I fumi di silice vengono prodotti come sottoprodotto nella fabbricazione di silicio metallico e leghe di ferrosilicio, che sono comunemente usati in numerosi applicazioni industriali compresa la produzione di acciaio e alluminio, produzione di silicone, fabbricazione di chip per computer, e altro.

E allo stesso tempo questi materiali presentano un grande valore, il loro sottoprodotto, il fumo di silice, svolge un ruolo maggiore nell'industria del calcestruzzo. Continua a leggere per scoprire cos'è esattamente il fumo di silice e cosa lo rende un'aggiunta inestimabile al calcestruzzo.

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Cos'è la silice fume?

FUME DI SILICA, noto anche come silice volatilizzata, microsilice, o fumi di silice condensata, è un materiale pozzolanico, che presenta una polvere d di colore grigio, in qualche modo simile nell'aspetto alle ceneri volanti o al cemento Portland. È costituito principalmente da non cristallino (o amorfo) Biossido di silicio (SiO2), con ciascuna particella essendo approssimativamente 0.01 volte la dimensione di una particella di cemento media.

Ogni volta che i produttori di calcestruzzo necessitano di modificare le proprietà naturali del calcestruzzo, SCM o materiali cementanti supplementari possono essere utilizzati per ottenere le proprietà desiderate. Questi materiali vengono generalmente aggiunti al calcestruzzo durante la preparazione e vengono utilizzati in sostituzione di una parte del cemento Portland.

I fumi di silice sono un esempio di tali SCM. Per le sue proprietà chimiche e fisiche, il calcestruzzo contenente fumi di silicio può diventare molto durevole e acquisire una resistenza incredibile.

Tuttavia, ci sono alcuni problemi associati all'uso dei fumi di silice nel calcestruzzo. Come tale, se ne sconsiglia l'uso indiscriminato. Invece, le applicazioni dei fumi di silice dovrebbero essere limitate a prodotti altamente specializzati.

Cosa significa "pozzolanico"?

Il materiale pozzolanico descrive un materiale che può reagire con l'idrossido di calcio (CH). È un materiale siliceo o siliceo-alluminoso che non possiede valore cementizio, Ma, in presenza di umidità e una forma altamente divisa, reagisce chimicamente con CH a temperature regolari per formare un materiale con proprietà cementizie.

Il termine pozzolanico deriva da una piccola città italiana, Pozzuoli. In questa città, i primi romani combinavano la cenere vulcanica con una roccia calcarea per creare malte per legare insieme pietre massicce. Anche oggi, duemila decenni dopo, le strutture risultanti mantengono la loro robustezza.

Il fumo di silice è un esempio di materiali pozzolanici artificiali ed è, Perciò, ampiamente utilizzato nell’industria del calcestruzzo.

Come funzionano i fumi di silice nel calcestruzzo?

Dopo che il cemento Portland è stato miscelato con acqua, iniziano a "idratarsi" o a rispondere l'uno all'altro. Durante questo processo, una reazione chimica forma due molecole chimiche:

1. Silicato di calcio idrato (CSH), che è il principale composto responsabile della cristallizzazione.
2. Idrossido di calcio (CH), che è un sottoprodotto della reazione, detta anche “calce libera”. Questo composto non è altro che il dilavamento dal calcestruzzo o il rivestimento dei pori accessibili all'interno del calcestruzzo.

Si verifica una reazione pozzolanica tra i fumi di silice e il CH, creando ulteriori molecole CSH all'interno dei vuoti delle particelle di cemento idratato. Queste molecole CSH aggiuntive forniscono una maggiore flessione, compressivo, e potere obbligazionario per il calcestruzzo. Creano anche una matrice generalmente più sana, poiché le forniture CS extra riempiono regioni che altrimenti sarebbero rimaste piccoli vuoti, soggetti a sostanze nocive e potenziale ingresso.

Il fumo di silice per l'uso nel calcestruzzo è disponibile sia in forma secca che umida. Di solito viene aggiunto durante la produzione del calcestruzzo a 5% A 10% in peso in un impianto di calcestruzzo ed è stato prodotto con successo sia in impianti a batch secco che in impianti di miscelazione centrale.

Pro e contro dei fumi di silice nel calcestruzzo

Oggi, i fumi di silice sono ampiamente utilizzati in settore edile, quindi è importante capire quali proprietà i fumi di silice apportano al calcestruzzo, nonché i relativi vantaggi e svantaggi.

Vantaggi della microsilice nel calcestruzzo

Essendo un efficace materiale pozzolanico, i fumi di silice vengono comunemente aggiunti al calcestruzzo per migliorarne le proprietà, in particolare la forza del legame, resistenza alla compressione, e resistenza alla corrosione.

I principali vantaggi dell'utilizzo dei fumi di silice nel calcestruzzo includono:

• Il fumo di silice presenta un riempitivo inorganico neutro con incredibilmente stabile proprietà chimiche e fisiche. Non partecipa alla reazione di polimerizzazione, non contiene acqua cristallina, e non influenza il metabolismo della reazione.
• L'aggiunta di fumi di silice al calcestruzzo può aumentare la conduttività termica e il ritardante di fiamma, nonché modificare la viscosità dell'adesivo.
• Ha ottime prestazioni di assorbimento, non produce alcun fenomeno di agglomerazione, è facile da mescolare, e offre una buona infiltrazione per vari tipi di resina.
• L'aggiunta di fumi di silice consente di ridurre la temperatura di picco esotermico della reazione di indurimento della resina epossidica, il tasso di ritiro dei prodotti solidificati, e il loro coefficiente di dilatazione lineare. Ciò consente di prevenire le fessurazioni eliminando le tensioni interne.
• Il fumo di silice possiede proprietà come una forte densificazione, distribuzione dimensionale ragionevole, così come grande resistenza all'usura e durezza. Ciò può aumentare significativamente la resistenza alla compressione, resistenza alla trazione, influenzare la forza e la resistenza all'usura dei prodotti polimerizzati, e aumentare la resistenza all'abrasione di 0.5 A 2.5 volte.
• Basso contenuto di impurità, polvere di silicio puro, e le proprietà chimiche e fisiche stabili aggiungono resistenza all'arco e buone proprietà isolanti al materiale indurente.
• Il fumo di silice è costituito da granuli di dimensioni fini e si distribuisce ragionevolmente, il che significa che può eliminare o ridurre efficacemente la stratificazione e le precipitazioni.
• Silice (SiO2) all'interno i fumi di silice appartengono a materiali inerti. Ciò significa che non entra in reazione con la maggior parte degli alcaloidi e degli acidi. Se la polvere di silicio è distribuita uniformemente sulla superficie degli oggetti, aumenta la cavitazione e la resistenza alla corrosione 3 A 16 volte.
• Il modulo elastico relativo dei fumi di silice è compreso tra 10% E 20% Dopo 300 A 500 Cicli di congelamento-scongelamento, mentre il modulo elastico del calcestruzzo senza aggiunta di fumi di silice è 30% A 73% Dopo 25 A 50 cicli. Perciò, l'aggiunta di fumi di silice al calcestruzzo consente di migliorare la resistenza al gelo.
• Il fumo di silice è una polvere molto fine. Se utilizzato come materiale di riempimento polimerico, può ridurre la quantità di carico e risparmiare la quantità richiesta di polimero, riducendo così il costo complessivo del prodotto.

Svantaggi della silice pirogenica nel calcestruzzo

Il fumo di silice non è un composto magico. Naturalmente, l'uso dei fumi di silice nel calcestruzzo presenta alcune difficoltà:

• Difficoltosa costruzione e scarsa lavorabilità. La lavorabilità del calcestruzzo è un fattore significativo nello sviluppo della proporzione della miscela di calcestruzzo. Purtroppo, il calcestruzzo con fumi di silice presenta scarsa lavorabilità. Il calcestruzzo contenente fumi di silice non è facile da intonacare ed è difficile da rendere vibrante a grana fine. Ciò porta ad una diminuzione della levigatezza e dell’uniformità della superficie del calcestruzzo.
• Ritiro secco. I fumi di silice aumentano il tasso di ritiro del calcestruzzo, ritiro secco particolarmente precoce. Ciò influisce sulla resistenza complessiva del calcestruzzo rendendolo più soggetto a fessurazioni. Per esempio, dopo che la costruzione è stata completata, il rafforzamento degli irrigatori e la manutenzione dell'acqua possono ridurre il problema, ma nella maggior parte dei progetti di costruzione le crepe sono ancora inevitabili.
• Crepe termiche. Il calcestruzzo contenente fumi di silice si sviluppa rapidamente, mentre anche il corrispondente calore di idratazione del calcestruzzo si dissipa rapidamente. Ciò porta ad un aumento della temperatura del calore di idratazione del calcestruzzo, aumentando lo stress da alta temperatura all'interno del materiale. La concentrazione dello stress all'interno della fessura da ritiro secco può far estendere la fessura, portando alla formazione di crepe da trasfissione.

Applicazioni dei fumi di silice nel calcestruzzo

Le due principali applicazioni della microsilice nel calcestruzzo riguardano la creazione di miscele di calcestruzzo ad alte prestazioni e ad alta resistenza.

Calcestruzzo ad alte prestazioni (HPC)

Calcestruzzo ad alte prestazioni (HPC) prodotto con fumi di silice è stato identificato come uno dei materiali avanzati più preziosi necessari per la costruzione di infrastrutture.

Oltre a una maggiore durata e maggiore resistenza, L'HPC contenente fumi di silice fornisce una maggiore resistenza all'abrasione, prodotti chimici, e corrosione, tenacità migliorata, e miglioramento della sostenibilità e dell’efficienza dei costi del ciclo di vita.

Parcheggi, ponti autostradali, sovrapposizioni dell'impalcato del ponte, e le strutture marine sono soggette a continuo deterioramento dovuto all'abrasione, corrente di corrosione dell'armatura, e attacco chimico. I fumi di silice vengono utilizzati per proteggere il calcestruzzo dall'acqua di mare, sali di deicing, impatto pesante, e traffico, riducendo così al minimo le spese di manutenzione.

I principali vantaggi del calcestruzzo ad alte prestazioni includono:

• Maggiore resistenza agli urti e all'abrasione sui pavimenti, mazzi, sovrapposizioni, e strutture verticali
• Resistività elettrica estremamente elevata
• La bassissima permeabilità all'intrusione di acqua e cloruro
• Resistenza superiore all'impatto chimico degli acidi, cloruri, solfati, e nitrati

Calcestruzzo ad alta resistenza

Il calcestruzzo ad alta resistenza prodotto con fumi di silice offre una maggiore flessibilità di progettazione per ingegneri e architetti. È tradizionalmente utilizzato nei grattacieli a vantaggio di aumentare lo spazio utilizzabile, poiché consente l'uso di colonne più piccole. Il calcestruzzo ad alta resistenza contenente fumi di silice viene spesso utilizzato nelle travi precompresse e prefabbricate, consentendo campate più grandi nella progettazione di ponti strutturali.

I principali vantaggi del calcestruzzo ad alta resistenza includono:

• Elevato modulo elastico eccedente 7 milioni di PSI (40,000 MPa)
• Resistenza alla compressione fino a 20,000 psi (140 MPa)
• High early strength for precast applications and fast-track projects
• High flexural strength of up to 2,000 psi (12 MPA)

The Takeaway

Silica fume is a highly efficient pozzolanic material that has significant potential for use in concrete, as it allows to enhance durability and mechanical properties of the material. The applications of silica fume in concrete include bridges, strutture di parcheggio, bridge decks, edifici grattacieli, e altro.

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