Meccanismo di effetto della polvere di microsilice sulla resistenza del calcestruzzo ad alte prestazioni

Effetto di riempimento

Quando si preparano le miscele di calcestruzzo, spesso è necessaria ulteriore acqua per ottenere la lavorabilità desiderata per la costruzione. Questa acqua in più, eccedendo la quantità necessaria per l'idratazione del cemento, diluisce la pasta di cemento e ne indebolisce la forza adesiva. Inoltre, l'acqua in eccesso crea vuoti o canali all'interno del calcestruzzo che, evaporando durante l'indurimento, lasciano dei pori. Ciò riduce la superficie portante effettiva del calcestruzzo e può portare alla concentrazione delle tensioni attorno ai pori sotto carico. All'interno del calcestruzzo, l'acqua di spurgo interno si accumula sotto le particelle di aggregato, formando zone interfacciali porose. Nella zona di transizione dell'interfaccia si forma più Ca(OH)₂ che in altre aree, con cristalli più grandi che mostrano un forte allineamento parallelo alla superficie dell'aggregato. Questi grandi cristalli di Ca(OH)₂ paralleli alla superficie dell'aggregato sono soggetti a fessurazioni e sono più deboli del gel di idrato di silicato di calcio (CSH). La zona di transizione interfacciale porosa e debolmente legata, caratterizzata dai grandi cristalli orientati di Ca(OH)₂, diventa una regione di indebolimento della resistenza all'interno del calcestruzzo.

Nel calcestruzzo ad alte prestazioni (HPC), l'aggiunta di fumi di silice aumenta significativamente la resistenza rispetto al calcestruzzo ordinario senza fumi di silice. I ricercatori hanno calcolato che sostituendo il 15% di cemento con fumi di silice si ottiene un rapporto di circa 1:2,000,000 tra le particelle di cemento e le particelle di fumi di silice, il che significa che due milioni di particelle di fumi di silice corrispondono a uno particella di cemento. Ciò dimostra l'impatto sostanziale dei fumi di silice sulla resistenza dell'HPC. I fumi di silice, con un diametro 100 volte più piccolo delle particelle di cemento, riempiono i vuoti nella matrice cementizia, in modo simile a come le particelle di cemento riempiono gli spazi tra gli aggregati e gli aggregati fini riempiono i vuoti tra gli aggregati grossolani. Questa densificazione su microscala aumenta la compattezza dell'HPC e ne migliora la resistenza, un fenomeno noto come "effetto di riempimento" dei fumi di silice. Nell'HPC, i fumi di silice riducono il numero di pori nella pasta di cemento, aumentano l'omogeneità e mantengono la porosità complessiva.

I fumi di silice nella zona di transizione interfacciale cemento-aggregato riducono il sanguinamento dell’HPC, prevenendo l’accumulo di acqua sotto gli aggregati. Ciò si traduce in una microstruttura nella zona di transizione simile alla pasta di cemento sfuso, aumentando la compattezza della zona di transizione interfacciale e riducendone significativamente lo spessore. Le sottili particelle di fumo di silice agiscono come siti di nucleazione per i cristalli di Ca(OH)₂, portando a cristalli più piccoli e orientati in modo più casuale. L'inclusione di fumi di silice migliora la forza di adesione tra la pasta di cemento e l'aggregato nell'HPC, eliminando i "legami deboli" tra i diversi componenti compositi del calcestruzzo. Di conseguenza, l’HPC presenta le caratteristiche di un materiale composito, con particelle aggregate che agiscono come rinforzo anziché semplicemente come riempitivi inerti. Sebbene i fumi di silice non aumentino in modo significativo la resistenza della pasta di cemento senza aggregati, aumentano considerevolmente la resistenza del calcestruzzo a parità di rapporto acqua-cemento, facendo sì che la resistenza del calcestruzzo superi quella della pasta.

Effetto pozzolanico

Durante l'idratazione del cemento Portland, la reazione genera prodotti di idratazione come gel di silicato di calcio idrato (CSH), idrossido di calcio (Ca(OH)₂) ed ettringite. Tra questi, il Ca(OH)₂ ha un effetto dannoso sulla resistenza. Il componente SiO₂ altamente disperso nei fumi di silice reagisce con Ca(OH)₂ per formare ulteriore gel CSH, un fenomeno noto come effetto pozzolanico:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + H₂O → CSH

Numerosi studi hanno dimostrato che in presenza di fumi di silice sono presenti quantità significative di Ca(OH)₂ nei prodotti di prima idratazione del cemento. Nel tempo, la quantità di Ca(OH)₂ diminuisce e alla fine diventa non rilevabile. Grutzeck e altri hanno spiegato l'effetto pozzolanico dei fumi di silice come segue: a contatto con l'acqua di miscelazione, i fumi di silice formano un gel ricco di silice che assorbe l'acqua. Questo gel si accumula tra le particelle di cemento non idratato, avvolgendole gradualmente. Ca(OH)₂ reagisce con il gel ricco di silice per produrre gel CSH, che riempie i vuoti all'interno dei prodotti di idratazione del cemento, aumentando significativamente la densità strutturale. In sostanza, l'effetto pozzolanico dei fumi di silice converte Ca(OH)₂, che influisce negativamente sulla resistenza, in gel CSH, che riempie gli spazi tra i prodotti di idratazione del cemento e promuove la crescita della resistenza dell'HPC. Inoltre, la reazione tra i fumi di silice e Ca(OH)₂ consuma Ca(OH)₂, accelerando l'idratazione del cemento e migliorando la resistenza iniziale dell'HPC.

Effetto chimico della soluzione dei pori

Nel sistema di idratazione cemento-fumi di silice, l'aumento del rapporto fumi di silice/cemento riduce il rapporto Ca/Si dei prodotti di idratazione. Un rapporto Ca/Si inferiore consente al gel CSH di incorporare più ioni, come ioni di alluminio e metalli alcalini, riducendo significativamente la concentrazione di ioni di metalli alcalini nella soluzione dei pori. Questo fenomeno è noto come effetto chimico della soluzione dei pori. Aumentando il rapporto di sostituzione del cemento con fumi di silice si riduce il pH della soluzione dei pori a causa del consumo di ioni di metalli alcalini e Ca(OH)₂ nelle reazioni con fumi di silice. Per gli HPC contenenti aggregati reattivi agli alcali, questa riduzione della concentrazione di ioni di metalli alcalini (K⁺, Na⁺) è fondamentale poiché mitiga o elimina il rischio di reazione alcali-silice (ASR). I fumi di silice aumentano inoltre la resistività dell'HPC e riducono significativamente il tasso di penetrazione degli ioni cloruro (Cl⁻), prevenendo la corrosione delle armature e migliorando la resistenza e la durata dell'HPC.