Mikro silika tozunun yüksek performanslı betonun dayanımına etki mekanizması

Doldurma Etkisi

Beton karışımları hazırlarken, inşaat için istenen işlenebilirliği elde etmek için sıklıkla ilave suya ihtiyaç duyulur. Çimento hidratasyonu için gereken miktarı aşan bu fazla su, çimento hamurunu sulandırır ve yapışma mukavemetini zayıflatır. Ayrıca fazla su, betonun içinde boşluklar veya kanallar oluşturur ve bunlar, sertleşme sırasında buharlaştığında geride gözenekler bırakır. Bu, betonun etkin yük taşıma alanını azaltır ve yük altındaki gözeneklerin etrafında gerilme yoğunlaşmasına neden olabilir. Betonun içinde, iç kanama suyu agrega parçacıklarının altında birikerek gözenekli ara yüzey bölgeleri oluşturur. Arayüz geçiş bölgesinde, diğer bölgelere göre daha fazla Ca(OH)₂ oluşur ve daha büyük kristaller, agrega yüzeyine paralel güçlü bir hizalanma sergiler. Agrega yüzeyine paralel olan bu büyük Ca(OH)₂ kristalleri çatlamaya eğilimlidir ve kalsiyum silikat hidrat (CSH) jelinden daha zayıftır. Yönlendirilmiş büyük Ca(OH)₂ kristalleri ile karakterize edilen gözenekli ve zayıf bağlı arayüzey geçiş bölgesi, beton içerisinde mukavemeti zayıflatan bir bölge haline gelir.

Yüksek performanslı betonda (HPC), silis dumanının eklenmesi, silis dumanı içermeyen sıradan betona kıyasla mukavemeti önemli ölçüde artırır. Araştırmacılar, çimentonun %15'inin silis dumanı ile değiştirilmesinin, çimento parçacıkları ile silis dumanı parçacıkları arasında yaklaşık 1:2,000,000 oranında sonuçlandığını hesapladılar, bu da iki milyon silis dumanı parçacığının bire karşılık geldiği anlamına geliyor çimento parçacığı. Bu, silika dumanının HPC gücü üzerindeki önemli etkisini göstermektedir. Çapı çimento parçacıklarından 100 kat daha küçük olan silis dumanı, çimento parçacıklarının agregalar arasındaki boşlukları doldurması ve ince agregaların kaba agregalar arasındaki boşlukları doldurması gibi, çimento matrisindeki boşlukları doldurur. Bu mikro ölçekli yoğunlaşma, HPC'nin kompaktlığını arttırır ve silika dumanının "doldurma etkisi" olarak bilinen bir olgu olan gücünü arttırır. HPC'de silis dumanı, çimento hamurundaki gözenek sayısını azaltır, homojenliği arttırır ve genel gözenekliliği korur.

Çimento-agrega ara yüzey geçiş bölgesindeki silis dumanı, HPC sızmasını azaltarak agregaların altında su birikmesini önler. Bu, geçiş bölgesinde toplu çimento hamuruna benzer bir mikro yapıya neden olur, ara yüzey geçiş bölgesinin kompaktlığını arttırır ve kalınlığını önemli ölçüde azaltır. İnce silika dumanı parçacıkları, Ca(OH)₂ kristalleri için çekirdeklenme bölgeleri görevi görerek daha küçük ve daha rastgele yönlendirilmiş kristallere yol açar. Silis dumanının dahil edilmesi, HPC'de çimento hamuru ile agrega arasındaki bağlanma mukavemetini arttırır ve betonun farklı kompozit bileşenleri arasındaki "zayıf bağları" ortadan kaldırır. Sonuç olarak HPC, agrega parçacıklarının yalnızca atıl dolgu maddeleri yerine takviye görevi gördüğü kompozit bir malzemenin özelliklerini sergiler. Silis dumanı, agregasız çimento hamurunun mukavemetini önemli ölçüde arttırmazken, aynı su-çimento oranına sahip betonun mukavemetini önemli ölçüde artırarak betonun mukavemetinin hamurun mukavemetini aşmasını sağlar.

Puzolanik Etki

Portland çimentosunun hidrasyonu sırasında reaksiyon, kalsiyum silikat hidrat (CSH) jeli, kalsiyum hidroksit (Ca(OH)₂) ve etrenjit gibi hidrasyon ürünleri üretir. Bunlar arasında Ca(OH)₂'nin mukavemet üzerinde zararlı etkisi vardır. Silis dumanındaki oldukça dağılmış SiO₂ bileşeni, puzolanik etki olarak bilinen bir olay olan ilave CSH jeli oluşturmak üzere Ca(OH)₂ ile reaksiyona girer:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H₂O → CSH

Çok sayıda çalışma silis dumanı varlığında çimentonun erken hidratasyon ürünlerinde önemli miktarda Ca(OH)₂ bulunduğunu göstermiştir. Zamanla Ca(OH)₂ miktarı azalır ve sonunda tespit edilemez hale gelir. Grutzeck ve diğerleri silis dumanının puzolanik etkisini şu şekilde açıklamışlardır: Silis dumanı, karışım suyuyla temas ettiğinde suyu emen, silika açısından zengin bir jel oluşturur. Bu jel, hidratlanmamış çimento parçacıkları arasında birikerek onları yavaş yavaş sarar. Ca(OH)₂ silika bakımından zengin jel ile reaksiyona girerek çimentonun hidratasyon ürünleri içindeki boşlukları dolduran ve yapısal yoğunluğu önemli ölçüde artıran CSH jeli üretir. Temelde, silika dumanının puzolanik etkisi, mukavemeti olumsuz yönde etkileyen Ca(OH)₂'yi, çimento hidratasyon ürünleri arasındaki boşlukları dolduran ve HPC mukavemet büyümesini destekleyen CSH jeline dönüştürür. Ayrıca silis dumanı ve Ca(OH)₂ arasındaki reaksiyon Ca(OH)₂ tüketerek çimento hidrasyonunu hızlandırır ve HPC'nin erken dayanımını artırır.

Gözenek Çözeltisinin Kimyasal Etkisi

Çimento-silis dumanı hidrasyon sisteminde silis dumanı/çimento oranının arttırılması, hidratasyon ürünlerinin Ca/Si oranını azaltır. Daha düşük bir Ca/Si oranı, CSH jelinin alüminyum ve alkali metal iyonları gibi daha fazla iyon içermesine olanak tanır ve bu da gözenek çözeltisindeki alkali metal iyonlarının konsantrasyonunu önemli ölçüde azaltır. Bu olay gözenek çözeltisinin kimyasal etkisi olarak bilinir. Çimentonun silis dumanı ile yer değiştirme oranının arttırılması, silis dumanı ile reaksiyonlarda alkali metal iyonlarının ve Ca(OH)₂ tüketiminden dolayı gözenek çözeltisinin pH'ını azaltır. Alkali reaktif agregatlar içeren HPC için, alkali metal iyon konsantrasyonundaki (K⁺, Na⁺) bu azalma, alkali-silika reaksiyonu (ASR) riskini azalttığı veya ortadan kaldırdığı için çok önemlidir. Silika dumanı ayrıca HPC'nin direncini artırır ve klorür iyonu (Cl⁻) nüfuz etme oranını önemli ölçüde azaltarak inşaat demiri korozyonunu önler ve HPC'nin gücünü ve dayanıklılığını artırır.