UHPC’de Mikrosilika: Tane Paketleme, Reoloji ve Lif Aderansı

Mikrosilikanın UHPC’de tane paketleme, reoloji, hidratasyon ve lif–matris arayüzüne etkisini ve aşırı dozajı önleyen testleri inceleyin.

Aralıkları ön seçim için kullanın; sınıfı ve dozajı projenin gerçek malzemeleri, karıştırma sırası ve servis koşullarında doğrulayın.

1. Submikron boyutlu küresel partiküllerin bilye-yağlama etkisi

Mikrosilika tozu, esas olarak son derece ince, küresel ve amorf silis dioksit parçacıklarından oluşur; bu parçacıkların orijinal boyutları, sıradan çimento parçacıklarından çok daha küçüktür.

Mikrosilika tozu, UHPC harcı içinde yeterince topaklanmayı bozup homojen bir şekilde dağılabildiğinde, ince küresel parçacıklar çimento parçacıkları arasına girebilir ve kesme ve akış süreçlerinde parçacıklar arasındaki sürtünme direncini kısmen azaltarak “bilye” benzeri bir yağlama etkisi oluşturur.

Bu etki şunlara yardımcı olur:

• Parçacıklar arasındaki iç sürtünmeyi azaltmaya;
• Düşük su-çimento oranına sahip harçların akışkanlığını iyileştirir;
• Yerel topaklanmayı ve parçacıklar arası köprü oluşumunu azaltmaya;
• Harçın kuvars kumu ve çelik lifleri sarmalama kabiliyetini artırmaya.

Ancak bilyalı yatak etkisi, tüm mikro silis tozlarında kendiliğinden ortaya çıkmaz.

Wang ve arkadaşları, farklı mikrosilika tozlarının UHPC akışkanlığı üzerindeki etkisini incelerken, düşük partikül boşluk oranı, yüksek yığın yoğunluğu, geniş ve makul bir partikül boyutu dağılımı ile düşük karbon içeriğinin, bilyalı yatak etkisi ve plastifikasyon etkisi yoluyla UHPC akışkanlığını artırmada daha elverişli olduğunu bulmuşlardır.

Bu, UHPC açısından mikrosilika tozunun reolojik değerinin sadece ortalama tane boyutu ile belirlenmediğini, aynı zamanda tane morfolojisi, aglomerasyon derecesi, tane boyutu aralığı ve safsızlık seviyesinin ortak etkisine de bağlı olduğu anlamına gelir.

Mikrosilika tozunda ciddi topaklanma varsa, orijinal submikron partiküller karıştırma sürecine daha büyük topaklar halinde katılabilir. Bu durumda, mikro dolgu ve bilyalı yatak etkisi zorlaşmakla kalmaz, aynı zamanda harç su ihtiyacı artabilir, plastik viskozite yükselebilir ve polikarboksilik su azaltıcıların dağılım verimliliği azalabilir.

Bu nedenle, daha doğru bir ifadeyle “mikrosilika tozu ne kadar ince olursa, bilyalı yatak etkisi o kadar güçlü olur” değil, şudur:

Yeterli dağılım ve makul bir tane dağılımı koşullarında, küresel ultra ince parçacıklar daha etkili bir bilyalı yatak etkisi ve yağlama işlevi gösterebilir.

2. Parçacık dağılımındaki mikron ve submikron boşlukların doldurulması

UHPC’nin yüksek mukavemeti ve dayanıklılığı, esasen son derece yoğun, çok ölçekli parçacık yığılma yapısından kaynaklanır.

Tipik bir UHPC sisteminde, farklı malzemeler farklı tane boyutu aralıklarını üstlenir:

Kuvars kumu ince agrega iskeletini oluşturur; çimento ve kuvars tozu, iskeletteki daha büyük boşlukları doldurur; mikrosilika tozu ise çimento parçacıkları arasındaki mikron ve submikron boşluklara girer.

Mikrosilika tozu burada sadece “bir toz türünün eklenmesi” değildir; aksine çimento, kuvars tozu ve ince kum arasında eksik olan tane boyutu aralıklarını tamamlayarak, gerçek tane dağılımının sürekli yığılma eğrisine daha yakın olmasını sağlar.

Modifiye Andreasen ve Andersen modeli gibi tanecik yığılma yöntemleri kullanılarak UHPC tasarımı yapıldığında, mikrosilika tozunun önemli rollerinden biri, toz sisteminin hedef granülometrik dağılım eğrisine uyum derecesini artırmak ve tanecik yığılmasından sonra kalan boşlukları azaltmaktır. İlgili araştırmalarda bu model kullanılarak yüksek yoğunluklu matrisli UHPC ve UHPFRC sistemleri tasarlanmıştır.

Granül dağılımının optimize edilmesi, birkaç doğrudan sonuç doğurur:

Birincisi, su ve harçla doldurulması gereken başlangıç boşluklarının azaltılmasıdır.

İkincisi, aynı su-bağlayıcı oranında daha süreklilik arz eden bir katı faz iskeleti oluşur.

Üçüncüsü, yerel büyük gözeneklerin ve zayıf bölgelerin azalmasıdır.

Dördüncüsü, sonraki hidrasyon ürünlerine daha homojen bir büyüme alanı sağlanır.

Ancak, teorik kuru yığılma yoğunluğunun yüksek olması, UHPC'nin gerçek performansının mutlaka daha iyi olacağı anlamına gelmez.

UHPC’deki su tabakasının kalınlığı, su azaltıcı maddenin adsorpsiyonu, toz agregasyonu, hava içeriği ve çelik elyafların neden olduğu bozulmalar, gerçek ıslak yığınlama durumunun teorik hesaplamalardan sapmasına neden olabilir. Bu nedenle, partikül yığınlama modeli, reoloji testleri, hava içeriği testleri ve mekanik performans doğrulamalarıyla birlikte kullanılmalıdır.

3. Mikro dolgu, çekirdeklenme ve puzolanik reaksiyon aynı süreç değildir

Mikrosilika tozunun UHPC mikroyapısına katkısı, birbiriyle ilişkili ancak farklı zamanlarda gerçekleşen üç etkiye ayrılabilir.

Fiziksel dolgu etkisi

Karıştırma ve kalıplama aşamalarında, mikrosilika tozu öncelikle çimento ve kuvars tozu arasındaki mikro boşlukları doldurarak, orijinal kusurları ve kılcal gözeneklerin oluşum alanını azaltır.

Bu etki, hidrasyon reaksiyonunun büyük ölçekte gerçekleşmesinden önce ortaya çıkar.

Çekirdeklenme etkisi

Düzgün bir şekilde dağılmış mikrosilika tozu taneleri, çimento hidrasyon ürünlerine daha fazla çekirdeklenme noktası sağlayarak, C-S-H gibi hidrasyon ürünlerinin tanecik yüzeyinde çökelmesini teşvik eder.

Araştırmalar, mikrosilika tozunun çekirdeklenme etkisinin ve polikarboksilik su azaltıcıya öncelikli olarak adsorbe olmasının, UHPC hamurunun indüksiyon süresini kısaltabileceğini ve erken dönem çimento hidrasyonunu ve ısı salınımını teşvik edebileceğini göstermektedir.

Puzolanik reaksiyon

Sonraki hidrasyon aşamalarında, mikrosilika tozundaki aktif amorf SiO₂, çimento hidrasyonu sonucu oluşan Ca(OH)₂ ile reaksiyona girerek ek C-S-H jeli oluşturur.

Bu süreç, nispeten zayıf kalsiyum hidroksit kristallerini azaltarak gözenekleri daha da inceltir ve matris ile arayüzey geçiş bölgesini iyileştirir.

2024 yılında, karşıt malzeme olarak inert titanyum dioksit kullanılan bir çalışmada, mikrosilika tozunun fiziksel dolgu etkisi ile kimyasal reaksiyon etkisi birbirinden ayrıştırılmıştır. Sonuçlar, mikrosilika tozunun UHPC’de yalnızca puzolanik reaksiyon yoluyla etki göstermediğini ortaya koymuştur. dolgu, çekirdeklenme, su azaltıcı adsorpsiyonu ve geç dönem reaksiyonları, farklı yaşlanma dönemlerinde farklı katkılar sağlamaktadır.

Bu durum, ultra düşük su-çimento oranına sahip UHPC’de “mikrosilika tozu oranının artırılmasının” mukavemeti her zaman sürekli olarak artırmadığını da açıklamaktadır.

Sistemdeki etkin su miktarı yetersiz olduğunda, çimento hidrasyonu kısıtlandığında veya mikrosilika tozunda belirgin topaklanma meydana geldiğinde, fazla miktardaki mikrosilika tozu daha çok yüksek yüzey alanlı bir dolgu maddesi olarak davranabilir ve beklenen puzolanik reaksiyonnu tam olarak gerçekleştiremez.

4. Mikrosilika tozu, çelik elyafın dağılımını ve arayüzey yapışmasını da etkiler

UHPC’nin eğilme, çekme ve çatlak sonrası taşıma kapasitesi, sadece çelik elyaf oranına değil, aynı zamanda çelik elyafın homojen bir şekilde dağılabilmesine ve elyaf ile matris arasında uygun bir yapışma mukavemetinin oluşabilmesine de bağlıdır.

Mikrosilika tozu, liflerin çevresindeki gözenekleri inceltip matrisin yoğunluğunu artırarak ve arayüz yapısını iyileştirerek, çelik lifler ile harç arasındaki yapışma, sürtünme ve mekanik kenetlenme etkilerini güçlendirebilir.

Ancak aynı zamanda, mikrosilika tozu harçın akma gerilimini ve plastik viskozitesini de değiştirir.

Harç viskozitesi çok düşük olduğunda çelik liflerde çökme veya yönelim kontrolü kaybı meydana gelebilir; viskozite çok yüksek olduğunda ise liflerin topaklanması, hava kabarcıklarının tahliyesinin zorlaşması ve akışkanlığın azalmasına neden olabilir.

Wu, Khayat ve Shi’nin 2019 tarihli çalışmasında, mikrosilika tozu katkı oranı, çimentolu malzemenin kütlesinin %0 ila %25’i olarak belirlenmiştir. Deney sonuçları, bu çalışmadaki formülasyon ve malzeme koşullarında, mikrosilika tozu katkı oranı %10 ila %15 arasında olan UHPC’nin daha yüksek lif-matris yapışma performansı, eğilme direnci ve çekme mukavemeti elde ettiğini göstermiştir.

Çalışmada, bu katkı aralığının harç viskozitesini nispeten düşük tuttuğu ve çelik liflerin daha homojen bir şekilde dağılmasını sağladığı belirtilmiştir.

Başka bir çalışmada ise, belirli bir UHPC sisteminde %20 mikrosilika tozu ilavesinin mekanik özellikleri artırdığı, klor iyonu difüzyon katsayısını düşürdüğü ve aynı zamanda çelik elyaf ile matris arasındaki sinerjiyi güçlendirdiği tespit edilmiştir.

Bu iki sonuç birbiriyle çelişmemekte, aksine önemli bir gerçeği ortaya koymaktadır:

UHPC için, belirli hammadde ve formülasyon sisteminden bağımsız “tek bir en uygun mikrosilika tozu katkı oranı” yoktur.

En uygun katkı miktarı, çimento bileşimi, kuvars tozu inceliği, kum tanecik dağılımı, su-çimento oranı, su azaltıcı türü, çelik elyaf özellikleri, karıştırma enerjisi ve olgunlaştırma rejimi gibi faktörlerden etkilenir.

5. UHPC için mikrosilika tozu değerlendirilirken sadece SiO₂ içeriğine bakılmamalıdır

ASTM C1240 gibi standartlar, mikrosilika tozunun çimento bazlı malzemelerde kullanılabilmesi için temel kalite eşiği olarak kabul edilebilir; ancak UHPC için genel standartlara uymak genellikle yeterli değildir.

Gerçek seçim sürecinde ayrıca aşağıdaki hususlara da özellikle dikkat edilmelidir:

Tanecik dağılımı ve gözenek oranı: Mevcut çimento ve kuvars tozu tanecik dağılımındaki eksik aralıkları tamamlayıp tamamlayamadığı.

Orijinal parçacık morfolojisi ve aglomerasyon durumu: Mevcut karıştırma ekipmanında etkili bir şekilde aglomerasyonun bozulup bozulmayacağı.

Sıkıştırma durumu: Sıkıştırma derecesi, malzeme besleme yöntemi, karıştırma enerjisi ve üretim ritmiyle uyumlu mu?

Kül kaybı ve karbon içeriği: Aşırı yüksek kalıntı karbon, katkı maddelerinin adsorpsiyonunu artırabilir ve akışkanlığı ile hava içeriği sistemini etkileyebilir.

Polikarboksilik su azaltıcılarla uyumluluk: Aynı mikrosilika tozu, farklı PCE sistemlerinde belirgin şekilde farklı akışkanlık ve çökme direnci özellikleri gösterebilir.

Parti Tutarlılığı: UHPC, düşük su-çimento oranı ve yüksek toz içeriğine sahiptir; hammadde dalgalanmalarına karşı oldukça hassastır ve küçük değişiklikler bile reoloji ve mukavemet dalgalanmalarına yol açabilir.

Büzülme ve ısı salınımı üzerindeki etkisi: Mikrosilika tozunun çekirdeklenme etkisi, erken hidrasyonu hızlandırabilir ve aynı zamanda erken ısı salınımı ile kendiliğinden büzülme riskini artırabilir. İlgili araştırmalar, mikrosilika tozunun dağılımının iyileştirilmesinin ve erken aktivitesinin düzenlenmesinin, UHPC’nin hidrasyon sürecini ve erken performansını önemli ölçüde değiştirebileceğini göstermektedir.

6. Daha Güvenilir UHPC Mikro Silika Değerlendirme Yöntemleri

UHPC üreticileri için mikrosilika tozu değerlendirmesi, sadece kimyasal test raporlarıyla sınırlı kalmamalı, gerçek formülasyon sisteminde doğrulanmalıdır.

En azından aşağıdaki dört aşamadaki testlerin tamamlanması önerilir:

Tanecik dağılımı doğrulaması

Çimento, mikrosilika tozu, kuvars tozu ve kuvars kumunun gerçek tane boyutu dağılımlarını tane yığılma modeline girerek, mikrosilika tozu ilavesi öncesi ve sonrası tane dağılım uyum derecesini ve teorik boşluk oranını analiz etmek.

Reolojik özelliklerin doğrulanması

Genleşme derecesinin yanı sıra, harç akma gerilimi, plastik viskozite, akışkanlık koruma özelliği ve karıştırma sonrası yapısal geri kazanım kabiliyetine de dikkat edilmelidir.

Aynı genleşme derecesine sahip iki formülasyon, tamamen farklı viskozite ve fiber dağılım durumlarına sahip olabilir.

Çelik elyaf dağılımının doğrulanması

Kesit alma, görüntü analizi veya elemanın farklı bölgelerinden numune alma yoluyla, çelik liflerde topaklanma, çökme veya belirgin yönelim olup olmadığının değerlendirilmesi.

Kapsamlı Performans Doğrulaması

Sadece 28 günlük basınç dayanımına dayanarak değerlendirme yapmak yerine, basınç dayanımı, eğilme veya çekme dayanımı, lif çekme davranışı, kendiliğinden büzülme, hava içeriği ve dayanıklılık göstergelerini de aynı anda test edin.

Sonuç

Mikrosilika tozunun UHPC'deki değeri, basitçe “aktif SiO₂'yi artırmak” ya da genel olarak “nano bilyalı yatak etkisini güçlendirmek” değildir.

Asıl rol oynadığı şey, çok ölçekli bir malzeme tasarım sürecidir:

submikron boyutundaki küresel parçacıkların yuvarlanma-yağlama etkisiyle reolojiyi düzenler, parçacık boyutu dengelemesi yoluyla parçacık yığılmasını optimize eder, mikro dolgu yoluyla başlangıçtaki kusurları azaltır, çekirdeklenme ve puzolanik reaksiyon yoluyla hidrasyon ürünlerini yeniden yapılandırır ve yoğunlaştırma yoluyla çelik elyaf-matris arayüzünü iyileştirir.

Bu nedenle, yüksek kaliteli UHPC mikrosilika tozu sadece daha yüksek saflık veya daha yüksek özgül yüzey alanı peşinde koşmamalı, aynı zamanda şu özelliklere sahip olmalıdır:

makul bir partikül dağılımı, kontrol edilebilir aglomerasyon durumu, su azaltıcılarla iyi uyumluluk, istikrarlı parti performansı ve hedeflenen UHPC üretim sürecine uygun dispersiyon kabiliyetine sahip olmalıdır.

UHPC için gerekli olan, en yüksek teknik özelliklere sahip mikrosilika tozu değil, belirli formülasyonlarda granül dağılımı, reoloji, hidrasyon ve elyaf dağılımı arasında denge sağlayabilen mikrosilika tozudur.