A mikro-szilícium-dioxid por hatásmechanizmusa a nagy teljesítményű beton szilárdságára

Kitöltő hatás

A betonkeverékek elkészítésekor gyakran további vízre van szükség az építkezés kívánt megmunkálhatóságának eléréséhez. Ez a többletvíz, amely meghaladja a cementhidratációhoz szükséges mennyiséget, hígítja a cementpasztát és gyengíti a kötési szilárdságát. Ezenkívül a felesleges víz üregeket vagy csatornákat hoz létre a betonban, amelyek a kikeményedés során elpárologva pórusokat hagynak maguk után. Ez csökkenti a beton effektív teherbíró területét, és terhelés alatt a pórusok körüli feszültségkoncentrációhoz vezethet. A betonon belül a belső vérző víz felhalmozódik az adalékszemcsék alatt, porózus határfelületi zónákat képezve. A határfelület átmeneti zónájában több Ca(OH)₂ képződik, mint más területeken, ahol a nagyobb kristályok erősen párhuzamosan helyezkednek el az aggregátum felületével. Ezek az aggregátum felületével párhuzamos nagyméretű Ca(OH)2 kristályok hajlamosak a repedésre, és gyengébbek, mint a kalcium-szilikát-hidrát (CSH) gél. A porózus és gyengén kötődő határfelületi átmeneti zóna, amelyet az orientált nagy Ca(OH)2 kristályok jellemeznek, szilárdságot gyengítő zónává válik a betonon belül.

A nagy teljesítményű betonban (HPC) a szilícium-dioxid füst hozzáadása jelentősen növeli a szilárdságot a hagyományos, szilícium-dioxid füst nélküli betonhoz képest. A kutatók számításai szerint a cement 15%-ának szilícium-dioxid gőzzel való helyettesítése körülbelül 1:2,000,000 arányt eredményez a cementrészecskék és a szilícium-dioxid füstrészecskék között, ami azt jelenti, hogy kétmillió szilícium-dioxid füstrészecske egy cementrészecske. Ez azt mutatja, hogy a szilícium-dioxid gőz jelentős hatással van a HPC szilárdságára. A cementszemcséknél 100-szor kisebb átmérőjű szilícium-dioxid füst kitölti a cementmátrix üregeit, hasonlóan ahhoz, ahogy a cementszemcsék kitöltik az adalékanyagok, a finom adalékok pedig a durva adalékok közötti üregeket. Ez a mikroléptékű tömörítés növeli a HPC tömörségét és növeli annak szilárdságát, ezt a jelenséget a szilícium-dioxid füst "töltő hatásának" nevezik. A HPC-ben a szilícium-dioxid füst csökkenti a pórusok számát a cementpépben, növeli a homogenitást és fenntartja az általános porozitást.

A cement-aggregátum határfelületi átmeneti zónájában lévő szilícium-dioxid füst csökkenti a HPC kivérzést, megakadályozva a víz felhalmozódását az adalékanyagok alatt. Ez az átmeneti zónában az ömlesztett cementpasztához hasonló mikrostruktúrát eredményez, ami növeli a határfelületi átmeneti zóna tömörségét és jelentősen csökkenti a vastagságát. A finom szilícium-dioxid füstrészecskék a Ca(OH)2 kristályok gócképző helyeiként működnek, ami kisebb és véletlenszerűen orientált kristályokhoz vezet. A szilícium-dioxid füst bevonása javítja a cementpaszta és az adalékanyag közötti kötési szilárdságot a HPC-ben, kiküszöbölve a "gyenge kapcsolatokat" a beton különböző kompozit komponensei között. Ennek eredményeként a HPC a kompozit anyagok jellemzőit mutatja, az adalékanyag-részecskék inkább megerősítő szerepet töltenek be, nem pedig pusztán inert töltőanyagok. Míg a szilícium-dioxid gőz adalékanyag nélkül nem növeli jelentősen a cementpaszta szilárdságát, az azonos víz-cement arány mellett jelentősen megnöveli a beton szilárdságát, így a beton szilárdsága meghaladja a paszta szilárdságát.

Pozzolanic hatás

A portlandcement hidratálása során a reakció során hidratációs termékek képződnek, például kalcium-szilikát-hidrát (CSH) gél, kalcium-hidroxid (Ca(OH)2) és ettringit. Ezek közül a Ca(OH)₂ káros hatással van a szilárdságra. A szilícium-dioxid füstjében lévő erősen diszpergált SiO₂ komponens reakcióba lép a Ca(OH)₂-vel, és további CSH gélt képez, ezt a jelenséget puccolán hatásként ismerik:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H2O → CSH

Számos tanulmány kimutatta, hogy szilícium-dioxid füst jelenlétében jelentős mennyiségű Ca(OH)₂ van jelen a cement korai hidratációs termékeiben. Idővel a Ca(OH)₂ mennyisége csökken, és végül kimutathatatlanná válik. Grutzeck és mások a szilícium-dioxid füst puccolán hatását a következőképpen magyarázták: Keverővízzel érintkezve a szilikagőz szilícium-dioxidban gazdag gélt képez, amely felszívja a vizet. Ez a gél felhalmozódik a hidratálatlan cementrészecskék között, fokozatosan beburkolva azokat. A Ca(OH)₂ reakcióba lép a szilícium-dioxidban gazdag géllel CSH gélt képezve, amely kitölti a cement hidratációs termékeiben lévő üregeket, jelentősen növelve a szerkezeti sűrűséget. Lényegében a szilícium-dioxid füst puccolán hatása a szilárdságot hátrányosan befolyásoló Ca(OH)₂-t CSH géllé alakítja, amely kitölti a cementhidratáló termékek közötti tereket, és elősegíti a HPC szilárdságának növekedését. Ezenkívül a szilícium-dioxid füst és a Ca(OH)₂ közötti reakció Ca(OH)2-t fogyaszt, ami felgyorsítja a cement hidratációját és fokozza a HPC korai szilárdságát.

Pórusoldat kémiai hatás

A cement-szilícium-dioxid füst-hidratációs rendszerben a szilícium-dioxid-füst-cement arány növelése csökkenti a hidratációs termékek Ca/Si arányát. Az alacsonyabb Ca/Si arány lehetővé teszi, hogy a CSH gél több iont, például alumínium- és alkálifémionokat építsen be, ami jelentősen csökkenti az alkálifémionok koncentrációját a pórusoldatban. Ezt a jelenséget pórusoldat kémiai hatásként ismerik. A cement szilícium-dioxid-gőzzel való helyettesítési arányának növelése csökkenti a pórusoldat pH-értékét, mivel a szilícium-dioxid füstjével való reakciók során alkálifém-ionok és Ca(OH)₂ fogy. Az alkáli-reaktív aggregátumokat tartalmazó HPC-k esetében az alkálifémion-koncentráció (K+, Na+) csökkentése döntő fontosságú, mivel csökkenti vagy kiküszöböli az alkáli-szilícium-dioxid reakció (ASR) kockázatát. A szilícium-dioxid füst növeli a HPC ellenállását és jelentősen csökkenti a kloridionok (Cl⁻) behatolási sebességét, megakadályozva a betonacél korrózióját és javítva a HPC szilárdságát és tartósságát.