硅灰對混凝土耐久性的影響

李林威

（福建林業(yè)職業(yè)技術學院工程系，福建 南平 353000）

自北歐國家冰島、挪威和瑞典1976年開始在工程上應用硅粉以來,人們開始對硅粉進行了不斷的研究。由于硅粉具有與硅酸鹽水泥獨特的互補性能,現(xiàn)在已被確定為一種新型的輔助膠結材料而被許多國家廣泛研究和應用。隨著結構超高和復雜程度的增大,人們對結構材料的工作性能提出了更高的要求,除了高工作度外,在實際應用中還希望高性能混凝土具有高的強度和耐久性。有些摻和料，如硅粉、高爐礦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。本文主要介紹了具有火山灰活性的硅灰對混凝土耐久性的影響。

1 硅灰的特性

（1）物理特性。硅灰顏色在淺灰色與深灰色之間,密度2.2g/cm3左右，比水泥(3.1g/cm3)要輕，與粉煤灰相似，堆積密度一般在200～350kg/m3。硅灰顆粒非常微小，大多數(shù)顆粒的粒徑小于1μm,平均粒徑0.1μm左右，僅是水泥顆粒平均直徑的1/100。硅灰的比表面積介于15000～25000m2/kg(采用氮吸附法即BET法測定)。硅灰的物理性質(zhì)決定了硅灰的微小顆粒具有高度的分散性，可以充分地填充在水泥顆粒之間，提高漿體硬化后的密實度。

（2）化學特性。硅粉是硅合金與硅鐵合金制造過程中高純石英、焦炭和木屑還原產(chǎn)生的副產(chǎn)品，是從電弧爐煙氣中收集到的無定型二氧化硅含量很高的微細球形顆粒。硅粉一般含有90%以上的SiO2，且大部分為無定型二氧化硅，其成分則根據(jù)合金品種不同而有變化。我國西寧、唐山、遵義等地硅粉的化學成分見表1。

表1 我國部分地區(qū)硅粉的化學成分

由表1可知，硅灰的主要化學成分為非晶態(tài)的無定型二氧化硅(SiO2)，一般占90%以上（通常用于高性能混凝土中的硅灰的SiO2最低要求含量是85%）。高細度的無定型SiO2具有較高的火山灰活性，即在水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(Ca(OH)2)的堿性激發(fā)下，SiO2能迅速與Ca(OH)2反應，生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，提高混凝土強度并改善混凝土性能。

硅粉之所以可以作為一種輔助性膠凝材料改善硬化水泥漿體的微結構，首先是因為硅粉具有很高的火山灰活性。雖然硅粉本身基本上與水不發(fā)生水化作用，但它能夠在水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2及其它一些化合物的激發(fā)作用下發(fā)生二次水化反應生成具有膠凝性的產(chǎn)物；其次是因為硅粉的微集料特性，它不僅自身可以填充硬化水泥漿體中的有害孔，其二次水化產(chǎn)物也可以填充硬化水泥漿體中的有害孔，從而改善硬化水泥漿體的微觀結構。

2 硅粉在水泥漿體和混凝土中的最佳應用條件

為了更有效地利用硅粉對硬化水泥漿體微結構的改善作用，國內(nèi)外許多研究者對硅粉在水泥漿體和混凝土中的最佳應用條件進行比較詳細的研究，這方面的研究主要包括水膠比、硅粉摻量、外加劑以及其它火山灰摻合料的選擇及其用量等。硅粉在水泥漿體和混凝土中應用時存在一個最優(yōu)水膠比范圍，一般超過該范圍，硅粉對硬化水泥漿體和混凝土微結構的改善作用就會降低。如Gapparao指出，在水泥砂漿3d或7d齡期時，水膠比小于0.45(水膠比為0.35，0.40)的含硅粉的砂漿試件強度降低，而水膠比等于0.45或0.50的含硅粉的砂漿試件強度上升；但在水泥砂漿28d或90d齡期時，水膠比小于0.35，0.40，0.50的含硅粉的砂漿試件強度大致相同；而水膠比等于0.45的含硅粉 (不論硅粉含量多少)的砂漿試件強度較低；當水膠比等于0.50，硅粉摻量大于27.5%時，硅粉對砂漿后期強度發(fā)展有顯著影響。

3 硅粉改善硬化水泥漿體微觀結構的機理

硅粉具有很強的火山灰活性。雖然硅粉直接加到水中時并不與水發(fā)生水化反應，但將硅粉與水泥同時加入到水中，當水泥發(fā)生水化反應時，硅粉立即與水泥水化產(chǎn)物之一Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(即火山灰反應)，生成C-S-H凝膠體，這樣既消耗了水化水泥漿體里的Ca(OH)2，又使C-S-H凝膠體(火山灰反應的生成物)增多，且硅粉還能與水化水泥漿體中另一種水化產(chǎn)物C-S-H凝膠體(又稱傳統(tǒng)C-S-H凝膠體)反應，生成低Ca/Si比的新C-S-H凝膠體(又稱火山灰C-S-H凝膠體)?；鹕交褻-S-H凝膠體與傳統(tǒng)C-S-H凝膠體的組成和性質(zhì)均不相同，它能與氫氧根離子、鋁離子等聚合，而且聚合后相當穩(wěn)定。新生成的C-S-H凝膠體不會在酸性溶液中分解，這便是使用硅粉配制的硬化水泥漿體對酸性介質(zhì)有一定的抵抗能力，對滲析、鹽霜、碳化有較強抵抗能力的原因。

另外，混凝土的界面過渡區(qū)內(nèi)Ca(OH)2及鈣礬石具有取向性，且界面過渡區(qū)的晶體比硬化水泥漿體中的晶體粗大，具有更多的孔隙，且水泥漿體相對來說泌水性大，在水泥漿體中的水分向上遷移的過程中會在骨料下面形成水膜，削弱界面的粘結，形成界面過渡區(qū)的微裂縫。而在凝膠土中摻加硅粉后，由于反應消耗了絕大部分的Ca(OH)2，并使傳統(tǒng)C-S-H混凝體轉變?yōu)榛鹕交褻-S-H凝膠體，與此同時，由于硅粉比表面積極大，可吸附大量自由水而減少泌水，減少自由水在集料界面上的聚集，使界面區(qū)結構密實，同時Ca(OH)2晶體的生長也受到限制,晶粒得到細化，排列的取向度降低，從而使界面過渡區(qū)的微結構改善。硅粉對硬化水泥漿體微結構的影響機理主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）提高水泥水化度，并與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應，增加硬化水泥漿體中的C-S-H凝膠體的數(shù)量，且改善了傳統(tǒng)C-S-H凝膠體的性能，從而提高硬化水泥漿體的性能。

（2）硅粉及其二次水化產(chǎn)物填充硬化水泥漿體中的有害孔，水泥石中宏觀大孔和毛細孔孔隙率降低，同時增加了凝膠孔和過渡孔，使孔徑分布發(fā)生很大變化，大孔減少，小孔增多，且分布均勻，從而改變硬化水泥漿體的孔結構。

（3）硅粉的摻入可以消耗水泥漿體中的Ca(OH)2，改善混凝土中硬化水泥漿體與骨料的界面性能。

由于以上原因，使得硬化水泥漿體及混凝土中摻入硅粉后的性能，特別是其耐久性得到很大改善。當然硅粉對硬化水泥漿體微結構的影響的機理也還沒有完全弄清楚，如硅粉對混凝土堿硅酸反應的抑制就有2種截然相反的觀點。因此，這方面還有許多工作需要做。

4 硅灰對高性能混凝土強度的作用機理

（1）填充效應?；炷猎诎柚坪衔飼r，為了獲得施工要求的流動性，常需要多加一些水(超過水泥水化所需水量)，這些多加的水不僅使水泥漿變稀，膠結力減弱，而且多余的水分殘留在混凝土中形成水泡或水道，隨混凝土硬化而蒸發(fā)后便留下孔隙。從而減少混凝土實際受力面積，而且在混凝土受力時，易在孔隙周圍產(chǎn)生應力集中。在混凝土中，內(nèi)部泌水受骨料顆粒的阻擋而聚集在骨料下面形成多孔界面。在骨料界面過濾區(qū)形成的Ca(OH)2要多于其它區(qū)域。Ca(OH)2晶體生長較大并有平行于骨料表面的較強取向性。平行于骨料表面的大Ca(OH)2晶體較易開裂,比水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)薄弱。水泥漿與骨料之間的界面過濾區(qū)由于多孔和有許多定向排列的大Ca(OH)2晶體，而成為混凝土內(nèi)部的強度薄弱區(qū)。HPC中由于摻入一定量的硅灰，其強度與普通混凝土(不摻硅灰)相比，有明顯改善。

（2）火山灰效應。在硅酸鹽水泥水化過程中，水泥水化反應生成水化硅鈣凝膠(C-S-H)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)和鈣礬石等水化產(chǎn)物。其中Ca(OH)2對強度有不利影響。硅灰中高度分散的SiO2組分能與Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，即所謂火山灰效應：

許多研究表明：在有硅灰存在的情況下，水泥水化早期的水化產(chǎn)物中有大量Ca(OH)2，隨著齡期的延長，Ca(OH)2的量越來越少，甚至完全測不到。Grutzeck等人對硅灰的火山灰效應提出解釋：硅灰接觸拌合水后首先形成富硅的凝膠，并吸收水分；凝膠在未水化水泥顆粒之間聚集，逐漸包裹水泥顆粒；Ca(OH)2與該富硅凝膠的表面反應產(chǎn)生C-S-H凝膠，這些來源于硅灰和Ca(OH)2的C-S-H凝膠多生成于水泥水化的C-S-H凝膠孔隙之中，大大提高了結構密實度。

（3）孔隙溶液化學效應。在水泥－硅灰水化體系中，硅灰與水泥的比率增加則水化產(chǎn)物的Ca/Si比降低。Ca/Si比低，相應的C-S-H凝膠就會結合較多的其它離子，如鋁和堿金屬離子等。這樣就會使孔隙溶液的堿金屬離子濃度大幅度降低。這就所謂孔隙溶液化學效應。