیلیس، نانو سیلیس

مقدمه

بتن اساساً از دو قسمت دانه های سنگی و خمیر سیمان تشکیل شده است. خمیر سیمان درواقع مخلوطی ازسیمان و آب است که در اثر واکنش شیمیایی سمیان و آب سخت می شود و ماسه و شن را به صورت تودهسنگ مانندی به یکدیگر میچسباند. خمیر سیمان به طور معمول حدود ۲۵ تا ۴۰ ٪ کل حجم بتن را تشکیل می دهد. حجم مطلق سیمان بین ۷ تا ۱۵ ٪ و حجم آب از ۱۴ تا ۲۱ ٪ است. هوای موجود در بتن تا حدود ۸ ٪ حجم بتن را تشکیل می دهد که این اندازه به درشت ترین دانه بستگی دارد (برنجیان و عبدالهزاده, ۱۳۹۲).

مواد تشکیل دهنده بتن شامل مواد زیر است:

• الف- سیمان
• ب- سنگدانه ها
• ج- آب
• د- مواد افزودنی

از طرفی بتن به عنوان ماده ای که ساختار اصلی بیشتر سازه ها از قبیل: پل، سد، روسازی فرودگاه و اسکلت سازه ها و… را تشکیل می دهد، از نظر خواص دارای معایبی نیز هست که نظر محققان و مهندسان را به خود جلب کرده است و موجب شده که آنها به دنبال روش هایی برای اصلاح این معایب باشند. در ادامه به تشریح یکی از انواع بتن که سعی دارد این معایب را کاهش دهد می پردازیم:

آشنایی با بتن خودمتراکم

SCC مخفف Self-Compacting Concrete و به معنای بتن خودمتراکم است (Vaidya, et al., 2007). بتن خود متراکم یکی از دستاوردهای نوین فن آوری بتن است که ابتدا در ژاپن در اواخر ۱۹۸۰ تولید و هم اینک در اروپا وآمریکا مورد استفاده و آزمایش و بررسی است (مستوفی نژاد, ۱۳۸۲).

بتن خود تراکم بتنی است که بدون اعمال هیچگونه انرژی خارجی و تحت اثر وزن خود متراکم گردد. این بتن که ماده ای بسیار سیال و روان و مخلوطی همگن است، بسیاری از مشکلات بتن معمولی نظیر جدا شدگی، آب انداختن، جذب آب، نفوذپذیری   و… را رفع نموده و علاوه بر این بدون نیاز به هیچ لرزاننده (ویبره) داخلی یا ویبره بدنه قالب تحت اثر وزن خود متراکم می شود (فلاح, et al., 1392).

این بتن با روانی و کارایی بسیار بالا به راحتی در لابه لای سازه قرار می گیرد در واقع نیازی به ویبره کردن ندارد. این مخلوط بتنی به خصوص در مواردی که حجم میلگردها مصرفی بسیار بالا باشد با برخوردار بودن از روانی بسیار زیاد در قالب حرکت کرده و ضمن نفوذ در تمامی  بخشهای آن، موجب حصول تراکمی در حدود ۱۰۰ درصد در قطعه بتنی می گردد        (رمضانیانپور, et al., 1388).

ساختار بتن خودتراکم به لحاظ مصالح مصرفی مشابه بتن عادی بوده و ممکن است در ساخت آن مقادیر قابل توجهی از فوق روان کننده ها و همچنین مصالح لزجت دهنده نیز استفاده شود. این نوع بتن تحت اثر وزن خود و بدون نیاز به لرزاننده، در مناطق به هم فشرده شده آرماتورها و قسمت های باریک جاری شده، به حباب های هوا اجازه خروج داده و از جدا شدن دانه ها جلوگیری می نماید (سنگی, et al., 1388).

از پروژه های مطرحی که در ساخت آنها از بتن خود متراکم استفاده شده می توان به موارد ذیل اشاره کرد (نادرپور, ۱۳۸۴):

الف) برج Landmark با ۲۹۶ متر ارتفاع و ۷۰ طبقه مرتفع ترین برج در ژاپن بوده و در یوکوهاما واقع شده است.

ب) پل معلقAkashi-kaikyo  به طول ۹۰/۳ کیلومتر بلندترین پل معلق جهان می باشد و به خاطر استفاده از بتن خود متراکم زمان ساخت آن به اندازه ۲۰ ٪ کمتر شده است.

خصوصیات بتن خود متراکم

1. قابلیت پرکنندگی: پر کردن و جای گرفتن آسان در لابه لای آرماتوربندی سازه به وسیله وزن خود است.
2. قابلیت گذردهی: قابلیت گذردهی یعنی از بین فضاهای کوچک در بین تنگناها مانند فضای بین دو آرماتور، بدون جداشدگی و گرفتگی و به راحتی عبور می کند.
3. پایدرای: توانایی در همگن باقی ماندن در ترکیب به هنگام نقل و انتقال و قرارگیری و قالب ریزی را گویند.
4. کارایی: ترکیبی از ویژگی های مختلف همچون روانی، پیوستگی، قابلیت حمل و نقل (ترابرپذیری) تراکم پذیری و چسبندگی به منظور جایگزینی به طور آسان در مکان مورد نظر را گویند.

مزایا:

مزایای چشمگیر بتن خودتراکم باعث گردیده کاربرد اجرایی آن در کشورهای صنعتی به سرعت گسترش یابد. که به طور اجمال می توان به مواردی از آن اشاره نمود:

• بهبود کیفیت ساخت به دلیل حذف فاکتور انسانی
• تراکم: بتن خودتراکم بدون نیاز به تراکم خارجی کلیه فضای قالب را پر می کند و نقص ساخت وخرابی هایی نظیر لب پریدگی را کاهش می دهد.
• کاهش نفوذپذیری: به علت حجم بالای ذرات ریز در مخلوط، که تراکم بتن و همگنی را حفظ می نماید
• ساخت در زمان کوتاه تر: به علت تراکم بیشتر و استفاده از فیلر در مقایسه با بتن های معمولی کسب مقاومت اولیه با سرعت بیشتری رخ داده و امکان بهره برداری سریع از سازه و بهره دهی در تولید فراهم می شود.
• کاهش در نیروی کار در محل: به علت عدم نیاز به ویبره خارجی و مسائل پیرامون در بتن ریزی نیاز به نیروی کار کمتر احساس خواهد شد.
• آزادی عمل بیشتر در طراحی: به دلیل امکان عبور بتن خود تراکم در میان آرماتور بندی پیچیده، امکان طراحی سازه های بتنی با هر حجم از آرماتور و فاصله آرماتوربندی آن امکان پذیر میگردد.
• کاهش آلودگی صوتی در محل ساخت و ساز: بتن خودمتراکم با کاهش آلودگی صوتی در محل کار، مشکلات مربوط به سلامتی کارگران ناشی از ویبره، همانند کم شنوایی را حل می کند. به همین دلیل به بتن خودتراکم انقلاب ساکت در ساخت و ساز بتنی می گویند (Liu, 2009).

تفاوت عمده بتن معمولی و بتن خود متراکم را درصد و اندازه مواد و روانی این بتن نسبت به بتن معمولی است. در بتن خود متراکم با کاهش فاصله نسبی بین ذرات سنگدانه می توان تماس بین ذرات را افزایش داد که نتیجه آن افزایش تنش داخلی و در نهایت افزایش شکل پذیری بتن را باعث می شود. حداکثر اندازه سنگدانه به کار رفته در این نوع بتن بستگی به کاربرد عملی آن دارد ولی عموماً حداکثر اندازه آن به ۲۰ میلی متر محدود می شود (Ambroise, et al., 2002).

میکروسیلیس در بتن خودمتراکم

میکروسیلیس یکی از موادی است که در دهه های اخیر استفاده از آن در بتن به طور جدی مورد توجه مهندسین ساختمان قرار گرفته است. به دلیل خصوصیات بارز پوزولانی میکروسیلیس، استفاده از آن جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در کشور های پیشرفته رو به افزایش است. استفاده از آن در بتن دارای فواید بسیار زیادی از جمله: کاهش ترک های ناشی ازهیدراتاسیون سیمان، دوام بهتر در مقابل آسیب های سولفات ها و آب های اسیدی و دست یافتن به مقاومت های نهایی بالا با استفاده از انواع سوپر روان کننده های بتن می باشد. از دیگر مزایای مصرف میکروسیلیس کاهش تحرک یون های کلر و در نتیجه کاهش عمق نفوذ کلر در بتن بویژه در نواحی ساحلی جنوب ایران می باشد. از موارد مصرف آن می توان در بتن ریزی های مربوط به ساخت اسکله های دریائی، شمع ها، ستون ها و قطعات پیش ساخته، فونداسیون ماشین آلات و کلیه سازه های بتنی که در معرض حملات شیمیایی بویژه یون کلر و سولفات ها قرار دارند نام برد.

باعث سیالیت بالای بتن شده و دوام بتن را نیز افزایش می دهد و نقش های مهمی در SCC میکروسیلیس در بتن چسبندگی و پراکندگی در توسعه بتن با عملکرد بالا دارد میکروسیلیس دارای حدود ۹۰ درصد دی اکسید سیلیس می باشد. نتایج مقاومت فشاری بتن خودتراکم حاوی میکروسیلیس نشان می دهد که میکروسیلیس قادر است مقاومت فشاری کوتاه مدت و بلند مدت بتن را افزایش دهد. از طرفی سرعت کسب مقاومت در سنین اولیه نسبت به سنین بالاتر، بیشتر می باشد.

مقاومت فشاری ۷ روزه بتن خودتراکم با افزایش میزان میکروسیلیس تقریباً به صورت خطی افزایش می یابد و مقاومت فشاری ۲۸ روزه بتن نیز با افزایش میکروسیلیس افزایش می یابد، اما این افزایش خطی نبوده وبا اضافه کردن ۱۰ درصد میکروسیلیس شاهد یک جهش در افزایش مقاومت نسبت به نمونه حاوی ۵ درصدمیکروسیلیس خواهیم بود. مقاومت فشاری ۲۸ روزه نمونه ها در مقادیر بیش از ۱۰ درصد میکروسیلیس تغییرقابل توجهی نداشته است. با توجه به نتایج می توان پیش بینی کرد که درصد بهینه میکروسیلیس بین ۱۰ تا ۱۵درصد می باشد.

با بررسی مقاومت فشاری مشخص می گردد که با استفاده از میکروسیلیس می توان به مقاوم نهایی فشاری مطلوبی دست یافت و با افزایش مقدار میکروسیلیس مقاومت فشاری نیز افزایش می یابد. این امر به دلیل وجود ذرات بسیار ریز میکروسیلیس می باشد که با قرارگیری در خلل و فرج مابین سنگدانه ها و سیمان و نیزبا پخش شدن در ماتریس خمیر سیمان، کانون های واکنش برای هیدراتاسیون سیمان را فراهم کرده و موجب تسریع واکنش و حرارت زایی ترکیبات سیمان و افزایش مقاومت می شود (برنجیان و کهساری, ۱۳۹۰).

نانو سیلیس در بتن خودمتراکم

با توجه به ریز ساختار بتن و وجود حفراتی در ابعاد نانو در آن، استفاده ار نانو ذرات می تواند در پر کردن تخلخل های بسیار ریز خمیر سیمان و افزایش مقاومت و بخصوص دوام بتن موثرباشد. در بسیاری از موارد که عامل مخرب بتن در محیط خارج وجود دارد، نفوذ پذیری بتن نقش بسیارمهمی در پایایی و سرعت تخریب خواهد داشت. استفاده از نانو پودرهایی مانند نانو ذرات کلسیم هیدراته در این زمینه می تواند بسیار مؤثر باشد، از سوی دیگر این ذرات با انجام واکنش هایی می توانند ترکیبات شیمیایی خمیر را نیز تغییر دهند. یکی از موارد جالب توجه در این زمینه نانوسیلیس می باشد (امینیان, et al., 1388). افزودن نانو سیلیس به بتن موجب افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی، کاهش زمان گیرش وکاهش نفوذ پذیری و همچنین مقاومت بالاتر در برابر حمله های شیمیایی می شود. آزمایشاتی که بر روی نانو سیلیس انجام شده، نشان داده اند که این ذرات نه تنها برای محیط زیست مشکل سازنیستند بلکه نتایج بهتری در مقایسه با میکرو سیلیس ارائه می کنند   (Saak & Jennings, 2001).

نانو سیلیس، دی اکسید سیلیسیم در ابعاد نانومتر است که متشکل از ذرات کروی با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر به صورت ذرات خشک پودری یا معلق در مایع محلول می باشد (Siedlarz & Gołaszewski, 2015). آزمایش ها نشان داده اند که واکنش نانوسیلیس با هیدروکسید کلسیم در مقایسه با میکروسیلیس بسیار سریعتر انجام گرفته و مقدار بسیار کم استفاده از نانو سیلیس همان تأثیر پوزولانی مقدار بسیار بالایی میکروسیلیس را در سنین اولیه در بتن خودمتراکم می گذارد. این خاصیت به دلیل ریزتر بودن ذرات نانو سیلیس نسبت به میکروسیلیس می باشد (Larrard, 2005).

اکسید سیلیس با انجام واکنش های شیمیایی هیدرکسید کلسیم آزاد شده موجود در بتن رامصرف کرده و از خاصیت قلیایی آن می کاهد و در کنار آب به صورت شوره از بتن خارج شده و ازخوردگی آرماتورهای فولادی قرار گرفته در بتن جلوگیری می­کند.

حملات شیمیایی به فولاد درون بتن نیز از طریق منافذ بتن بوده و فولاد را اکسید می کند که باعث خورندگی، ترک و در نهایت شکست بتن می شود. نانو سیلیس به عنوان یک ماده افزودنی بسیار مهم که باعث مقاومت و دوام ساختار بتن که در معرض خورندگی نمک قرار گرفته، مطرح است. به طور کلی افزودن نانوسیلیس در بتن و واکنش آن در مقیاس نانو باعث افزایش دوام و مقاومت بتن می شود. اما اگر به مقدار زیاد نانوسیلیس افزوده شود بتن را ترد و شکننده می کند، پس ضروری است مقداری که باید افزوده شود به دقت محاسبه گردد (Okamura & Ouchi, 2005).

اثر نانوسیلیس در آب انداختن بتن تازه

بتن حاوی نانوسیلیس عموماً دارای آب انداختگی به مراتب کمتر از بتن عادی می باشد. این خاصیت به دلیل سطح ویژه زیاد نانوسیلیس است که آب را به خود جذب می کند و در نتیجه آب آزاد کمی باقی می ماند که بخواهد موجب آب انداختگی بتن گردد. همچنین دلیل دیگر این امر تنگ شدن لوله های موئینه بتن است. افزودن نانوسیلیس یا میکروسیلیس بر روی زمان گیرش بتن موثر بوده و باعث افزایش آبگیری مواد سیمانی شده و زمان گیرش اولیه را کاهش می دهد (برنجیان, et al., 1389).

اثر نانوسیلیس بر دوام در برابر یخبندان

افزودن موادی نظیر نانوسیلیس به بتن که منجر به افزایش قابل ملاحظه مقاومت مکانیکی آن می شود می تواند بر هر کدام از عوامل موثر بر دوام بتن در برابر یخبندان اثر بگذارد. به عنوان مثال با افزایش مقاومت مکانیکی مقاومت کششی بتن هم زیاد شده و در نتیجه دوام آن در برابر یخبندان نیز افزایش می یابد. باکاهش تخلخل بتن، تنش های ناشی از یخبندان کم می شود، زیرا مقدار این تنش ها بستگی به سطح مقطع نسبی یخ و جسم توپر سنگ و ضریب تغییر شکل نسبی یخ، سنگ و بتن دارد ((PCI), 2003).

منابع 

1. (PCI), P. C. I., 2003. Interim Guidelines for the use of Self-Consolidaling Concrete. Chicago، USA: s.n.
2. Ambroise, J., Rols, S. & Pera, I., 2002. Self – Leveling Concrete Design and Properties. Concrete Science and F.ngineering, Volume 1, pp. 140-147.
3. Larrard, 2005. Concrete Proportioning a Scientific Approach.
4. Liu, M., 2009. Wider Application of Additions in Self-compactingConcrete. England: PhD Thesis, University College London.
5. Okamura, H. & Ouchi, A., 2005. Self Compacting Concrete. Journal of Advanced Concrete Technology, ۱(۱), pp. 5-15.
6. Saak, A. & Jennings, I. S., 2001. New Methodology foc Designing Self – Compacting Concrete. Materials Journal, pp. 429-439.
7. Siedlarz, A.-. & Gołaszewski, J., 2015. Rheological properties and the air content in fresh concrete for self compacting high performance concrete. Construction and Building Materials, pp. 555-564.
8. Vaidya, S., Montes, C. & Allouche, E., 2007. Use of nanomaterials for Concrete Pipe Protection. Advances and Experiences with Trenchless Pipeline Projects.
9. اداره, م., ۱۳۹۴. بهینه ترین درصد های میکرو و نانو سیلیس به صورت ترکیبی و مجزا در بتن خودمتراکم.
10. امینیان, ن., ظهوری, ش. & ظهوری, ش., ۱۳۸۸. بتن از سازه تا معماری، از مقاومت تا زیبایی. اولین کنفرانس ملی بتن، مرکز همایش های سازمان اسناد و کتابخانه ملی ایران.
11. برنجیان, ج., شجاعی, ح., عمران, ا. ل. & شجاعی, م., ۱۳۸۹. بهینه سازی بتن خودتراکم با استفاده از نانوسیلیس. اولین همایش ملی سازه – زلزله – ژئوتکنیک.
12. برنجیان, ج. & عبدالهزاده, غ., ۱۳۹۲. اولویت بندی عوامل مؤثر بر عدم اجرای فراگیر بتن خودتراکم در ایران با توجه به مزایای این بتن. کنفرانس ملی مهندسی عمران و توسعه پایدار.
    1. برنجیان, ج. & کهساری, م., ۱۳۹۰. تأثیر پودر میکروسیلیس بر مشخصات تازه و سخت شده بتن خودمتراکم.
    2. رمضانیانپور, ع., فراز, س., الواعظین, م. ر. & وفا, ج., ۱۳۸۸. کاربرد بتن خودمتراکم در برج نمادین میلاد. دومین کارگاه تخصصی بتن خودمتراکم، دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
    3. سنگی, م., بیگی, م. ح. & نیا, ب. ن., ۱۳۸۸. بررسی آزمایشگاهی خزش در بتن خودمتراکم. نخستین کنفرانس بین المللی تکنولوژی بتن.
    4. فلاح, ج., موسی, ن. ا. & محمدحسین, ا. ک. م. م. خ., ۱۳۹۲. کاربرد بتن خودتراکم در پروژه بزرگراه طبقاتی شهید صدر و بررسی روش های کنترل کیفیت و دوام. مکان نشر نامشخص:پنجمین کنفرانس ملی سالیانه بتن ایران.
    5. مستوفی نژاد, د., ۱۳۸۲. تکنولوژی و طرح اختلاط بتن. انتشارات ارکان تدوین
    6. نادرپور, ۱۳۸۴. پلی به سمت امنیت و پیشرفت. مجله فناوری، نانو شماره اول مهر.
    7. هندی, ع., ۱۳۹۱. تأثیر میکروسیلیس و نانوسیلیس بر عملکرد بتن خودمتراکم در برابر تهاجم اسید سولفوریک. یاسوج