硅灰对高强混凝土强度影响的试验研究

作者: 小薇来源:未知 2018-03-27 09:23 阅读：

本网摘要:在高强混凝土中掺入适量的硅灰，对提高混凝土的劈裂抗拉强度有非常明显的效果，也可在一定程度上增强混凝土的抗压强度和抗折强度。掺量低于或高于适量范围，对提高混凝土的强度作用很小。在实际工程混凝土中合理掺用硅灰，不仅可以提高混凝土的强度，而且变废

硅灰（Silica Fume）又称硅粉，是在冶炼工业硅或含硅合金时由高纯度的石英与焦炭在高温电弧炉（2 000 ℃）中发生还原反应而产生的工业尘埃。它是利用收尘装置回收烟道排放的高温废气并通过专门处理而得，其颗粒超细，比表面积大，具有很高的火山灰活性。硅灰用于混凝土的研究始于20 世纪50 年代的挪威、丹麦等国，在美国、日本、法国等国得到了普遍的应用。
在我国，通常将硅灰作为掺合料用于混凝土工业中，一方面可节约水泥熟料，降低混凝土的生产成本，有效减少环境污染，保护环境；另一方面，改善混凝土的性能，延长结构的安全使用期，增加工程的使用寿命[1]。因此，开发硅粉在混凝土中的应用，对促进节能减排、废弃物的资源化利用和保护环境、发展循环经济，以及建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的现实意义，其技术、经济、社会效益显著，应用前景广阔。
目前，硅灰已成为高强混凝土的重要组分。本研究通过试验，研究了硅灰对高强混凝土强度性能的影响，供工程技术人员参考。
1 试验
1.1 试验用原材料
（1）水泥：试验使用P·O 42.5 级水泥，其化学成分与物理力学性能见表1、2.
表1 水泥的化学成分%

化学成分	Na2O	CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	SO3	K2O	Cl	f-CaO	Loss
含量	0.18	60.19	20.58	5.58	2.84	2.47	2.18	0.48	0.03	1.94	4.04

表2 水泥的物理力学性能

密度 /（g/cm3）	比表面积 /（m2/kg）	标准稠度用水量/%	初凝	终凝	安定性	抗折强 /MPa 3 d	抗折强 /MPa 28 d	抗压强度/MPa 3 d	抗压强度/MPa 28 d
3.06	355	27.5	179	238	合格	5.39	8.20	25.9	48.6

（2）硅灰：试验所用硅灰的化学成分和物理力学性能，见表3。
表3 硅灰的化学成分和物理力学性能

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Na2O	K2O	MnO	ZnO	密度/（g/cm3）	活性指数/%	比表面（m2/kg
90.35	1.04	2.16	0.92	0.76	0.25	0.58	0.58	0.24	0.32	2.35	86.0	15335.0

（3）粉煤灰：试验所用粉煤灰的化学成分和物理性能，见表4。

表4 粉煤灰的化学成分和物理性能

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Na2O	K2O	Loss	密度/（g/cm3）	细度（45 μm）/%	需水量比/%
43.44	22.47	15.23	4.09	2.04	1.45	1.79	2.68	4.12	2.48	15.6	96.0

（4）人工砂：试验所用人工砂取自贵州某水利工程工地，其
含石率0.57%，含石粉25.83%，细度模数为2.43（属中细砂），颗粒级配属于II 区，级配良好。其干燥状态视密度为2.715 g/cm3，吸水率2.31%，颗粒分布见表5。

表5 人工砂累计平均筛余量

筛孔尺寸/mm	10.0	5.0	2.5	1.25	0.63	0.315	0.16	<0.16
累计筛余量/%	0	0.57	18.90	33.97	53.91	63.92	73.29	99.12

（5）碎石：试验所用粗骨料为石灰岩碎石，由贵州某水利工程工地加工成5~20、20~40、40~80 mm 三种粒级，其吸水率和含粉量见表6
表6 粗骨料的吸水率和含粉量%

吸水率（以干燥质量为基准）		吸水率以饱和面干质量为准		含粉量
小石	中石	小石	中石	小石	中石
0.424	0.317	0.422	0.316	0.57	0.26

（6）外加剂：外加剂为FDN 高效减水剂。
1.2 试验标准
试验所用标准主要为GB/T 1345—2005《水泥细度检验方法》GB/T1346—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》、GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》、GB/T 18736—2002《高性能混凝土用矿物外加剂》、GB/T 14684—2001《建筑用砂》、GB/T 14685—2001《建筑用卵石、碎石》、SL 352—2006《水工混凝土试验规程》等。
2 试验结果
2.1 硅灰掺量对水泥胶砂强度的影响
根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》，采用40 mm×40 mm×160 mm 模具，试验所用配合比见表7。成型后的试件在标准养护箱养护1 d 后拆模编号，然后继续放入标准养护箱分别养护至7、28 d，测得7、28 d 的抗压强度见表7。

表7 试验所用的水泥胶砂配合比及其试件7、28 d 的抗压强度及相对百分率

编号	水胶比	硅灰掺量 /%	水泥胶砂的材料用量/（kg/m3）					抗压强度及相对百分率/MPa
编号	水胶比	硅灰掺量 /%	水泥	硅灰	水	砂	减水剂	7 d	28 d
SZ0	0.3	0	904.4	0	271.3	1213.7	10.5	68.49（100%）	94.38（100.00%）
SZ3	0.3	3	877.1	27.1	271.3	1213.5	10.9	71.25（104.03%）	96.02（101.74%）
SZ6	0.3	6	849.5	54.2	271.1	1213.7	12.5	70.48（102.91%）	100.08（106.04%）
SZ9	0.3	9	821.9	81.3	271.0	1212.1	13.6	71.69（104.67%）	107.68（114.09%）
SZ12	0.3	12	794.0	108.3	270.7	1210.8	16.3	69.69（101.75%）	103.47（109.63%）

从表7 看出，硅灰掺量的多少对水泥胶砂试件的7 d 抗压强度影响不大。硅灰掺量在一定范围内（约为3%~9%）时，水泥胶砂试件的28 d 抗压强度呈增长趋势；而掺量大于9%后，抗压强度开始下降。可见，硅灰的掺量对早期抗压强度影响不大，但是可以提高水泥胶砂试件后期的强度。特别是硅灰掺量在6%~9%时，水泥胶砂试件的后期强度有了明显的提高。关于硅灰的掺入对抗折强度的影响，文献[2]指出，掺入硅灰后抗折强度提高显著。当硅灰掺量为12%时，混凝土的早期、后期强度比硅灰掺量为8%时有小幅的增长，而硅灰掺量为5%的后期强度则明显低于掺量为l2%和8%的。

表8 试验所用的混凝土配合比

编号	水胶比	硅粉 /%	粉煤灰 /%	混凝土各种材料用量/kg/m3								坍落度 /mm	坍扩度 /mm	表观密度 /（kg/m3）
编号	水胶比	硅粉 /%	粉煤灰 /%	水泥	粉煤灰	硅粉	水	砂	小石	中石	外加剂	坍落度 /mm	坍扩度 /mm	表观密度 /（kg/m3）
S0	0.3	0	15	420.6	74.1	0	147.0	658.4	606.4	606.4	5.938	220	500	2 513
S3	0.3	3	15	405.2	74.0	14.8	146.9	657.3	605.4	605.4	6.185	210	500	2 509
S6	0.3	6	15	389.3	73.8	29.6	146.5	655.7	604.0	604.0	6.753	203	520	2 503
S9	0.3	9	15	374.4	73.8	44.3	146.3	655.2	603.5	603.5	7.388	210	530	2 501
S12	0.3	12	15	356.2	73.1	58.5	145.0	649.2	598.0	598.0	8.780	220	540	2 478

2.2 硅灰掺量对高强混凝土强度的影响通过调整外加剂的掺量（分别为1.20%、1.25%、1.35%、1.5%、1.8%），使混凝土拌合物具有大致相当的坍落度。试验所用混凝土的配合比见表8，试验结果见表9、10。
表9 混凝土试件7、28 d 抗压强度及相对百分率

编号	硅灰掺量/%	抗压强度及相对百分率/MPa
编号	硅灰掺量/%	7 d	28 d
S0	0	57.4（100%	65.2（100%）
S3	3	58.7（102.26%）	66.0（101.23%）
S6	6	60.8（105.92%	69.5（106.60%）
S9	9	60.5（105.40%	74.3（113.96%）
S12	12	59.1（102.96%）	71.1（109.05%）

表10 混凝土试件7、28 d 劈裂抗拉强度增长率

编号	硅灰掺量/%	抗压强度及相对百分率/MPa
编号	硅灰掺量/%	7 d	28 d
S0	0	2.74（100%）	3.49（100%）
S3	3	2.95（107.66%）	3.83（109.74%）
S6	6	3.40（124.09%）	4.05（116.05%）
S9	9	3.38（123.36%）	4.02（115.19%）
S12	12	3.28（119.71%）	3.90（111.75%）

从表9 可知，混凝土2 8d 的抗压强度均超过60MPa。从表8看出，虽然混凝土的水灰比仅为0.3，但新拌混凝土的坍落度和坍扩度都很大，不同硅灰掺量的混凝土的坍落度均大于200mm，坍扩度均不低于500 mm，基本达到了自密实混凝土的流动度要求。从坍扩度来看，随着硅灰掺量的增加，混凝土的坍扩度也增大，这对高强混凝土是非常有意义的。文献[3]指出：新拌浆体中的水有两部分：一部分是填充水，它填充在颗粒间的孔隙中，对浆体的流动性没有贡献；另一部分是表层水，它在颗粒表面形成水膜层，浆体的流动性取决于水膜层的厚度。在自密实混凝土中掺入粉煤灰、硅灰等超细粉体掺合料，它们较小的颗粒粒径与水泥颗粒在微观上形成级配体系，将原来填充在孔隙之中的填充水置换出来成为自由水。而高效减水剂可以减少表层水的数量，两者相结合使拌合物在低水胶比下也能获得较大的流动性。此外，由于矿物质微粉包裹在水泥颗粒表面，其隔离作用延缓了水泥水化产物相互搭接；硅灰的表面光滑致密呈圆形颗粒，它包裹在粗糙的水泥颗粒和骨料表面，起到“滚珠”润滑作用，减少内摩擦阻力而增大拌合物的流动性；比表面积大的硅灰虽然增大浆体稠度使其流动性有所降低，但因其密度较水泥小，在相同水胶比条件下使浆体体积增大,粗骨料之间润滑层增厚，因此拌合物的流动性增大。从表8、9 看出，由于硅灰的密度比较小，随着硅灰掺量的递增，混凝土拌合物的表观密度减小；硅灰的掺量在一定范围内（约为5%~9%）时，混凝土的抗压强度呈增长趋势。若同掺硅灰为零的抗压强度对比，不管是7 d 还是28 d 的抗压强度，掺入3%的硅灰，混凝土的抗压强度基本没有变化；掺量大于9%后，混凝土的抗压强度呈下降趋势。从7 d 的抗压强度来看，硅灰掺量的多少，对混凝土抗压强度的影响不大，这同硅灰对水泥胶砂7 d 抗压强度的影响规律吻合。从表10 看出，掺入硅灰后，混凝土的劈裂抗拉强度总体同样呈增长趋势。硅灰掺量为6%时，7、28 d 的劈裂抗拉强度比不掺硅灰的混凝土分别提高24%和16%。但当硅灰掺量超过6%后，不管是7 d 还是28 d 的劈裂抗拉强度，都开始呈下降趋势。可见硅灰掺量6%左右，对提高混凝土的劈裂抗拉强度是非常有利的。水泥的水化产物中，高碱性水化硅酸钙的强度不是很高，Ca（OH）2 的强度很低。因此，制备高强混凝土的一个关键问题，是设法减少高碱性水化硅酸钙，增加低碱性水化硅酸钙的含量，并减少Ca（OH）2。由于硅灰中含有大量的活性SiO2，在混凝土中掺入硅灰，在常温下能与水泥水化时析出的Ca（OH）2发生二次反应，生成具有胶凝性的低碱性水化硅酸钙和水化铝酸钙，因此可以提高混凝土的强度。另一方面，硅灰的粒径约为水泥粒径的1/50~1/10，能够在水泥胶结料中起到微孔填充作用，从而增加混凝土中胶结料的致密程度，对于混凝土强度的提高也有着积极的影响[1-2，4]。同时，由于硅灰活性的全部发挥需要大量的Ca（OH）2,而水泥水化是逐渐释放Ca（OH）2的，且其量是有限的，因此，当硅灰掺入超过一定量后，未参与二次水化的硅灰增加，因其比表面积的增大而影响强度的改善，即硅灰掺量超过某一适量范围后，水泥胶砂和混凝土强度反而降低。
3 结论
（1）在高强混凝土中掺入一定量（约为5%~9%）的硅灰，混凝土的抗压和抗折强度随硅灰掺量的增大呈增长趋势；当硅灰掺量高于9%后，其抗压强度开始下降。
（2）当硅灰掺量为3%~6%左右时，对高强混凝土的劈裂抗拉强度的增强作用非常有利；高于或低于这个掺量范围，硅灰的掺入对高强混凝土的劈裂抗拉强度的改善都不是很明显。
（3）硅灰和粉煤灰同时掺入自密实混凝土中，在低水胶比条件下，新拌混凝土的流动性仍然较理想，混凝土的泌水离析性能也得到改善，硬化后混凝土的强度提高。

编辑：小薇

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