מיקרו-סיליקה

מיקרו-סיליקה, ידועה גם כ- Silica fume (עשן סיליקה) היא חלקיקי סיליקה זעירים, בגדלים של 0.05 -1מיקרון. מיקרו-סיליקה היא תוצר לוואי בתהליך יצור צורן (סיליקון). הצורן מיוצר לשימוש בתעשיית המתכת ליצור סגסוגות ולתעשיית המיקרואלקטרוניקה ליצור פרוסות סיליקון. מפיקים צורן על ידי חיזור צורן דו-חמצני (סיליקה) בתגובה עם פחם. צורן מופק מסחרית בחימום סיליקה טהורה בכבשן חשמלי, המשתמש באלקטרודות מפחמן. בטמפרטורה העולה על 1900°C, מתרחשת התגובה הבאה: 2 S i O 2 ( s ) + C ( s ) → S i ( s ) + C O 2 ( g ) {\displaystyle 2SiO_{2(s)}+C_{(s)}\rightarrow Si_{(s)}+CO_{2(g)}} בתהליך היצור, אדים של סיליקה, שמקורם בסיליקה עצמה, או באדי צורן שהתחמצן, מתעבים ויוצרים טיפות זעירות. הטיפות מרחפות באוויר ומתמצקות עם ירידת הטמפרטורה. הטיפות המוצקות נקראות מיקרו-סיליקה. האוויר מאזור הכבשן נשאב ומסונן על ידי משקעים אלקטרוסטטים, או מסנני שקים (Baghouse), שמפרידים את המיקרו-סיליקה מהאוויר (החלקיקים קטנים מכדי להיות מופרדים על ידי ציקלון). בעבר האוויר מיצור הצורן לא היה מטופל, והמיקרו-סיליקה הייתה משתחררת לאטמוספירה כמרכיב נוסף של זיהום אוויר. בסוף שנות השישים ותחילת שנות השבעים של המאה ה-20 התחילו לטפל באוויר הנפלט בתהליכי היצור של הצורן, והמיקרו-סיליקה נאספה. איסוף המיקרו-סיליקה יצר בעיה חדשה של פסולת מוצקה, שכן לא נמצא לה שימוש. מרבית המחקר בנושא שימושי מיקרו-סיליקה עד לשנות השמונים של המאה העשרים נעשה בנורווגיה. בשנת 1968 פורסם מאמר של מרקסטד (Markstad)[דרושה הבהרה] בנושא שימוש במיקרו-סיליקה בבטון, שסלל את הדרך לשימוש במיקרו-סיליקה בסוגי בטון מיוחדים. השיפור המשמעותי בתכונות הבטון שניתן להשיג על ידי הוספה של מיקרו-סיליקה, הביא את המיקרו-סיליקה, ממעמד של פסולת, למעמד של חומר גלם מבוקש. היום מחיר השוק של מיקרו-סיליקה דומה למחיר הצמנט. תכונות המיקרו-סיליקה תלויות בתנאי היצור. הקוטר הממוצע של החלקיקים נע בין 0.18 ל-0.26 מיקרון, והצפיפות נעה בין 2.23 לתוצר לוואי של יצור צורן טהור וסגסוגות של ברזל, עד ל-3.13 מיצור של סגסוגות צורן-מנגן. הצפיפות המרחבית (Bulk density) של המיקרו סיליקה נע בין 260 ל-535 ק"ג למ"ק (צפיפות מרחבית מעל 330 ק"ג למ"ק הוא חריג, ומתקבל מיצור של סגסוגות סיליקון וקלציום ומנגן). כדי להגדיל את הצפיפות המרחבית לצורך אחסון והובלה, דוחסים את המיקרו-סיליקה ליצירת חלקיקים דחוסים. חלקיקים דחוסים נוצרים גם באופן טבעי כאשר מאפשרים למיקרו-סיליקה לעמוד מספר ימים בצובר. תהליך הדחיסה מאפשר לעלות את המשקל המרחבי לטווח שבין 400 ל-500 ק"ג למ"ק. המיקרו-סיליקה מכילה בדרך כלל מעל ל-90 אחוז תחמוצת הצורן. מרבית יתרת החומר הוא פחם שלא נשרף, סיליקון קרביד, תחמוצות ברזל, מגנזיום, חמרן, ואלקלים. ההרכב הכימי משפיע על הצפיפות ועל צבע החומר המתקבל. תכולת פחם גבוהה גורמת לצבע שחור, ותכולת ברזל לצבע אפור. כאשר תכולת הסיליקה גבוהה, החומר המתקבל הוא לבן. מיקרו סיליקה משמשת כתוסף ליצור בטון, בעיקר כאשר דרושות תכונות מיוחדות כגון חוזק גבוה, או עמידות טובה לתנאי סביבה קיצוניים. למעט מקרים מיוחדים, תוספת המיקרו-סיליקה לבטון היא עד 7.5% ממשקל הצמנט. בגלל שטח הפנים הסגולי הגדול, המיקרו-סיליקה פוגעת בעבידות הבטון הטרי ללא מוספים. אבל כאשר מוסיפים מוסף על פלסטי מדור שלישי ומעלה, נוכחות המיקרו סיליקה דווקא משפרת את עבידות הבטון. גודלם הקטן של גרגרי המיקרו-סיליקה משפר את לכידות הבטון, ומפחית סגרגציה והפרשת מים. בבטון הקשוי, המיקרו סיליקה מקטינה את כמות וגודל הנקבים הקפילרים. תופעה זו היא תוצאה של מנגנון פיזיקלי וכימי. הגודל, הקטן יחסית ליתר מרכיבי הבטון, מאפשר חדירה של חלקיקים לתוך חללים קטנים בין גרגרי הצמנט ומילוי שלהם. מנגנון זה נקרא אפקט מיקרו-מלאן. בשלב השני, שעיקרו מתרחש כיומיים לאחר הכנת הבטון, המיקרו-סיליקה עוברת הידרציה עם הסיד שנפלט מההידרציה של האליט (תגובה פוצולנית), ויוצרת גל צמנטי (C-S-H). הגל הצמנטי שנוצר בתגובה הפוצולנית מקטין את הנקבים הקפילרים, מעבר למתקבל מאפקט המלאן. החוליה החלשה בבטונים רגילים היא אזור הפן-הבייני שבין העיסה הצמנטית לאגרגטים. השימוש במיקרו-סיליקה יוצר פן בייני צפוף וחזק יותר על ידי אפקט המלאן והתגובה הפוצולנית. בכך, הפן-הבייני חדל להיות החוליה החלשה בבטון. העיסה הצמנטית הקשויה שנוצרת בתערובת המכילה מיקרו סיליקה, מכילה חללים מועטים יחסית לעיסה צמנטית רגילה. הסיד שנפלט מההידרציה של מינרלי הצמנט הוא המוצק החלש ביותר בעיסה הצמנטית הקשויה. המרתו לגל צמנטי בתגובה הפוצלנית עם המיקרו-סיליקה תורמת אף היא ליצירת עיסה צמנטית חזקה. העלייה בחוזק ההדבקה של העיסה הצמנטית לאגרגטים, בבטונים חזקים במיוחד, משנה את צורת התפתחות השבר בבטון. לכן, בניגוד לבטונים רגילים בהם השבר עובר דרך מישור ההדבקה שבין העיסה הצמנטית לאגרגט, בבטונים חזקים, השבר עובר בקו ישר דרך האגרגטים. מנגנון זה גורם לכשל יותר פריך בבטונים חזקים. שינוי המבנה של הנקבים הקפילרים בבטון מוריד את חדירות הבטון לגורמים מזיקים כגון כלוריד וסולפט, ובכך משפר את עמידות הבטון בסביבה ימית, ובסביבות אגרסיביות אחרות. עם זאת, השימוש במיקרו-סיליקה אינו תורם לעמידות הבטון כנגד קורוזיה מקרוביאלית. מדיה וקבצים בנושא מיקרו-סיליקה בוויקישיתוף