מנגנון השפעה של אבקת מיקרו סיליקה על חוזק של בטון בעל ביצועים גבוהים

אפקט מילוי

בעת הכנת תערובות בטון, לעתים קרובות יש צורך במים נוספים כדי להשיג את יכולת העבודה הרצויה לבנייה. המים הנוספים הללו, העולים על הכמות הנדרשת להידרציה של המלט, מדללים את משחת המלט ומחלישים את חוזק ההדבקה שלה. יתר על כן, עודפי המים יוצרים חללים או תעלות בתוך הבטון, שעם אידוי במהלך התקשות משאירים מאחוריהם נקבוביות. זה מקטין את שטח נשיאת העומס האפקטיבי של הבטון ועלול להוביל לריכוז מתח סביב הנקבוביות תחת עומס. בתוך הבטון, מים דימומים פנימיים מצטברים מתחת לחלקיקים המצטברים, ויוצרים אזורי פנים נקבוביים. באזור המעבר של הממשק, נוצר יותר Ca(OH)₂ מאשר באזורים אחרים, כאשר גבישים גדולים יותר מציגים יישור חזק במקביל למשטח המצטבר. גבישי Ca(OH)₂ גדולים אלה המקבילים למשטח המצטבר נוטים להיסדק והם חלשים יותר מג'ל סידן סיליקט הידרט (CSH). אזור המעבר המשטחי הנקבובי והחלש, המאופיין בגבישי Ca(OH)₂ הגדולים המכוונים, הופך לאזור היחלשות חוזק בתוך הבטון.

בבטון בעל ביצועים גבוהים (HPC), תוספת אדי סיליקה משפרת משמעותית את החוזק בהשוואה לבטון רגיל ללא אדי סיליקה. חוקרים חישבו שהחלפת 15% מהמלט באדי סיליקה מביאה ליחס של כ-1:2,000,000 בין חלקיקי מלט לחלקיקי אדי סיליקה, כלומר שני מיליון חלקיקי אדי סיליקה תואמים לאחד. חלקיק מלט. זה מדגים את ההשפעה המשמעותית של אדי הסיליקה על חוזק HPC. אדי סיליקה, בקוטר קטן פי 100 מחלקיקי מלט, ממלאים את החללים במטריצת המלט, בדומה לאופן שבו חלקיקי מלט ממלאים את הרווחים בין אגרגטים ואגרגטים עדינים ממלאים את החללים בין אגרגטים גסים. צפיפות מיקרו-סקאלה זו מגבירה את הקומפקטיות של HPC ומשפרת את חוזקו, תופעה המכונה "אפקט המילוי" של אדי הסיליקה. ב-HPC, אדי סיליקה מפחיתים את מספר הנקבוביות במשחת המלט, מגבירים את ההומוגניות ושומרים על הנקבוביות הכוללת.

אדי הסיליקה באזור המעבר בין פנים המצטבר של צמנט מפחיתים דימום HPC, ומונעים הצטברות מים מתחת לאגרגטים. כתוצאה מכך נוצר מבנה מיקרו באזור המעבר הדומה למשחת המלט בתפזורת, מגביר את הקומפקטיות של אזור המעבר המשטחי ומפחית באופן משמעותי את עוביו. חלקיקי אדי הסיליקה העדינים פועלים כאתרי גרעין עבור גבישי Ca(OH)₂, מה שמוביל לגבישים קטנים יותר ובאופן אקראי יותר. הכללת אדי סיליקה משפרת את חוזק ההתקשרות בין משחת המלט והאגרגט ב-HPC, ומבטלת את "החוליות החלשות" בין רכיבים מרוכבים שונים של בטון. כתוצאה מכך, HPC מציג את המאפיינים של חומר מרוכב, כאשר חלקיקים מצטברים פועלים כחיזוק ולא רק כחומרי מילוי אינרטיים. בעוד שאדי סיליקה אינם משפרים באופן משמעותי את חוזק משחת המלט ללא אגרגט, הוא מגדיל במידה ניכרת את חוזק הבטון עם אותו יחס מים-צמנט, מה שגורם לחוזק הבטון לעלות על זה של המשחה.

אפקט פוצולני

במהלך ההידרציה של צמנט פורטלנד, התגובה מייצרת מוצרי הידרציה כמו סידן סיליקט הידרט (CSH) ג'ל, סידן הידרוקסיד (Ca(OH)₂) ו-ettringite. בין אלה, ל-Ca(OH)₂ יש השפעה מזיקה על החוזק. רכיב ה-SiO₂ המפוזר מאוד באדי הסיליקה מגיב עם Ca(OH)₂ ליצירת ג'ל CSH נוסף, תופעה המכונה אפקט הפוצולני:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H₂O → CSH

מחקרים רבים הראו כי בנוכחות אדי סיליקה, כמויות משמעותיות של Ca(OH)₂ קיימות בתוצרי הידרציה המוקדמים של מלט. עם הזמן, כמות Ca(OH)₂ פוחתת ובסופו של דבר אינה ניתנת לזיהוי. Grutzeck ואחרים הסבירו את ההשפעה הפוצולנית של אדי הסיליקה באופן הבא: במגע עם ערבוב מים, אדי הסיליקה יוצרים ג'ל עשיר בסיליקה הסופג מים. ג'ל זה מצטבר בין חלקיקי צמנט לא מוחים, ועוטף אותם בהדרגה. Ca(OH)₂ מגיב עם הג'ל העשיר בסיליקה לייצור ג'ל CSH, הממלא את החללים בתוצרי ההידרציה של המלט, ומגדיל באופן משמעותי את הצפיפות המבנית. למעשה, ההשפעה הפוצולנית של אדי הסיליקה הופכת את Ca(OH)₂, המשפיעה לרעה על החוזק, לג'ל CSH, הממלא את החללים בין מוצרי הידרציה של המלט ומקדם צמיחת חוזק HPC. יתר על כן, התגובה בין אדי סיליקה ל-Ca(OH)₂ צורכת Ca(OH)₂, מאיצה הידרציה של צמנט ומשפרת את החוזק המוקדם של HPC.

אפקט כימי של פתרון נקבוביות

במערכת הידרציה של אדי צמנט-סיליקה, הגדלת יחס אדי הסיליקה לצמנט מפחיתה את יחס Ca/Si של מוצרי ההידרציה. יחס Ca/Si נמוך יותר מאפשר לג'ל CSH לשלב יותר יונים, כגון יוני אלומיניום ומתכת אלקלי, מה שמוריד משמעותית את ריכוז יוני המתכת האלקלית בתמיסת הנקבוביות. תופעה זו ידועה כאפקט הכימי של תמיסת הנקבוביות. הגדלת יחס ההחלפה של מלט עם אדי סיליקה מפחיתה את ה-pH של תמיסת הנקבוביות עקב צריכת יוני מתכת אלקלית ו-Ca(OH)₂ בתגובות עם אדי סיליקה. עבור HPC המכילים אגרגטים תגובתיים אלקליים, הפחתה זו בריכוז יוני מתכת אלקלי (K⁺, Na⁺) היא חיונית מכיוון שהיא מפחיתה או מבטלת את הסיכון לתגובת אלקלי-סיליקה (ASR). אדי הסיליקה גם מגבירים את ההתנגדות של HPC ומפחיתים באופן משמעותי את קצב חדירת יוני הכלוריד (Cl⁻), מונעים קורוזיה של הברזל ומשפרים את החוזק והעמידות של HPC.