ترکیب میکروسیلیس (Silica Fume) و خاکستر بادی (Fly Ash) به عنوان جایگزین بخشی از سیمان در بتن، یکی از راهکارهای پیشرفته در فناوری بتن است. این ترکیب باعث ایجاد اثر هم‌افزایی (Synergistic Effect) می‌شود که عملکرد بتن را در کوتاه‌مدت و بلندمدت بهبود می‌بخشد.
بتن فوق‌العاده با عملکرد بالا (UHPC) به دلیل تراکم زیاد و مقاومت بسیار بالا، نیازمند طراحی دقیق ترکیبات است. در این میان، میکروسیلیس و خاکستر بادی دو ماده کلیدی هستند که با ویژگی‌های منحصر به فرد خود، در کنار یکدیگر بهترین نتایج را ایجاد می‌کنند. در ادامه به بررسی دقیق این اثر ترکیبی می‌پردازیم.
میکروسیلیس دارای ذرات بسیار ریز در حد نانومتر و سطح ویژه‌ای در حدود ۲۰٬۰۰۰ متر مربع بر کیلوگرم است. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که میکروسیلیس در روزهای اولیه بتن‌ریزی به سرعت وارد واکنش‌های شیمیایی شود.
در فرآیند هیدراسیون سیمان، هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2)(Ca(OH)_2) به مقدار زیادی تولید می‌شود. حضور میکروسیلیس موجب می‌شود این هیدروکسید کلسیم مصرف شده و به ژل سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H) تبدیل شود. این ژل، مهم‌ترین عامل افزایش مقاومت و کاهش تخلخل بتن است.
معادله واکنش اصلی:
SiO2+Ca(OH)2+H2O→C−S−HSiO_2 + Ca(OH)_2 + H_2O \rightarrow C-S-H
میکروسیلیس علاوه بر واکنش شیمیایی، به دلیل اندازه بسیار کوچک خود، منافذ خالی بتن را پر می‌کند و تراکم ساختار بتن را در همان روزهای اولیه افزایش می‌دهد. به همین دلیل، بتن حاوی میکروسیلیس در ۷ روز اول مقاومت فشاری و خمشی بیشتری نسبت به بتن معمولی دارد.
خاکستر بادی برخلاف میکروسیلیس، دارای واکنش پوزولانی کندتر است. ترکیبات موجود در خاکستر بادی، به ویژه فازهای شیشه‌ای سیلیسی و آلومینایی، در روزهای ابتدایی بتن‌ریزی فعالیت چندانی ندارند.
از روز ۱۴ به بعد، این ترکیبات به تدریج وارد واکنش می‌شوند و با مصرف باقی‌مانده هیدروکسید کلسیم، فازهای پایدار و مقاومی مانند C-A-S-H (Calcium Aluminosilicate Hydrate) تولید می‌کنند. این فازها باعث بهبود دوام بتن، افزایش مقاومت نهایی و کاهش نفوذپذیری در بلندمدت می‌شوند.
همچنین ذرات کروی خاکستر بادی به صورت مکانیکی عمل کرده و روانی بتن تازه را افزایش می‌دهند. این ویژگی باعث کاهش نیاز به آب و تسهیل در بتن‌ریزی در مقاطع پیچیده می‌شود.
زمانی که این دو ماده به صورت همزمان استفاده شوند، نتایج بسیار بهتری نسبت به استفاده جداگانه از هر یک به دست می‌آید.
یک مطالعه علمی منتشر شده در سال ۲۰۲۵ در مجله Materials، به بررسی دقیق تأثیر این دو ماده بر خواص UHPC پرداخته است. این پژوهش یکی از جامع‌ترین تحقیقات در این زمینه محسوب می‌شود و نتایج آن می‌تواند راهنمایی مهم برای مهندسین باشد.
طراحی آزمایش
در این پژوهش، نمونه‌های مختلف UHPC با درصدهای متفاوتی از میکروسیلیس و خاکستر بادی ساخته شد. هدف از این کار، شناسایی بهترین ترکیب این دو ماده برای دستیابی به مقاومت و دوام حداکثری بود.
آزمایش‌های انجام‌شده:
نتایج این پژوهش به‌وضوح نشان داد که بهترین عملکرد بتن UHPC زمانی به دست می‌آید که ۱۳.۳ درصد میکروسیلیس و ۱۶.۷ درصد خاکستر بادی جایگزین بخشی از سیمان شوند. این ترکیب توانست به‌طور همزمان مقاومت، دوام و نفوذپذیری بتن را بهبود دهد.
در بخش مقاومت فشاری، مشخص شد که نمونه‌های دارای این ترکیب در سن ۲۸ روزه، ۲۰ درصد مقاومت بیشتری نسبت به نمونه کنترل (بدون افزودنی) دارند و این افزایش در سن ۹۰ روزه به ۳۵ درصد رسید. این موضوع نشان می‌دهد که حضور میکروسیلیس باعث افزایش مقاومت اولیه و خاکستر بادی باعث رشد تدریجی مقاومت در بلندمدت می‌شود.
در زمینه نفوذپذیری بتن، ضریب نفوذ آب در این نمونه‌ها بیش از ۴۰ درصد کاهش یافت که به معنای کاهش چشمگیر مسیرهای نفوذ آب به داخل بتن است. همچنین میزان نفوذ یون کلرید، که عامل اصلی خوردگی میلگردها و کاهش عمر سازه‌های بتنی است، تا ۶۰ درصد کاهش پیدا کرد.
از نظر دوام در محیط‌های خورنده، نمونه‌های بهینه پس از ۹۰ روز قرارگیری در محلول‌های سولفات و کلرید هیچ‌گونه ترک‌خوردگی جدی نشان ندادند. در مقابل، نمونه‌های بدون افزودنی دچار آسیب‌های جدی و گسترده شدند. این نتایج ثابت می‌کند که ترکیب بهینه میکروسیلیس و خاکستر بادی می‌تواند بتن‌هایی با دوام بسیار بالا برای پروژه‌های حساس مانند پل‌ها، سازه‌های دریایی و روسازی‌های راه تولید کند.
ویژگی | بتن معمولی | بتن با میکروسیلیس | بتن با خاکستر بادی | بتن ترکیبی |
مقاومت فشاری ۷ روزه (MPa) | 65 | 80 | 66 | 82 |
مقاومت فشاری ۲۸ روزه (MPa) | 90 | 110 | 105 | 125 |
مقاومت فشاری ۹۰ روزه (MPa) | 105 | 120 | 130 | 140 |
ضریب نفوذ کلرید (×10⁻¹² m²/s) | 12.0 | 7.5 | 8.2 | 4.6 |
جذب آب (%) | 5.2 | 3.8 | 3.9 | 2.9 |
تحلیل جدول:
نتایج جدول به‌خوبی نشان می‌دهد که میکروسیلیس به دلیل واکنش‌های سریع پوزولانی، در سنین اولیه بتن‌ریزی نقش پررنگی در افزایش سریع مقاومت دارد و باعث بهبود ساختار و تراکم بتن در روزهای ابتدایی می‌شود. در مقابل، خاکستر بادی با واکنش‌های تدریجی خود، در بلندمدت بیشترین تأثیر را بر افزایش مقاومت و دوام بتن ایفا می‌کند. هنگامی که این دو ماده به‌صورت همزمان به کار گرفته می‌شوند، بتن از مزایای هر دو بهره‌مند شده و یک تعادل مطلوب میان مقاومت زودرس و دوام طولانی‌مدت به وجود می‌آید؛ به این ترتیب بتن نهایی هم در کوتاه‌مدت عملکرد بالایی دارد و هم در برابر عوامل مخرب محیطی در طول زمان مقاوم باقی می‌ماند.
در هفته اول، میکروسیلیس به سرعت با Ca(OH)₂ واکنش داده و ساختار بتن را متراکم می‌سازد. این امر باعث افزایش مقاومت زودرس بتن می‌شود. چنین ویژگی برای پروژه‌هایی مانند پل‌ها و روسازی‌های جاده‌ای که نیاز به بهره‌برداری سریع دارند، اهمیت زیادی دارد.
از هفته دوم به بعد، واکنش‌های خاکستر بادی فعال‌تر می‌شوند. این واکنش‌ها با تشکیل فازهای پایدار C-A-S-H باعث بهبود دوام بتن و مقاومت در برابر حمله شیمیایی می‌شوند. به همین دلیل، بتن حاوی هر دو ماده، حتی پس از سال‌ها، ساختاری مقاوم و متراکم خواهد داشت.
با جایگزینی ۳۰ درصد از سیمان با میکروسیلیس و خاکستر بادی، مزایای چشمگیری در حوزه‌های زیست‌محیطی و اقتصادی حاصل می‌شود. در وهله اول، این جایگزینی باعث می‌شود که میزان انتشار گاز دی‌اکسیدکربن (CO₂) که در فرآیند تولید سیمان به‌وجود می‌آید، تا ۲۵ درصد کاهش یابد. این موضوع به‌طور مستقیم به کاهش اثرات منفی بر محیط‌زیست و مقابله با پدیده گرمایش جهانی کمک می‌کند.
از سوی دیگر، کاهش مصرف سیمان به معنای کاهش هزینه‌های تولید بتن است، چرا که بخش قابل توجهی از هزینه‌های ساخت بتن مربوط به تولید سیمان می‌باشد. علاوه بر این، استفاده از خاکستر بادی که در واقع یک پسماند صنعتی نیروگاه‌های حرارتی است، موجب کاهش انباشت این ضایعات در طبیعت و در نتیجه کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی می‌شود.
در مجموع، این رویکرد نه تنها کیفیت و دوام بتن را بهبود می‌بخشد، بلکه یک راهکار پایدار برای کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی و ارتقای بهره‌وری اقتصادی در صنعت ساخت‌وساز به شمار می‌رود.
نتایج پژوهش ۲۰۲۵ به‌طور واضح نشان می‌دهد که ترکیب ۱۳.۳٪ میکروسیلیس و ۱۶.۷٪ خاکستر بادی، بهترین عملکرد را از نظر مقاومت، دوام، و کاهش نفوذپذیری ارائه می‌دهد.
این ترکیب نه تنها باعث بهبود خواص فنی بتن می‌شود، بلکه با کاهش مصرف سیمان، به حفاظت از محیط‌زیست و صرفه‌جویی اقتصادی نیز کمک می‌کند.
استفاده از این رویکرد به ویژه در پروژه‌های حیاتی مانند پل‌ها، جاده‌ها، سازه‌های دریایی و ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله، بسیار توصیه می‌شود.
A Study on the Synergistic Effect of Silica Fume and Fly Ash Inclusion in High-Performance Concrete – Ranjan et al., 2024
Influence of Fly Ash on the Compressive Strength of Ultrahigh-Performance Concrete: A State-of-the-Art Review Towards Sustainability – Hawileh et al., 2025
The Influence of the Addition of Microsilica and Fly Ash on the Properties of Ultra-High-Performance Concretes – Szcześniak et al., 2024
Study on the Effects and Mechanisms of Fly Ash, Silica Fume, and Metakaolin on the Properties of Slag–Yellow River Sediment-Based Geopolymers – Zhang et al., 2025
