Mecanisme d'efecte de la pols de microsílice sobre la resistència del formigó d'alt rendiment

Efecte de farciment

Quan es preparen mescles de formigó, sovint es necessita aigua addicional per aconseguir la treballabilitat desitjada per a la construcció. Aquesta aigua addicional, que supera la quantitat necessària per a la hidratació del ciment, dilueix la pasta de ciment i debilita la seva força d'unió. A més, l'excés d'aigua crea buits o canals dins del formigó que, en evaporar-se durant l'enduriment, deixen porus. Això redueix l'àrea de càrrega efectiva del formigó i pot provocar una concentració d'esforços al voltant dels porus sota càrrega. Dins del formigó, l'aigua de sagnat interna s'acumula sota les partícules agregades, formant zones interfacials poroses. A la zona de transició de la interfície, es forma més Ca(OH)₂ que en altres zones, amb cristalls més grans que presenten una forta alineació paral·lela a la superfície de l'agregat. Aquests grans cristalls de Ca(OH)₂ paral·lels a la superfície de l'agregat són propensos a trencar-se i són més febles que el gel de silicat de calci hidrat (CSH). La zona de transició interfacial porosa i feblement unida, caracteritzada pels grans cristalls de Ca(OH)₂ orientats, esdevé una regió de debilitament de la força dins del formigó.

En el formigó d'alt rendiment (HPC), l'addició de fum de sílice millora significativament la resistència en comparació amb el formigó normal sense fum de sílice. Els investigadors han calculat que la substitució del 15% del ciment amb fum de sílice dóna lloc a una proporció d'aproximadament 1:2,000,{000 entre partícules de ciment i partícules de fum de sílice, és a dir, dos milions de partícules de fum de sílice corresponen a un. partícula de ciment. Això demostra l'impacte substancial del fum de sílice en la força de l'HPC. El fum de sílice, amb un diàmetre 100 vegades més petit que les partícules de ciment, omple els buits de la matriu de ciment, de la mateixa manera que les partícules de ciment omplen els buits entre els àrids i els àrids fins omplen els buits entre els àrids gruixuts. Aquesta densificació a microescala augmenta la compacitat de l'HPC i millora la seva resistència, un fenomen conegut com "efecte d'ompliment" del fum de sílice. En HPC, el fum de sílice redueix el nombre de porus de la pasta de ciment, augmenta l'homogeneïtat i manté la porositat global.

El fum de sílice a la zona de transició interfacial ciment-àrid redueix l'hemorràgia HPC, evitant l'acumulació d'aigua sota els agregats. Això dóna lloc a una microestructura a la zona de transició que és similar a la pasta de ciment a granel, augmentant la compacitat de la zona de transició interfacial i reduint significativament el seu gruix. Les partícules fines de fum de sílice actuen com a llocs de nucleació per als cristalls de Ca(OH)₂, donant lloc a cristalls més petits i orientats aleatòriament. La inclusió de fum de sílice millora la força d'unió entre la pasta de ciment i l'àrid en HPC, eliminant els "enllaços febles" entre diferents components compostos del formigó. Com a resultat, l'HPC presenta les característiques d'un material compost, amb partícules agregades que actuen com a reforç en lloc de simplement farciments inerts. Tot i que el fum de sílice no millora significativament la resistència de la pasta de ciment sense agregat, augmenta considerablement la resistència del formigó amb la mateixa relació aigua-ciment, fent que la resistència del formigó superi la de la pasta.

Efecte puzolànic

Durant la hidratació del ciment Portland, la reacció genera productes d'hidratació com el gel de silicat de calci hidrat (CSH), hidròxid de calci (Ca(OH)₂) i ettringita. Entre aquests, el Ca(OH)₂ té un efecte perjudicial sobre la força. El component SiO₂ altament dispers del fum de sílice reacciona amb Ca(OH)₂ per formar gel de CSH addicional, un fenomen conegut com a efecte puzolànic:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H₂O → CSH

Nombrosos estudis han demostrat que en presència de fum de sílice, hi ha quantitats significatives de Ca(OH)₂ en els primers productes d'hidratació del ciment. Amb el temps, la quantitat de Ca(OH)₂ disminueix i finalment es fa indetectable. Grutzeck i altres han explicat l'efecte puzolànic del fum de sílice de la següent manera: en contacte amb l'aigua de la mescla, el fum de sílice forma un gel ric en sílice que absorbeix aigua. Aquest gel s'acumula entre les partícules de ciment no hidratades, embolcallant-les gradualment. El Ca(OH)₂ reacciona amb el gel ric en sílice per produir gel CSH, que omple els buits dels productes d'hidratació del ciment, augmentant significativament la densitat estructural. En essència, l'efecte puzolànic del fum de sílice converteix Ca(OH)₂, que afecta negativament la força, en gel CSH, que omple els espais entre els productes d'hidratació del ciment i afavoreix el creixement de la força HPC. A més, la reacció entre el fum de sílice i el Ca(OH)₂ consumeix Ca(OH)₂, accelerant la hidratació del ciment i millorant la força primerenca de HPC.

Efecte químic de la solució de porus

En el sistema d'hidratació de fums de ciment-sílice, augmentar la proporció de fums de sílice a ciment redueix la relació Ca/Si dels productes d'hidratació. Una relació Ca/Si més baixa permet que el gel CSH incorpori més ions, com ara ions d'alumini i metalls alcalins, la qual cosa redueix significativament la concentració d'ions de metalls alcalins a la solució de porus. Aquest fenomen es coneix com a efecte químic de la solució de porus. L'augment de la proporció de substitució de ciment amb fum de sílice redueix el pH de la solució de porus a causa del consum d'ions de metalls alcalins i Ca(OH)₂ en reaccions amb fum de sílice. Per a l'HPC que contenen agregats reactius amb àlcali, aquesta reducció de la concentració d'ions de metalls alcalins (K⁺, Na⁺) és crucial, ja que mitiga o elimina el risc de reacció àlcali-sílice (ASR). El fum de sílice també augmenta la resistivitat de l'HPC i redueix significativament la taxa de penetració dels ions clorur (Cl⁻), evitant la corrosió de les barres d'armadura i millorant la resistència i la durabilitat de l'HPC.