Μηχανισμός επίδρασης σκόνης μικροπυριτίου στην αντοχή του σκυροδέματος υψηλής απόδοσης

Εφέ πλήρωσης

Κατά την προετοιμασία μιγμάτων σκυροδέματος, συχνά χρειάζεται επιπλέον νερό για να επιτευχθεί η επιθυμητή εργασιμότητα για την κατασκευή. Αυτό το επιπλέον νερό, που υπερβαίνει την ποσότητα που απαιτείται για την ενυδάτωση του τσιμέντου, αραιώνει την πάστα του τσιμέντου και εξασθενεί την ισχύ της συγκόλλησης. Επιπλέον, η περίσσεια νερού δημιουργεί κενά ή κανάλια μέσα στο σκυρόδεμα που, κατά την εξάτμιση κατά τη σκλήρυνση, αφήνουν πίσω τους πόρους. Αυτό μειώνει την αποτελεσματική φέρουσα περιοχή του σκυροδέματος και μπορεί να οδηγήσει σε συγκέντρωση τάσεων γύρω από τους πόρους υπό φορτίο. Μέσα στο σκυρόδεμα, το νερό εσωτερικής αιμορραγίας συσσωρεύεται κάτω από τα σωματίδια των αδρανών, σχηματίζοντας πορώδεις επιφανειακές ζώνες. Στη ζώνη μετάβασης διεπαφής, σχηματίζεται περισσότερο Ca(OH)2 από ό,τι σε άλλες περιοχές, με μεγαλύτερους κρυστάλλους να εμφανίζουν ισχυρή ευθυγράμμιση παράλληλη προς την επιφάνεια του αδρανούς. Αυτοί οι μεγάλοι κρύσταλλοι Ca(OH)2, παράλληλοι στην επιφάνεια του αδρανούς, είναι επιρρεπείς σε ρωγμές και είναι πιο αδύναμοι από το πήκτωμα ένυδρου πυριτικού ασβεστίου (CSH). Η πορώδης και ασθενώς συνδεδεμένη διεπιφανειακή ζώνη μετάβασης, που χαρακτηρίζεται από τους προσανατολισμένους μεγάλους κρυστάλλους Ca(OH)2, γίνεται μια περιοχή εξασθένησης της αντοχής μέσα στο σκυρόδεμα.

Στο σκυρόδεμα υψηλής απόδοσης (HPC), η προσθήκη καπνού πυριτίου ενισχύει σημαντικά την αντοχή σε σύγκριση με το συνηθισμένο σκυρόδεμα χωρίς καπνό πυριτίας. Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι η αντικατάσταση του 15% του τσιμέντου με τον καπνό πυριτίας έχει ως αποτέλεσμα μια αναλογία περίπου 1:2,000,000 μεταξύ σωματιδίων τσιμέντου και σωματιδίων καπνού πυριτίου, που σημαίνει ότι δύο εκατομμύρια σωματίδια καπνού πυριτίου αντιστοιχούν σε ένα σωματίδιο τσιμέντου. Αυτό καταδεικνύει την ουσιαστική επίδραση του καπνού πυριτίου στην αντοχή του HPC. Ο καπνός πυριτίας, με διάμετρο 100 φορές μικρότερη από τα σωματίδια τσιμέντου, γεμίζει τα κενά στη μήτρα του τσιμέντου, παρόμοια με τον τρόπο που τα σωματίδια τσιμέντου γεμίζουν τα κενά μεταξύ των αδρανών και τα λεπτά αδρανή γεμίζουν τα κενά μεταξύ των χονδροειδών αδρανών. Αυτή η πύκνωση σε μικροκλίμακα αυξάνει τη συμπαγή του HPC και ενισχύει την αντοχή του, ένα φαινόμενο γνωστό ως «φαινόμενο πλήρωσης» του καπνού πυριτίου. Στην HPC, ο καπνός πυριτίας μειώνει τον αριθμό των πόρων στην πάστα τσιμέντου, αυξάνει την ομοιογένεια και διατηρεί το συνολικό πορώδες.

Ο καπνός πυριτίας στη διεπιφανειακή ζώνη μετάβασης τσιμέντου-αδρανών μειώνει την αιμορραγία HPC, αποτρέποντας τη συσσώρευση νερού κάτω από τα αδρανή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια μικροδομή στη ζώνη μετάβασης που είναι παρόμοια με τη χύδην πάστα τσιμέντου, αυξάνοντας τη συμπαγή ζώνη της διεπιφανειακής μετάβασης και μειώνοντας σημαντικά το πάχος της. Τα λεπτά σωματίδια καπνού πυριτίου λειτουργούν ως θέσεις πυρήνων για τους κρυστάλλους Ca(OH)2, οδηγώντας σε μικρότερους και πιο τυχαία προσανατολισμένους κρυστάλλους. Η συμπερίληψη του καπνού πυριτίου βελτιώνει την αντοχή συγκόλλησης μεταξύ της πάστας τσιμέντου και των αδρανών στο HPC, εξαλείφοντας τους «αδύναμους δεσμούς» μεταξύ των διαφορετικών σύνθετων συστατικών του σκυροδέματος. Ως αποτέλεσμα, το HPC εμφανίζει τα χαρακτηριστικά ενός σύνθετου υλικού, με τα σωματίδια αδρανών να λειτουργούν ως ενίσχυση και όχι απλώς ως αδρανή πληρωτικά. Ενώ ο καπνός πυριτίας δεν ενισχύει σημαντικά την αντοχή της πάστας τσιμέντου χωρίς αδρανή, αυξάνει σημαντικά την αντοχή του σκυροδέματος με την ίδια αναλογία νερού-τσιμέντου, κάνοντας την αντοχή του σκυροδέματος να υπερβαίνει αυτή της πάστας.

Ποζολανική επίδραση

Κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου Portland, η αντίδραση δημιουργεί προϊόντα ενυδάτωσης όπως πήκτωμα ένυδρου πυριτικού ασβεστίου (CSH), υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca(OH)2) και ετρινγκίτη. Μεταξύ αυτών, το Ca(OH)2 έχει μια επιζήμια επίδραση στην αντοχή. Το εξαιρετικά διασπαρμένο συστατικό SiO2 στον καπνό πυριτίας αντιδρά με το Ca(OH)2 για να σχηματίσει επιπλέον γέλη CSH, ένα φαινόμενο γνωστό ως ποζολανικό αποτέλεσμα:

Ca(OH)2 + SiO2 + H2O → CSH

Πολυάριθμες μελέτες έχουν δείξει ότι παρουσία καπνού πυριτίου, σημαντικές ποσότητες Ca(OH)2 υπάρχουν στα προϊόντα πρώιμης ενυδάτωσης του τσιμέντου. Με την πάροδο του χρόνου, η ποσότητα του Ca(OH)2 μειώνεται και τελικά γίνεται μη ανιχνεύσιμη. Ο Grutzeck και άλλοι εξήγησαν την ποζολανική επίδραση του καπνού πυριτίου ως εξής: Κατά την επαφή με το νερό ανάμιξης, ο καπνός πυριτίας σχηματίζει μια πλούσια σε πυριτική γέλη που απορροφά το νερό. Αυτό το τζελ συσσωρεύεται ανάμεσα σε μη ενυδατωμένα σωματίδια τσιμέντου, τυλίγοντάς τα σταδιακά. Το Ca(OH)2 αντιδρά με το πλούσιο σε πυριτικό πήκτωμα για να παράγει γέλη CSH, το οποίο γεμίζει τα κενά μέσα στα προϊόντα ενυδάτωσης του τσιμέντου, αυξάνοντας σημαντικά τη δομική πυκνότητα. Ουσιαστικά, η ποζολανική επίδραση του καπνού πυριτίου μετατρέπει το Ca(OH)2, το οποίο επηρεάζει αρνητικά την αντοχή, σε γέλη CSH, το οποίο γεμίζει τα κενά μεταξύ των προϊόντων ενυδάτωσης τσιμέντου και προάγει την ανάπτυξη της αντοχής HPC. Επιπλέον, η αντίδραση μεταξύ του καπνού πυριτίου και του Ca(OH)2 καταναλώνει Ca(OH)2, επιταχύνοντας την ενυδάτωση του τσιμέντου και ενισχύοντας την πρώιμη αντοχή του HPC.

Χημική επίδραση διαλύματος πόρων

Στο σύστημα ενυδάτωσης καπνού τσιμέντου-πυριτίου, η αύξηση της αναλογίας καπνού πυριτίου προς τσιμέντο μειώνει την αναλογία Ca/Si των προϊόντων ενυδάτωσης. Ένας χαμηλότερος λόγος Ca/Si επιτρέπει στο πήκτωμα CSH να ενσωματώνει περισσότερα ιόντα, όπως ιόντα αλουμινίου και μετάλλου αλκαλίου, γεγονός που μειώνει σημαντικά τη συγκέντρωση ιόντων αλκαλιμετάλλου στο διάλυμα πόρων. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως το χημικό αποτέλεσμα του διαλύματος πόρων. Η αύξηση της αναλογίας αντικατάστασης του τσιμέντου με καπνό πυριτίας μειώνει το pH του διαλύματος πόρων λόγω της κατανάλωσης ιόντων αλκαλιμετάλλου και Ca(OH)2 σε αντιδράσεις με καπνό πυριτίας. Για αδρανή που αντιδρούν σε αλκάλια που περιέχουν HPC, αυτή η μείωση στη συγκέντρωση ιόντων αλκαλιμετάλλου (K+, Na+) είναι κρίσιμη καθώς μετριάζει ή εξαλείφει τον κίνδυνο αντίδρασης αλκαλίου-πυριτίου (ASR). Ο καπνός πυριτίου αυξάνει επίσης την ειδική αντίσταση του HPC και μειώνει σημαντικά τον ρυθμό διείσδυσης ιόντων χλωρίου (Cl-), αποτρέποντας τη διάβρωση του οπλισμού και βελτιώνοντας την αντοχή και την ανθεκτικότητα του HPC.