Mechanizm wpływu proszku mikrokrzemionki na wytrzymałość betonu o wysokich parametrach

Efekt wypełnienia

Podczas przygotowywania mieszanek betonowych często potrzebna jest dodatkowa woda, aby osiągnąć pożądaną urabialność w budownictwie. Ta dodatkowa woda, przekraczająca ilość wymaganą do hydratacji cementu, rozcieńcza zaczyn cementowy i osłabia jego siłę wiązania. Co więcej, nadmiar wody tworzy w betonie puste przestrzenie lub kanały, które po odparowaniu podczas utwardzania pozostawiają pory. Zmniejsza to efektywną powierzchnię nośną betonu i może prowadzić do koncentracji naprężeń wokół porów pod obciążeniem. W betonie wewnętrzna woda wyciekająca gromadzi się pod cząstkami kruszywa, tworząc porowate strefy międzyfazowe. W strefie przejściowej na granicy faz tworzy się więcej Ca(OH)₂ niż w innych obszarach, przy czym większe kryształy wykazują silne ułożenie równoległe do powierzchni agregatu. Te duże kryształy Ca(OH)₂, równoległe do powierzchni agregatu, są podatne na pękanie i są słabsze niż żel hydratu krzemianu wapnia (CSH). Porowata i słabo związana międzyfazowa strefa przejściowa, charakteryzująca się zorientowanymi dużymi kryształami Ca(OH)₂, staje się obszarem osłabiającym wytrzymałość betonu.

W betonie wysokowartościowym (HPC) dodatek pyłu krzemionkowego znacznie zwiększa wytrzymałość w porównaniu do zwykłego betonu niezawierającego pyłu krzemionkowego. Naukowcy obliczyli, że zastąpienie 15% cementu pyłem krzemionkowym daje stosunek cząstek cementu do cząstek pyłu krzemionkowego wynoszący w przybliżeniu 1:2,000,000, co oznacza, że ​​dwa miliony cząstek pyłu krzemionkowego odpowiadają jednej cząstka cementu. Pokazuje to istotny wpływ pyłu krzemionkowego na wytrzymałość HPC. Pył krzemionkowy o średnicy 100 razy mniejszej niż cząsteczki cementu wypełnia puste przestrzenie w matrycy cementowej, podobnie jak cząstki cementu wypełniają szczeliny pomiędzy kruszywami, a drobne kruszywa wypełniają puste przestrzenie pomiędzy grubymi kruszywami. To zagęszczenie w mikroskali zwiększa zwartość HPC i zwiększa jego wytrzymałość, zjawisko znane jako „efekt wypełniania” pyłu krzemionkowego. W HPC pył krzemionkowy zmniejsza liczbę porów w zaczynie cementowym, zwiększa jednorodność i utrzymuje ogólną porowatość.

Pył krzemionki w strefie przejściowej cement-kruszywo zmniejsza krwawienie HPC, zapobiegając gromadzeniu się wody pod kruszywami. Dzięki temu w strefie przejściowej uzyskuje się mikrostrukturę zbliżoną do zaczynu cementowego w masie, zwiększając zwartość międzyfazowej strefy przejściowej i znacznie zmniejszając jej grubość. Drobne cząstki dymu krzemionki działają jako miejsca zarodkowania kryształów Ca(OH)₂, prowadząc do powstania mniejszych i bardziej losowo zorientowanych kryształów. Dodatek pyłu krzemionkowego poprawia siłę wiązania pomiędzy zaczynem cementowym a kruszywem w HPC, eliminując „słabe połączenia” pomiędzy różnymi kompozytowymi składnikami betonu. W rezultacie HPC wykazuje właściwości materiału kompozytowego, w którym cząstki kruszywa działają raczej jako wzmocnienie, a nie tylko obojętne wypełniacze. Chociaż pył krzemionkowy nie zwiększa znacząco wytrzymałości zaczynu cementowego bez kruszywa, znacznie zwiększa wytrzymałość betonu przy tym samym stosunku wody do cementu, przez co wytrzymałość betonu przewyższa wytrzymałość zaczynu.

Efekt pucolanowy

Podczas hydratacji cementu portlandzkiego w wyniku reakcji powstają produkty hydratacji, takie jak żel hydratu krzemianu wapnia (CSH), wodorotlenek wapnia (Ca(OH)₂) i ettringit. Wśród nich Ca(OH)₂ ma szkodliwy wpływ na wytrzymałość. Wysoko zdyspergowany składnik SiO₂ w pyłach krzemionkowych reaguje z Ca(OH)₂, tworząc dodatkowy żel CSH, zjawisko znane jako efekt pucolanowy:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H₂O → CSH

Liczne badania wykazały, że w obecności pyłu krzemionkowego we wczesnych produktach hydratacji cementu występują znaczne ilości Ca(OH)₂. Z biegiem czasu ilość Ca(OH)₂ maleje i ostatecznie staje się niewykrywalna. Grutzeck i inni wyjaśnili pucolanowe działanie pyłu krzemionkowego w następujący sposób: W kontakcie z wodą zarobową, pył krzemionkowy tworzy żel bogaty w krzemionkę, który pochłania wodę. Żel ten gromadzi się pomiędzy nieuwodnionymi cząsteczkami cementu, stopniowo je otaczając. Ca(OH)₂ reaguje z żelem bogatym w krzemionkę, tworząc żel CSH, który wypełnia puste przestrzenie w produktach hydratacji cementu, znacznie zwiększając gęstość strukturalną. Zasadniczo pucolanowe działanie pyłu krzemionkowego przekształca Ca(OH)₂, który niekorzystnie wpływa na wytrzymałość, w żel CSH, który wypełnia przestrzenie pomiędzy produktami hydratacji cementu i sprzyja wzrostowi wytrzymałości HPC. Ponadto reakcja pyłu krzemionkowego z Ca(OH)₂ powoduje zużycie Ca(OH)₂, przyspieszając hydratację cementu i zwiększając wczesną wytrzymałość HPC.

Efekt chemiczny roztworu porów

W układzie hydratacji pyłu cementowo-krzemionkowego zwiększenie stosunku pyłu krzemionkowego do cementu zmniejsza stosunek Ca/Si produktów hydratacji. Niższy stosunek Ca/Si umożliwia włączenie do żelu CSH większej liczby jonów, takich jak jony glinu i metali alkalicznych, co znacznie obniża stężenie jonów metali alkalicznych w roztworze porów. Zjawisko to znane jest jako efekt chemiczny roztworu porów. Zwiększanie współczynnika zastąpienia cementu pyłem krzemionkowym powoduje obniżenie pH roztworu porów na skutek zużycia jonów metali alkalicznych i Ca(OH)₂ w reakcjach z pyłem krzemionkowym. W przypadku kruszywa HPC zawierającego reaktywne zasady, to zmniejszenie stężenia jonów metali alkalicznych (K⁺, Na⁺) jest kluczowe, ponieważ łagodzi lub eliminuje ryzyko reakcji alkalia-krzemionka (ASR). Pył krzemionkowy zwiększa również rezystywność HPC i znacznie zmniejsza szybkość penetracji jonów chlorkowych (Cl⁻), zapobiegając korozji prętów zbrojeniowych oraz poprawiając wytrzymałość i trwałość HPC.