Mecanismul efectului pulberii de microsilice asupra rezistenței betonului de înaltă performanță

Efect de umplere

La prepararea amestecurilor de beton, este adesea necesară apă suplimentară pentru a obține lucrabilitatea dorită pentru construcție. Această apă suplimentară, depășind cantitatea necesară pentru hidratarea cimentului, diluează pasta de ciment și îi slăbește puterea de aderență. În plus, excesul de apă creează goluri sau canale în beton care, la evaporare în timpul întăririi, lasă în urmă pori. Acest lucru reduce suprafața efectivă portantă a betonului și poate duce la concentrarea tensiunilor în jurul porilor sub sarcină. În beton, apa de scurgere internă se acumulează sub particulele de agregat, formând zone poroase de interfață. În zona de tranziție a interfeței, se formează mai mult Ca(OH)₂ decât în ​​alte zone, cristalele mai mari prezentând o aliniere puternică paralelă cu suprafața agregatului. Aceste cristale mari de Ca(OH)₂ paralele cu suprafața agregatului sunt predispuse la crăpare și sunt mai slabe decât gelul de silicat de calciu hidrat (CSH). Zona de tranziție interfacială poroasă și slab legată, caracterizată prin cristalele mari de Ca(OH)₂ orientate, devine o regiune de slăbire a rezistenței în interiorul betonului.

În betonul de înaltă performanță (HPC), adăugarea de fum de silice sporește semnificativ rezistența în comparație cu betonul obișnuit fără fum de silice. Cercetătorii au calculat că înlocuirea a 15% din ciment cu fum de siliciu are ca rezultat un raport de aproximativ 1:2,000,{000 între particulele de ciment și particulele de fum de silice, ceea ce înseamnă că două milioane de particule de fum de silice corespund unei singure. particule de ciment. Acest lucru demonstrează impactul substanțial al fumului de silice asupra rezistenței HPC. Fumul de silice, cu un diametru de 100 de ori mai mic decât particulele de ciment, umple golurile din matricea de ciment, în mod similar cu cum particulele de ciment umplu golurile dintre agregate și agregatele fine umplu golurile dintre agregatele grosiere. Această densificare la scară micro crește compactitatea HPC și îi sporește rezistența, fenomen cunoscut sub numele de „efectul de umplere” al fumului de silice. În HPC, fumul de silice reduce numărul de pori din pasta de ciment, crește omogenitatea și menține porozitatea generală.

Fumul de silice din zona de tranziție interfacială ciment-agregat reduce sângerarea HPC, prevenind acumularea de apă sub agregate. Acest lucru are ca rezultat o microstructură în zona de tranziție care este similară cu pasta de ciment în vrac, crescând compactitatea zonei de tranziție interfacială și reducând semnificativ grosimea acesteia. Particulele fine de fum de silice acționează ca locuri de nucleare pentru cristalele de Ca(OH)₂, conducând la cristale mai mici și mai orientate aleatoriu. Includerea fumului de silice îmbunătățește rezistența de aderență între pasta de ciment și agregat în HPC, eliminând „legăturile slabe” dintre diferitele componente compozite ale betonului. Ca rezultat, HPC prezintă caracteristicile unui material compozit, particulele de agregat acționând mai degrabă ca armare decât ca materiale de umplutură inerte. În timp ce fumul de silice nu mărește în mod semnificativ rezistența pastei de ciment fără agregat, crește considerabil rezistența betonului cu același raport apă-ciment, făcând rezistența betonului să o depășească pe cea a pastei.

Efectul puzolanic

În timpul hidratării cimentului Portland, reacția generează produse de hidratare, cum ar fi gel de silicat de calciu hidrat (CSH), hidroxid de calciu (Ca(OH)₂) și etringit. Dintre acestea, Ca(OH)₂ are un efect negativ asupra rezistenței. Componenta SiO₂ foarte dispersată din fumul de silice reacţionează cu Ca(OH)2 pentru a forma gel CSH suplimentar, fenomen cunoscut sub numele de efect puzolanic:

Ca(OH)2 + SiO2 + H2O → CSH

Numeroase studii au arătat că în prezența fumului de silice, cantități semnificative de Ca(OH)₂ sunt prezente în produsele de hidratare timpurie a cimentului. În timp, cantitatea de Ca(OH)₂ scade și în cele din urmă devine nedetectabilă. Grutzeck și alții au explicat efectul puzolanic al fumului de silice după cum urmează: La contactul cu apa de amestecare, fumul de silice formează un gel bogat în silice care absoarbe apa. Acest gel se acumulează între particulele de ciment nehidratate, învăluindu-le treptat. Ca(OH)₂ reacționează cu gelul bogat în silice pentru a produce gel CSH, care umple golurile din produsele de hidratare a cimentului, crescând semnificativ densitatea structurală. În esență, efectul puzzolanic al fumului de silice transformă Ca(OH)₂, care afectează negativ rezistența, în gel CSH, care umple spațiile dintre produsele de hidratare a cimentului și promovează creșterea rezistenței HPC. În plus, reacția dintre fumul de silice și Ca(OH)₂ consumă Ca(OH)2, accelerând hidratarea cimentului și sporind rezistența timpurie a HPC.

Efectul chimic al soluției de pori

În sistemul de hidratare a fumului de ciment-silice, creșterea raportului fum de silice-ciment reduce raportul Ca/Si al produselor de hidratare. Un raport Ca/Si mai mic permite gelului CSH să încorporeze mai mulți ioni, cum ar fi ioni de aluminiu și metale alcaline, ceea ce scade semnificativ concentrația de ioni de metale alcaline în soluția de pori. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efect chimic al soluției de pori. Creșterea raportului de înlocuire a cimentului cu fum de silice reduce pH-ul soluției de pori din cauza consumului de ioni de metale alcaline și Ca(OH)₂ în reacțiile cu fumul de silice. Pentru HPC care conțin agregate alcali-reactive, această reducere a concentrației de ioni de metal alcalin (K⁺, Na⁺) este crucială, deoarece atenuează sau elimină riscul reacției alcaline-silice (ASR). De asemenea, fumul de silice crește rezistivitatea HPC și reduce semnificativ rata de penetrare a ionilor de clorură (Cl⁻), prevenind coroziunea barelor de armare și îmbunătățind rezistența și durabilitatea HPC.