浅谈硅灰对混凝土性能影响的研究进展

 多年以来，我国将硅粉应用到实际工程上，并开始对硅粉展开深入研究。由于硅酸盐水泥与硅粉性能之间存在互补关系，因此，硅灰成为了一种新型辅助胶结材料，逐渐推广到各个城市得到广泛应用^[1]。为了适应于各个环境，材料结构变得越来越复杂，导致混凝土耐久性与强度无法满足相应需求，本文将针对这一问题进行技术分析。
一、硅灰特性
1、物理特性
    硅灰颜色介于深灰色与浅灰色之间，其密度大约在2.2g/cm³，与水泥密度相比要轻一些。该物质与粉煤灰存在相似之处，通常情况下，堆积密度在200 kg/cm³至350 kg/cm³之间。硅灰的颗粒非常小，其中大部分颗粒的粒径在1以下，所有粒径的平均大小为0.1，水泥颗粒平均直径是其平均直径的100倍。硅灰表面积在15000m²/kg至25000m²/kg之间^[2]。该物质的物理特性成为了微小颗粒高度分散的决定性因素，主要用于填充水泥颗粒之间的缝隙，从而达到提高浆体硬化密实度的目的。
2、化学特性
硅粉是硅铁合金与硅合金制造期间产生的副产品，可以从电弧炉烟气当中收集到一些微细球形颗粒，这些颗粒没有固定的形状，并且含有二氧化硅的比例较高。通常情况下，SiO₂的含量在90%以上，其中大部分为无定型SiO₂，该物质的依据合金品种类型的不同存在较大差异^[3]。本文主要对哈尔滨、佳木斯、绥化3个区域的硅粉化学成分展开研究，具体成分见表1。
表1 哈尔滨、佳木斯、绥化区域硅粉化学成分

化学成分	A12O3	SiO2	CaO	Fe2O3	C	MgO	R2O
哈尔滨	0.81	92.39	0.49	1.10	1.0	1.10	0.30
佳木斯	0.98	90.08	0.80	2.00	1.0	1.16	0.46
绥化	0.43	92.15	0.93	0.26	1.0	1.36	0.98

   通过观察表1可知，硅灰的主要化学成分是无定型SiO₂，该化学成分属于非晶态。通常情况下，其比例大小在90%以上，如果应用到高性能混凝土中需要将比例控制在85%以上。高细度无定型可以与SiO₂迅速发生反应，最终生成一种（C-S-H）的物质，该物质不仅能够在一定程度上提高混进土强度，而且还能够起到改善混凝土性能的作用。
    硅粉的火山灰活性较高，在改善硬化水泥浆体微结构中起到辅助性作用。虽然该物质遇到水不会发生化学反应，但是在水泥水化产物Ca(OH)₂、其他化合物的作用下，受到刺激以后将产生二次水化反应。另外，硅粉微材料特性对水泥浆体具有填充硬化功效，可以解决水泥浆体中存在害孔问题，从而达到改善硬化水泥浆体微观结构的目的。
二、水泥浆体与混凝土中应用硅粉的最佳条件
目前，国内外很多研究学者针对硅粉在混凝土与浆体中应用展开探究，从中寻找最佳应用条件，通过对比分析寻求硅粉掺量、水胶比、额外添加剂、其他火山灰掺合料最佳比例。通常情况下，如果配比超出了标准范围，则硅粉在混凝土与水泥浆体微结构中的应用效果就会降低^[4]。本次研究以Capparao为例，当水泥砂浆龄期在3天至7天之间时，含有0.45硅粉砂浆试件强度将有所降低，而含量在0.45至0.50之间的含有硅粉砂浆强度将有很大幅度的提升；当水泥砂浆龄期在28天至90天时，含量为0.50的硅粉砂浆试件强度将与含量为0.40和0.35的硅粉砂浆试件强度大致相等^[5]。另外，与含有0.45的硅粉砂浆试件相比，水胶的强度要低一些；当硅粉掺量的比例超出27.5%时，此时再向砂浆中添加硅粉会有非常显著的效果。
虽然硅粉可以在一定程度上改善混凝土与水泥浆体微结构，但是硅粉的颗粒径比较小，其表面积较大，将硅粉添加到混凝土与水泥浆体中以后，再次添加硅粉掺合，需水量会随着硅粉掺量的增加而增加，同时自收缩也会随之增加。所以，经过多次试验总结出硅粉的掺量范围需要控制在5%至10%之间。如果水分不足，可以使用高效减水剂来进行调节。另外，额外添加剂、硅粉、水泥之间存在一个相同性问题，所以，在使用硅粉时必须充分考虑其应用条件。由于硅粉添加到混凝土中以后，混凝土性能与硬化水泥浆体会受到有利作用，但是在此期间还需要掺加一些其它火山灰材料来避免硅粉对其造成不利影响，除了火山灰以外，还可以利用粉煤灰与其掺合^[6]。
以上方法是本次技术报告处理硅粉对混凝土性能影响分析的主要探究方法，除此之外，还可以直接将硅粉与硅烷掺合到混凝土或者水泥浆体中，这些物质均可以改善其性能，使得混凝土与水泥浆体微结构发生变化。
三、高性能混凝土强度作用机理
1、填充效应
    为了满足施工流动性需求，在搅拌混凝土时，需要适当添加一些水，在加水的过程中水泥浆将逐渐被稀释，同时胶结力也会有所减弱，大部分水分将残留到混凝土中，最终形成水道或者水泡，蒸发后将留下孔隙，导致混凝土实际受力面积有所降低。在混凝土受力的过程中，在孔隙周围容易出现应力集中情况。对于混凝土结构，其内部泌水受到骨料颗粒的阻挡以后，在骨料下面将会形成一个多孔界面，同时过滤区域会有大量的Ca(OH)2形成。该化学成分晶体生长较大，并且与骨料表面相持平^[7]。在平行方向上，骨料表面容易受到影响导致开裂，与水化硅酸钙凝胶（C-S-H）相比更薄弱一些。由于骨料与水泥浆之间界面过滤区域聚集大量Ca(OH)2晶体和孔洞，经过一段时间的化学反应，最终在混凝土内部形成强度薄弱区域。在HPC中掺加规定量的硅灰，与普通混凝土相比，其效果有显著改善。本次研究以比例为15%的硅灰为例，让该物质取代水泥，硅灰颗粒数量与水泥颗粒数量的比例为2000000:1，由此可见HPC受硅灰影响较大。在HPC中，硅灰颗粒的直径小于水泥颗粒直径，可以用于填充水泥孔隙，其效果与细骨科填充到粗骨科孔隙中的效果一样，从微观尺度上适当增加HPC密实度，从而达到提高该物质强度的目的，此过程产生的效应为“填充效应”。在填充过程中，水泥浆体孔数量明显减少，并且在一定程度上提高了匀质性，使得总孔隙率不发生太大变化。
2、火山灰效应
在硅酸盐水泥水化期间产生的3种化学物质分别是钙巩石、氢氧化钙（Ca(OH)₂）、水化硅钙凝胶（C-S-H）。其中，氢氧化钙对水泥强度存在不利影响，并且硅灰中的SiO₂与Ca(OH)₂反应将生成凝胶，对应的化学反应公式为
Ca(OH)₂+ SiO₂+H₂OC-S-H
经研究表明，在含有硅灰的情况下，水泥水化早期水化产物当中含有大量，其含量会随着时间的推移逐渐减少，最终将完全消失。硅凝胶表面遇到Ca(OH)₂以后将生成C-S-H，这些生成物将逐渐渗透到凝胶孔隙中，使得混凝土结构密实度有所提高。
3、孔隙溶液化学效应
    在硅灰与水泥一体化体系当中，水泥与硅灰的比率将随着Ca与Si的比例降低而逐渐增加。当该比例比较低时，凝胶就会结合一些其它离子，例如碱金属离子、铝金属离子等。这些离子的增加，将使得孔隙溶液中金属离子浓度有所降低，这个过程就是“孔隙溶液化学反应”。本次研究发现，增加硅灰比例以后，孔隙溶液中的PH值就会显著下降，这一现象产生的主要原因在于硅灰与Ca(OH)₂和碱金属离子反应，逐渐消耗引起的。由此可以看出硅灰具有降低孔隙碱金属离子功效，尤其是含有碱活性骨料的HPC，有利于消除硅酸—碱反应造成的危害。另外，硅灰还具有降低Cl^-渗透率、提高HPC电阻率功效，可以有效防止钢筋锈腐蚀，使得HPC的耐久性与强度得以提升。
四、高性能混凝土耐久性影响分析
1、抗冻性
如果掺合的硅粉量不是很大，与普通混凝土相比，硅粉混凝土的冻土性基本相同。如果硅粉掺量的比例高于15%，则其冻土性较差，误差满足相关要求。经过多次试验，笔者提出的观点得以认证，其主要原因为当硅粉比例超出限定范围15%时，就会对混凝土造成影响，导致其膨胀量增加，同时相对动弹性模数有所降低。从混凝土内部特征来分析，该物质的表面积比较小，且存在较大的间距系数。
2、抗磨蚀性
    对于水工结构中的高速水流泄水建筑物材料来说，其抗孔蚀性与抗冲磨性非常重要。添加适当硅粉到混凝土当中来改善其自身硬度与抗磨性，使得水泥浆骨料界面的粘结得到相应改善，最终实现高抗冲蚀效果。
总结
本文主要对混凝土性能受硅灰影响进行技术报告撰写，主要分为硅灰特性、水泥浆体与混凝土中应用硅粉的最佳条件、高性能混凝土强度作用机理、高性能混凝土耐久性影响4个方面的研究。依据硅灰的物理特性与化学特性，通过设定不同参数比例详细探究了硅灰对混凝土性能影响。试验结果表明，在规定范围内添加硅灰，有助于混凝土性能的提升。
参考文献
[1]张宪圆,林克辉,谢红波.硅灰对蒸压加气混凝土性能影响的研究[J].新型建筑材料, 2016,43(10):53-55.
[2]陈全滨,罗作球,袁启涛,等.超细粉对高性能超高泵送混凝土性能的影响研究[J].施工技术,2015,44(8):118-121.
[3]丁向群,周睿彤,王钰.硅灰对混凝土抗冻性能及其孔结构的影响[J].混凝土, 2017(2):53-55.
[4]刘红彬,鞠杨,孙华飞,等.硅灰掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响[J].工业建筑, 2015,45(4):132-135.
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[6]黄政宇,张猜兵.多孔超细粉对超高性能混凝土性能的影响研究[J].硅酸盐通报,2015, 34(7):1736-1743.
[7]梁远博,谷坤鹏,王成启.硅灰对高石粉含量机制砂制备混凝土的影响[J].水运工程, 2017(7):53-57.
 

编辑：小薇