Mikrosilika dalam UHPC: Packing Partikel, Reologi, dan Ikatan Serat

Pahami dampak mikrosilika pada packing partikel, reologi, hidrasi, dan antarmuka serat–matriks UHPC serta pengujian untuk mencegah dosis berlebih.

Gunakan rentang sebagai penyaringan awal, lalu validasi grade dan dosis dengan bahan, urutan pencampuran, dan kondisi layanan proyek yang sebenarnya.

1. Efek pelumasan bola partikel submikron

Silikon mikro terutama terdiri dari partikel silika amorf berbentuk bola yang sangat halus, dengan ukuran partikel aslinya jauh lebih kecil daripada partikel semen biasa.

Ketika mikrosilika dapat terdispergasi secara merata dan terdistribusi secara homogen dalam adukan UHPC, partikel bulat halus tersebut dapat masuk ke celah antar partikel semen, sehingga mengurangi sebagian hambatan gesekan antar partikel selama proses geser dan aliran, serta membentuk efek pelumasan yang mirip dengan “bola rol”.

Efek ini membantu:

• mengurangi gesekan internal antar partikel;
• meningkatkan aliran adukan dengan rasio air-terhidrasi yang rendah;
• mengurangi flokulasi lokal dan pembentukan jembatan antarpartikel;
• meningkatkan kemampuan adukan dalam membungkus pasir kuarsa dan serat baja.

Namun, efek bola tidak secara otomatis dihasilkan oleh semua jenis mikrosilika.

Wang dkk., dalam penelitian mereka mengenai pengaruh berbagai jenis mikrosilika terhadap aliran UHPC, menemukan bahwa porositas partikel yang lebih rendah, kepadatan tumpukan yang lebih tinggi, distribusi ukuran partikel yang lebih luas dan wajar, serta kandungan karbon yang lebih rendah, lebih mendukung peningkatan aliran UHPC melalui efek bola dan efek plastisitas.

Ini berarti, bagi UHPC, nilai reologi mikrosilika tidak hanya ditentukan oleh ukuran partikel rata-rata, tetapi juga dipengaruhi secara bersama-sama oleh morfologi partikel, tingkat aglomerasi, rentang ukuran partikel, dan tingkat kontaminan.

Jika agregasi mikrosilika sangat parah, partikel submikron yang semula terpisah mungkin akan ikut serta dalam proses pengadukan sebagai agregat yang lebih besar. Pada kondisi ini, tidak hanya sulit untuk memanfaatkan efek pengisian mikro dan efek bola-bola, tetapi juga berpotensi meningkatkan kebutuhan air adukan, menambah viskositas plastis, serta melemahkan efisiensi dispersi reduktor air polikarboksilat.

Oleh karena itu, pernyataan yang lebih tepat bukanlah “semakin halus mikrosilika, semakin kuat efek bola rolnya”, melainkan:

Dalam kondisi dispersi yang memadai dan distribusi ukuran partikel yang wajar, partikel ultra-halus berbentuk bola dapat memberikan efek bola-pelumas yang lebih efektif.

2. Mengisi celah mikrometer dan submikrometer dalam distribusi ukuran partikel

Kekuatan dan ketahanan tinggi UHPC pada dasarnya berasal dari struktur tumpukan partikel berskala ganda yang sangat padat.

Dalam sistem UHPC tipikal, bahan yang berbeda mencakup rentang ukuran partikel yang berbeda:

Pasir kuarsa membentuk kerangka agregat halus, semen dan bubuk kuarsa mengisi celah kerangka yang lebih besar, sedangkan mikrosilika selanjutnya masuk ke pori-pori mikrometer dan submikrometer di antara partikel semen.

Dalam hal ini, mikrosilika bukan sekadar “menambahkan satu jenis bubuk”, melainkan mengisi rentang ukuran partikel yang hilang di antara semen, bubuk kuarsa, dan pasir halus, sehingga distribusi partikel aktual menjadi lebih mendekati kurva penumpukan kontinu.

Saat merancang UHPC menggunakan metode penumpukan partikel seperti Model Andreasen dan Andersen yang Dimodifikasi, salah satu peran penting mikrosilika adalah meningkatkan tingkat kesesuaian sistem bubuk terhadap kurva gradasi target, serta mengurangi rongga sisa setelah penumpukan partikel. Penelitian terkait telah berhasil merancang sistem UHPC dan UHPFRC dengan matriks yang sangat padat menggunakan model ini.

Setelah distribusi ukuran partikel dioptimalkan, hal ini dapat menghasilkan beberapa hasil langsung:

Pertama, mengurangi rongga awal yang perlu diisi oleh air dan adukan.

Kedua, pembentukan kerangka fasa padat yang lebih kontinu pada rasio air-terikat yang sama.

Ketiga, mengurangi pori-pori besar lokal dan area yang rapuh.

Keempat, menyediakan ruang pertumbuhan yang lebih merata bagi produk hidrasi selanjutnya.

Namun perlu diperhatikan, kepadatan tumpukan kering teoretis yang tinggi tidak selalu berarti kinerja UHPC yang sebenarnya pasti lebih baik.

Ketebalan lapisan air dalam UHPC, adsorpsi pengurang air, aglomerasi bubuk, kandungan udara, dan gangguan serat baja, semuanya dapat menyebabkan kondisi tumpukan basah aktual menyimpang dari perhitungan teoretis. Oleh karena itu, model tumpukan partikel harus digunakan bersama dengan uji reologi, pengujian kandungan udara, dan verifikasi sifat mekanik.

3. Pengisian mikro, pembentukan inti, dan reaksi dengan abu vulkanik bukanlah proses yang sama

Kontribusi mikrosilika terhadap struktur mikro UHPC dapat dibagi menjadi tiga mekanisme yang saling terkait, namun terjadi pada waktu yang berbeda.

Proses pengisian fisik

Pada tahap pencampuran dan pencetakan, mikro-silika pertama-tama mengisi celah-celah mikro di antara semen dan bubuk kuarsa, sehingga mengurangi cacat awal dan ruang pembentukan pori-pori kapiler.

Proses ini sudah terjadi sebelum reaksi hidrasi berlangsung secara besar-besaran.

Efek pembentukan inti

Partikel mikrosilika yang tersebar secara merata dapat menyediakan lebih banyak lokasi nukleasi bagi produk hidrasi semen, sehingga mendorong pengendapan produk hidrasi seperti C-S-H pada permukaan partikel.

Penelitian menunjukkan bahwa efek nukleasi mikrosilika serta adsorpsi prioritasnya terhadap reduktor air polikarboksilat dapat mempersingkat masa induksi adukan UHPC, serta mempercepat hidrasi semen dan pelepasan panas pada tahap awal.

Reaksi pozzolan

Pada tahap hidrasi selanjutnya, SiO₂ amorf aktif dalam mikrosilika bereaksi dengan Ca(OH)₂ yang dihasilkan dari hidrasi semen, menghasilkan gel C-S-H tambahan.

Proses ini dapat mengurangi kristal kalsium hidroksida yang relatif rapuh, semakin memperhalus pori-pori, serta memperbaiki matriks dan zona transisi antarmuka.

Sebuah penelitian pada tahun 2024 yang menggunakan titanium dioksida inert sebagai bahan pembanding, memisahkan peran pengisian fisik dan reaksi kimia dari mikrosilika. Hasilnya menunjukkan bahwa mikrosilika dalam UHPC tidak hanya berperan melalui reaksi pozzolan. peran pengisian, pembentukan inti, adsorpsi pengurang air, serta reaksi lanjutan, memberikan kontribusi yang berbeda pada usia yang berbeda.

Hal ini juga menjelaskan mengapa dalam UHPC dengan rasio air-semen yang sangat rendah, “peningkatan takaran mikrosilika” tidak selalu secara konsisten meningkatkan kekuatan.

Ketika kadar air efektif dalam sistem tidak mencukupi, hidrasi semen terhambat, atau terjadi aglomerasi mikrosilika yang signifikan, kelebihan mikrosilika mungkin lebih banyak berperan sebagai bahan pengisi dengan luas permukaan spesifik tinggi, sehingga tidak dapat sepenuhnya menyelesaikan reaksi vulkanik yang diharapkan.

4. Mikrosilika juga memengaruhi dispersi serat baja dan ikatan antarmuka

Kemampuan UHPC dalam menahan lentur, tarik, dan beban pasca-retak tidak hanya bergantung pada takaran serat baja, tetapi juga pada seberapa merata serat baja tersebar, serta apakah kekuatan ikatan yang memadai dapat terbentuk antara serat dan matriks.

Silikat mikro dapat meningkatkan ikatan, gesekan, dan interaksi mekanis antara serat baja dan adukan dengan cara memperhalus pori-pori di sekitar serat, meningkatkan kepadatan matriks, dan memperbaiki struktur antarmuka.

Namun, pada saat yang sama, mikrosilika juga dapat mengubah tegangan leleh dan viskositas plastis adukan.

Jika viskositas adukan terlalu rendah, serat baja mungkin mengalami pengendapan atau orientasi yang tidak terkendali. sebaliknya, jika viskositas terlalu tinggi, hal ini dapat menyebabkan serat menggumpal, gelembung udara sulit dikeluarkan, dan penurunan aliran.

Dalam penelitian tahun 2019, Wu, Khayat, dan Shi menetapkan takaran mikrosilika sebesar 0% hingga 25% dari massa bahan pengikat. Hasil percobaan menunjukkan bahwa, pada formulasi dan kondisi bahan penelitian tersebut, UHPC dengan takaran mikrosilika sebesar 10% hingga 15% memperoleh kinerja ikatan serat-matriks, ketahanan lentur, dan ketahanan tarik yang lebih tinggi.

Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa kisaran takaran ini memungkinkan adukan mempertahankan viskositas yang relatif rendah, serta membuat distribusi serat baja menjadi lebih merata.

Sebuah penelitian lain menemukan bahwa, dalam sistem UHPC tertentu, penambahan 20% mikrosilika dapat meningkatkan sifat mekanis dan menurunkan koefisien difusi ion klorida, sekaligus memperkuat interaksi sinergis antara serat baja dan matriks.

Kedua hasil ini tidak saling bertentangan, melainkan menunjukkan suatu hal penting:

Tidak ada “takaran penambahan mikrosilika terbaik yang seragam” untuk UHPC yang terlepas dari bahan baku dan sistem formulasi spesifiknya.

Takaran optimal dipengaruhi oleh berbagai faktor, seperti komposisi semen, kehalusan bubuk kuarsa, distribusi ukuran butiran pasir, rasio air-semen, jenis pengurang air, spesifikasi serat baja, energi pengadukan, dan sistem pemeliharaan.

5. Penggunaan mikrosilika pada UHPC tidak boleh hanya dilihat dari kandungan SiO₂

Standar seperti ASTM C1240 dapat dijadikan ambang batas kualitas dasar untuk penggunaan mikrosilika dalam bahan berbasis semen, namun untuk UHPC, sekadar memenuhi standar umum biasanya tidak cukup.

Saat memilih produk secara aktual, hal-hal berikut juga harus diperhatikan:

Distribusi partikel dan porositas: Apakah dapat mengisi celah yang hilang dalam distribusi ukuran semen dan bubuk kuarsa yang ada.

Morfologi partikel asli dan kondisi agregasi: Apakah dapat dipisahkan secara efektif dalam peralatan pencampuran yang ada.

Tingkat kepadatan: Apakah tingkat kepadatan tersebut sesuai dengan metode penambahan bahan, energi pencampuran, dan ritme produksi.

Kehilangan berat akibat pembakaran dan kandungan karbon: Sisa karbon yang terlalu tinggi dapat meningkatkan adsorpsi aditif dan memengaruhi fluiditas serta sistem kandungan udara.

Kompatibilitas dengan aditif polikarboksilat: Mikrosilika yang sama mungkin menunjukkan aliran dan retensi konsistensi yang sangat berbeda dalam sistem PCE yang berbeda.

Konsistensi antar-batch: UHPC memiliki rasio air-terikat yang rendah dan kandungan bubuk yang tinggi, sehingga sangat sensitif terhadap fluktuasi bahan baku; perubahan kecil pun dapat memperbesar fluktuasi reologi dan kekuatan.

Pengaruh terhadap penyusutan dan pelepasan panas: Efek nukleasi mikrosilika dapat mempercepat hidrasi awal, sekaligus meningkatkan risiko pelepasan panas awal dan penyusutan spontan. Penelitian terkait menunjukkan bahwa meningkatkan dispersi mikrosilika dan mengatur aktivitas awalnya dapat secara signifikan mengubah proses hidrasi dan kinerja awal UHPC.

6. Metode Evaluasi Mikrosilika UHPC yang Lebih Andal

Bagi produsen UHPC, evaluasi mikrosilika tidak boleh hanya berhenti pada laporan pengujian kimia, melainkan harus dilakukan verifikasi dalam sistem formulasi yang sebenarnya.

Disarankan untuk menyelesaikan setidaknya empat tingkat pengujian berikut:

Verifikasi distribusi ukuran partikel

Masukkan distribusi ukuran partikel aktual dari semen, mikrosilika, bubuk kuarsa, dan pasir kuarsa ke dalam model penumpukan partikel, lalu analisis kesesuaian distribusi ukuran partikel sebelum dan sesudah penambahan mikrosilika serta porositas teoritisnya.

Verifikasi sifat reologi

Selain derajat ekspansi, perlu juga memperhatikan tegangan leleh adonan, viskositas plastis, daya tahan aliran, serta kemampuan pemulihan struktur setelah pengadukan.

Dua formulasi dengan tingkat ekspansi yang sama mungkin memiliki viskositas dan kondisi dispersi serat yang sama sekali berbeda.

Verifikasi Distribusi Serat Baja

Melalui pemotongan, analisis gambar, atau pengambilan sampel dari berbagai bagian komponen, evaluasi apakah serat baja mengalami penggumpalan, pengendapan, atau orientasi yang jelas.

Verifikasi Kinerja Komprehensif

Uji secara bersamaan kekuatan tekan, kinerja lentur atau tarik, perilaku tarik serat, penyusutan sendiri, kandungan udara, dan indikator ketahanan, bukan hanya berdasarkan penilaian kekuatan tekan pada hari ke-28.

Kesimpulan

Nilai mikrosilika dalam UHPC bukanlah sekadar “menambah SiO₂ aktif”, juga bukan secara umum “meningkatkan efek bola nano”.

Perannya yang sesungguhnya adalah dalam proses desain material berskala ganda:

mengatur reologi melalui efek bola-pelumas partikel bulat submikron, mengoptimalkan penumpukan partikel melalui kompensasi ukuran partikel, mengurangi cacat awal melalui pengisian mikro, merekonstruksi produk hidrasi melalui nukleasi dan reaksi pozzolan, serta memperbaiki antarmuka serat baja-matriks melalui padatan.

Oleh karena itu, mikro-silika berkualitas tinggi untuk UHPC tidak boleh hanya mengejar kemurnian yang lebih tinggi atau luas permukaan spesifik yang lebih besar, melainkan harus memiliki:

distribusi partikel yang wajar, kondisi aglomerasi yang terkendali, kompatibilitas yang baik dengan pengurang air, kinerja batch yang stabil, serta kemampuan dispersi yang sesuai dengan proses produksi UHPC yang ditargetkan.

Yang dibutuhkan UHPC bukanlah mikrosilika dengan indikator tertinggi, melainkan mikrosilika yang mampu mewujudkan keseimbangan antara gradasi, reologi, hidrasi, dan distribusi serat dalam formulasi tertentu.