مصرف میکروسیلیس باعث تغییرات مثبت در میکروساختار بتن میشود. این تغییرات به دوگونه مختلف مشاهده می شوند، اما از اهمیت یکسان برخوردارند. تغییر اول مربوط به مشارکت فیزیکی میکروسیلیس و تغییر دوم مربوط به واکنش شیمیایی آن است. در اینجا هر دو تغییر بطور مختصر شرح داده شده است:

مشارکت فیزیکی. مصرف میکروسیلیس سبب اضافه شدن میلیون ها میلیون ذره بسیار ریز به مخلوط بتن می شود. همان طور که مصالح سنگی ریزدانه در فضاهای خالی بین ذرات  مصالح سنگی درشت دانه قرار میگیرند، میکروسیلیس نیز در فضاهای خالی بین دانه های سیمان قرار میگیرد. این پدیده را انباشتگی ذرات یا میکرو- پرشدگی می نامند. حتی اگر میکروسیلیس بطور شیمیایی واکنش ندهد، نیز اثر میکرو- پرشدگی سبب بهبودهای به سزایی در ماهیت بتن می شود. جدول 3.2 و شکل2.2 مقایسه اندازه ذرات میکروسیلیس با سایر اجزای تشکیل دهنده بتن را برای درک بهتر مقدار ریزی این ذرات ارائه می دهند.
مشارکت شیمیایی. میکروسیلیس به دلییل مقدار بسیار بالای دی اکسید سیلیسیم آمورف، یک ماده پوزولانی بسیار واکنش پذیر در بتن است. هنگامی که سیمان پرتلند در بتن واکنش میدهد، هیروکسیدکلسیم آزاد می کند. میکروسیلیس با این هیدروکسیدکلسیم واکنش داده و یک ماده چسبنده دیگر به نام هیدرات سیلیکات کلسیم را تشکیل می دهد که بسیار شبیه هیدرات سیلیکات کلسیم  حاصل از سیمان پرتلند است. این ماده چسبنده خواص بتن میکروسیلیسی سخت شده را بهبود میدهد. 
4.2 مقایسه با سایر مواد سیمانی مکمل

جدول 4.2 مقایسه میکروسیلیس با سایر مواد سیمانی مکملی که بطور متداول مصرف میشوند، را ارائه میدهد. معمولا میکروسیلیس به دلیل مقدار دی اکسید سیلیسیم بیشتر و ریزی زیاد انداره ذره آن، بخصوص در سنین اولیه واکنش پذیری بسیار بالایی دارد.

جدول 3.2

مقایسه اندازه ذرات میکروسیلیس با سایر اجزای تشکیل دهنده بتن
ماده
اندازه سمی
یکاهای SI
ذره میکروسیلیس
غیرقابل تعریف
µm5/0
دانه سیمان
الک شماره 325
µm45
دانه ماسه
الک شماره 8
µm36/2
ذره مصالح سنگی درشت دانه
الک 4/3 اینچ
µm0/19
 

شکل 2.2 مقایسه انداره معمول ذرات میکروسیلیس. اگر فردی (با قد 8/1) هم اندازه یک ذره میکروسیلیس باشد، آنگاه دانه سیمان تقریبا به اندازه بنای بادبود واشنگتن (m 169) خواهد بود.

جدول 4.2

مقایسه مشخصات فیزیکی و شیمیایی : سیمان پرتلند ، خاکستر بادی ، سیمان سرباه ، و میکروسیلیس

توجه کنید که این مقادیر تقریبی اند. مقدار یک ماده ممکن است با آنچه در این جدول درج شده است ، متفاوت باشد.
خاصیت
سیمان

پرتلند
خلکستر بادی

رده ی F
خاکستر بادی

رده ی C
سیمان

سرباره
میکروسیلیس
مقدار SiO2 ، %
21
52
35
35
85 تا 97
مقدار Al2O3، %
5
23
18
12
ـــ
مقدار Fe2O3 ، %
3
11
6
1
ـــ
مقدار CaO ، %
62
5
21
40
1 >
نرمی سطح جانبی

m2/kg (نکته)
370
420
420
400
15.000

تا 30.000
چگالی ویژه
15/3
38/2
65/2
94/2
22/2
مصرف معمول در بتن
چسبنده اصلی
جایگزین سیمان
جایزین سیمان
جایگزین سیمان
بهبوددهنده خاصیت
نکته : سطح جانبی میکروسلیس با روش جذب نیتروژن اندازه گیری شده است. سطح جانبی سایر مواد با روش نفوذپذیری هوا (بلین) اندازه گیری شده است.
 

چرا میکروسیلیس در بتن مصرف می شود؟

میکروسیلیس به دلیل بهبود قابل توجه خواص بتن تازه و سخت شده در بتن مصرف میشود. اگرچه پتانسیل مصرف میکروسیلیس در بتن در اواخر دهه 1940 شناخته شد، اما این ماده تا زمانی که تکنولوژی دیگری در بتن توسعه نیافته بود، بطور کسترده مصرف نمیشد. این تکنولوژی عبارت از مصرف پراکنده سازهای قوی بود که با نام مواد افزودنی کاهنده قوی آب یا فوق روان کننده ها شناخته میشوند. مصرف و توسعه میکروسیلیس از زمانی در بتن امکان پذیر شد که این مواد افزودنی شیمیایی در بازار معرفی و پذیرفته شدند.

به خاطر داشته باشید که میکروسیلیس یک بهبوددهنده خواص ماده است و ماده جایگزینی برای سیمان نیست. خاکستربادی یا سرباره آسیاب شده کوره آهن گدازی را میتوان به جای سیمان بکار برد. توجه کنید که این مواد به وفور به همراه سیمان و میکروسیلیس به کار می روند.

این بخش به توضیح برخی از تاثیرات مصرف میکروسیلیس بر بتن تازه و سخت شده می پردازد. درباره مصرف میکروسیلیس به منظور افزایش قابلیت ساخت نیز بحث خواهد شد.

1.3 میکروسیلیس و بتن تازه

شکل 1.3 اثر میکروسیلیس بر بتن تازه را نشان می دهد. توجه کنید که دو اثر متمایز وجود دارد:

بتن چسبنده تر میشود و آب انداختگی کم یا عدم آب انداختگی را نشان می دهد. اگرچه برخی از پرداخت کاران تصور میکنند که این تاثیرات بتن ریزی و پرداخت کاری بتن را مشکل میسازد، اما این تاثیرات در اصل برای بتن تازه و سخت شده مزیت به حساب می آیند. این تاثیرات در این بخش بررسی خواهد شد.

1.1.3 افزایش چسبندگی

بتن ساخته شده از میکروسیلیس چسبنده تر از بتن بدون میکروسیلیس است و در نتیجه احتمال جداشدگی آن کمتر است. معمولا در هنگام بتن ریزی، برای جبران این چسبندگی بیشتر، از بتن میکروسیلیس با اسلامپ 40 تا mm50 بیشتر از بتن بدون میکروسیلیس استفاده میشود.

مزیت اصلی افزایش چسبندگی را می توان در شاتکریت سازه های جدید، تعمیر سازه های موجود، یا ساخت تکیه گاه در عملیات تونل سازی مشاهده کرد (شکل 2.3) مصرف میکروسیلیس در شاتکریت امکان پاشیدن لایه های ضخیم تر به خصوص هنگامی که عمل پاشیدن بالای سر انجام میشود، را فراهم می سازد و مقدار مصالح بازگشتی را بطور قابل توجهی کاهش می دهد. معمولا برای افزایش مقاوت خمشی شاتکریت میکروسیلیسی از الیاف فولادی استفاده می شود.

میکروسیلیس با تمام تسریع کننده هایی که به طور معمول در شاتکریت مصرف میشوند، سازگار است. هنگامی که شاتکریت پاشیده میشود، تمام مزایای میکروسیلیس در بتن سخت شده مشاهده میشوند. یک مزیت دیگر افزایش مقاومت اتصال شاتکریت میکروسیلیسی به مصالح زیرساخت و مقاومت اتصال بین لایه ها در شاتکریت هایی است که در چند لایه پاشیده می شوند.

2.1.3 کاهش آب انداختگی

از آنجا که سطح جانبی میکروسیلیس بسیار بالا و معمولا مقدار آب بتن میکروسیلیسی بسیار کم است، مقدار آب انداختگی این نوع بتن، در صورت وجود، بسیار کم است. در اغلب بتن ها وقتی مقدار میکروسیلیس حدودا به 5 درصد می رسد، آب انداختگی اتفاق نمی افتد.

هنگامی که اجزای تشکیل دهنده سنگین تر بتن (سیمان و مصالح سنگی) قبل از سفت شدن آن، تحت اثر نیروی گرانش نشست می کنند، بتن دچار آب انداختگی میشود. هنگامی اجزای سنگین تر نشست

می کنند، آب که سبک تر است به سمت بالا حرکت می مند. مقداری از این آب زیر ذرات مصالح سنگی یا فولادهای مسلح کننده محبوس شده و مقداری به سطح بتن می رسد.این حرکت آب چنانچه در شکل 3.3 نشان داده خواهد شد، در کانال هایی موسوم به موئینه انجام می شود. هنگامی که آب تبخیر میشود، این کانال ها به مثابه راه های میانبر برای ورود عوامل خورنده از قبیل یون های کلرید نمک های ضدیخ یا آب دریا به درون بتن عمل میکنند. بنابراین کاهش یا حذف این کانالها دوام بتن را بهبود می دهد.

شکل3.3 طرح آب انداختگی و کانال های موئینه . کاهش یا حذف آب انداختگی یکی از مزایای اضافه کردن میکروسیلیس به مخلوط بتن است.

عدم آب انداختگی ، علاوه بر بهبود دوام ، سبب پرداخت کاری موثرتر کف سازی های بتنی میکروسیلیسی میشود. در مورد بتن معمولی الزامی است که عملیات پرداخت کاری تا زمانی که آب انداختگی  بطور کامل متوقف نشده و تمام آب حاصل از آب انداختگی از سطح بخار شود، به تعویق بیفتد. در نتیجه یک دوره انتظار چندساعته پس از بتن ریزی و پرداخت کاری اولیه وجود دارد. پس از اینکه آب حاصل از آب انداختگی  ناپدید شد و بتن مقاومت کافی را کسب کرد، پرداخت کاری نهایی شروع میشود.

عملیات پرداخت کاری بتن میکروسیلیسی بدون آب انداختگی را میتوان از مرحله بتن ریزی تا مضرس سازی و عمل آوری بطور پیوسته انجام داد. این روش پرداخت کاری یک مرحله ای یا سریع نامیده میشود. و مزیت اصلی آن در سازه هایی است که در آنها میکروسیلیس احتمالا برای دوام سازه هایی همانند عرشه پل یا پارکینگ مشخص شده است. شکل 4.3 پرداخت کاری یک مرتبه ای بتن میکروسیلیسی در یک سازه پارکینگ را نشان می دهد. به غیر از مواردی که انجام پرداخت کاری خاصی الزامی است؛ پرداخت کاری بتن میکروسیلیسی را میتوان طی نیم ساعت پس از رسیدن بتن تکمیل کرد. پرداخت کاری به تفصیل در مقالات بعدی در وب سایت کلینیک بتن ایران شرح داده شده است.

2.3 میکروسیلیس و بتن سخت شده

شکل 5.3 اثر میکروسیلیس بر بتن سخت شده را نشان می دهد. توجه کنید که دو اثر متمایز وجود دارد: افزایش خواص مکانیکی همانند مقاومت و مدول الاستیسیته، و کاهش نفوذپذیری که دوام را مستقیما بهبود می دهد. این تاثیرات در این بخش بررسی خواهند شد.

1.2.3 افزایش خواص مکانیکی

میکروسیلیس به دلیل قابلیت تولید بتنی با مقاومت فشاری بالا در صنعت بتن مورد توجه قرار کرفته است. بهبودهایی نیز در سایر خواص مکانیکی همانند مدول الاستیسیته یا مقامت خمشی مشاهده شده است. اگرچه میکروسیلیس این خواص را بهبود می دهد، اما خاصیت اصلی که سبب توجه به میکروسیلیس شده، مقاومت فشاری آن است.

شکل 6.3 اثر میکروسیلیس بر مقاومت فشاری با استفاده از مقادیر مختلف سیمان، خاکستربادی، میکروسیلیس، و آب در بتن را نشان می دهد. منحنی های نشان داده شده منحنی های متداول از رفتاری هستند که از بتن میکروسیلیسی انتظار میرود. جند نکته مهم در این شکل وجود دارد:

افزایش مقاومت در تمکامی سنین متناسب است. در نتیجه نسبت مقاومت 3 یا 7 روزه به مقاومت 28 روزه، تقریبا ثابت است. این نسبت در بتن میکروسیلیسی تقریبا مشابه بتن بدون میکروسیلیس است. (برای مقاومت 3 روزه حدود 50 درصد و برای مقاومت 7 روزه حدود 70 درصد مقاومت 28 روزه).
 

شکل 6.3 کسب مقاومت چند مخلوط بتنی حاوی میکروسیلیس. مشخصات این مخلوط ها در جدول زیر درج شده اند.

معمولا اضافه کردن میکروسیلیس بیشتر مقاومت را افزایش میدهد. به هر حال مقدار آب، مقدار و نوع خاکستربادی در صورت مصرف، و میکروسیلیس در تعیین مقاومت فشاری و نرخ کسب مقاومت فشاری تاثیر دارند.
میکروسیلیس مهم ترین تاثیر خود را بر مقاومت 28 روزه بتن میگذارد. اگرچه بطور معمول کسب مقاومت بتن پس از 28 روز نیز ادامه دارد، اما نرخ کسب مقاومت آن آهسته تر است. این منحنی کسب مقاومت تفاوت زیادی با منحنی کسب مقاومت خاکستربادی رده ی F استاندارد ASTM C 618 دارد. خاکستر بادی رده ی F نیز مانند میکروسیلیس یک ماده کاملا پوزولانی است.
نتایج ارائه شده از پروژه های مختلفی گرفته شده اند که مصالح مختلفی در آنها مصرف شده است. هر نسبت اختلاط پیشنهادی را باید با استفاده از مصالح خاص پروژه خود آزمایش کنید.
در ادامه چند نمونه از مصرف بتن با مقاومت بالا در ساخت و ساز شرح داده شده اند.

کاربردهای ابتدایی بتن میکروسیلیسی با مقاومت بالا در ستون های سازه های بلند است که در شکل 7.3 نشان داده شده است. هنگام تحلیل چگونگی اعمال بارهای ساختمان به پی مشخص میشود که مصرف بتن

کسب مقومت چند مخلوط بتنی حاوی میکروسیلیس
مخلوط ها
سیمان

Kg/m2
خاکستر بادی

Kg/m2
میکروسیلیس

Kg/m2
میکروسیلیس %

(نکته 1)
W/CM
1 (نکته 3)
475
104
74
11
23/0
2 (نکته 2)
390
71
48
9
37/0
3 (نکته 3)
475
59
24
4
29/0
4 (نکته 2)
390
ــ
27
6
35/0
5 (نکته 2)
362
ــ
30
8
39/0
6 (نکته 2)
390
ــ
30
7
37/0
نکته 1. میکروسیلیس به صورت درصد جرمی از کل مواد سیمانی.

نکته 2. داده ها توسط شرکت Elkem تهیه شده است.

نکته 3. داده ها از Burg و Ost (1994). این مخلوط ها همان مخلوط های 8 و 9 در جدول 2.6 هستند.
 

با مقاومت بالا تا چه حد موثر بوده است. با افزایش مقاومت بتن می توان اندازه ستون را کاهش داد. علاوه بر کاهش اندازه ستون میتوان مقدار فولاد مسلح کننده مصرفی در ستونها را کاهش داده و از سیستم مسلح کننده ساده تری استفاده کرد. در مجموع فضای کف بیشتری بوجود می آید که در نواحی شهری مزیت اقتصادی مهمی محسوب می شود.

اخیرا اداره های راه و ترابری ایالات متحده در ساخت پلهای با عملکرد بالا از بتن با مقاومت بالا استفاده کرده است. این اداره ها در حالت کلی، این نوع بتن را برای حص.ل یک یاا چند هدف از سه هدف زیر به کار برده اند:

افزایش دهانه پل. شکل 8.3 پل ساخته شده توسط اداره راه و ترابری اوهایو را نشان می دهد که در آن یک دهانه جایگزین سه دهانه شده است که در پل قبلی در این محل وجود داشته اند.
کاهش تعداد شاه تیرها برای یک دهانه معین. شکل 9.3 پل ساخته شده توسط اداره راه و ترابری نیوهمپشایر که تعداد شاه تیرهای آن از هفت به پنج کاهش یافته است، را نشان می دهد.
کاهش ارتفاع مقطع برای یک دهانه معین. اداره راه و ترابری کلرادو بتن میکروسیلیسی با مقاومت بالا را برای پل نشان داده شده در شکل 10.3 به کار برده است. در اینجا یک پل دو دهانه ای جایگزین پل چهاردهانه ای قبلی شده است. شاه تیرهای جدید باریک تر از شاه تیرهای قدیمی اند و افزایش فاصله آزاد 450 میلیمتری را نشان می دهند.
 

2.2.3 کاهش نفوذپذیری

در بسیاری از موارد، دوام بتن با نفوذپذیری ان رابطه مستقیم دارد. میکروسیلیس در کاهش نفوذپذیری بتن نقش دارد. شکل 11.3 نفوذپذیری و اهمیت آن در بتن را توضیح میدهد. با کاهش نفوذپذیری، مدت زمان لازم برای ورود مواد شیمیایی خورنده به بتن که می توانند به بتن آسیب برسانند کاهش می یابد. در اینجا چند نمونه از چگونگی کاهش نفوذپذیری در سازه های واقعی آورده شده است.

آسیب کلریدی به فولاد مسلح کننده. خوردگی فولاد مسلح کننده مهم ترین و پرهزینه ترین خرابی بتن است. شکل 12.3 چگونگی وقوع خوردگی در بتن را نشان می دهد. چه کلرید از آب اقیانوس و چه از نمکهای یخ زدا وارد بتن شده باشد، نتیجه یکسان است. بتن های میکروسیلیسی بطور گسترده در مناطقی که بتن در معرض نمک از هر منبعی قرار دارد، به کار میروند. نفوذپذیری کاهش یافته این بتن میتواند طول عمر مورد انتظار برای سازه را افزایش دهد.
 

شکل های 13.3 و 14.3 بتن با آسیب ناشی از خوردگی را نشان می دهند. توجه کنید که آسیب خوردگی در بتن در چند مرحله زیر اتفاق می افتد:

1- یونهای کلرید به آرامی وارد بتن شده و به سطح فولاد مسلح کننده می رسند. خوردگی وقتی شروع میشود که مقدار معینی کلرید که به آن کمقدار حدی می گویند، به سطح فولاد برسد.

2- هنگامی که یونهای آهن از فولاد مسلح کننده جدا میشوند، در چند مرحله اکسید یا دچار زنگ زدگی میشوند. در هر مرحله حجم آهن افزایش می یابد

3- مدامی که مقدار زنگ زدگی افزایش می یابد، لکه های زنگ زدگی روی سطح بتن مشاهده می شوند. سپس ترک خوردگی مشاهده میشود. سرانجام ترک خوردگی سبب ورقه ورقه شدن و قلوه کن شدن پوشش بتنی روی فولاد مسلح کننده می شود.

حلقه سولفاتی. اگرچه ساختار شیمیایی سیمان پرتلند مصرفی در حلقه سولفاتی نقش دارد، اما تحقیقات نشان داده است که نسبت آب به مواد سیمانی (w/cm) نیز یک فاکتور بحرانی به حساب می آید. کاهش w/cm بطور موثری نفوذپذیری بتن را کاهش می دهد. اضافه کردن میکروسیلیس نفوذپذیری را تا حد بیشتری کاهش می دهد و سبب به تاخیر انداختن بیشتر به هرگونه واکنش مضر می شود.
حمله اسیدی یا سایر حمله های شیمیایی. پایدار بتن میکروسیلیسی در برابر حمله مواد شیمیایی خورنده تفاوت چندانی با بتن حاوی سیمان پرتلند معمولی ندارد. با این وجود نفوذپذیری کاهش یافته بتن میکروسیلیسی عمر سازه بتنی یا دوره زمانی بین تعمیرات را با کم کردن سرعت حمله افزایش میدهد. در صورتی که در یک پروژه محافظت در مقابل ماده شیمیایی خاصی الزامی باشد، آزمایش نمونه های حاوی مقادیر مختلف میکروسیلیس در برابر آن ماده شیمیایی شدیدا توصیه می شود.
کاهش نفوذپذیری تنها اثر میکروسیلیس بر دوام نیست. دلیل محکمی وجود دارد که وقتی این ماده به تنهایی یا با یک خاکستربادی مناسب بکار میرود، احتمال واکنش قلیایی-مصالح سنگی را در مواردی که مصالح سنگی واکنش پذیر مصرف شده اند، حذف میکند یا کاهش میدهد. مجددا انجام آزمایش برای تعیین مقادیر و انواع مناسب مواد سیمانی مصرفی در هر زمینه کاربردی توصیه میشود.

در نهایت مقاومت بالاتر بتن میکروسیلیی مقاومت سایش بتن راافزایش میدهد. برای بتن ساخته شده با مصالح سنگی خاص، مقاومت خمشی بالاتر منجر به مقاومت سایشی بالا میشود. کاربرد مقاومت بالا بتن میکروسیلیسی در زمینه هایی مانند مکانهای انتقال زباله، و حوضچه های آرامش در سدهای بزرگ کاربرد دارد.(شکل 15.3)