Mekanisme kesan serbuk silika mikro pada kekuatan konkrit berprestasi tinggi

Kesan Pengisian

Apabila menyediakan campuran konkrit, air tambahan sering diperlukan untuk mencapai kebolehkerjaan yang diingini untuk pembinaan. Air tambahan ini, melebihi jumlah yang diperlukan untuk penghidratan simen, mencairkan pes simen dan melemahkan kekuatan ikatannya. Tambahan pula, air yang berlebihan mewujudkan lompang atau saluran dalam konkrit yang, apabila penyejatan semasa pengerasan, meninggalkan liang-liang. Ini mengurangkan kawasan galas beban yang berkesan bagi konkrit dan boleh menyebabkan kepekatan tegasan di sekitar liang di bawah beban. Di dalam konkrit, air pendarahan dalaman terkumpul di bawah zarah agregat, membentuk zon antara muka berliang. Dalam zon peralihan antara muka, lebih banyak Ca(OH)₂ terbentuk daripada di kawasan lain, dengan kristal yang lebih besar mempamerkan penjajaran kuat selari dengan permukaan agregat. Hablur Ca(OH)₂ besar yang selari dengan permukaan agregat ini mudah retak dan lebih lemah daripada gel kalsium silikat hidrat (CSH). Zon peralihan antara muka yang berliang dan terikat lemah, dicirikan oleh kristal Ca(OH)₂ besar yang berorientasikan, menjadi kawasan yang melemahkan kekuatan dalam konkrit.

Dalam konkrit berprestasi tinggi (HPC), penambahan wasap silika dengan ketara meningkatkan kekuatan berbanding dengan konkrit biasa tanpa wasap silika. Penyelidik telah mengira bahawa menggantikan 15% simen dengan wasap silika menghasilkan nisbah kira-kira 1:2,000,000 antara zarah simen dan zarah wasap silika, bermakna dua juta zarah wasap silika sepadan dengan satu zarah simen. Ini menunjukkan kesan besar asap silika terhadap kekuatan HPC. Asap silika, dengan diameter 100 kali lebih kecil daripada zarah simen, mengisi lompang dalam matriks simen, sama seperti bagaimana zarah simen mengisi ruang antara agregat dan agregat halus mengisi lompang antara agregat kasar. Pemepatan skala mikro ini meningkatkan kekompakan HPC dan meningkatkan kekuatannya, fenomena yang dikenali sebagai "kesan pengisian" wasap silika. Dalam HPC, wasap silika mengurangkan bilangan liang dalam pes simen, meningkatkan kehomogenan, dan mengekalkan keliangan keseluruhan.

Asap silika dalam zon peralihan antara muka simen-agregat mengurangkan pendarahan HPC, menghalang pengumpulan air di bawah agregat. Ini menghasilkan struktur mikro dalam zon peralihan yang serupa dengan pes simen pukal, meningkatkan kekompakan zon peralihan antara muka dan mengurangkan ketebalannya dengan ketara. Zarah wasap silika halus bertindak sebagai tapak nukleasi untuk kristal Ca(OH)₂, membawa kepada kristal yang lebih kecil dan lebih rawak. Kemasukan wasap silika meningkatkan kekuatan ikatan antara pes simen dan agregat dalam HPC, menghapuskan "pautan lemah" antara komponen komposit konkrit yang berbeza. Akibatnya, HPC mempamerkan ciri-ciri bahan komposit, dengan zarah agregat bertindak sebagai tetulang dan bukan sekadar pengisi lengai. Walaupun wasap silika tidak meningkatkan kekuatan pes simen tanpa agregat dengan ketara, ia meningkatkan kekuatan konkrit dengan nisbah air-simen yang sama, menjadikan kekuatan konkrit melebihi pes.

Kesan Pozzolanic

Semasa penghidratan simen Portland, tindak balas menghasilkan produk penghidratan seperti gel kalsium silikat hidrat (CSH), kalsium hidroksida (Ca(OH)₂), dan etringit. Antaranya, Ca(OH)₂ mempunyai kesan buruk terhadap kekuatan. Komponen SiO₂ yang sangat tersebar dalam wasap silika bertindak balas dengan Ca(OH)₂ untuk membentuk gel CSH tambahan, fenomena yang dikenali sebagai kesan pozzolanic:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H₂O → CSH

Banyak kajian telah menunjukkan bahawa dengan kehadiran wasap silika, sejumlah besar Ca(OH)₂ terdapat dalam produk penghidratan awal simen. Lama kelamaan, jumlah Ca(OH)₂ berkurangan dan akhirnya menjadi tidak dapat dikesan. Grutzeck dan lain-lain telah menerangkan kesan pozzolanik wasap silika seperti berikut: Apabila terkena air yang mencampurkan, wasap silika membentuk gel yang kaya dengan silika yang menyerap air. Gel ini terkumpul di antara zarah simen yang tidak terhidrat, secara beransur-ansur menyelubunginya. Ca(OH)₂ bertindak balas dengan gel yang kaya dengan silika untuk menghasilkan gel CSH, yang mengisi lompang dalam produk penghidratan simen, meningkatkan ketumpatan struktur dengan ketara. Pada dasarnya, kesan pozzolanic wasap silika menukarkan Ca(OH)₂, yang menjejaskan kekuatan secara buruk, kepada gel CSH, yang mengisi ruang antara produk penghidratan simen dan menggalakkan pertumbuhan kekuatan HPC. Tambahan pula, tindak balas antara wasap silika dan Ca(OH)₂ menggunakan Ca(OH)₂, mempercepatkan penghidratan simen dan meningkatkan kekuatan awal HPC.

Kesan Kimia Penyelesaian Liang

Dalam sistem penghidratan wasap simen-silika, meningkatkan nisbah wasap silika kepada simen mengurangkan nisbah Ca/Si produk penghidratan. Nisbah Ca/Si yang lebih rendah membolehkan gel CSH untuk menggabungkan lebih banyak ion, seperti ion logam aluminium dan alkali, yang secara ketara merendahkan kepekatan ion logam alkali dalam larutan liang. Fenomena ini dikenali sebagai kesan kimia larutan liang. Meningkatkan nisbah penggantian simen dengan wasap silika mengurangkan pH larutan liang akibat penggunaan ion logam alkali dan Ca(OH)₂ dalam tindak balas dengan wasap silika. Untuk HPC yang mengandungi agregat alkali-reaktif, pengurangan kepekatan ion logam alkali (K⁺, Na⁺) ini adalah penting kerana ia mengurangkan atau menghapuskan risiko tindak balas alkali-silika (ASR). Asap silika juga meningkatkan kerintangan HPC dan mengurangkan kadar penembusan ion klorida (Cl⁻) dengan ketara, menghalang kakisan rebar dan meningkatkan kekuatan dan ketahanan HPC.