Mehanizam utjecaja mikrosilika praha na čvrstoću betona visokih svojstava

Učinak punjenja

Kod pripreme betonskih smjesa često je potrebna dodatna voda kako bi se postigla željena obradivost za gradnju. Ova dodatna voda, koja premašuje količinu potrebnu za hidrataciju cementa, razrjeđuje cementnu pastu i slabi njenu snagu vezivanja. Nadalje, višak vode stvara šupljine ili kanale unutar betona koji, nakon isparavanja tijekom stvrdnjavanja, ostavljaju pore. To smanjuje efektivnu nosivu površinu betona i može dovesti do koncentracije naprezanja oko pora pod opterećenjem. Unutar betona, voda unutarnjeg krvarenja nakuplja se ispod čestica agregata, tvoreći porozne međufazne zone. U prijelaznoj zoni sučelja stvara se više Ca(OH)₂ nego u drugim područjima, s većim kristalima koji pokazuju snažno poravnanje paralelno s površinom agregata. Ovi veliki kristali Ca(OH)₂ paralelni s površinom agregata skloni su pucanju i slabiji su od gela kalcij silikat hidrata (CSH). Porozna i slabo vezana međupovršinska prijelazna zona, koju karakteriziraju usmjereni veliki kristali Ca(OH)₂, postaje područje slabljenja čvrstoće unutar betona.

U betonu visokih performansi (HPC), dodatak silicijeve pare značajno povećava čvrstoću u usporedbi s običnim betonom bez silicijeve pare. Istraživači su izračunali da zamjena 15% cementa česticama silicijevog dioksida rezultira omjerom od približno 1:2,000,000 između čestica cementa i čestica silicijevog dioksida, što znači da dva milijuna čestica silicij dioksida odgovara jednoj čestica cementa. Ovo pokazuje značajan utjecaj silicij dioksida na snagu HPC-a. Silicij dioksid, s promjerom 100 puta manjim od čestica cementa, ispunjava praznine u cementnoj matrici, slično kao što čestice cementa ispunjavaju praznine između agregata, a fini agregati ispunjavaju praznine između grubih agregata. Ovo zgušnjavanje na mikro skali povećava kompaktnost HPC-a i pojačava njegovu čvrstoću, što je fenomen poznat kao "učinak punjenja" pare silicijevog dioksida. U HPC-u, silicijev dioksid smanjuje broj pora u cementnoj tijestu, povećava homogenost i održava ukupnu poroznost.

Pare silicijevog dioksida u prijelaznoj zoni između cementa i agregata smanjuju HPC krvarenje, sprječavajući nakupljanje vode ispod agregata. To rezultira mikrostrukturom u prijelaznoj zoni koja je slična masovnoj cementnoj tijestu, povećavajući kompaktnost međupovršne prijelazne zone i značajno smanjujući njezinu debljinu. Fine čestice silicijevog dioksida djeluju kao mjesta nukleacije za kristale Ca(OH)₂, što dovodi do manjih i nasumično orijentiranih kristala. Uključivanje silicij dioksida poboljšava snagu vezivanja između cementne paste i agregata u HPC, eliminirajući "slabe veze" između različitih kompozitnih komponenti betona. Kao rezultat toga, HPC pokazuje karakteristike kompozitnog materijala, s česticama agregata koji djeluju kao pojačanje, a ne kao inertna punila. Dok silicij dioksid ne povećava značajno čvrstoću cementne paste bez agregata, ona značajno povećava čvrstoću betona s istim omjerom vode i cementa, čineći čvrstoću betona većom od čvrstoće paste.

Pucolanski učinak

Tijekom hidratacije portland cementa, reakcija stvara proizvode hidratacije kao što su gel kalcij silikat hidrata (CSH), kalcijev hidroksid (Ca(OH)₂) i etringit. Među njima Ca(OH)₂ ima štetan učinak na čvrstoću. Visoko dispergirana SiO₂ komponenta u silicij dioksidu reagira s Ca(OH)₂ da bi se formirao dodatni CSH gel, fenomen poznat kao pucolanski učinak:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H2O → CSH

Brojne studije su pokazale da su u prisutnosti pare silicijevog dioksida značajne količine Ca(OH)₂ prisutne u ranim produktima hidratacije cementa. S vremenom se količina Ca(OH)₂ smanjuje i na kraju postaje nemjerljiva. Grutzeck i drugi objasnili su pucolanski učinak silicij dioksida na sljedeći način: nakon dodira s vodom za miješanje, silicij dioksid stvara gel bogat silicijevim dioksidom koji apsorbira vodu. Ovaj gel se nakuplja između nehidratiziranih čestica cementa, postupno ih obavijajući. Ca(OH)₂ reagira s gelom bogatim silicijevim dioksidom i proizvodi CSH gel, koji ispunjava praznine unutar proizvoda hidratacije cementa, značajno povećavajući strukturnu gustoću. U biti, pucolanski učinak pare silicijevog dioksida pretvara Ca(OH)₂, koji negativno utječe na čvrstoću, u CSH gel, koji ispunjava prostore između proizvoda hidratacije cementa i potiče rast HPC čvrstoće. Nadalje, reakcija između pare silicija i Ca(OH)₂ troši Ca(OH)₂, ubrzavajući hidrataciju cementa i povećavajući ranu čvrstoću HPC-a.

Kemijski učinak otopine za pore

U sustavu hidratacije cementno-silicijeve pare, povećanje omjera silicijeve pare i cementa smanjuje omjer Ca/Si proizvoda hidratacije. Niži Ca/Si omjer omogućuje CSH gelu da uključi više iona, kao što su ioni aluminija i alkalnih metala, što značajno smanjuje koncentraciju iona alkalnih metala u otopini pora. Taj je fenomen poznat kao kemijski učinak otopine pora. Povećanje omjera zamjene cementa sa silicij dioksidom smanjuje pH otopine pora zbog potrošnje iona alkalijskih metala i Ca(OH)₂ u reakcijama sa silicijevim dioksidom. Za HPC koji sadrži alkalne reaktivne agregate, ovo smanjenje koncentracije iona alkalijskog metala (K⁺, Na⁺) ključno je jer ublažava ili eliminira rizik od reakcije alkali-silika (ASR). Silicij dioksid također povećava otpornost HPC-a i značajno smanjuje stopu prodora kloridnih iona (Cl⁻), sprječavajući koroziju armaturnih šipki i poboljšavajući čvrstoću i izdržljivost HPC-a.