ابعاد و نحوه کاربرد نانو ذرات سیلیسی بر عملکرد، خواص مکانیکی و دوام بتن

عملکرد موفق دوده سیلیسی در بهبود قابل توجه خواص مکانیکی و دوام بتن باعث شده تا استفاده از مواد نانوسیلیسی در محصولات پایه سیمانی مورد توجه جدی پژوهشگران چه در سطح جهان و چه در داخل کشور، قرار گیرد. خلوص نزدیک به 100 درصد مواد نانوسیلیسی در مقایسه با خلوص حدود 90 درصدی دوده سیلیسی و همچنین سطح ویژه بالاتر این مواد که محدوده‌ای از 50 تا نزدیک به 1000 مترمربع برگرم را در بر میگیرد در مقایسه با سطح ویژه 20 مترمربع برگرم دوده سیلیسی، سبب شده است تا عملکرد بسیار موثری از این ماده در ارتقاء خواص بتن مورد انتظار باشد. با این وجود نتایج گزارش شده متنوع و در مواردی متناقض بوده و از عملکرد بسیار موثر تا عملکرد‌های پایین تر از دوده سیلیسی را شامل میشود. شایان توجه است که بر خلاف دوده سیلیسی که محصول جانبی صنایع تولید فروسیلیسیم است، نانوسیلیس‌‌ها با روش‌‌های مختلف تولید و با خواص متفاوت قابل تولید هستند و به نظر میرسد بخشی از تفاوت‌‌های گزارش شده توسط پژوهشگران در خصوص عملکرد نانوسیلیس‌‌ها در بتن ناشی از تفاوت در سطح ویژه و نوع این مواد باشد. با توجه به‌اینکه اثر تغییرات در خواص نانوسیلیس‌‌ها در عملکرد آنها در مواد پایه سیمانی قبلا به صورت منسجم موردبررسی قرار نگرفته بود تحقیق حاضر با هدف مشخص کردن تاثیر تغییرات در سطح ویژه دو نوع عمده از نانوسیلیس‌‌ها شامل نانوسیلیس‌‌های پایروژنیک و سل‌‌های نانوسیلیس روی عملکرد آنها در محصولات پایه سیمانی در مقایسه آنها با دوده سیلیسی انجام پذیرفت. نانوسیلیس‌‌های مورد مطالعه شامل نانوسیلیس‌‌های پایروژنیک Aerosil 90، Aerosil 200 و Aerosil 300 با سطوح ویژه 90، 200 و 300 مترمربع برگرم و سل‌‌های نانوسیلیس شامل Levasil100/45، Levasil200/30 و Levasil300/30 با سطوح ویژه 100، 200 و 300 مترمربع بر گرم بود‌ه‌اند. مطالعات میکروسکوپی و بررسی‌‌های توزیع ابعادی نشانگر آن هستند که نانوسیلیس‌‌های پایروژنیک در حالت کلوخه‌ای بوده و پخش موثر آنها در محیط‌‌های آبی با دشواری‌‌های بسیار همراه است. با این وجود سل‌‌های نانوسیلیس دارای پخش مناسب به صورت ذرات مجزا و غیر کلوخه در محیط آبی هستند. نکته قابل توجه آنکه پس از ورود نانوسیلیس‌‌ها در مخلوط‌‌های پایه سیمانی، کلوخه شدگی قابل توجه‌این مواد توسط یون‌‌های موجود در آب منفذی سیمان رخ میدهد، در نتیجه فرضیات بر مبنای بهبود ریزساختار مواد پایه سیمانی در استفاده از این مواد با چالش‌‌های جدی رو به‌‌رو است. نتایج آزمایش‌‌های ترموگراویمتری روی خمیره‌‌های آهکی و سیمانی نشانگر سرعت واکنش پوزولانی بسیار سریع تر نانوسیلیس‌‌ها در مقایسه با دوده سیلیسی است که با افزایش سطح ویژه سرعت واکنش آنها بیشتر میشود. ضمنا سرعت واکنش پوزولانی نانوسیلیس‌‌های پایروژنیک قدری بالاتر از سل‌‌های نانوسیلیس مشاهده گردید. همچنین نتایج نشانگر این هستند که نانوسیلیس‌‌ها اثر تسریع کنندگی بر هیدراسیون سیمان در سنین اولیه دارند اما با گذشت زمان سبب کاهش درجه هیدراسیون سیمان در مقایسه با نمونه‌‌های کنترل میگردند. برای سنجش تاثیر نانوسیلیس‌‌ها بر دوام و مقاومت مواد پایه سیمانی، آزمایش‌‌های مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، نفوذ یون کلرید (RCPT)، انتشار یون کلرید (RCMT)، مقاومت الکتریکی و جذب آب انجام پذیرفت. بر اساس نتایج حاصله هرچند نانوسیلیس‌‌های ریزتر دارای نرخ واکنش پوزولانی بیشتر در سنین اولیه نسبت به انواع درشت تر هستند، با این وجود نانوسیلیس‌‌های درشت تر دارای عملکرد بهتر در بهبود شاخصه‌‌های دوام همچون محدود کردن نفوذ یون کلر هستند. جالب است که دوده سیلیسی که به مراتب سرعت واکنش پوزولانی کندتری نسبت به نانوسیلیس‌‌ها دارد در سن 28 روز بهتر از نانوسیلیس‌‌های ریز عمل می‌کند و رفتار مشابهی با نانوسیلیس‌‌های درشت داشته و در سن 90 روز حتی از نانوسیلیس‌‌های درشت نیز پیشی گرفته است، همچنین مشاهده گردید که نانوسیلیس‌‌ها اثر تسریع کنندگی بر روند کسب مقاومت مخلوط‌‌های سیمانی دارند، هرچند در سن 28 روز از مقدار ارتقاء اولیه در مقاومت بصورت قابل توجه کاسته می‌شود. در سن 90 روز عملکرد اغلب نانوسیلیس‌‌ها ضعیف تر از دوده سیلیسی است. در نتیجه به نظر میرسد که تنها مزیت نانوسیلیس‌‌ها نسبت به دوده سیلیسی عملکرد سریع تر آنها در ارتقاء خواص بتن در سنین اولیه باشد.