Mechanismus účinku prášku mikrosiliky na pevnost vysoce výkonného betonu

Plnicí efekt

Při přípravě betonových směsí je často potřeba další vody k dosažení požadované zpracovatelnosti pro stavbu. Tato voda navíc, přesahující množství potřebné pro hydrataci cementu, ředí cementovou pastu a oslabuje její pevnost spojení. Kromě toho přebytečná voda vytváří v betonu dutiny nebo kanály, které po odpaření během tuhnutí zanechávají póry. To snižuje efektivní nosnou plochu betonu a může vést ke koncentraci napětí kolem pórů při zatížení. V betonu se pod částicemi kameniva hromadí vnitřní krvácející voda a vytváří porézní mezifázové zóny. V přechodové zóně rozhraní se tvoří více Ca(OH)2 než v jiných oblastech, přičemž větší krystaly vykazují silné zarovnání paralelně s povrchem agregátu. Tyto velké krystaly Ca(OH)₂ rovnoběžné s povrchem kameniva jsou náchylné k praskání a jsou slabší než gel hydrátu křemičitanu vápenatého (CSH). Porézní a slabě vázaná mezifázová přechodová zóna, charakterizovaná orientovanými velkými krystaly Ca(OH)2, se v betonu stává oblastí zeslabující pevnost.

U vysoce výkonného betonu (HPC) přidání křemičitého úletu výrazně zvyšuje pevnost ve srovnání s běžným betonem bez křemičitého úletu. Výzkumníci vypočítali, že nahrazení 15 % cementu křemičitým úletem vede k poměru přibližně 1:2,000,000 mezi částicemi cementu a částicemi křemičitého úletu, což znamená, že dva miliony částic křemičitého úletu odpovídají jedné cementová částice. To demonstruje podstatný vliv křemičitého úletu na pevnost HPC. Křemičitý úlet, s průměrem 100krát menším než částice cementu, vyplňuje dutiny v cementové matrici, podobně jako částice cementu vyplňují mezery mezi kamenivem a jemné kamenivo vyplňuje dutiny mezi hrubým kamenivem. Toto zhuštění v mikroměřítku zvyšuje kompaktnost HPC a zvyšuje jeho pevnost, což je jev známý jako "plnicí efekt" křemičitého úletu. V HPC křemičitý úlet snižuje počet pórů v cementové pastě, zvyšuje homogenitu a udržuje celkovou pórovitost.

Křemičitý úlet v přechodové zóně mezi cementem a kamenivem snižuje krvácení HPC a zabraňuje hromadění vody pod kamenivem. To má za následek mikrostrukturu v přechodové zóně, která je podobná sypké cementové pastě, zvyšuje kompaktnost přechodové mezifázové zóny a výrazně snižuje její tloušťku. Jemné částice oxidu křemičitého působí jako nukleační místa pro krystaly Ca(OH)2, což vede k menším a více náhodně orientovaným krystalům. Zahrnutí křemičitého úletu zlepšuje pevnost spojení mezi cementovou pastou a kamenivem v HPC, čímž eliminuje „slabá spojení“ mezi různými kompozitními složkami betonu. Výsledkem je, že HPC vykazuje vlastnosti kompozitního materiálu, přičemž částice kameniva působí spíše jako výztuž než pouze jako inertní plniva. Zatímco křemičitý úlet nezvyšuje významně pevnost cementové pasty bez kameniva, značně zvyšuje pevnost betonu se stejným poměrem voda-cement, takže pevnost betonu převyšuje pevnost pasty.

Pucolánový efekt

Během hydratace portlandského cementu reakce vytváří hydratační produkty, jako je gel hydrátu křemičitanu vápenatého (CSH), hydroxid vápenatý (Ca(OH)₂) a ettringit. Mezi nimi má Ca(OH)₂ škodlivý účinek na pevnost. Vysoce dispergovaná složka SiO₂ v křemičitém úletu reaguje s Ca(OH)₂ za vzniku dalšího gelu CSH, což je fenomén známý jako pucolánový efekt:

Ca(OH)2 + SiO2 + H20 → CSH

Četné studie prokázaly, že v přítomnosti křemičitého úletu jsou významná množství Ca(OH)2 přítomna v raných hydratačních produktech cementu. V průběhu času se množství Ca(OH)₂ snižuje a nakonec se stane nedetekovatelným. Grutzeck a další vysvětlili pucolánový účinek křemičitého úletu následovně: Při kontaktu se záměsovou vodou tvoří křemičitý úlet gel bohatý na siliku, který absorbuje vodu. Tento gel se hromadí mezi nehydratovanými částicemi cementu a postupně je obaluje. Ca(OH)₂ reaguje s gelem bohatým na silikagel za vzniku CSH gelu, který vyplňuje dutiny v hydratačních produktech cementu a významně zvyšuje strukturní hustotu. V podstatě pucolánový účinek křemičitého úletu převádí Ca(OH)₂, který nepříznivě ovlivňuje pevnost, na gel CSH, který vyplňuje prostory mezi produkty hydratace cementu a podporuje růst pevnosti HPC. Kromě toho reakce mezi křemičitým úletem a Ca(OH)2 spotřebovává Ca(OH)2, čímž se urychluje hydratace cementu a zvyšuje se počáteční pevnost HPC.

Pore ​​Solution Chemický efekt

V systému hydratace výparů cementu a křemičitých zvýšení poměru výparů oxidu křemičitého k cementu snižuje poměr Ca/Si hydratačních produktů. Nižší poměr Ca/Si umožňuje CSH gelu zabudovat více iontů, jako jsou ionty hliníku a alkalických kovů, což výrazně snižuje koncentraci iontů alkalických kovů v roztoku pórů. Tento jev je známý jako chemický efekt v roztoku pórů. Zvýšení náhradového poměru cementu křemičitým úletem snižuje pH roztoku pórů v důsledku spotřeby iontů alkalických kovů a Ca(OH)₂ při reakcích s křemičitým úletem. Pro HPC obsahující alkalicky reaktivní agregáty je toto snížení koncentrace iontů alkalických kovů (K⁺, Na⁺) klíčové, protože zmírňuje nebo eliminuje riziko reakce alkalického oxidu křemičitého (ASR). Křemičitý dým také zvyšuje měrný odpor HPC a významně snižuje rychlost pronikání chloridových iontů (Cl⁻), čímž zabraňuje korozi výztuže a zlepšuje pevnost a trvanlivost HPC.