关于硅灰混凝土强度和耐久性的研究发展

 随着结构超高和复杂程度的增大，人们对结构材料的工作性能提出了更高的要求，除了高工作度外，在实际应用中还希望高性能混凝土具有高的强度和耐久性。有些掺和料， 如硅灰、高炉矿渣及粉煤灰已被用于提高新拌混凝土及硬化后混凝土的性能，同时节能利废。硅灰是炼硅及硅铁合金工业中用的电炉的副产物，是近20 年发展起来的一种高活性掺合料。深入研究并开发硅灰的资源，对进一步推广硅灰混凝土在工程中广泛应用具有重要意义。
1 　国内外研究现状
   硅灰的研究始于斯堪的纳维亚国家，尽管20世纪50年代人们对硅灰作用就有所认识和初步的研究，但应用于实际工程中是从70年代开始的，首先是挪威和瑞典等国家在港口码头、北海油田及地下矿井中部分采用了硅灰混凝土，1982 年，挪威在伏诺维斯坝上正式采用了硅灰混凝土筑坝， 20世纪80 年代初加拿大在魁北克建立了硅灰混凝土，并对大体积硅灰混凝土进行试验研究，拌制高标号混凝土1 万立方米，1983年美国用硅灰混凝土修补了奥里夫尼河上的卡查坝消力池，效果良好。世界上其它国家也都加紧研究和应用。而我国对硅灰的研究历史不长，仅仅10多年时间，1985年水电部东勘院科研所和水电部第十工程局首次在四川渔子溪二级电站中试用了硅灰混凝土，在厂房混凝土中掺硅灰3 %～7 %，以提高早期强度，加快模板周转，达到预期效果，另外，在引水隧洞喷射混凝土中，掺硅灰715 %，以减少混凝土的回弹量，南科院在大伙房水库工程、龙羊峡泄水建筑物和葛洲坝泄水闸修补等工程中都采用了硅灰混凝土，效果较好，水科院对硅灰混凝土的耐久性能及硅灰水泥水藻灌浆材料进行了一些研究，并在二滩水电站基础固结灌浆中，潘家大坝溢流面修复工程、安康及四川秋达电站导流泄洪洞修补等工程中使用了硅灰混凝土，硅灰水泥灌浆。所有这些，说明硅灰混凝土作为一种高性能混凝土在工程中的应用日显重要，所以对其性能特别是其强度与耐久性的研究也倍受关注。
1. 1 　配合比
   对于硅灰混凝土的配合比设计，主要是根据设计要求， 确定硅灰的掺入方法，硅灰的最佳掺量，减水剂的最优掺量及砂石料调整，而其它则按普通混凝土设计方法进行。
  a) 硅灰的掺入方法：硅灰在混凝土中一般有两种方法： 一是内掺，二是外掺，都要与减水剂配合使用。内掺法往往用硅灰代替水泥，又分等量代替和部分等量代替两种，等量代替为硅灰掺量代替相等的水泥，部分代替为1 kg 硅灰代替1～3 kg 水泥，作为研究一般掺量为5 %～30 % ，水灰比一般保持不变：而外掺法指的是硅灰像外加剂那样掺在混凝土中，而水泥用量不减少，掺量一般为5 %～10 % ，一般外掺法而得的混凝土的力学性能要高得多，但增加了混凝土中胶凝材料用量。
  b) 硅灰的最优掺量往往控制在8 %～10 %。它是根据所用硅灰、水泥种类和骨料性质而定，并考虑它对性能改善程度及施工方便与否和技术经济指标等。
  c) 减水剂的最佳掺量：在混凝土中使用硅灰，如不掺减水剂，想保持相同的流动度，则必然要增加用水量、水灰比增加，掺硅灰的混凝土强度也不上去，这也是过去硅灰在混凝土中未推广使用的原因。硅灰与减水剂联合使用掺用硅灰水灰比不变，即用水量不增加，也能达到与未掺硅灰的混凝土具有相同的流动度且硅灰混凝土强度等性能得到大幅度提高，一般国内较多采用萘系高效减水剂，如建1、H、DH3、FDN、NF、N2B 等，其掺量一般为胶材用量的1 %以内，有时为了减小水灰比，拌制超高强混凝土，减水剂掺量达2 %～ 3 %。
  d) 砂石料用量调整：内掺硅灰一般对砂石用量不必调整。外掺硅灰要扣掉与硅灰体积相等的砂石体积。
1.2 　硅灰对高性能混凝土强度的影响
  尽管应用纯水泥可以制成抗压强度高达100 MPa 的HPC ，但当使用硅灰时将容易得多。而对于制备强度超过100 MPa 的混凝土，硅灰的使用几乎不可缺少。硅灰在混凝土中同时起填充材料和火山灰材料使用。使用硅灰后，大大降低了水化浆体中的孔隙尺寸，改善了孔隙尺寸分布，于是使强度提高，渗透性降低。例如，研究结果表明(CEB2FIP1988) ，  为获得70 MPa 的混凝土强度，应用纯水泥需要水胶比0.35 ， 而当加8 %的硅灰时，水胶比可以为0.50。由于硅灰颗粒非常细，它们可以在很早的几个小时内发生火山灰反应。根据Carette 和Malhotra 1992) 的报导，硅灰对混凝土强度的贡献主要在28d 之前。所以，就长期强度增长方面，一般认为硅灰混凝土不如纯水泥混凝土或粉煤灰混凝土。Almad (1994) 引用的硅灰对NSC 强度发展的试验结果表明，硅灰掺量增加使得早期相对强度发展降低，Sandvik 1992 在65 MPa 的混凝土中也发现了这种现象。
   然而，尽管在相同的水胶比下硅灰混凝土的早期相对强度发展比纯水泥混凝土的慢，由于加入硅灰使得强度大大提高，硅灰混凝土的绝对强度则比纯水泥混凝土的高。另一方面，经验表明，HPC 的早期强度发展比NSC 的快，虽然HPC的凝结时间可能稍有推迟，其凝结之后的水化作用会由于高效减水剂和硅灰大大加快。其结果通常是凝结之后强度发展非常快。
   对于某些空气中干燥或养护的很低水胶比的硅灰混凝土试件，有抗压强度倒缩的报导(De Larrard 和Aiticin 1993) 。这种强度降低通常发生在90 d 龄期之后，一般认为是由内部自干燥及干燥裂缝引起的。然而，许多其他研究人员的试验室及现场研究表明，HPC 的后期强度没有降低。例如，从6 种不同的HPC 中取得的3 个月至3 年龄期的所有钻芯试样试验结果表明，其强度在不断增长。当然，与NSC 比较， HPC 的长期强度增长潜力较小。
1.3 　硅灰对高性能混凝土的耐久性的影响
   混凝土的耐久性包括了混凝土的抗冻性、抗渗性、抗化学侵蚀性，抗钢筋侵蚀能力和抗冲磨性能，在此仅谈谈它对混凝土的抗冻性、抗渗性及抗化学侵蚀性的影响。
a) 抗冻性：当硅灰掺量少时，硅灰混凝土的抗冻性与普通混凝土基本相同，当硅灰掺量超过15 %时，它的抗冻性较差。通过大量的试验，这种观点基本上被证实了，主要原因是当硅灰超过15 %时，混凝土膨胀量增大，相对动弹性模数降低，抗压强度急剧下降，从混凝土内部方面特征看，比表面积小，间距系数大。
b) 抗渗性：由于硅灰颗粒小，比水泥颗粒小20～100 倍， 可以充填到水泥颗粒中间的空隙中，使混凝土密实，同时硅灰的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中渗透通道，故硅灰混凝土的抗渗能力很强，混凝土的渗透性随水胶比的增加而增大，这是因为水灰比混凝土的密实性相对差些。
c) 抗化学侵蚀性：在混凝土中掺入硅灰，能减少Ca (OH) 2 含量，增加混凝土密实性，有效提高弱酸腐蚀能力，但在强酸或高深度的弱酸中不行，因混凝土中的CSH 在酸中分解，另外，它还能抗盐类腐蚀，尤其是对氯盐及硫酸盐类，它之所以能抗酸盐侵蚀，原因是硅灰混凝土较密实，孔结构得到改善， 从而减少了有害离子传递速度及减少了可溶性的Ca (OH) 2 和钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4 ·32H2 ) 的生成，而增加了水化硅酸钙晶体的结果。
2 　存在问题及进一步研究方向
a) 总体来说，硅灰的研究不够深入，应用起步时间不长， 对硅灰的资源有待进一步开发。
b) 水灰比，减水剂，硅灰及水泥之间存在相互作用，但很难评论某一特定系数的实际作用，需要我们进一步研究。
c) 进一步研究更多因素对硅灰混凝土强度及耐久性的影响，及多因素交互作用的结果，研究硅灰不同掺量对硅灰混凝土性能的影响。
参考文献
1 　Sellevold E. J . Nilsen T. Condensed siliaca fume in concrete a world Review. 1982 
2 　惠荣炎，黄国兴. 硅灰在挪威伏雷维斯坝施工中的应用. 水利水电技术，1987 
3 　张飞铎译. 掺粉煤灰和硅灰的混凝土性能. 建筑科技情报，1997 
4 　丁雁飞，孙景进. 硅灰混凝土的抗渗性及其应用. 东北水利水电， 1999 

编辑：小薇