مکانیسم اثر میکرو پودر سیلیس بر مقاومت بتن با کارایی بالا

اثر پر کردن

هنگام تهیه مخلوط بتن، اغلب به آب اضافی برای دستیابی به کارایی مطلوب برای ساخت و ساز نیاز است. این آب اضافی، بیش از مقدار مورد نیاز برای هیدراتاسیون سیمان، خمیر سیمان را رقیق می کند و استحکام پیوند آن را ضعیف می کند. علاوه بر این، آب اضافی حفره‌ها یا کانال‌هایی را در بتن ایجاد می‌کند که پس از تبخیر در طول سخت شدن، منافذ را پشت سر می‌گذارند. این امر باعث کاهش سطح باربر موثر بتن می شود و می تواند منجر به تمرکز تنش در اطراف منافذ تحت بار شود. در داخل بتن، آب خونریزی داخلی در زیر ذرات سنگدانه تجمع می یابد و مناطق متخلخل سطحی را تشکیل می دهد. در منطقه انتقال رابط، Ca(OH)2 بیشتری نسبت به سایر مناطق تشکیل می‌شود، با کریستال‌های بزرگ‌تر که هم ترازی قوی‌تری به موازات سطح سنگ‌دانه نشان می‌دهند. این بلورهای بزرگ Ca(OH)2 به موازات سطح سنگدانه ها مستعد ترک خوردن هستند و نسبت به ژل هیدرات سیلیکات کلسیم (CSH) ضعیف تر هستند. ناحیه انتقال سطحی متخلخل و با پیوند ضعیف، که با کریستال‌های بزرگ Ca(OH)2 مشخص می‌شود، به یک منطقه ضعیف‌کننده مقاومت در بتن تبدیل می‌شود.

در بتن با کارایی بالا (HPC)، افزودن دوده سیلیس به طور قابل توجهی مقاومت را در مقایسه با بتن معمولی بدون دود سیلیس افزایش می دهد. محققان محاسبه کرده‌اند که جایگزینی 15 درصد سیمان با دوده سیلیس منجر به نسبت تقریباً 1:2،000،000 بین ذرات سیمان و ذرات دوده سیلیس می‌شود، به این معنی که دو میلیون ذره دوده سیلیس معادل یک ذرات است. ذره سیمان این نشان دهنده تأثیر قابل توجه دوده سیلیس بر استحکام HPC است. دوده سیلیس، با قطر 100 برابر کوچکتر از ذرات سیمان، حفره های ماتریس سیمان را پر می کند، به طور مشابه چگونه ذرات سیمان شکاف بین سنگدانه ها را پر می کند و سنگدانه های ریز فضاهای خالی بین سنگدانه های درشت را پر می کنند. این متراکم شدن در مقیاس میکرو، فشردگی HPC را افزایش می دهد و استحکام آن را افزایش می دهد، پدیده ای که به عنوان "اثر پرکننده" دوده سیلیس شناخته می شود. در HPC، دوده سیلیس تعداد منافذ خمیر سیمان را کاهش می دهد، همگنی را افزایش می دهد و تخلخل کلی را حفظ می کند.

دود سیلیس در ناحیه انتقال سطحی سنگدانه سیمان، خونریزی HPC را کاهش می دهد و از تجمع آب در زیر سنگدانه ها جلوگیری می کند. این منجر به ایجاد یک ریزساختار در ناحیه انتقال می شود که شبیه به خمیر سیمان حجیم است و فشردگی ناحیه انتقال سطحی را افزایش می دهد و ضخامت آن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. ذرات ریز دوده سیلیس به عنوان محل هسته‌زایی برای کریستال‌های Ca(OH)2 عمل می‌کنند که منجر به کریستال‌های کوچک‌تر و با جهت‌گیری تصادفی‌تر می‌شود. گنجاندن دوده سیلیس استحکام پیوند بین خمیر سیمان و سنگدانه در HPC را بهبود می بخشد و "پیوندهای ضعیف" بین اجزای مختلف کامپوزیت بتن را از بین می برد. در نتیجه، HPC ویژگی‌های یک ماده کامپوزیت را نشان می‌دهد، با ذرات سنگدانه به‌جای پرکننده‌های بی‌اثر، به‌عنوان تقویت‌کننده عمل می‌کنند. در حالی که دوده سیلیس استحکام خمیر سیمان را بدون سنگدانه به میزان قابل توجهی افزایش نمی دهد، مقاومت بتن را با همان نسبت آب به سیمان به میزان قابل توجهی افزایش می دهد و باعث می شود که مقاومت بتن از خمیر بیشتر شود.

اثر پوزولانی

در طول هیدراتاسیون سیمان پرتلند، واکنش محصولات هیدراتاسیونی مانند ژل هیدرات سیلیکات کلسیم (CSH)، هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2) و اترینگیت تولید می کند. در این میان، Ca(OH)2 اثر مضری بر استحکام دارد. جزء SiO2 بسیار پراکنده در دود سیلیس با Ca(OH)2 واکنش می دهد تا ژل CSH اضافی را تشکیل دهد، پدیده ای که به عنوان اثر پوزولانی شناخته می شود:

Ca(OH)2 + SiO2 + H2O → CSH

مطالعات متعدد نشان داده است که در حضور دوده سیلیس، مقادیر قابل توجهی Ca(OH)2 در محصولات هیدراتاسیون اولیه سیمان وجود دارد. با گذشت زمان، مقدار Ca(OH)2 کاهش می یابد و در نهایت غیر قابل کشف می شود. گروتزک و دیگران اثر پوزولانی دوده سیلیس را به شرح زیر توضیح داده اند: در تماس با آب مخلوط، دوده سیلیس یک ژل غنی از سیلیس تشکیل می دهد که آب را جذب می کند. این ژل بین ذرات سیمان هیدراته نشده تجمع می یابد و به تدریج آنها را می پوشاند. Ca(OH)2 با ژل غنی از سیلیس برای تولید ژل CSH واکنش نشان می دهد که حفره های موجود در محصولات هیدراتاسیون سیمان را پر می کند و چگالی ساختاری را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. در اصل، اثر پوزولانی دوده سیلیس، Ca(OH)2 را که بر استحکام تأثیر منفی می‌گذارد، به ژل CSH تبدیل می‌کند، که فضاهای بین محصولات هیدراتاسیون سیمان را پر می‌کند و باعث رشد استحکام HPC می‌شود. علاوه بر این، واکنش بین دوده سیلیس و Ca(OH)2 Ca(OH)2 را مصرف می کند، هیدراتاسیون سیمان را تسریع می کند و استحکام اولیه HPC را افزایش می دهد.

محلول منافذ اثر شیمیایی

در سیستم هیدراتاسیون دوده سیمان-سیلیس، افزایش نسبت دوده سیلیس به سیمان باعث کاهش نسبت Ca/Si محصولات هیدراتاسیون می شود. نسبت کمتر Ca/Si به ژل CSH اجازه می‌دهد تا یون‌های بیشتری مانند آلومینیوم و یون‌های فلز قلیایی را در خود جای دهد که به طور قابل توجهی غلظت یون‌های فلز قلیایی را در محلول منفذی کاهش می‌دهد. این پدیده به عنوان اثر شیمیایی محلول منافذ شناخته می شود. افزایش نسبت جایگزینی سیمان با دوده سیلیس باعث کاهش PH محلول منافذ به دلیل مصرف یون های فلز قلیایی و Ca(OH)2 در واکنش با دوده سیلیس می شود. برای HPC حاوی سنگدانه‌های واکنش‌گر قلیایی، این کاهش در غلظت یون فلز قلیایی (K+، Na+) بسیار مهم است زیرا خطر واکنش قلیایی-سیلیکا (ASR) را کاهش می‌دهد یا از بین می‌برد. دوده سیلیس همچنین مقاومت HPC را افزایش می دهد و به طور قابل توجهی نرخ نفوذ یون کلرید (Cl-) را کاهش می دهد و از خوردگی میلگرد جلوگیری می کند و استحکام و دوام HPC را بهبود می بخشد.