ژل میکروسیلیس؛ همه چیز درباره ژل میکروسیلیکا و کاربرد آن در بتن

ژل میکروسیلیس از جمله افزودنی‌های پرکاربردی است که در بتن، ملات و تمام محصولات پیش‌ساخته بتنی – از جمله: سنگ مصنوعی، موزاییک پلیمری، نیوجرسی، استوپر، کفپوش، دیوار پیش‌ساخته و… به کار می‌رود تا خواص مقاومتی و دوام آنها را افزایش دهد. در این مقاله از بلاگ رامکا درصدد هستیم شما را با مواد تشکیل‌دهنده ژل میکروسیلیس، کاربردها و مزایا و معایب آن آشنا کنیم و خلاصه‌ای از هر آنچه لازم است درباره این محصول بدانید، در اختیار شما قرار دهیم.

ژل میکروسیلیس چیست؟

ژل میکروسیلیس بهترین شکل استفاده از دوده سیلیسی است که در بتن‌های پرمقاومت، نفوذناپذیر و بادوام مورد استفاده قرار می‌گیرد. این افزودنی کاربردی در اختلاط با بتن، خلل و فرج بتن را می‌پوشاند و به عنوان جایگزین مناسب بسیاری از انواع افزودنی بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرمول این افزودنی، از ۷ جزء اصلی تشکیل شده که اجزا و توضیحات مربوط به هر یک در ذیل آمده است:

• میکروسیلیس (Microsilica)

مهم‌ترین‌ترین قسمت تشکیل‌دهنده ژل، حضور ۴۰ تا ۵۰ درصدی میکروسیلیس در این محصول است که با نام‌های دیگری چون سیلیکا فیوم (Silica fumes) و دوده سیلیسی نیز شناخته می‌شود. این ماده (دوده سیلیسی)، محصول جانبی کارخانه‌های فروآلیاژ یا همان گرد و غبار خارج شده از دودکش کارخانه‌های فروآلیاژ است که به نوعی ضایعات محسوب شده و به عنوان پوزولان، خواص بسیاری، اعم از افزایش مقاومت، افزایش دوام، آب‌بندی و… را در بتن ایجاد می‌کند.

• روان کننده و فوق روان کننده‌ بتن

حضور روان کننده‌ها و فوق روان کننده‌ها در ژل میکروسیلیس، به پخش بهتر دوده سیلیسی داخل بتن کمک نموده و موجب بهبود خواص بتن تازه و سخت شده، مثل: افزایش کارایی، افزایش مقاومت، کاهش آب به سیمان و… می‌شود.

• مواد پلیمری آب‌بند کننده بتن

مواد پلیمری آب‌بند کننده بتن، یکی دیگر از اجزای ژل میکروسیلیس است کهانواع مختلفی دارد و به خواص آب‌بندی دوده سیلیسی کمک می‌کند.

• الیاف

الیاف از دیگر افزودنی‌های ژل میکروسیلیس است که به طور دائمی در فرمولاسیون ژل مورد استفاده قرار نمی‌گیرد و حضور آن در ژل، زمانی الزامی می‌شود که حذف ترک‌های مویی در بتن اهمیت داشته باشد. در واقع الیاف پلی پروپیلن و فولادی که در ساختار ژل به کار می‌روند، رکن ثابت فرمولاسیون ژل نیستند. از این رو، زمانی که در ساخت این محصول حضور داشته باشند، به محصول مزبور، ژل الیافی گفته می‌شود.

• مواد آنتی باکتریال

مواد آنتی باکتریال از دیگر افزودنی‌های فرمولاسیون ژل میکروسیلیس است که جهت جلوگیری از فاسد شدن و گندیدن ژل به آن اضافه می‌شود و نوعی ماده نگهدارنده است.

• آب

آب نیز از جمله افزودنی‌های اصلی ساخت ژل است و همان‌طور که در ساخت بتن به عنوان رکن اصلی شناخته شده، در ساخت ژل نیز بسیار حائز اهمیت است.

• افزودنی‌های خاص

به طور معمول برای دستیابی به اهداف خاص، ممکن است افزودنی‌های دیگری نیز به فرمولاسیون این ماده اضافه شود که میزان افزودن آنها به ترکیب ژل، روش میکس آنها و همچنین میزان مصرف آنها، بستگی به فرمولاسیون شرکت تولید کننده دارد.

انواع ژل میکروسیلیس

این محصول در بازار فروش افزودنی‌های بتن انواع مختلفی دارد و شرکت‌های تولیدکننده، این محصول را بر اساس فرمولاسیون مختلف ژل، کیفیت متفاوتی که در تولید ژل وجود دارد و بازی‌های تجاری و کد گذاری‌هایی که صرفاً با هدف فروش بیشتر و متناسب با سلایق مشتری انجام می‌گیرد، طبقه‌بندی می‌کنند.

• ژل میکروسیلیس بر پایه لیگنو، نفتالین یا کربوکسیلات: روان کننده بتن استفاده شده در ژل، ممکن است از انواع مختلفی باشد، به همین دلیل ژل‌ها با نام‌های تجاری متفاوتی معرفی می‌شوند؛ برای مثال شرکت آبادگران به ژل‌های بر پایه نفتالین، عنوان سوپر ژل و به ژل‌های پایه کربوکسیلات، عنوان پاورژل را اطلاق نموده است، حال آنکه صنایع شیمی ساختمان رامکا، ژل‌ میکروسیلیس‌های تولیدی خود را با نماد GELIX معرفی می‌کند و انواع آن را با کدی عددی در ادامه نام محصول ذکر می‌نماید.
• ژل میکروسیلیس الیاف‌دار: همان‌طور که پیش از این گفته شد، ژل‌ الیاف‌دار از دیگر انواع این محصول است که در بازار صنایع شیمی خرید و فروش می‌شود.
• ژل میکروسیلیس بر اساس گیرش: ژل میکرو با توجه به افزودنی‌هایی که به آن اضافه می‌شود، می‌تواند در رده دیرگیر، زودگیر یا نرمال قرار گیرد.

نکته: مکمل بتن تفاوت زیادی با ژل میکروسیلیس ندارد!

کاربردهای ژل میکروسیلیس

این ماده کاربردهای متنوعی در انواع بتن دارد که از جمله آن می‌توان به کاربرد آن در بتن‌های ذیل اشاره نمود:

• بتن‌های آب‌بند (واتر پروف): ژل میکروسیلیس، ساختاری با سیمان تشکیل داده و باعث آب‌بندی می‌شود. از طرف دیگر با کاهش نسبت آب به سیمان (به دلیل حضور مواد روان‌کننده در ساختار ژل) و پر کنندگی حفرات میکروسکوپی بتن، مانع نفوذ آب شده و در فرایند تولید بتن آب‌بند کمک می‌کند.
• بتن‌های پرمقاومت: استفادهازپوزولان دوده سیلیسی در کنار سیمان، باعث تشکیلذرات C-H-S (سیلیکات کلسیم سخت) در بتن شده و مقاومت بالایی به آن می‌دهد. در کنار این ذرات، حضور فوق‌ روان کننده‌ بتن در فرمولاسیون این محصول، با کاهش نسبت آب به سیمان، مقاومت بتن را بالا می‌برد.
• شاتکریت: استفاده از این محصول در شاتکریت نیز بسیار مفید است؛ البته هنوز فرهنگ استفاده از آن جا نیفتاده است.
• بتن‌های بادوام: از آن‌جا که افزایش دوام با کاهش نفوذپذیری بتن رابطه مستقیم دارد، پس در صورتی که بتن با ژل میکروسیلیس آب‌بند شود، متقابلاً دوام آن نیز افزایش می‌یابد.
• بتن‌های خودتراکم و با کارایی بالا: در تولید بتن‌های SCC (خود متراکم) لازم است از مواد پودری استفاده شود و دوده سیلیسی به عنوان ماده پودری فعال می‌تواند به قوام و کارایی بتن خودتراکم کمک کند.
• بتن‌های مقاوم در برابر آتش
• بتن‌های مقاوم در برابر ضربه و بار دینامیکی
• بتن‌های مقاوم در برابر یون‌های شیمیایی مخرب (سولفات و کلر) و اسیدهای مخرب
• بتن‌های سد، مخازن آب، پل‌های بتنی، کانال‌های بتنی و تونل‌ها
• بتن‌های ضد سایش و فرسایش
• بتن‌های کفسازی
• بتن‌های آشیانه هواپیما و محل فرود هلیکوپتر
• بتن‌های تحت‌تأثیر سیکل ذوب و یخبندان

بیشتر بخوانید: کاربرد روان کننده بتن در ژل میکروسیلیس

مزایای استفاده از ژل میکروسیلیس در بتن

بکارگیری این محصول در بتن، مزایای زیادی دارد که از جمله آن می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• کاهش ترک خوردگی در بتن، بخصوص در دال‌های بتنی
• بهبود تمام آیتم‌های دوامی بتن
• ایجاد ظاهر بهتر بتن، در هنگام خارج شدن از قالب
• جلوگیری از آب انداختگی و جداشدگی بتن
• افزایش قوام هر چه بیشتر بتن
• تأخیر زمان گیرش بتن (مفید در فصل گرما)
• کاهش نسبت آب به سیمان و بهبود خواص مقاومتی بتن
• افزایش چسبندگی بتن (برای مثال حضور این افزودنی باعث می‌شود در شاتکریت، بتن به خوبی به دیوار مسلح بچسبد)

معایب استفاده از ژل در بتن

یکی از فلسفه‌های تولید ژل میکروسیلیس، از بین بردن مشکلات ناشی از بکارگیری پودر میکروسیلیس است؛ اما همین ژل در کنار مزایای فوق‌العاده‌اش، معایبی هم دارد که در ذیل به آن اشاره خواهیم کرد:

• ژل میکروسیلیس با افزایش زمان گیرش بتن در فصل سرد، باعث ایجاد مشکلاتی چون عدم توانایی باز کردن زودهنگام قالب می‌شود.
• میکروسیلیس به دلیل ریزدانه بودن، باعث کاهش رطوبت موضعی در بتن شده و این امر موجب ایجاد ترک‌های انقباضی موضعی در بتن می‌شود (این مشکل با عمل‌آوری صحیح رفع خواهد شد).
• میکروسیلیس باعث ضعف کارایی بتن می‌شود، حال آنکه حضور روان کننده در ژل میکروسیلیس، این مشکل را کاملاً رفع نموده است.

خواص و تأثیر ژل میکروسیلیس

خواص ژل میکروسیلیس در بتن، با توجه به مواد افزودنی مضافی که ممکن است در فرمولاسیون آن مورد استفاده قرار گیرد، بسیار زیاد است. ما در ذیل به گوشه‌ای از خواص بیشمار آن در بتن تازه، بتن سخت شده و سنگ مصنوعی اشاره می‌کنیم.

 خواص ژل میکروسیلیس در بتن تازه 

• کاهش احتمال بروز پدیده جداشدگی (Segregation) و آب انداختگی (Bleeding) در بتن: قوام پودر میکروسیلیس و کاهش نسبت آب به سیمان به دلیل حضور روان‌کننده در آن، مانع از جدا شدن آب از سنگدانه بتن می‌شود.
• افزایش کارایی (Workability) بتن
• کاهش دمای بتن: استفاده از پوزولان به جای بخشی از سیمان، باعث کم شدن عامل تولید حرارت (سیمان) شده و مانع از افزایش دمای بتن می‌شود.
• افزایش مدت زمان حفظ اسلامپ بتن
• کاهش ترک‌های حرارتی در بتن

خواص ژل میکروسیلیس در بتن سخت شده

• افزایش مقاومت فشاری، خمشی و کششی بتن
• افزایش مقاومت چسبندگی بتن
• افزایش مقاومت سایشی بتن
• افزایش مقاومت بتن در برابر ضربه و کنده‌کاری
• افزایش مقاومت بتن در برابر آتش‌سوزی و دمای بالا
• کاهش نفوذ پذیری بتن و در نتیجه، افزایش محافظت بتن از فولاد در برابر خوردگی
• افزایش مقاومت بتن در برابر حملات شیمیایی مخرب
• مسدود کردن کانال‏‌های مویرگی تعریق

بیشتر بخوانید: ۹ تأثیر میکروسیلیس چیست؟!

خواص و تأثیر ژل میکروسیلیس در سنگ مصنوعی

ژل میکروسیلیس در حوزه سنگ مصنوعی و موزاییک پلیمری نیز خواص بسیاری دارد که از جمله آن می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• حضور دوده سیلیسی در این افزودنی، باعث می‌شود فیلر ملات افزایش یابد، تخلخل‌های ریز ملات حذف شوند و در نتیجه، محصولات موزاییکی سطحی صاف داشته باشند.
• جبران‌کننده کیفیت کم سیمان
• جلوگیری از لب پر شدن موزاییک
• افزایش مقاومت خمشی و مقاومت در برابر ضربه
• کاهش نفوذپذیری موزاییک

نکته: لازم است ژل میکروسیلیس مورد استفاده در صنعت سنگ مصنوعی یا موزاییک پلیمری، بر پایه پلی کربوکسیلات ساخته شود تا بهترین عملکرد را داشته باشد.

مقدار و روش مصرف ژل در بتن

مقدار مصرف این ماده، نه تنها به بتن، بلکه به میزان دوده سیلیسی و روان‌کننده ژل تولیدی شرکت سازنده نیز بستگی دارد، اما قانون کلی در میزان مصرف ژل این است که ۳ تا ۱۵% وزن سیمان، پودر میکروسیلیس به بتن اضافه شود؛ برای مثال اگر از مجموعه رامکا ژل میکروسیلیس تهیه کردید، بهتر است ۶ تا ۳۰% از آن استفاده کنید، زیرا محصول این شرکت ۵۰% حاوی میکروسیلیس است. حال اگر بحث دوام برای شما مهم است، اضافه کردن ژل تا ۱۶% وزن سیمان کفایت می‌کند، ولی اگر به دنبال مقاومت و دوام هستید، لازم است ۳۰% وزن سیمان ژل به بتن اضافه کنید.

بیشتر بخوانید: مقدار و روش مصرف ژل میکروسیلیس در بتن

مکانیزم اثر ژل میکروسیلیس در بتن

از جمله مکانیزم‌های اثر این محصول در بتن می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• تحت‌تأثیر قرار گرفتن ریزساختار بتن
• کوچک سازی ساختار حفره‌ای خمیر سیمان
• عدم تغییر تخلخل کل با افزودن میکروسیلیس
• تقسیم شدن حفرات بزرگ به حفرات کوچک‌تر و در نتیجه، تغییر ریزساختار خمیر سیمان
• بهبود ناحیه انتقال (ITZ) بین خمیر سیمان و سنگدانه‌ها
• کاهش مقدار هیدروکسید کلسیم در ITZ و در نتیجه، کاهش تخلخل و نفوذپذیری بتن در ناحیه انتقال و افزایش پیوستگی خمیر و سنگدانه‌ها

میزان نفوذپذیری بتن نیز تحت‌تأثیر میکروسیلیس است؛ چنان که در یک پروژه پژوهشی، مخلوط بتن حاوی ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مربع سیمان پرتلند، ۲۰٪ میکروسیلیس و یک فوق روان کننده، نفوذپذیری تقریباً مشابه بتن معمولی حاوی ۲۵۰ کیلو گرم بر متر مربع سیمان پرتلند را نشان داده است.

در شکل زیر، اثر میکروسیلیس بر نفوذ آب به بتن به وضوح نمایش داده شده است و عمق نفوذ آب در بتن حاوی دوده سیلیسی حدود ۶ برابر کمتر از بتن معمولی است. شما می‌توانید نفوذپذیری آب در بتن‌های حاوی میکروسیلیس را در شکل زیر برای نمونه‌ مغزه‌های بتنی ببینید.

چرا از ژل میکروسیلیس استفاده می‌کنیم؟

از جمله دلایل اصلی استفاده از ژل به جای پورد میکروسیلیس، می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• کار کردن با پودر میکروسیلیس خطرناک و سرطان‌زا است. از آن‌جا که پودر از راه پوست، چشم، دهان و بینی وارد بدن می‌شود، ترجیح بر این است که دوده سیلیسی تبدیل به ژل یا دوغاب شود و بعد مورد استفاده قرار گیرد.
• اختلاط سخت دوده سیلیسی در بتن، از دیگر دلایلی است که باعث می‌شود پودر میکروسیلیس استفاده نشود؛ زیرا نه تنها زمان میکس را بالا می‌برد، بلکه ممکن است کلوخه کلوخه شود و در بتن باقی بماند.

بیشتر بخوانید: میکروسیلیس چیست؟

طرح اختلاط بتن حاوی ژل

طرح اختلاط بتن حاوی میکروسیلیس، رابطه عمیقی با نوع کارایی بتن دارد؛ برای مثال اینکه بدانید چه بتنی (آب‌بند، پر مقاومت یا خود تراکم) برای ساخت سازه خود نیاز دارید، می‌تواند به طرح اختلاط بتن شما کمک کند.

• طرح اختلاط بتن خودتراکم با ژل میکرو: اگر درصدد هستید بتن خودتراکم بسازیم، نه تنها باید از ژل بر پایه پلی کربوکسیلات استفاده کنید، بلکه باید طوری طرح را ببندید که مقدار مواد پودری مورد نیاز برای بتن خودتراکم را تأمین کنید (بتن خودتراکم باید با ماسه با مدول نرمی زیر ۳ ساخته شود و هر چه ماسه زبر‌تر باشد، باید مواد پودر بیشتری به بتن اضافه کنید).

نام مصالح	مقدار (کیلوگرم بر متر مکعب)	توضیحات
شن	۶۵۰	حداکثر اندازه سنگدانه ۱۲ میلی‌متر
ماسه	۱۱۵۰	مدول نرمی< 3
سیمان	۴۰۰	تیپ ۲
ژل میکروسیلیس	۴۰	با خلوص ۵۰% بر پایه کربوکسیلات
فوق روان کننده	۲	بر پایه کربوکسیلات اتر

• طرح اختلاط بتن آب‌بند با ژل میکروسیلیس: برای دستیابی به بتن آب‌بند مناسب با ژل میکروسیلیس، لازم است حداقل ۱۴% وزن سیمان از ژل استفاده کنید.

نام مصالح	مقدار (کیلوگرم بر متر مکعب)	توضیحات
شن	۷۰۰	حداکثر اندازه سنگدانه ۱۹ میلی‌متر
ماسه	۱۱۰۰	مدول نرمی< 3
سیمان	۳۷۰	تیپ ۲
ژل میکروسیلیس	۵۰	با خلوص ۵۰% بر پایه کربوکسیلات
الیاف پلی پروپیلن	۱	الیاف ۱۲ یا ۱۸ میلی‌متر

• طرح اختلاط بتن پرمقاومت با ژل میکروسیلیس: برای دستیابی به مقاومت‌های بالا در بتن، علاوه بر اینکه باید طرح اختلاط مناسب بتن پر مقاومت باشد، لازم است حداقل ۲۵% وزن سیمان از ژل استفاده کنید (این بتن، بتن آب‌بندی هم خواهد بود). 

نام مصالح	مقدار (کیلوگرم بر متر مکعب)	توضیحات
شن	۶۵۰	حداکثر اندازه سنگدانه ۱۲ میلی‌متر
ماسه	۱۱۵۰	مدول نرمی< 3
سیمان	۵۵۰	تیپ ۲
ژل میکروسیلیس	۱۴۰	با خلوص ۵۰% بر پایه کربوکسیلات
الیاف PVA	2

خرید و قیمت

این محصول بنا به دلایلی در بازار صنایع شیمی ساختمان، با قیمت‌های متفاوتی به فروش می‌رسد. از جمله این دلایل می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• افزودنی‌ها و موادی که در ژل میکروسیلیس استفاده می‌شود، دارای کیفیت‌های متفاوتی است؛ برای مثال دوده سیلیسی، خلوص و کیفیت‌های مختلفی دارد. علاوه بر آن، از آن‌جا که روان کننده‌های این محصول نیز بر پایه‌های مختلف لیگنو، نفتالین، پلی کربوکسیلات و با کیفیت‌های متفاوت تولید می‌شوند، در میزان قیمت این محصول مؤثرند.
• مقدار درصد متفاوت دوده سیلیسی، فوق روان کننده و دیگر مواد نیز می‌تواند در میزان قیمت ژل مؤثر باشد.
• مواد اضافی که به این محصول اضافه می‌شود، باعث می‌شود قیمت این ماده افزایش یابد؛ برای مثال قیمت ژل میکروسیلیس الیافی نسبت به سایر ژل‌ها بالاتر است.
• برند شرکت‌های تولیدی نیز در میزان قیمت این محصول مؤثر است.

مشخصات فنی ژل میکرو

با توجه به نکات مذکور باید گفت، بهترین ژل، ژلی است که حداقل حاوی۵۰% دوده سیلیسی باشد و با کیفیت مطلوب تولید شود. از بهترین مشخصات فنی ژل میکروسیلیس:

• حالت فیزیکی: دوغاب غلیظ یا همان ژل
• وزن مخصوص: ۰/۰۵±۱/۳۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب
• ترکیبات: آب + دوده سیلیسی + فوق روان کننده + اصلاح کننده‌های پلیمری + الیاف +…
• رنگ: خاکستری تیره
• نقطه انجماد: ۲- درجه سانتی‌گراد
• یون کلر: ندارد (کمتر از استاندارد ISIRI 2930)
• آلایندگی محیط زیست: ندارد
• ۱۰±۱:PH
• خلوص دوده سیلیسی استفاده شده: بیش از ۹۰%

استانداردها و نکات ایمنی کار با ژل

هر محصول استانداردهای خاص خود را دارد تا شرکت‌ها متناسب با استانداردهای ارائه شده محصولاتی با کیفیت تولید کنند؛ از جمله استانداردهای مرتبط با ژل میکروسیلیس، می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• ASTM C1240 – ۲۰ (Standard Specification for Silica Fume Used in Cementitious Mixtures)
• ISIRI 2930- Table 3,4
• ۲۳۴R-06: Guide for the Use of Silica Fume in Concrete (Reapproved 2012)
• BS EN 13263-1:2005+A1:2009 Silica fume for concrete Definitions, requirements and conformity criteria

در هنگام استفاده از این محصول، حتماً باید به نکات ذیل توجه نمایید، زیرا عدم بکارگیری این نکات خطرات زیادی را به همراه خواهد داشت. در واقع، با اینکه بیشتر خطرات این محصول با تبدیل شدن پودر میکروسیلیس به ژل از بین رفته‌ است، اما باید در هنگام استفاده از آن مراقبت‌های لازم را به کار گرفت:

• هنگام استفاده از این محصول، از دستکش استفاده کنید، زیرا این ماده از راه پوست جذب شده و سرطان‌زا است.
• مراقب باشید این ماده با چشم تماس پیدا نکند و در صورت تماس، به سرعت چشم را با آب شیرین فراوان بشویید.

در این مقاله، هر آنچه لازم است درباره ژل میکروسیلیس بدانید، در اختیار شما قرار دادیم تا ماده‌ای با کیفیت به بتن خود اضافه کنید و بتوانید مقاومت فشاری، خمشی، کششی و ضربه‌ای بتن را افزایش دهید.