Mikro silicio miltelių poveikio mechanizmas didelio efektyvumo betono stiprumui

Užpildymo efektas

Ruošiant betono mišinius, norint pasiekti norimą statybų darbingumą, dažnai reikia papildomo vandens. Šis papildomas vanduo, viršijantis cemento hidratacijai reikalingą kiekį, atskiedžia cemento pastą ir susilpnina jos sukibimo stiprumą. Be to, dėl vandens pertekliaus betone susidaro tuštumos arba kanalai, kurie kietėjimo metu išgaruodami palieka poras. Tai sumažina efektyvų betono laikomąjį plotą ir gali sukelti įtempių koncentraciją aplink poras, veikiančias apkrovą. Betono viduje po užpildo dalelėmis kaupiasi vidinis kraujavimas, sudarydamas porėtas paviršių zonas. Sąsajos pereinamojoje zonoje susidaro daugiau Ca (OH)₂ nei kitose srityse, o didesni kristalai pasižymi stipriu lygiagrečiu agregato paviršiumi. Šie dideli Ca (OH)₂ kristalai, lygiagrečiai agregato paviršiui, yra linkę įtrūkti ir yra silpnesni nei kalcio silikato hidrato (CSH) gelis. Porėta ir silpnai surišta sąsajos pereinamoji zona, kuriai būdingi orientuoti dideli Ca(OH)₂ kristalai, tampa betono stiprumą silpninančia sritimi.

Didelio našumo betone (HPC) silicio dioksido dūmų pridėjimas žymiai padidina stiprumą, palyginti su įprastu betonu be silicio dioksido dūmų. Tyrėjai apskaičiavo, kad pakeitus 15 % cemento silicio dioksido dūmais, cemento dalelių ir silicio dioksido dūmų dalelių santykis yra maždaug 1:2,000,000, o tai reiškia, kad du milijonai silicio dioksido dūmų dalelių atitinka vieną. cemento dalelė. Tai rodo didelį silicio dioksido dūmų poveikį HPC stiprumui. Silicio dioksido dūmai, kurių skersmuo 100 kartų mažesnis už cemento daleles, užpildo tuštumas cemento matricoje, panašiai kaip cemento dalelės užpildo tarpus tarp užpildų, o smulkūs užpildai užpildo tuštumus tarp stambių užpildų. Šis mikromastelinis tankinimas padidina HPC kompaktiškumą ir padidina jo stiprumą, reiškinį, vadinamą silicio dioksido dūmų „užpildymo efektu“. HPC silicio dioksido dūmai sumažina porų skaičių cemento pastoje, padidina homogeniškumą ir palaiko bendrą poringumą.

Silicio dioksido dūmai cemento ir užpildo sąsajos pereinamojoje zonoje sumažina HPC kraujavimą, neleidžiant vandeniui kauptis po užpildais. Dėl to pereinamojoje zonoje susidaro mikrostruktūra, panaši į birų cemento pastą, padidinanti sąsajos pereinamosios zonos kompaktiškumą ir žymiai sumažinanti jos storį. Smulkios silicio dioksido dūmų dalelės veikia kaip Ca(OH)2 kristalų branduolių susidarymo vietos, todėl susidaro mažesni ir labiau atsitiktinai orientuoti kristalai. Silicio dioksido dūmų įtraukimas pagerina cemento pastos ir užpildo sukibimo stiprumą HPC, pašalinant „silpnus ryšius“ tarp skirtingų sudėtinių betono komponentų. Dėl to HPC pasižymi kompozicinės medžiagos savybėmis, o užpildų dalelės veikia kaip sustiprinimas, o ne tik inertiniai užpildai. Nors silicio dioksido dūmai reikšmingai nepadidina cemento pastos stiprumo be užpildų, jie žymiai padidina betono stiprumą esant tokiam pat vandens ir cemento santykiui, todėl betono stiprumas viršija pastos stiprumą.

Pozolano efektas

Hidratuojant portlandcementį, reakcijos metu susidaro hidratacijos produktai, tokie kaip kalcio silikato hidrato (CSH) gelis, kalcio hidroksidas (Ca(OH)₂) ir ettringitas. Tarp jų Ca(OH)₂ turi neigiamą poveikį stiprumui. Labai dispersinis SiO₂ komponentas silicio dioksido dūmuose reaguoja su Ca(OH)₂, kad susidarytų papildomas CSH gelis – reiškinys, žinomas kaip pucolaninis efektas:

Ca(OH)₂ + SiO2 + H2O → CSH

Daugybė tyrimų parodė, kad esant silicio dioksido dūmams, ankstyvuose cemento hidratacijos produktuose yra daug Ca(OH)₂. Laikui bėgant Ca(OH)₂ kiekis mažėja ir galiausiai tampa nebeaptinkamas. Grutzeckas ir kiti silicio garų pucolaninį poveikį paaiškino taip: Susilietę su maišymo vandeniu, silicio dioksido dūmai sudaro silicio dioksido turtingą gelį, kuris sugeria vandenį. Šis gelis kaupiasi tarp nehidratuotų cemento dalelių, palaipsniui jas apgaubdamas. Ca(OH)₂ reaguoja su silicio dioksido turinčiu geliu ir susidaro CSH gelis, kuris užpildo cemento hidratacijos produktų tuštumas ir žymiai padidina struktūrinį tankį. Iš esmės pucolaninis silicio dioksido dūmų poveikis paverčia Ca(OH)₂, kuris neigiamai veikia stiprumą, į CSH gelį, kuris užpildo tarpus tarp cemento hidratacijos produktų ir skatina HPC stiprumo augimą. Be to, reakcija tarp silicio dioksido dūmų ir Ca(OH)₂ sunaudoja Ca(OH)₂, pagreitina cemento hidrataciją ir padidina ankstyvą HPC stiprumą.

Porų tirpalo cheminis poveikis

Cemento ir silicio dioksido dūmų hidratacijos sistemoje padidinus silicio dioksido dūmų ir cemento santykį, sumažėja hidratacijos produktų Ca/Si santykis. Mažesnis Ca/Si santykis leidžia į CSH gelį įtraukti daugiau jonų, pavyzdžiui, aliuminio ir šarminių metalų jonų, o tai žymiai sumažina šarminių metalų jonų koncentraciją porų tirpale. Šis reiškinys žinomas kaip porų tirpalo cheminis poveikis. Padidinus cemento pakeitimo silicio dioksido dūmais santykį, sumažėja porų tirpalo pH, nes reakcijose su silicio dioksido dūmais sunaudojama šarminių metalų jonų ir Ca(OH)₂. HPC, kuriuose yra šarminių reaktyvių agregatų, šis šarminių metalų jonų koncentracijos (K⁺, Na⁺) sumažinimas yra labai svarbus, nes sumažina arba pašalina šarminės silicio dioksido reakcijos (ASR) riziką. Silicio dioksido dūmai taip pat padidina HPC varžą ir žymiai sumažina chlorido jonų (Cl⁻) prasiskverbimo greitį, užkertant kelią armatūros strypų korozijai ir pagerinant HPC stiprumą ir ilgaamžiškumą.