マイクロシリカパウダーが高性能コンクリートの強度に及ぼす影響メカニズム

充填効果

コンクリート混合物を調製する場合、建設に望ましい作業性を実現するために追加の水が必要になることがよくあります。この余分な水は、セメントの水和に必要な量を超えて、セメントペーストを希釈し、接着強度を弱めます。さらに、過剰な水はコンクリート内に空隙または溝を形成し、硬化中に蒸発すると細孔が残ります。これにより、コンクリートの有効耐荷重面積が減少し、荷重がかかると気孔の周囲に応力が集中する可能性があります。コンクリート内では、内部ブリード水が骨材粒子の下に蓄積し、多孔質の界面ゾーンを形成します。界面遷移ゾーンでは、他の領域よりも多くの Ca(OH)2 が形成され、より大きな結晶が凝集体表面に平行な強い配向を示します。骨材表面に平行なこれらの大きな Ca(OH)2 結晶は亀裂が入りやすく、ケイ酸カルシウム水和物 (CSH) ゲルよりも弱いです。配向した大きな Ca(OH)2 結晶を特徴とする多孔質で結合の弱い界面遷移領域は、コンクリート内の強度低下領域になります。

高性能コンクリート (HPC) では、シリカフュームを添加すると、シリカフュームを含まない通常のコンクリートと比べて強度が大幅に向上します。研究者らは、セメントの 15% をシリカフュームに置き換えると、セメント粒子とシリカフューム粒子の比率が約 1:2,000,000 になると計算しています。これは、200 万個のシリカフューム粒子が 1 個のシリカフューム粒子に相当することを意味します。セメント粒子。これは、シリカフュームが HPC 強度に大きく影響することを示しています。セメント粒子が骨材間の隙間を埋め、細骨材が粗骨材間の空隙を埋めるのと同様に、セメント粒子の 100 倍小さい直径を持つシリカフュームがセメントマトリックスの空隙を埋めます。このミクロスケールの緻密化により、HPC の緻密性が高まり、強度が向上します。これはシリカフュームの「充填効果」として知られる現象です。 HPC では、シリカフュームはセメントペースト内の細孔の数を減らし、均一性を高め、全体の多孔性を維持します。

セメント骨材界面移行帯のシリカフュームは HPC ブリーディングを軽減し、骨材の下に水が蓄積するのを防ぎます。これにより、バルクセメントペーストと同様の遷移ゾーンの微細構造が得られ、界面遷移ゾーンの緻密性が高まり、その厚さが大幅に減少します。微細なシリカフューム粒子は、Ca(OH)2 結晶の核形成サイトとして機能し、より小さく、よりランダムに配向した結晶をもたらします。シリカフュームを含めることで、HPC のセメントペーストと骨材の間の結合強度が向上し、コンクリートのさまざまな複合成分間の「弱いつながり」が解消されます。その結果、HPC は複合材料の特性を示し、骨材粒子が単なる不活性充填剤ではなく補強材として機能します。シリカフュームは、骨材を使用しないセメントペーストの強度を大幅に向上させることはありませんが、同じ水セメント比のコンクリートの強度を大幅に向上させ、コンクリートの強度をペーストの強度を上回ります。

ポゾラン効果

ポルトランドセメントの水和中に、反応によりケイ酸カルシウム水和物 (CSH) ゲル、水酸化カルシウム (Ca(OH)2)、エトリンガイトなどの水和生成物が生成されます。このうち、Ca(OH)₂ は強度に悪影響を及ぼします。シリカフューム中の高度に分散した SiO2 成分が Ca(OH)2 と反応して追加の CSH ゲルを形成します。これはポゾラン効果として知られる現象です。

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H₂O → CSH

多くの研究により、シリカフュームの存在下では、セメントの初期水和生成物中にかなりの量の Ca(OH)2 が存在することが示されています。時間の経過とともに、Ca(OH)₂ の量は減少し、最終的には検出できなくなります。 Grutzeck らは、シリカ フュームのポゾラン効果を次のように説明しています。シリカ フュームは、混合水と接触すると、水を吸収するシリカの豊富なゲルを形成します。このゲルは未水和セメント粒子の間に蓄積し、徐々に粒子を包み込みます。 Ca(OH)₂ はシリカの豊富なゲルと反応して CSH ゲルを生成し、セメントの水和生成物の内部の空隙を充填し、構造密度を大幅に増加させます。本質的に、シリカフュームのポゾラン効果は、強度に悪影響を与える Ca(OH)₂ を CSH ゲルに変換し、セメント水和生成物の隙間を埋めて HPC 強度の向上を促進します。さらに、シリカフュームと Ca(OH)₂ の反応により Ca(OH)₂ が消費され、セメントの水和が促進され、HPC の初期強度が向上します。

細孔溶液の化学的効果

セメント-シリカフューム水和システムでは、シリカフュームとセメントの比率が増加すると、水和生成物の Ca/Si 比率が減少します。 Ca/Si 比が低いと、CSH ゲルにアルミニウムやアルカリ金属イオンなどのイオンをより多く取り込むことができ、細孔溶液中のアルカリ金属イオンの濃度が大幅に低下します。この現象は、細孔溶液の化学効果として知られています。セメントのシリカフュームへの置換率を高めると、シリカフュームとの反応でアルカリ金属イオンやCa(OH)₂が消費されるため、細孔溶液のpHが低下します。アルカリ反応性骨材を含む HPC の場合、アルカリ金属イオン濃度 (K⁺、Na⁺) の低減は、アルカリシリカ反応 (ASR) のリスクを軽減または排除するため、非常に重要です。また、シリカフュームは HPC の抵抗率を高め、塩化物イオン (Cl⁻) の浸透速度を大幅に低下させ、鉄筋の腐食を防止し、HPC の強度と耐久性を向上させます。