淺談硅灰在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用

伍重瑞

（重慶欣材混凝土集團(tuán)有限公司）

淺談硅灰在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用

伍重瑞

（重慶欣材混凝土集團(tuán)有限公司）

本文對硅灰的組分及性質(zhì)進(jìn)行了分析，并論述了其在高強(qiáng)混凝土中發(fā)揮的作用及其作用機(jī)理。

硅灰 高強(qiáng)混凝土

近些年來，由于社會的飛速發(fā)展，及建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑業(yè)對于混凝土的性能要求也與日俱增。而高強(qiáng)混凝土中摻入硅灰，會使得其耐久性能得到顯著的加強(qiáng)，因此硅灰在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用越來越得到人們的重視。

1. 灰簡介

硅灰是硅鐵合金廠冶煉硅或硅鐵合金時，從煙塵之中收集的一種飛灰，也叫做凝聚硅或硅粉。

1.1 主要成分

硅灰的組成成分并不是完全相同的，會受到冶煉過程的影響，表1給出的是硅灰的主要組分。

表1 硅灰的主要組分

由表1中可以看出，硅灰中比例最大的是非晶態(tài)的二氧化硅，所占比例達(dá)到90%以上。這種二氧化硅有著活躍的火山灰活性，也就是說，硅灰能夠很快地跟氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)。

1.2 物理性質(zhì)

硅灰是一種灰白色的粉狀顆粒，碳含量的不同會使得硅灰呈現(xiàn)出不同的顏色深淺。

硅灰是一種極細(xì)的顆粒，大部分顆粒不超過1，平均在0.1左右，僅為水泥粒徑的1/50-1/100。硅灰的密度一般為2200，松堆密度一般在180-230，空隙率可以超過90%。硅灰的比表面積極大，一般在15000-25000。

表2中給出了硅灰的一些物理性質(zhì)，并與水泥和粉煤灰進(jìn)行比較。

表2 硅灰與水泥、粉煤灰的物理性質(zhì)對比

硅灰的密度較小，而比表面積極大，說明硅灰的分你散性較大。當(dāng)硅灰摻入水泥混凝土中，硅灰能夠進(jìn)行充分的填充。

2. 灰的作用機(jī)理

硅灰由于其自身的化學(xué)組分以及一些物理性質(zhì)，當(dāng)摻入到混凝土當(dāng)中，會產(chǎn)生一些作用及反應(yīng)從而提高混凝土的強(qiáng)度和性能。

2.1 填充效應(yīng)

水泥混凝土的拌合過程中，往往會加入過量的水，以保證較好的施工流動性。但是多余的水會降低水泥漿的稠度，削弱其膠結(jié)力；另一方面又會在混凝土中發(fā)展為水泡，這些水泡會導(dǎo)致混凝土凝結(jié)后出現(xiàn)孔隙，進(jìn)而削弱混凝土的受力性能。

硅灰的填充效應(yīng)指的是：由于硅灰的粒徑遠(yuǎn)小于水泥顆粒，硅灰在水泥顆粒之間的空隙當(dāng)中起到填充作用。由于硅灰的顆粒數(shù)量較大，因此填充效應(yīng)的效果十分明顯。

硅灰另一方面能夠阻止混凝土的沁水，阻止水分集聚，從而一方面能夠提高水泥漿與骨料界面過渡區(qū)的密實度，另一方面能夠減小該區(qū)的厚度。也就是說，硅灰能夠增強(qiáng)水泥漿和石料之間的結(jié)合力，并不只是一個絕對的填充物。

2.2 火山灰反應(yīng)

火山灰反應(yīng)指的是在混凝土中，活性二氧化硅與氫氧化鈣反應(yīng)，生成水化硅酸鈣。這些氫氧化鈣來源于水泥的水化反應(yīng)，并且這些氫氧化鈣是不利于混凝土的強(qiáng)度形成的。在摻入硅灰的混凝土中，水泥的早期水化反應(yīng)產(chǎn)物有大量的氫氧化鈣，但齡期增長會導(dǎo)致混凝土中的氫氧化鈣含量迅速下降。

硅灰的存在會使得這些不利的氫氧化鈣轉(zhuǎn)化成為有利的水化硅酸鈣凝膠。同時硅灰與氫氧化鈣的不斷反應(yīng)，也會促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，從而提升了混凝土的早期強(qiáng)度。

2.3 空隙溶液化學(xué)效應(yīng)

空隙溶液化學(xué)效應(yīng)指的是由于硅灰的存在，會使得水化產(chǎn)物中硅化鈣的減少，相應(yīng)的水化硅酸鈣凝膠會吸附更多堿金屬離子，從而導(dǎo)致空隙溶液中堿金屬離子濃度的大幅度降低。

這種堿金屬離子濃度的降低能夠有效降低空隙溶液的pH值，從而極大程度的減少堿集料反應(yīng)的發(fā)生。

3. 灰發(fā)揮的作用

硅灰在混凝土當(dāng)中會發(fā)生上述所說的填充效應(yīng)、火山灰反應(yīng)以及空隙溶液化學(xué)效應(yīng)，這些都能對混凝土的性能帶來影響。

3.1 提高混凝土強(qiáng)度

由于硅灰的作用，混凝土的早期強(qiáng)度和最終強(qiáng)度會出現(xiàn)明顯的提升。一些研究表明，當(dāng)硅灰的摻量在30%以下時，摻加硅灰的混凝土的蒸汽養(yǎng)護(hù)一天的抗壓強(qiáng)度是普通混凝土的2倍；如果采用蒸壓養(yǎng)護(hù)，摻硅灰的混凝土的抗壓強(qiáng)度是不摻的混凝土的3倍；就是進(jìn)行普通的養(yǎng)護(hù)，摻硅灰的混凝土的強(qiáng)度也有明顯提升。同時，摻硅灰的混凝土的抗壓強(qiáng)度與硅灰摻量呈現(xiàn)正比關(guān)系，硅灰的摻量越大，混凝土的強(qiáng)度也就越高，但是一般不大于35%。

一些國家已經(jīng)通過使用硅灰生產(chǎn)出了強(qiáng)度高達(dá)1100kg/cm2的高強(qiáng)混凝土，而且工藝不算復(fù)雜，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 增加混凝土密實度

一方面，摻加的硅灰在水泥顆粒之間的空隙當(dāng)中起到類似細(xì)集料的填充作用，從而從微觀上減少混凝土的空隙率，增加混凝土的質(zhì)密性；另一方面，硅灰能夠與氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，從而生成水化硅酸鈣凝膠，提高混凝土的密度。通過借助電子顯微鏡，可以看到在摻入硅灰的混凝土當(dāng)中，有晶體的生長現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在空隙當(dāng)中尤為突出。國外的研究通過使用水泥注入法證明，摻入硅灰能夠有效地減少混凝土中的微小空隙體積，并且減小幅度明顯。

3.3 改善混凝土和易性

在混凝土中摻入硅灰，會提高水泥混凝土的需水量。也就是，在一定的水灰比下，硅灰的使用會降低混凝土的坍落度，這種降低的效果隨著硅灰的摻量的增大而增大。當(dāng)硅灰的用量為5%左右時，硅灰對混凝土用水量的影響較小，但是摻量繼續(xù)增大會使得混凝土用水量的出現(xiàn)大幅度增加，最大增幅為130%。當(dāng)然，高效減水劑的使用能夠起到一個很好的平衡作用。高效減水劑和硅灰已經(jīng)是制作高強(qiáng)混凝土的基本途徑。

混凝土浮漿現(xiàn)象，指的是混凝土在澆筑后，往往會出現(xiàn)水從水泥混凝土中分離出來的現(xiàn)象，隨之就會在混凝土的表層形成水膜。浮漿的發(fā)生，往往意味著混凝土的表層會出現(xiàn)不均勻的分布，進(jìn)而影響混凝土的性能。國外研究結(jié)果證實，硅灰摻入的越多，混凝土發(fā)生離析和沁水的概率就越低。當(dāng)硅灰的摻量為15%時，就算混凝土的坍落度達(dá)到15-20厘米，混凝土當(dāng)中也基本沒有離析和沁水現(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)硅灰摻量達(dá)到20%-30%，混凝土在各種不利狀況下，基本都不會出現(xiàn)離析和沁水現(xiàn)象。

3.4 提高混凝土的耐久性

硅灰的使用能夠顯著地降低混凝土內(nèi)部的微小空隙并增強(qiáng)質(zhì)密性。因此，硅灰的摻入能夠有效提高混凝土的抗?jié)B性能，同時硅灰的摻入有效地防止了外部溶液的滲入，即能夠有效地防止外部溶液的化學(xué)腐蝕作用。有研究表明，當(dāng)硅灰的摻量為10%-20%時，能夠有效增加混凝土的抗?jié)B性和抗化學(xué)腐蝕性，并且還能夠提高鋼筋的抗腐蝕性。同時，硅灰具有很高的比電阻，當(dāng)摻入到混凝土當(dāng)中，也能夠顯著提高混凝土的比電阻。

3.5 改善混凝土的抗凍性

許多試驗的結(jié)果都證明了硅灰會對混凝土的抗凍性能造成影響。但是這種影響并不是一種正比例關(guān)系。伴隨著硅灰摻量的增大，混凝土的抗凍性能會出現(xiàn)從增加到降低的一個趨勢。一般當(dāng)硅灰的摻量低于10%，硅灰的摻入能夠改善混凝土的抗凍性；當(dāng)硅灰的摻量為15%-20%之前，硅灰的摻入對混凝土的抗凍性能的影響很小，可以忽略；當(dāng)硅灰的摻量大于20%，硅灰的摻入反而會削弱混凝土的抗凍性能。

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[3]程瑤,張美霞.綠色高強(qiáng)混凝土——硅灰混凝土[J].安全與環(huán)境工程,2002,03期:33-36.

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1007-6344（2015）11-0001-01