آلية تأثير مسحوق ميكرو السيليكا على قوة الخرسانة عالية الأداء

تأثير التعبئة

عند تحضير الخلطات الخرسانية، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى مياه إضافية لتحقيق قابلية التشغيل المطلوبة للبناء. هذا الماء الزائد، الذي يتجاوز الكمية المطلوبة لترطيب الأسمنت، يخفف من عجينة الأسمنت ويضعف قوة ترابطها. علاوة على ذلك، فإن الماء الزائد يخلق فراغات أو قنوات داخل الخرسانة والتي، عند التبخر أثناء التصلب، تترك وراءها المسام. وهذا يقلل من مساحة الحمل الفعالة للخرسانة ويمكن أن يؤدي إلى تركيز الضغط حول المسام تحت الحمل. داخل الخرسانة، يتراكم ماء النزيف الداخلي تحت جزيئات الركام، مما يشكل مناطق بينية مسامية. في المنطقة الانتقالية للواجهة، يتشكل المزيد من Ca(OH)₂ أكثر من المناطق الأخرى، مع ظهور بلورات أكبر محاذاة قوية موازية للسطح الكلي. تكون بلورات Ca(OH)₂ الكبيرة الموازية للسطح الكلي عرضة للتشقق وهي أضعف من هلام هيدرات سيليكات الكالسيوم (CSH). تصبح المنطقة الانتقالية البينية المسامية وضعيفة الترابط، والتي تتميز ببلورات Ca(OH)₂ الكبيرة الموجهة، منطقة تضعف القوة داخل الخرسانة.

في الخرسانة عالية الأداء (HPC)، تؤدي إضافة دخان السيليكا إلى تعزيز القوة بشكل كبير مقارنة بالخرسانة العادية التي لا تحتوي على دخان السيليكا. لقد حسب الباحثون أن استبدال 15% من الأسمنت بأبخرة السيليكا يؤدي إلى نسبة 1:2 تقريبًا،000،000 بين جزيئات الأسمنت وجزيئات أبخرة السيليكا، مما يعني أن مليوني جزيء من أبخرة السيليكا تتوافق مع واحد جزيء الاسمنت. يوضح هذا التأثير الكبير لأبخرة السيليكا على قوة HPC. يملأ دخان السيليكا، الذي يبلغ قطره 100 مرة أصغر من جزيئات الأسمنت، الفراغات في مصفوفة الأسمنت، على غرار الطريقة التي تملأ بها جزيئات الأسمنت الفجوات بين الركام والركام الناعم يملأ الفراغات بين الركام الخشن. يزيد هذا التكثيف على نطاق صغير من انضغاط الـ HPC ويعزز قوتها، وهي ظاهرة تعرف باسم "تأثير الملء" لدخان السيليكا. في HPC، يقلل دخان السيليكا من عدد المسام في عجينة الأسمنت، ويزيد من التجانس، ويحافظ على المسامية الإجمالية.

يعمل دخان السيليكا الموجود في المنطقة الانتقالية بين الواجهات البينية للأسمنت على تقليل نزيف HPC، مما يمنع تراكم الماء تحت الركام. وينتج عن ذلك بنية مجهرية في المنطقة الانتقالية تشبه عجينة الأسمنت السائبة، مما يزيد من ضغط المنطقة الانتقالية البينية ويقلل سمكها بشكل كبير. تعمل جزيئات أبخرة السيليكا الدقيقة كمواقع نواة لبلورات Ca(OH)₂، مما يؤدي إلى بلورات أصغر حجمًا وأكثر عشوائية التوجه. يؤدي إدراج دخان السيليكا إلى تحسين قوة الترابط بين عجينة الأسمنت والركام في HPC، مما يزيل "الروابط الضعيفة" بين المكونات المركبة المختلفة للخرسانة. ونتيجة لذلك، يُظهر HPC خصائص المادة المركبة، حيث تعمل الجزيئات الإجمالية كتعزيز بدلاً من مجرد حشو خامل. في حين أن دخان السيليكا لا يعزز بشكل كبير قوة عجينة الأسمنت بدون الركام، إلا أنه يزيد بشكل كبير من قوة الخرسانة بنفس نسبة الماء إلى الأسمنت، مما يجعل قوة الخرسانة تتجاوز قوة العجينة.

التأثير البوزولاني

أثناء ترطيب الأسمنت البورتلاندي، يولد التفاعل منتجات ترطيب مثل هلام هيدرات سيليكات الكالسيوم (CSH)، وهيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH)₂)، والإترينجيت. من بينها، Ca(OH)₂ له تأثير ضار على القوة. يتفاعل مكون SiO₂ المشتت للغاية في دخان السيليكا مع Ca(OH)₂ لتكوين هلام CSH إضافي، وهي ظاهرة تُعرف باسم التأثير البوزولاني:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H₂O → CSH

أظهرت العديد من الدراسات أنه في وجود أبخرة السيليكا، توجد كميات كبيرة من Ca(OH)₂ في منتجات الترطيب المبكرة للأسمنت. بمرور الوقت، تقل كمية Ca(OH)₂ وتصبح في النهاية غير قابلة للاكتشاف. وقد شرح جروتزيك وآخرون التأثير البوزولاني لأبخرة السيليكا على النحو التالي: عند ملامسة ماء الخلط، يشكل دخان السيليكا هلامًا غنيًا بالسيليكا يمتص الماء. يتراكم هذا الجل بين جزيئات الأسمنت غير الرطبة، ويغلفها تدريجياً. يتفاعل Ca(OH)₂ مع الهلام الغني بالسيليكا لإنتاج جل CSH، الذي يملأ الفراغات داخل منتجات ترطيب الأسمنت، مما يزيد بشكل كبير من الكثافة الهيكلية. في جوهر الأمر، يعمل التأثير البوزولاني لأبخرة السيليكا على تحويل Ca(OH)₂، الذي يؤثر سلبًا على القوة، إلى جل CSH، الذي يملأ الفراغات بين منتجات ترطيب الأسمنت ويعزز نمو قوة HPC. علاوة على ذلك، فإن التفاعل بين دخان السيليكا وCa(OH)₂ يستهلك Ca(OH)₂، مما يؤدي إلى تسريع ترطيب الأسمنت وتعزيز القوة المبكرة لـ HPC.

التأثير الكيميائي لمحلول المسام

في نظام ترطيب دخان الأسمنت والسيليكا، تؤدي زيادة نسبة دخان السيليكا إلى الأسمنت إلى تقليل نسبة Ca/Si في منتجات الترطيب. تسمح نسبة Ca/Si المنخفضة لجل CSH بدمج المزيد من الأيونات، مثل أيونات الألومنيوم والفلزات القلوية، مما يقلل بشكل كبير من تركيز أيونات الفلزات القلوية في محلول المسام. تُعرف هذه الظاهرة بالتأثير الكيميائي للمحلول المسامي. زيادة نسبة استبدال الأسمنت بأبخرة السيليكا تقلل من الرقم الهيدروجيني للمحلول المسامي بسبب استهلاك أيونات الفلزات القلوية و Ca(OH)₂ في التفاعلات مع أبخرة السيليكا. بالنسبة لـ HPC التي تحتوي على مجاميع قلوية تفاعلية، يعد هذا التخفيض في تركيز أيونات الفلز القلوي (K⁺، Na⁺) أمرًا بالغ الأهمية لأنه يخفف أو يزيل خطر تفاعل القلويات السيليكا (ASR). يعمل دخان السيليكا أيضًا على زيادة مقاومة الـ HPC ويقلل بشكل كبير من معدل اختراق أيون الكلوريد (Cl⁻)، مما يمنع تآكل حديد التسليح ويحسن قوة ومتانة الـ HPC.