بررسی اثر دوده سیلیس(Silica Fume) بر تراوایی و مقاومت بتن

 فاطمه پوران منجیلی ، سید امیر میرمؤید

1- دانشجوی کاردانی عمران- اجرای ساختمان های بتنی، مؤسسه آموزش عالی جهاد دانشگاهی، رشت، گیلان، ایران

 2- کارشناسی ارشد مهندسی ژئوتکنیک، استاد مؤسسه آموزش عالی جهاد دانشگاهی، رشت، گیلان، ایران.

 

چكيده

نفوذ پذیری بتن یکی از خواص مهم بتن در رابطه با دوام آن است. این خاصیت، شرایطی را فراهم می کند که آب یا سیالات دیگر بتوانند در بتن جریان پیدا کرده و مواد مضر و آسیب رسان را با خود به درون بتن حمل نمایند. دوده سیلیس یک ماده افزودنی است که این خاصیت بتن را کنترل می کند. دوده سیلیس SF نسبت به دیگر مواد مکمل مثل خاکستر بادی، واکنش پذیر تر می باشد. SF  اضافه شده، مقاومت و دوام شیمیایی بالایی به بتن می دهد.

 سوالات تحقيق:

در اين تحقيق، به بررسی مقادیر مختلف دوده سیلیس و اثر آن بر تراوایی و مقاومت بتن در ساخت سازه های بتنی ساخته شده با آن پرداخته شده است.

روش تحقیق:

در این مقاله ابتدا به شناخت دوده سیلیس به عنوان یکی از افزودنی های مجاز بتن و سپس به بررسی اثر این ماده بر تراوایی و ویژگی های بتن سخت شده و مقایسه ویژگی تراوایی و مقاومت این نوع بتن با انواع دیگر آن پرداخته شد و طرح اختلاط های مختلف با هم مقایسه شده است، تا بهینه ترین حالت انتخاب شود.

 نتیجه گیری:

در این تحقیق با توجه به مطالعات انجام شده جهت تعیین میزان دوده سیلیس به کاربرده شده در نمونه های بتنی، بهترین مقدار جایگزین آن در نمونه ها تحت شرایط مختلف، با نسبت های آب به سیمان متفاوت و همچنین با در نظر گرفتن مقاومت بتن ساخته شده، ارایه گردیده است.

كلمات كليدي: تراوایی، دوده سیلیس، مقاومت فشاری، طرح اختلاط بتن

 

1. مقدمه

اساسا دوام و استحکام بتن وابسته به احتمال نفوذ یونهای خطرناک در این ماده متخلخل به وسیله آب می باشد و زوال و دوام ساختار بتن عمدتا وابسته به تراوایی آن می باشد. دوده سیلیس (SF) به عنوان یک ترکیب معدنی در بتن مورد استفاده قرار می گیرد که ساختار ناتراوا و پیوسته در بتن ایجاد می کند. نا تراوایی هرچه بیشتر دوده سیلیس وابسته به توزیع اندازه حفره ها و فشردگی ماتریسی، کاهش مقدار Ca(OH)₂ و توزیع سطحی توده ملات سیمانی می باشد. در طول فرایند هیدراتاسیون، حفره های سطحی به تدریج براساس واکنش پوزولانی بین دوده سیلیس و هیدروکسید کلسیم، چگال می شود.

ارزیابی سریع تراوایی بتن به طور غیر مستقیم می تواند در برآورد و تخمین مقاومت آن به کار رود [1]. در این مقاله با فرض فواید دوده سیلیس در کاهش تراوایی بتن های با عملکرد بالا و طبیعی، مقدار افزایش و بهبود در تراوایی بتن خمیری از طریق به کارگیری دوده سیلیس با توجه به تحقیقات انجام شده پیشین [2] مورد بررسی قرار می گیرد.

2. نفوذ پذیری و جذب

منظور از جذب آب، روندی است که طی آن بتن آب را به درون منافذ و لوله های مویینه می کشاند. نفوذ پذیری بتن در مقابل آب یا بخار خاصیتی است که اجازه عبور سیال یا بخار را از میان بتن می دهد. کلیه بتن ها قدری آب جذب می کنند و تا حد مشخصی نفوذ پذیر هستند. آزمایش های انجام شده تحت فشار های هیدرواستاتیکی معادل با 30m ارتفاع مؤید این است که نه سیمان پرتلند و نه مخلوط های ساخته شده با آن، به طور مطلق نفوذ ناپذیر نیستند [3]. در سازه های هیدرولیکی که فشار آب اثر گذار است، نفوذ پذیری اهمیت بیشتری نسبت به مقاومت دارد. نفوذ پذیری و جذب همچنین در رابطه با عوامل مختلف تجزیه و تخریب بتن دارای اهمیت ویژه ای هستند.

3. واکنش شیمیایی دوده سیلیس در بتن

دوده سیلیس (SF) نتیجه فرعی ساخت فلز سیلیکون و آلیاژ فرو سیلیکان می باشد. این فرایند شامل کاهش کوارتز خالص (SiO₂) در کوره های دوار الکتریکی در دمای بالای 2000 درجه سانتیگراد می باشد. بین مواد پوزولانی، دوده سیلیس یکی از فعال ترین آنهاست. رفتار پوزولانی دوده سیلیس در بتن، مهمترین خاصیتی است که باعث می شود بتن سخت شده دارای خواص ویژه ای گردد. تفاوت اساسی بین دوده سیلیس و پوزولان های معمولی مانند خاکستر آتشفشانی و خاکستر بادی این است که فعالیت پوزولانی دوده سیلیس زودتر از پوزولانهای فوق آغاز می شود. دوده سیلیس به واسطه شکل و اندازه ذراتش یک پوزولان خیلی فعال و پر کننده ای بسیار مؤثر در بتن است.

خاصیت پرکنندگی دوده سیلیس نیز باعث توزیع یکنواخت و همگن محصولات به دست آمده از هیدراتاسیون در مخلوط می گردد. نهایتا ترکیب دو خاصیت پرکنندگی و پوزولانی دوده سیلیس به صورت ایجاد یک جسم بسیار متراکم و کم تخلخل، خود را نشان می دهد. بنابراین، فعالیت پوزولانی و تغییر توزیع اندازه منافذ باعث کاهش نفوذپذیری بتن و کاهش درجه قلیایی آن (مقدار هیدروکسید کلسیم) می گردد. محققان نشان داده اند که خمیر هیدراته شده سیمان پرتلند به اضافه پوزولان، در مقایسه با خمیر سیمان پرتلند دارای منافذ خیلی ریزی هستند که به آسانی قابل نفوذ نیستند[3].

4.دوده سیلیس و ویژگی های بتن ساخته شده با آن

به طور کلی رنگ ظاهری SF خاکستری تیره به مشکی یا کرم رنگ می باشد (مطابق شکل 1) و می تواند براساس کاربرد به صورت پودر متراکم یا دوغاب به کار رود. دوده سیلیس می تواند بر بتن هم اثر شیمیایی و هم اثر فیزیکی داشته باشد، تراوایی آن را کاهش داده و مقاومت آن را افزایش دهد[4]. افزایش SF در بتن منجر به کاهش ضریب تخلخل حفره های سطحی بین ماتریس و سنگدانه در بتن تازه می شود[5 ،6]. کاربرد سیمانهای ترکیبی یا مواد افزودنی چسبنده مکمل مثل SF ، تراوایی را کاهش می دهد، در نتیجه مقاومت بتن را در برابر فرسایش شیمیایی افزایش می دهد[7].

 

شکل 1- رنگ ظاهری دوده سیلیس

 

انقباض بتن SF مشابه بتن معمولی می باشد. اگرچه براساس میزان انقباض، این عامل به صورت آهسته تری ظاهر می شود و این یعنی انقباض مشاهده شده در آزمایشات، در بتن SF نسبت به بتن معمولی کمتر است.

بررسی انجام شده بر بتن SF به وسیله میکروسکوپ الکترونی نشان داد که میکرو ساختار این ماده نسبت به بتن های بدون دوده سیلیس همگن تر و متراکم تر می باشند [8].

تحقیقات نشان می دهد با افزودن 15% سطح جایگزین سیمان با دوده سیلیس، ضریب تراوایی 80 مرتبه کاهش می یابد. به کارگیری دوده سیلیس همچنین مقاومت بتنهای خمیری را افزایش می دهد[2].

در چند پروژه در جنوب کشور که به علت داشتن آب و هوای گرم و محیطی خورنده برای بتن و نیز فولاد سخت ترین شرایط محیطی برای بتن وجود دارد، مخلوط با سیمان دارای حدود 7-10% دوده سیلیس به عنوان جایگزین سیمان استفاده شده است. باید توجه داشت که به علت عدم آب انداختگی این بتن و واکنش های سریع و گرمای محیط خطر ایجاد ترک های پلاستیک در ساعات اولیه و سپس ترکهای ناشی از خشک شدن و ترکهای حرارتی در این بتن ها زیاد بوده و در صورت عدم کنترل ، دقت و عمل آوری سریع و مناسب علی رغم مقاومت زیاد وجود ترک در این بتن ها سبب افزایش نفوذپذیری آنها گشته و در نتیجۀ نفوذ املاح و مواد خورنده به داخل بتن و خوردگی آرماتور، خرابی بتن تشدید می گردد.

5.تراوایی بتن سیمانی با دوده سیلیس

استفاده از SiO₂ یا اکسید سیلیس که با   Ca(OH)₂ میل ترکیبی خوبی دارد و در کنار آب با هم خوب ترکیب می شوند، باعث ایجاد سیلیکات کلسیم محلول در آب می شود و نفوذ پذیری بتن را با کم کردن خلل و فرج کاهش می دهد و هرچه فاصله بین خمیر سیمان و سنگدانه کمتر باشد، خلل و فرج نیز کمتر و آب بندی بتن بیشتر می گردد (شکل2).

 

شکل2- کاهش نفوذپذیری بتن به وسیله دوده سیلیس

 

در طول واکنش پوزولانی SF ، شکافهای بین بافت سیمان و اجزای بتن به یکدیگر اتصال یافته، مقاومت را افزایش داده و تراوایی را با چگال کردن ماتریس بتن کاهش می دهد و این به این معنی است که بتن SF بسیار همگن و متراکم است.

6.بررسی و تحقیق تراوایی بتن سیمانی حاوی دوده سیلیس

با توجه به مطالعاتی که انجام شد[9]، نتایج تجربی 8 نوع بتن ترکیبی با نسبت آب به مواد سمنتی  0.45و  0.55گزارش شده است. درصد وزنی دوده سیلیسی که به این ترکیبات اضافه شد،  0% ،  6%، 8.5%  ،11.5%  و 14.5% وزن سیمان است. جهت مشاهده شرایط آزمایش انجام شده و نتایج حاصل از آزمایش تراوایی آن به جدول 1رجوع فرمایید.

 

تراوایی بتن (m/s)	ارتفاع نفوذ آب در مدت 24 ساعت از تراکم زیر فشار ثابت 1.18 Mpa (mm)	نسبتهای اختلاط (kg/m3)		SF (%)
		SF	سیمان
7.1×10-14	18.6	0	397	0	0.45
8.0×10-15	10.3	24	373	6
7.1×10-15	8.6	30	367	8.5
8.0×10-15	33.2	0	316	0	0.55
5.0×10-15	12.2	19	297	6
8.0×10-15	10.7	27	289	8.5
5.0×10-15	7.0	36	280	11.5
8.0×10-15	4.9	46	270	14.5

 جدول1- نتایج تست تراوایی بتن سیمانی حاوی دوده سیلیس

 

          می توان چنین نتیجه گیری نمود که با توجه به نسبت های مختلف آب به مواد سمنتی، باید نسبت جایگزین دوده سیلیس نیز متفاوت باشد. همچنین برای هر نسبت ( به طور مثال 0.45 و  0.55) میزان تراوایی تا حد معینی کاهش می یابد و این کاهش در تراوایی بستگی به میزان دوده سیلیس دارد زیرا اگر میزان دوده سیلیس از حد معینی افزایش یابد در کاهش تراوایی تغییر چشمگیری مشاهده نمی شود.

همچنین در مطالعه دیگری[2] علاوه بر تراوایی بتن، فاکتور مقاومت فشاری در دو بازه زمانی 28 روزه و 90 روزه نیز بررسی شده است. ترکیبات با نسبت آب به مواد سمنتی  2.6، 2.2 و1.8  با کد هایL(Low)  ، M(Medium) و  H(High) مشخص شده است. اعداد0 ، 5 ، 10 و  15به دنبال کدهای مزبور، درصد جایگزین ماده سمنتی با دوده سیلیس را نشان می دهد. برای مثال ترکیبی که با کدM10 مشخص شده اشاره به ترکیب با حداکثر نسبت آب به مواد سمنتی 2.2 با جایگزینی 10% دوده سیلیس دارد.

  به عنوان مثالی برای مقاومت فشاری، ترکیبی با نسبت آب به مواد سمنتی 2.6 با 15% جایگزین سیمان با دوده سیلیس در بازه زمانی 90 روزه، مقاومت از 10.2 kg/cm² به 29.5 kg/cm² افزایش یافت که 189% افزایش بر ترکیب کنترلی (ترکیب بدون دوده سیلیس) را نشان می دهد. همچنین با توجه به آب بیشتر در نسبت های سیمانی در بتنهای خمیری، تراوایی این ترکیبات نیز بالا می باشد. نتایج بدست آمده از این آزمایشات در جدول2 ارایه گردیده است.

 

ضریب نفوذ پذیری 90روزه m/s	مقاومت فشاریkg/cm2		دوده سیلیس kg/m3	سیمان kg/m3		کد اختلاط
	90روزه	28روزه
2.4×10-9	10.2	8.5	0	152.7	2.6	H0
6×10-10	14.8	12.9	7.6	145	2.6	H5
3×10-10	20.5	18.5	15.3	137.4	2.6	H10
4.9×10-11	29.5	20	22.9	129.8	2.6	H15
9×10-10	23	12.7	0	180.4	2.2	M0
3.5×10-10	31	15.7	9.02	171.4	2.2	M5
8.5×10-11	36	18	18.05	162.41	2.2	M10
2×10-11	41	23.8	27.07	153.4	2.2	M15
5.8×10-10	29	22.5	0	220.6	1.8	L0
1.4×10-10	38.4	31.2	11	209.5	1.8	L5
5.2×10-11	46	40.3	22.1	198.5	1.8	L10
7.2×10-12	54	48.7	33.1	187.5	1.8	L15

جدول2- نتایج آزمایش مقاومت فشاری و ضریب نفوذ پذیری برای اختلاط بتن خمیری 

 

7.آنالیز تراوایی و مقاومت

1-7- تراوایی

با توجه به نمودارهای شکل 3 و 4 که نتایج آزمایشات انجام شده در جدول 1را نشان می دهد، چنین مشاهده می شود که دوده سیلیس در کاهش تراوایی بتن مؤثر می باشد. همچنین افزایش نسبت آب به مواد سمنتی، تراوایی را افزایش داده، در حالیکه اگر مقدار دوده سیلیس جایگزین افزایش داده شود، تراوایی کاهش می یابد. برای نسبت های آب به مواد سمنتی  0.45 و 0.50 ، مقدار بیش از 12% دوده سیلیس کاهش چشمگیری در تراوایی بتن مشاهده می شود.

 

شکل3-آنالیز میزان جایگزینی دوده سیلیس بر تراوایی بتن با نسبت آب به مواد سمنتی 0.45

 

شکل 4-آنالیز میزان جایگزینی دوده سیلیس بر تراوایی بتن با نسبت آب به مواد سمنتی 0.55

 

2-7- مقاومت فشاری

نتایج مقاومت فشاری 90 روزه برای سه گروه ترکیبی با نسبتهای آب به مواد سمنتی  1.8، 2.2 و  2.6 در جدول 2 داده شده است. برای سه گروه ترکیب، افزایش مقدار دوده سیلیس نهایتا مقاومت فشاری را افزایش می دهد [2]. با توجه به شکل5  نتایج مربوط به مقاومت فشاری سه نمونه قابل مشاهده می باشد. به طور کلی می توان نتیجه گرفت ترکیب 8-12% دوده سیلیس بهترین مقدار مقاومت و تراوایی را ایجاد می کند[10].

 

شکل5-اثر دوده سیلیس بر مقاومت فشاری بتن خمیری مخلوط شده با نسبت های مختلف آب به مواد سمنتی

 

8. نتیجه گیری

با توجه به توضیحاتی که در مورد SF داده شد و اثرات فیزیکی و شیمایی آن بر بتن، می توان از آن به عنوان یک مادۀ افزودنی مؤثر و مفید در ساخت بتن نام برد. نتایج عددی بدست آمده از تست های نفوذپذیری و مقاومت نمونه های ساخته شده با این ماده افزودنی نیز اثر مثبت آن را بر نفوذپذیری و مقاومت بتن تأیید می کنند. نتایج حاصل از مطالب ذکر شده در این مقاله به صورت زیر می باشد:

• تراوایی بتن می تواند با اضافه شدن دوده سیلیس کاهش یابد که میکرو ساختار چگالتر بتن را ایجاد می کند. وقتی نسبت جایگزین دوده سیلیس بیش از 8% باشد تراوایی بتن به طور چشمگیری پایین می آید و این نسبت جایگزین از 8% به 12% نیز افزایش می یابد.
• هرچه دوده سیلیس حالت ریزتری داشته باشد، تراوایی بتن کاهش بیشتری می یابد.
• از آنجا که میزان نسبت آب به سیمان بر کنترل نفوذپذیری به وسیله دوده سیلیس بسیار اثر گذار است در مناطق خشک و یا هوای گرم باید نظارت کامل بر میزان آب صورت گیرد.
• مقاومت بتن می تواند با افزودن درصد معینی دوده سیلیس افزایش یابد. البته افزایش مقاومت با نسبت های یکسان دوده سیلیس و نسبت های مختلف آب به مواد سمنتی متفاوت می باشد.
• هرچه نفوذ ناپذیری بتن بالا برود مقاومت بتن هم بالاتر می رود ولی عکس این جمله الزاما همیشه صحیح نیست.

 

9. مراجع

1. Ha-Won Song, Seung-Woo Pack, Sang-Hyeok Nam, Jong-Chul Jang and Velu Saraswathy, (2010), “Estimation of the permeability of silica fume cement concrete”, Construction and building material, PP 315-321
2. A.R. Bagheri, M. Alibabaie, M. Babaie, (2008), “Reduction in Permeability of plastic concrete for cut-off walls through utilization of silica fume”, Construction and building materials 22 ,PP 1247-1252
3. رمضانیانپور، علی اکبر ، طاحونی، شاپور، پیدایش، منصور؛ کتاب دستنامه اجرای بتن، چاپ چهارم ، سال 1387
4. Muller IL, (2004), “Influence of silica fume addition on concretes physical properties and on corrosion behavior of reinforcement bars”, Cem Concr Comp, PP 31-39
5. Song Ha-Won, Jand Jong-Chul, Saraswathy Velu., (2007), “An estimation of diffusivity of silica fume concrete”, Build Environ, PP1358-1367
6. Goldman A, Bentur A., (1989), “Bond effects in high strength silica-fume concrete”, ACI Mater J, 440-447
7. Malhotra VM, Mehta PK., (1996), “Pozzolanics cementitious materials”, Advances in concrete technology, vol. 1. Netherlands: Gordon Breach .P 189
8. Lachemi M, Jagnit-hamou AE, Aitcin C.,(1998), “Long-term performance of silica fume cement concretes”, Concr Inst, PP 59-65
9. Anqi L, Baoyu L, Guoping H, yeibo C, Guolian S., (1991), “Study on corrosion prevention in reinforced concrete containing condensed silica fume and its application”, Proceedings of CANMET/ACI international conference on durability of concrete, PP331-347
10. Khan MI, Lynsdale CJ., (2002), “Strength permeability and carbonation of high performance concrete”, Cem Concr Res. PP123-131

Effect of Silica Fume on Permeability and Strength of Concrete

1. Pouran Manjily¹, and S.A. Mir Moayed²
2. Student, Department of Civil Engineering, Jahad University, Guilan, Rasht, I.R. Iran.

2. MSc, Department of Civil Engineering, Jahad University, Guilan, Rasht, I.R. Iran.

ABSTRACT

One of the important properties of concrete is about its permanency. This property makes water and other liquids traverse into concrete and carry harmful materials with themselves into it. Silica Fume is an additive material that controls this property of concrete. Silica Fume (SF) is more reactive than other supplementary materials such as fly ash. The amount of added SF gives high strength and chemical resistance to concrete.

RESEARCH INQUERIES

In this research the different amounts of Silica Fume and the effect of it on permeability and strength of concrete, which is made of it, is indicated

RESEARCH METHOD

In this research, first, Silica Fume is recognized as an allowable concrete additive and then effects of this material on permeability and hard concrete properties is considered and comparing permeability and strength of this concrete to other species are known and compare different mix design together to choose the best one.

CONCLUSION

In this research with performed studies, it is indicated to estimate amount of Silica Fume in concrete models, best replacement of it in models on different condition, with different water to cement ratios and to attend concrete strength.

Key Words

Permeability, Silica Fume, Compressive Strength, Concrete Mix design