پراکندگی ذرات میکروسیلیس در دوغاب و مقایسه با ژل میکروسیلیس

پراکندگی ذرات میکروسیلیس در دوغاب و مقایسه با ژل میکروسیلیس

0

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:

1. کلسیم سیلیکات هیدرات CSH که نقش چسب بین سنگدانه ها را دارد.
2. 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: 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.

 

 

 

۲۸ روزه	۳ روزه	۱ روزه
۴۹/۶	۳۴/۴۷	۲۴/۴	طرح ۱
۵۶/۰	۴۵/۶۳	۳۰/۹	طرح ۲
۵۷/۵	۴۳/۲۹	۳۰/۱	طرح ۳

 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.

کاربرد دوغاب میکروسیلیس در صنعت بتن

7

چکیده:

امروزه استفاده از مواد جایگزین سیمان که خاصیت پوزولانی دارند در صنعت بتن، رشد روز افزونی دارد. در کشور ما، میکروسیلیس دارای بیشترین مصرف میان سایر مواد پوزولانی است. میکروسیلیس محصول ثانویه کارخانه های فرو سیلیس می باشد که در حالت اولیه به صورت پودری نرم و سبک است به طوری که حمل و نقل آن را مشکل می کند و همچنین در حین اختلاط با سایر اجزای بتن به خوبی پخش نمی شود و ممکن است باعث کاهش دوام بتن گردد.

دوغاب میکروسیلیس به عنوان محصولی جدید می تواند جایگزین مناسبی برای پودر میکروسیلیس باشد به طوری که حمل و نقل آنرا راحت تر و کم هزینه تر کرده همچنین به خوبی در بتن پخش می شود . در این مقاله موارد ذکر شده بیشتر توضیح داده شده است و نهایتا نتایج آزمایش مقاومت فشاری انجام شده بر روی نمونه های حاوی پودر میکروسیلیس و نمونه بدون میکروسیلیس و نمونه حاوی دوغاب میکروسیلیس ارائه شده است. نتایج حاکی از بازدهی بیشتر دوغاب میکروسیلیس نسبت به پودر میکروسیلیس می باشد.

مقدمه

پودر میکروسیلیس یک ماده پوزولانی قوی است که جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن به کار می رود. این ماده محصول جانبی صنعت فروسیلیس است که از روی فیلتر هوای خروجی از کوره های قوس الکتریکی در صنایع فروسیلیس بدست می آید. سالانه ۱۱۰,۰۰۰ تن پودر میکروسیلیس در دنیا به مصرف می رسد که بر این اساس، برآورد میزان مصرف سالانه بتن حاوی میکروسیلیس در دنیا، ۶ میلیون متر مکعب است. در دهه پنجاه میلادی اولین آزمایش ها بر روی تاثیرات میکروسیلیس بر روی بتن در نروژ به انجام رسید. در دهه ۸۰ میلادی استفاده آن در بتن شکل اقتصادی به خود گرفت.

خواص فیزیکی و ساختار شیمیایی میکروسیلیس

پودر میکروسیلیس به رنگ خاکستری روشن تا تیره عرضه می شود. رنگ مشاهده شده به دلیل حضور اکسید آهن و کربن در ساختار میکروسیلیس می باشد. هرچه میکروسیلیس تیره تر باشد مقدار کربن بیشتری دارد. ذرات میکروسیلیس دارای سطح مخصوص تقریبی  ۲۰۰۰۰ هستند. ذرات منفرد میکروسیلیس تقریبا صد برابر ریزتر از ذارات سیمان می باشند. پودر میکروسیلیس ذرات بسیار ریز با ساختار غیر کریستالی و آمورف است که اندازه ذرات آن در حدود ۰/۲ – ۰/۱ میکرون می باشد. بخشی از ذرات آن به هم جوش خورده و کلوخه تشکیل می دهند. مقایسه ابعاد ذرات سیمان و میکروسیلیس در شکل ۱ آمده است. درجه کلوخه شدن ذرات بستگی به فرآیند تولید و دمای کوره دارد. این ذرات به دلیل سطح موثر بالا دارای جاذبه زیادی بوده و تمایل به کلوخه شدن دارند. یک آزمون مهم در خصوص توزیع ذرات میکروسیلیس، میزان باقیمانده میکروسیلیس روی الک ۴۵ میکرون می باشد.

شکل ۱- سیمان پرتلند (سمت چپ) و ذرات میکروسیلیس (سمت راست) با بزرگی تصویر یکسان. میله سفید طولانی تر در عکس مربوط به میکروسیلیس ۱ میکرومتر می باشد. R ACI ۲۳۴ تخمین می زند که با جایگزینی ۱۵ درصد سیمان توسط میکروسیلیس تقریبا ۰۰۰,۰۰۰,۲ ذره میکروسیلیس به ازای هر ذره سیمان وجود خواهد داشت.

وزن مخصوص میکروسیلیس حدودا ۲/۲ است در حالیکه وزن مخصوص سیمان ۳/۱ می باشد که خود نشانگر سبک بودن پودر میکروسیلیس است. بعضا مشاهده می شود برخی افراد سودجو سیلیس میکرونیزه را به جای دوده سیلیسی به فروش می رسانند که هیچ خاصیت پوزولانی ندارد.

وجه تمایز و راه تشخیص این دو از یکدیگر، وزن بسیار سنگین تر سیلیس میکرونیزه نسبت به وزن دوده سیلیسی در حجم مساوی می باشد.  pH سوسپانسیون % ۲۰ میکروسیلیس در آب در حدود ۷ – ۶ می باشد. مقادیر جزئی عنصر سیلیسیم در پودر میکروسیلیس می تواند در واکنش هیدراتاسیون، تولید هیدروژن کرده و در استحکام بتن تاثیر بگذارد.

مطالعات زیادی بر روی تغییرات خواص بتن نسبت به تغییرات ساختار شیمیایی و فیزیکی میکروسیلیس صورت نگرفته است. درصد بالاتر SiO2 ، میکروسیلیس را در بتن واکنش پذیرتر می کند. اغلب استانداردهای مهم حداقل میزان ۸۵% را برای SiO2 در میکروسیلیس اعلان کرده اند. بیشتر بودن SiO2 به معنای کمتر بودن ناخالصی ها در میکروسیلیس است. چنانچه میزان کربن میکروسیلیس زیاد باشد، برای تامین هوای مورد نیاز در بتن حاوی این میکروسیلیس افزودنی هوازا به کار می رود. هیچ گزارشی از ارتباط بین کیفیت بتن و نرمی میکروسیلیس مشاهده نشده است. میکروسیلیس نرم تر واکنش پذیرتر بوده و به علت نرمی بالا نیاز به آب بیشتری دارد و با نرم شدن میکروسیلیس نیاز به فوق روان کننده بیشتر می شود.

۳- اثرات میکروسیلیس بر بتن تازه و بتن سخت شده

۳-۱- بتن تازه

۳-۱-۱- افزایش چسبندگی

بتن تازه حاوی میکروسیلیس نسبت به بتن معمولی بدون میکروسیلیس، چسبندگی بیشتری داشته و با افزایش میکروسیلیس این چسبندگی افزایش می یابد. نتایج تحقیقات حاکی از این است که بتن حاوی میکروسیلیس باید دارای اسلامپ اولیه به اندازه ۵۰ میلیمتر بیشتر از بتن فاقد میکروسیلیس باشد تا همان کارپذیری را داشته باشد. منظور از افزایش چسبندگی سه مورد است: ۱- چسبندگی خمیر سیمان به سنگدانه ۲- چسبندگی خمیر سیمان به میلگرد ۳- چسبندگی بتن قدیم به بتن جدید.

۳-۱-۲- کاهش آب انداختگی

به دلیل کاهش سطح مخصوص زیاد میکروسیلیس و مقدار کم آب موجود در بتن های حاوی میکروسیلیس، آب انداختگی در این گونه بتن ها مقدار کم و جزئی دارد. با افزایش میزان میکروسیلیس، آب انداختگی به صفر می رسد. در اثر نشست سنگدانه آب که سبکتر است به سمت سطح کشیده می شود. بخشی از آب در زیر سنگدانه ها و یا زیر میرگرد محبوس شده و بخشی از آن به سطح می رسد. این جابجایی آب از طریق کانال های مویینه صورت می گیرد. وقتی آب تبخیر می شود این مجاری مویینه به راهی مناسب برای نفوذ مواد مخرب از خارج به داخل بتن تبدیل می شوند. بنابراین کاهش آب انداختگی و در نتیجه کاهش این کانال ها باعث بهبود دوام بتن می گردد. از طرف دیگر، ، با کاهش آب انداختگی خطر ترک خوردن بتن در اثر جمع شدگی پلاستیک افزایش می یابد که خود این ترک ها در صورت کنترل نشدن، راهی برای نفوذ مواد مخرب به داخل بتن می شوند. لذا باید بتن های حاوی میکروسیلیس را پس از اجرا به دقت عمل آوری کرد. تغییرات دمای هوا، وجود باد در محیط، دمای بالای بتن و رطوبت کم محیط، عوامل مهم در این نوع ترکها می باشند. گونی کشی مرطوب و پوشاندن بتن با فیلم های پلاستیکی بهترین روش عمل آوری این نوع بتن ها می باشند که بین ۳ تا ۷ روز باید انجام گیرد.

۳-۲- بتن سخت شده

۳-۲-۱- بهبود خواص مکانیکی

۳-۲-۱-۱- افزایش واکنش هیدراسیون

پودر میکروسیلیس یک ماده پوزولانی با واکنش پذیری بالاست، این ماده با آهک آزاد شده در اثر هیدراتاسیون سیمان واکنش داده و تولید کلسیم سیلیکات هیدرات می کند که محصول اصلی هیدراتاسیون می باشد. جایگزینی % ۱۰ میکروسیلیس با سیمان، مقدار آهک آزاد بتن را نسبت به بتن شاهد پس از ۲۸ روز تا نصف کاهش می دهد و تبدیل به محصولات ثانویه هیدراسیون می نماید.

۳-۲-۱-۲- بهبود لایه مرزی

ضعیف ترین بخش بتن، لایه مرزی روی سنگدانه ها می باشد که ضخامت حدود ۵۰ میکرون دارد. این لایه به این علت که تراکم ذرات جامد به خوبی انجام نمی شود و از طرفی اّب انداختگی بتن در این لایه زیاد اتفاق می افتد، غلظت بالایی از کلسیم هیدروکسید خواهد داشت. میکروسیلیس به خاطر ساختار نرمی که دارد در این لایه نفوذ کرده و علاوه بر واکنش پوزولانی که منجر به کاهش غلظت کلسیم هیدروکسید می شود، تراکم این لایه را بالا می برد.

۳-۲-۲- بهبود دوام

۳-۲-۲-۱- کاهش نفوذ پذیری

همان طور که در شکل ۱ توضیح داده شد، ساختار میکروسیلیس به قدری ریز می باشد که اگر ۱۰% سیمان را با آن جایگزین کنیم به ازای هر ذره سیمان بیش از یک میلیون ذره میکروسیلیس وجود خواهد داشت. ذرات میکروسیلیس در بتن سخت شده، فضاهای خالی ایجاد شده در اطراف ذرات سیمان را پر می کند و بنابر این نفوذ پذیری کاهش می یابد. همچنین افزایش واکنش هیدراسیون و بهبود لایه مرزی نیز باعث کاهش نفوذ پذیری می گردد.

کاهش نفوذ پذیری در بتن های حاوی میکروسیلیس در مقابل موادی مانند یون کلر، باعث شده است که معمولا عرشه پل ها، سازه های پارکینگ و سازه های دریایی به وسیله میکروسیلیس مقاوم گردند. جایگزینی % ۵ میکروسیلیس با سیمان نسبت به کاهش w/c بتن از ۰/۵ به ۰/۴ در مقابله با نفوذ یون کلر موثرتر عمل می کند.

۳-۲-۲-۲- افزایش مقاومت سایشی

مقاومت بتن میکروسیلیسی در برابر خوردگی سایشی به علت تراکم بیشتر بتن و افزایش استحکام لایه مرزی سنگدانه و تولید خمیر سیمان بیشتر می باشد.

۳-۲-۲-۳- افزایش مقاومت در برابر واکنش سیلیکاتی قلیایی

مقاومت بتن میکروسیلیس در برابر انبساط ناشی از واکنش سلیکاتی قلیایی، به شرطی که پخش شوندگی میکروسیلیس به خوبی اتفاق بیافتد، افزایش خوبی دارد. چنانچه ذرات میکروسیلیس به خوبی پخش نشوند نتیجه معکوس داشته و خود آنها باعث واکنش سیلیکاتی قلیایی می شوند. جایگزینی % ۱۰ سیمان با میکروسیلیس، مقدار قلیای بتن را تا ۳ برابر کاهش می دهد که همین عامل، باعث بهبود این خاصیت می شود. ترکیب میکروسیلیس با دیگر پوزولانها مقاومت در برابر انبساط قلیایی را بهتر می کند.

۳-۲-۲-۴- افزایش مقاومت در برابر حمله یون سولفات

بتن میکروسیلیس مقاومت بسیار خوبی در برابر حمله یون سولفات دارد و این مقاومت با افزایش درصد میکروسیلیس بالا می رود.

۳-۲-۲-۵- افزایش مقاومت الکتریکی

مقاومت الکتریکی بتن میکروسیلیسی نسبت به بتن معمولی بیشتر می باشد و همین عامل باعث کاهش واکنش خوردگی میلگردها در بتن می شود.

۴- شکل های مصرفی میکروسیلیس

میکروسیلیس عمدتاً به سه شکل پودر خشک، ژل و دوغاب به صورت تجاری در دسترس می باشد. همه شکل های میکروسیلیس دارای نقاط ضعف و قوت می باشند که بر روی کیفیت بتن ، حمل و نقل مواد، و راندمان و سرعت اجرای کار تاثیر می گذارند.

۴-۱- پودر خشک:

این شکل میکروسیلیس ساختار پودر نرم دارد این شکل میکروسیلیس به صورت فله و کیسه بسته بندی و عرضه می شوند. نرمی بسیار زیاد میکروسیلیس باعث ایجاد مشکلاتی در حمل و نقل این محصول می شود. گرفتگی تاسیسات و لوله های انتقالی، چسبندگی به سطوح و تشکیل پل در مخازن نگهداری از مشکلات این شکل از میکروسیلیس می باشد. امروزه پودر خشک تازه تولید شده با مکانیسمهایی متراکم شده و سپس عرضه می شود و افزودن مستقیم پودر سبک به بتن رایج نمی باشد. هزینه های زیاد مربوط به حمل و نقل و ایجاد گرد و خاک زیاد دو عامل اصلی این کار می باشد.

۴-۲- ژل میکروسیلیس:

از اختلاط آب و پودر میکروسیلیس به همراه مقادیر مشخصی افزودنی روان کننده بدست می آید و حاوی ۴۰ الی ۴۵ درصد میکروسیلیس می باشد و نسبت به دوغاب، میکروسیلیس کمتری دارد.

۴-۳- دوغاب میکروسیلیس:

برای غلبه بر مشکلات استفاده از پودر سبک، این محصول با آب مخلوط شده و مخلوط های % ۶۰-۴۲ میکروسیلیس در آب تهیه می شود که نسبت به ژل میکروسیلیس حاوی مقدار بیشتر پودر میکروسیلیس می باشد. دوغاب % ۵۰  میکروسیلیس در آب دارای دانسیته kg/m 31400 است که دارای میکروسیلیس خشک به مقدار  ۷۰۰ است. این دانسیته نسبت به شکل پودری میکروسیلیس که دانسیته حدود   ۳۰۰ دارد تقریبا ۲ برابر بوده و لذا هزینه های حمل و نقل را تا ۲ برابر کاهش می دهد. ترکیب دوغاب می تواند شامل روان کننده یا فوق روان کننده بتن باشد ولی محصول فعلی شرکت کپکو بدون افزودنی روان کننده است تا به مصرف کننده این امکان را بدهد تا میزان افزودنی روان کننده مورد نیاز بتن خود را تعیین کنند. از آنجا که پودر میکروسیلیس ریز ساختار بوده، سطح موثر بالایی دارد و مقدار زیادی از آب بتن را جذب سطح می کند و استفاده از میکروسیلیس در بتن، نیاز به آب را بیشتر می کند که باید با افزودنی های کاهنده آن نیاز را جبران کرد. دوغاب میکروسیلیس به دلیل روانی بیشتر نسبت به ژل توانایی پخش شدگی بیشتری نسبت به ژل دارد. دوغاب میکروسیلیس در بسته بندی سطل و بشکه قابل عرضه می باشند و نحوه نگهداری و استفاده از آن باید توسط تولید کنندگان ارائه شود.

۵- نتایج آزمایش انجام شده بر روی بتن حاوی دوغاب و پودر خشک میکروسیلیس

در ادامه به نمونه ای از آزمایش های انجام شده بر روی بتن حاوی دوغاب میکروسیلیس تولیدی شرکت کپکو اشاره می شود. لازم به ذکر است که این آزمایش ها در انستیتو مصالح ساختمانی دانشگاه تهران انجام شده است. طرح اختلاط نمونه های مورد آزمایش در جدول ۱ آمده است. لازم به ذکر است عیار مواد سیمانی در نمونه حاوی دوغاب، ۳۶۰ و کمتر از نمونه های شاهد می باشد و همچنین سیمان کمتری دارد. مقاومت فشاری بر روی نمونه های بتنی مکعبی با ابعاد ۱۵ * ۱۵ * ۱۵ سانتی متر انجام شده است. مقدار مصالح سنگی در تمامی نمونه ها برابر بوده و از سیمان تیپ ۲ تهران در تمامی نمونه ها استفاده شده است.

*** ۸۰ کیلو در متر مکعب دوغاب استفاده شده است. چون ۵۰ درصد دوغاب میکروسیلیس است بنابراین مقدار میکروسیلیس ۴۰ کیلو در متر مکعب به دست می آید. نتایج آزمایش مقاومت فشاری در جدول ۲ و شکل ۲ آمده است.

همانطور که در جدول ۲ و شکل ۲ مشاهده می شود، نمونه حاوی دوغاب، با اینکه عیار مواد سیمانی کمتری دارد، نسبت به نمونه حاوی پودر میکروسیلیس دچار افت مقاومت نشده و همچنین، نسبت به نمونه بدون میکروسیلیس با عیار سیمان بیشتر مقاومت بیشتری دارد. این مطلب به دلیل پخش شدن بهتر میکروسیلیس در بتن حاوی دوغاب میکروسیلیس است به طوری که پخش مناسب باعث افزایش بیشتر هیدراتاسیون و افزایش بازده نمونه حاوی دوغاب گردد. همان طور که در شکل ۳ نشان داده شده است، آزمایش نفوذ تسریع شده یون کلر نشان می دهد نمونه حاوی دوغاب میکروسیلیس با عیار مواد سیمانی کمتر تقریبا شاری برابر با نمونه حاوی پودر دارد و در دسته بتن با نفوذ پذیری کم قرار دارد.

شکل ۲- نمودار ستونی نتایج آزمایش مقاومت فشاری

شکل ۳- مقایسه نتایج شار عبوری برای آزمایش RCPT

۶- نتیجه گیری

1. دانسیته دوغاب میکروسیلیس بر اساس ماده خشک، بالاتر از پودر میکروسیلیس می باشد و لذا هزینه های حمل و نقل و انبارش را کاهش می دهد. دانسیته دوغاب ۵۰ % در حدود۱۴۰۰ کیلوگرم در متر مکعب بوده که بر اساس ۵۰ % ماده خشک، دانسیته میکروسیلیس خالص، ۷۰۰ کیلو گرم بر مترمکعب می باشد ولی دانسیته پودر در بهترین حالت حدود ۴۵۰ کیلوگرم در متر مکعب می باشد.
2. انتقال دوغاب میکروسیلیس به داخل بتن راحتتر و سریعتر می باشد و عاری از هر گونه گرد و غبار می باشد.
3. اختلاط ذرات میکروسیلیس داخل بتن، زمانی که به شکل دوغاب وارد بتن می شود راحتتر و سریعتر از زمانی بوده که به شکل پودر وارد شده است. پخش شدگی مؤثر میکروسیلیس در بتن یکی از نکات بسیار مهم استفاده از این افزودنی می باشد به طوری که بازده این محصول را نسبت به پودر میکروسیلیس افزایش می دهد.
4. دوغاب میکروسیلیس می تواند مصرف سیمان در بتن را کاهش داده منجر به صرفه جویی در مصرف سیمان و افزایش سود گردد.
5. عدم وجود هرگونه روان کننده بتن در محصول دوغاب نسبت به ژل، علاوه بر کاهش قیمت این محصول، باعث می شود تنظیم مقدار افزودنی روان کننده مورد نیاز طرح توسط پیمانکار راحت تر انجام شود.

منابع

ACI 234R-06: Guide for the Use of

اکسید روی از جمله مواد با خواص منحصر به فرد است. این ماده در قرن اخیر به دلیل استفاده در وسایل ذخیره انرژی دارای اهمیت زیادی است. با سنتز نانوذرات اکسید روی می‌توان خواص این ماده را بهبود بخشید و کاربردهای بیشتری از آن ارایه داد. با توجه به کاربردهای متعدد و بازدهی اقتصادی فرصت سرمایه گذاری این نوبت به تولید نانو اکسید روی اختصاص دارد.

معرفی محصول

به گزارش اقتصاد آنلاین به نقل از دریک آنلاین، اکسید روی که در کتابهای کهن توتیا نامیده می‌شود، ترکیب غیر آلی با فرمول ZnO و به شکل پودری سفید رنگ و غیرمحلول در آب است.

نانو ذرات اکسید روی یکی از ذرات معدنی پر کاربرد می باشد که به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی مناسب مورد توجه صنعنگران  قرار گرفته است. از جمله خواص ویژه نانو ذرات Zno می توان به پایداری شیمیایی بالا، ثابت دی الکتریک پایین، فعالیت کاتالیزوری بالا، جذب نور فرو سرخ  و فرابنفش و از همه مهم تر خاصیت ضد باکتری اشاره کرد.

در سالهای اخیر اکسید روی عمدتا به دلیل خواص نوری، الکترونیکی و پیزوالکتریکی منحصربفرد، همچنین کاربرد بالقوه در سلولهای خورشیدی، دیودهای نشر نور آبی، حسگرها و کاهنده‌ها توجه زیادی را به خود جلب کرده است.

نانو ذرات روی علاوه بر صنایع آرایشی و بهداشتی، سرامیک، لاستیک و… برای  تولید پانسمان های طبیعی به منظور درمان زخم ها نیز کاربرد دارد. به علت خاصیت ضد باکتریایی این نانو ذرات، و همچنین  به دلیل تضعیف کنندگی اشعه فرا بنفش نور خورشید، از آنها در تولید کرم های ضد آفتاب نیز استفاده می شود.

اشعه خورشید دارای امواج مختلف با انواع طول موج ها از امواج کوتاه مانند پرتوهای ماوراء بنفش تا امواج رادیویی با طول موج های بلند می باشد. یکی از عوامل مهم بیماری های پوستی اشعه UV خورشید است که مقادیر زیاد آن سبب بروز ابتلا به سرطان پوست خواهد شد. یکی از اولین کاربردهای فناوری نانو در صنعت آرایشی و بهداشتی استفاده از نانومواد اکسید فلزی از قبیل اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم در کرم های ضد آفتاب می باشد از جمله موارد مهم در این فرمولاسیون عدم ایجاد اثر سفیدی بر روی پوست بعد از استفاده از کرم است. از دیگر مزایای کرم های ضدآفتاب جدید، این است که به وسیله پوست جذب نشده و ایجاد حساسیت (آلرژی) نمی کند.

تولید نانو ذره ها برای محصولات ضد آفتاب روز به روز در حال افزایش می باشد که بیشتر آنها متشکل از نانو دی اکسید تیتانیوم و نانو ذرات اکسید روی هستند.

تاریخچه کشف اکسید روی

برای اولین بار اکسید روی توسط رومی‌ها، دو هزار سال قبل از میلاد تهیه شد. سپس در قرن شانزده توسط هندی‌ها، در قرن هفده در چین و در سال ۱۸۵۰ در اروپا سنتز شد. در آغاز به عنوان آبرنگ و رقیق‌ساز رنگها در نقاشی و در اواخر سال۱۸۹۰ در تهیه رنگهای روغنی استفاده می‌شد. در سال ۱۹۷۰ از آن برای تهیه کاغذ فتوکپی و نیز بهبود کیفیت کاغذ استفاده شد. اخیرا اکثر تحقیقات علمی، بر روی ZnO به عنوان یک ماده نیمه رسانا، تمرکز یافته است. توجه و بررسی بر روی خواصZnO در سال ۱۹۱۲ و همزمان با آغاز رشد نیمه رساناها، بعد از اختراع ترانزیستور آغاز شد. در سال۱۹۶۰ خواص پیزوالکتریکی بسیار جالبی از ZnO کشف شد، که منجر به اولین کاربرد الکترونیکی به عنوان لایه نازک در قطعات موج صوتی سطح شد. از سال ۱۹۹۰ تحقیقات بر روی ZnO افزایش چشمگیری یافت.

خواص شیمیایی نانو اکسید روی

اکسید روی در دمای ◦C1975 به اکسیژن و بخار روی تجزیه می¬شود، که این نشان دهنده پایداری نسبتا بالای آن است. این ماده یک اکسید آمفوتر است و میتواند هم به عنوان یک باز و هم به عنوان اسید عمل کند. در آب و الکل تقریبا نامحلول است.

ویژگیهای اکسید روی و کاربردهای آن

اکسید روی عضوی یکی از غنی‌ترین نانوساختارها است. این ماده میتواند در ابزارهای نوری در ناحیه فرابنفش و آبی به کار رود. همچنین این ماده در مقیاس نانو، یک نیمه‌هادی با شفافیت زیاد و لومینسانس قوی در دمای اتاق است و به همین دلیل انتخاب ایده آلی برای انواع حسگرها، دیودهای لیزری، نمایشگرها و الکترود شفاف است.

اکسید روی، زیست سازگار و ایمن بوده و می‌تواند در پزشکی به راحتی به کار رود. نانوذرات اکسید روی از نظر جذب اشعه فرابنفش نیز دارای کاربردهای ویژه‌ای هستند که از جمله آن می‌توان به کاربرد آنها در پماد سوختگی و کرمهای ضد آفتاب به عنوان جذب کننده قوی پرتو فرابنفش و فوتوکاتالیست برای حذف آلودگی‌های محیط زیست اشاره کرد.

از کاربردهای دیگر اکسید روی میتوان به استفاده‌های آن در ابزارهای نوری و فوتوالکترونیکی، وریستور (نوعی مقاومت وابسته به ولتاژ)، سطوح صوتی، مواد پیزوالکتریک، فوتودیود، ابزارهای فوتوولتایی، لیزر فرابنفش، سلول خورشیدی و حسگر گازهایی از قبیل )آمونیاک، اوزن، کربن مونوکسید، هیدروژن، نیتروژن اکسید، اکسیژن، پروپان، اتانول و فرمالدهید) اشاره کرد.

کاربردهای صنعتی نانو ذرات اکسید روی 

این ترکیب در ساخت مواد فراوانی در صنعت مانند پلاستیک، سرامیک، شیشه، سیمان، لاستیک (تایر اتومبیل)، نرم کننده، رنگها، مومها، چسب، غذاها، باتری و… استفاده می‌شود.

صنعت الکترونیک، صنعت ابزارآلات، ساخت و ساز، دستگاه های الکتریکی، رادیو، لامپ فلورسانس بی سیم، دستگاه ضبط تصویر، دستگاه تنظیم جریان های متغیر برق، فسفر، روان کننده درجه حرارت بالا در موتور های توربین گازی، بازدارنده شعله، جذب سطحی، بازسازی محیط زیست، سنسورهای گاز، رفع آلودگی فوتوکاتالیتیکی، تضعیف نور ماوراء بنفش، الکترود برای سلول های خورشیدی از جمله کاربردهای صنعتی این محصول با ارزش می باشند.

مصارف دارویی

در پزشکی و بهداشت این ترکیب با نام زینک اکساید در پودر بچه، پمادهای پوستی، کرم ضد آفتاب، شامپو ضدشوره و… استفاده می‌شود. پماد زینک اکساید در درمان ضایعات پوستی مستعد عفونت مانند سوختگی، اگزما، سوختگی پای نوزادان، خراشیدگی و گزش حشرات. ضد التهاب خفیف پوستی و همچنین در ترکیب کالامین به عنوان ضد خارش کاربرد دارد.

اکسید روی دارای خواص مرطوب کننده، آنتی بیوتیکی و دئودورانت است. به دلیل آثار ضد سبوم و منعکس کننده اشعه UV در ترکیب کرمهای ضد آفتاب نیز استفاده می‌شود.

مصارف آرایشی بهداشتی

اکسید روی مصارف فراوانی در صنایع آرایشی دارد. این ترکیب می تواند اشعه UV خورشید را جذب کرده و از پوست در مقابل آفتاب سوختگی و سایر خسارات اشعه UV محافظت نماید. اکسید روی یکی از مهمترین ترکیبات مواد آرایشی معدنی است. از آنجا که اکسید روی توسط پوست قابل جذب نیست بنابراین باعث هیچ گونه حساسیت پوستی نمی شود و غیر حساسیت زا و غیر جوش زا می باشد.

همچنین در تولید دئودورانت ها و صابون ها کاربرد دارد. این ترکیب در حذف بوی بد بدن و جلوگیری از رویش باکتری ها کمک می کند و بخوبی موجب تسکین هر گونه حساسیت پوستی می شود.

روش های تولید

برای تولید نانو ذرات روی از روشهای مختلفی می توان استفاده نمود که به برخی از آنها اشاره می گردد.

روش ته نشین سازی جرقه ای

پایه هایی از جنس کوارتز با استون ، آب مقطر و و اتانول بطور سریع تمیز و شسته می شوند  و سپس با جریان گاز نیتروژن خشک می شوند .دو سوزن تیز از سیم هایی از جنس روی تهیه می شود .دو سوزن بصورت افقی با فاصله ۳mm از یکدیگر و در فاصله ۲mm بالای مرکز پایه قرار می گیرند . جرقه زمانی اتفاق می افتد که یک خازن با ۱۰kV شارژ شده و به سوزن ها متصل می شود .بوسیله Rotary Switch این فرایند مرتباٌ بین ۵۰-۲۰۰ بار در هوای محدود در فشار اتمسفر با مدت زمان جرقه زنی ۳ ثانیه برای هر جرقه انجام می گیرد.سطوحی که برای ته نشین سازی استفاده می شوند از قبل در دمای ۳۸۰ درجه ی سلسیوس به مدت یک ساعت پخته شده بودند و بعد از آن در دمای بین ۴۰۰ تا ۸۰۰ درجه سلسیوس برای یک ساعت دیگر پخته شدند.

سرعت قرار گیری پوسته (Film)ها در این روش ۱nm به ازای هر جرقه است و در نتیجه از این طریق می توان قطر پوسته ها را کنترل کرد.

روش تبخیر حلال مستقیم محلول الکل شامل KOH و روی استات

کلوئید های نانو ذره ZnO بوسیله هیدرولیز کردن روی استات در محلول متانول تشکیل می شود. محلول بازی KOH به محلول روی استات و متانول اضافه می شود.محلولی تیره قبل از تولید کلوئیدهای ZnO تشکیل می شود.در این روش پودر روی استات به محلول KOH و متانول اضافه می شود و تا دمای ۶۰درجه سلسیوس گرم می شود.در هنگام شکل گیری نانو ذره های ZnO در محلول حلال بطور مداوم با استفاده از تبخیر کننده دوار از محلول حذف می شود.اندازه نانو ذره های تولید شده بدین روش ۴-۵ نانو متر است.

روش هیدروترمال

۱۳ گرم از در ۳۰۰ میلی لیتر آب مقطر حل می شود و سپس یک محلول حاوی ۸ گرم NaOH به آرامی به این محلول اضافه می شود در حالی که محلول هم زده می شود.بعد از سپری شدن ۸ ساعت یک رسوب سفید رنگ حاصل می شود.این رسوب با آب مقطر شسته می شود و دوباره در آب حل می شودتا بصورت محلول در آید که بعد از آن با ۵۰ میلی لیتر PVP (13 گرم PVP در آب) در حالی که بوطر مداوم هم زده می شود مخلوط می شود تا یک محلول همگن ایجاد شود. این محلول در مرحله بعد به یک  Auto Clave انتقال داده می شود و تا دمای ۱۶۰ °Cبرای ۸ ساعت گرما داده می شود.سپس پودر های ZnO بدست آمده و بعد از اینکه با آب مقطر شسته شدند در دمای ۱۰۰ °C خشک می شوند. اندازه نانو ذرات بدست آمده در این روش ۱۵ نانو متر است.

روش مخلوط کردن NaOH و ZnSO4

در این روش بلور های نانو ذرات و نانو میله های ZnO با استفاده از یک تکنیک ساده که عبارت است از مخلوط کردن ZnSO4 و NaOH بدون اضافه کردن هیچ گونه ماده افزودنی آلی تولید می شود.

شاخصهای اقتصادی

مطابق تحقیقات برای ایجاد یک واحد تولید صنعتی نانو اکسید روی حدود ۱۰ میلیارد تومان سرمایه گذاری نیاز می باشد. ظرفیت بهینه تولید ۵۰۰۰ تن در سال می باشد ولی ظرفیت ۳۰۰۰ تن و بالاتر نیز اقتصادی می باشد. درآمد سالانه طرح در ظرفیت بهینه حدود ۴٫۵ میلیارد تومان می باشد. نزخ بازدهی طرح ۳۷ درصد بوده و زمان بازگشت سرمایه کمتر از ۳ سال می باشد. با اجرای این طرح برای ۴۵ نفر نیز ایجاد اشتغال می کنید.

ارزیابی نهایی

تولید نانو اکسید روی یک سرمایه گذاری دانش بنیان است. مصارف فراوانی دارد و از بازدهی قابل قبولی دارد. در صورت اخذ تاییدیه دانش بنیان از معاونت علمی ریاست جمهوری می توانید از تسهیلات حمایتی صندوق نوآوری و شکوفایی نیز استفاده کنید.

همچنین این طرح در بسیاری از استانها به عنوان اولویت صنعتی شناخته شده و مورد حمایت می باشد.

با توجه به موارد گفته شده، تولید نانو اکسید روی یک سرمایه گذاری اقتصادی ارزیابی می شود.