硅灰改良混凝土性能的研究現(xiàn)狀★

劉金輝 周浩然

(1.寧夏華僑園集團(tuán)公路工程有限公司，寧夏 固原 756000; 2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

?

硅灰改良混凝土性能的研究現(xiàn)狀★

劉金輝1周浩然2

(1.寧夏華僑園集團(tuán)公路工程有限公司，寧夏 固原 756000; 2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

介紹了硅灰的含義與研究現(xiàn)狀，結(jié)合硅灰改良混凝土的物理與化學(xué)機(jī)理，分析了硅灰對混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響，指出硅灰作為摻料制作混凝土?xí)r，可在一定程度上提高混凝土的強(qiáng)度與耐久性。

硅灰，混凝土，力學(xué)性能，耐久性

0 引言

硅灰，又稱硅粉，是工業(yè)冶煉過程中產(chǎn)生的SiO2和Si氣體與空氣中的氧氣經(jīng)過迅速氧化并冷凝形成的一種硅質(zhì)粉體材料。由于將硅灰直接排放到空氣中會對環(huán)境造成極大污染，且我國的硅灰產(chǎn)量很大，因此對于硅灰的回收利用十分重要。

混凝土是根據(jù)一定的配合比，由水、膠凝材料以及骨料拌合而成的一種人造材料。由于材料易得，成本低廉，且種類繁多，可以適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)需求，混凝土已成為我國最為廣泛使用的土木工程材料之一。然而，混凝土在使用過程中常出現(xiàn)力學(xué)性能和耐久性方面的問題。因此，如何通過在拌合混凝土?xí)r加入摻合料來改善其性能逐漸成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。

20世紀(jì)50年代，挪威、丹麥率先對硅灰在混凝土方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。到了20世紀(jì)80年代，硅灰在美國、日本、加拿大等國得到了更為廣泛和全面的研究、應(yīng)用，研究硅灰對于混凝土性能的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文即圍繞硅灰對混凝土性能的改良進(jìn)行了綜述[2]。

1 硅灰改良混凝土的機(jī)理研究

1.1 物理機(jī)理

硅灰顆粒有相當(dāng)高的分散性，使之能夠充分地填入水泥顆粒間，提升混凝土硬化之后的密實(shí)性[3]。

1.2 化學(xué)機(jī)理

硅灰的化學(xué)成分大約90%以上為非晶態(tài)的無定型二氧化硅(SiO2)，具有火山灰活性。李建權(quán)等在研究水泥/石灰砂漿微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)中用10%的硅灰取代了水泥，對水泥/石灰砂漿材料進(jìn)行改性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)28 d后硅灰的火山灰活性被激發(fā)，與砂漿中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成了纖維狀的C-S-H凝膠，這種產(chǎn)物填入試樣中的孔隙后不僅令試樣的孔隙率得以降低，還使材料獲得了相應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度。可見，加入硅灰有效地改善了材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率，還對材料硬化后期的強(qiáng)度提高起到了很大的作用[3]。

2 硅灰對混凝土力學(xué)性能的改良

混凝土的力學(xué)性能包括抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)，由于抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度這幾個(gè)指標(biāo)在工程實(shí)際應(yīng)用中十分重要，因此這里我們著重討論硅灰的摻入對于前三個(gè)指標(biāo)的影響。

2.1 對抗壓強(qiáng)度的改良

閻培渝等[4]研究了水膠比為0.24或0.29，硅灰摻量0%～10%，養(yǎng)護(hù)溫度20 ℃或50 ℃時(shí)，摻加加密硅灰或原狀硅灰的高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)兩種硅灰均能加快混凝土的強(qiáng)度發(fā)展且當(dāng)硅灰摻量在膠凝材料總量的10%以內(nèi)時(shí)效果最佳。蒲心誠等[5,6]研究發(fā)現(xiàn)摻入硅灰的混凝土的各齡期強(qiáng)度均超過了無硅灰的混凝土相應(yīng)齡期的強(qiáng)度，同時(shí)極大地提升了混凝土的流動(dòng)性。當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí)，混凝土各齡期增長的強(qiáng)度最多，但硅灰摻量為5%的混凝土其強(qiáng)度的增長則不甚明顯。硅灰貢獻(xiàn)的強(qiáng)度達(dá)150 MPa級混凝土的1/3。張奇奇等[7]在硅灰對HPMC改性水泥砂漿性能的研究中也發(fā)現(xiàn)硅灰摻量在10%時(shí)，HPMC改性水泥砂漿28 d的抗壓強(qiáng)度可以提高40%。

而張憲圓等[8]經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蒸壓加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度在硅灰摻量不大于5%時(shí)增長最明顯。王洪等[9-11]通過試驗(yàn)研究了硅灰對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)混凝土的配制過程中加入約為5%～9%的硅灰，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度會隨著硅灰摻量的增加而增長，但摻量大于9%后其抗壓強(qiáng)度會開始下降。而Sri M Kalaiarasu等[12]研究發(fā)現(xiàn)硅灰摻量15%時(shí)，可以使高性能混凝土取得較高的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)還可獲得良好的劈裂強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度。侯茜茜等[13]也在硅灰摻量對高強(qiáng)自密實(shí)混凝土性能的影響研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅灰摻量增大、齡期延長時(shí)，所制得的高強(qiáng)自密實(shí)混凝土抗壓性能會得到明顯提高。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅灰摻量從30%增大至50%時(shí)，混凝土的28 d,180 d抗壓強(qiáng)度分別增大了8%,15%。

2.2 對抗折強(qiáng)度的改良

劉文永等[14]進(jìn)行了用硅灰配制高抗折混凝土的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，以8%的硅灰代替礦渣水泥配制出的高抗折混凝土的3 d抗折強(qiáng)度達(dá)到了8.8 MPa，提高了44.3%；28 d抗折強(qiáng)度達(dá)到了11.4 MPa，提高了50%。此外，加入8%硅灰后，28 d抗壓強(qiáng)度提高了13.2%，劈裂強(qiáng)度也提高了34.6%，而90 d強(qiáng)度增幅并未減少。Zemei Wu等[15,16]在研究硅灰對于超高強(qiáng)鋼纖維水泥基混凝土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響中也發(fā)現(xiàn)，硅灰的摻入有利于混凝土微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展，且當(dāng)硅灰摻量在15%～25%內(nèi)可使混凝土的力學(xué)性能達(dá)到最佳。經(jīng)簡單的雙側(cè)拉拔等實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，摻入硅灰后，混凝土的微觀硬度會有一定程度的提高，同時(shí)其抗折性能也可得到提升。

2.3 對劈裂強(qiáng)度的改良

Santanu等[17,18]進(jìn)行了大量高強(qiáng)高性能混凝土實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硅灰摻量的百分比控制在15%～25%能夠使混凝土獲得接近最大的劈裂抗拉強(qiáng)度；當(dāng)硅灰摻量大于15%時(shí)，對于混凝土的劈裂強(qiáng)度沒有顯著的影響；當(dāng)硅灰摻量大于25%時(shí)，混凝土的抗彎強(qiáng)度會有相當(dāng)大的增長。王洪等[9]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅灰摻量在3%～6%時(shí)，對混凝土劈裂強(qiáng)度的增長最為有利，高于或低于此范圍對于劈裂強(qiáng)度都沒有明顯改善。

3 硅灰改良混凝土的耐久性研究

3.1 對抗凍性的影響

在工程建設(shè)中，由于四季的溫度變化導(dǎo)致的“凍融循環(huán)”對混凝土的破壞作用很大，因此改善混凝土的抗凍性是提高混凝土耐久性的重要途徑之一。

李理等[19]在混凝土抗凍性影響的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，未摻入硅灰的混凝土試塊，在凍融次數(shù)達(dá)到250次之后，相對動(dòng)彈模量下降較快；而摻入硅灰的混凝土試塊在凍融次數(shù)達(dá)到300次之后仍然未破壞，可見硅灰對提高混凝土的抗凍性有著重要作用。另外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同水膠比條件下，硅灰摻量增加，抗凍性能提高；硅灰摻量相同條件下，水膠比增加，抗凍性能降低。摻硅灰混凝土的最佳抗凍性配比為：水膠比0.30，硅灰摻量5%。

但付亞偉等[20]在研究硅灰對自密實(shí)混凝土性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，硅灰摻量在5%～10%時(shí)可以使自密實(shí)混凝土的抗凍性達(dá)到最佳。劉斯鳳等[21]研究了摻入硅灰的超高性能混凝土(RPC)，發(fā)現(xiàn)在熱水養(yǎng)護(hù)的條件下，RPC的密實(shí)性得到提高，混凝土中的毛細(xì)尺度得以細(xì)化，孔隙率得以減小，提高了毛細(xì)孔的充水難度，進(jìn)而提高了RPC的抗凍性。陳德玉等[22,23]研究了不同因素對再生骨料混凝土抗凍性的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)小的硅灰可以較好地填補(bǔ)水泥石內(nèi)部的孔洞,減少了內(nèi)部可凍水量，從而提高了混凝土的抗凍性。

3.2 對抗?jié)B性的影響

作為一種透水材料，混凝土的抗?jié)B性與其內(nèi)部孔隙率、孔隙大小等因素有著密切關(guān)系。

劉文永等[14]在硅灰配制高抗折混凝土的研究中發(fā)現(xiàn)，水滲透試驗(yàn)中摻入硅灰的混凝土滲水高度明顯低于未摻入硅灰的混凝土,Cl-滲透試驗(yàn)中摻入硅灰的混凝土通過電量也顯著少于未摻入硅灰的混凝土，表明硅灰的摻入對混凝土抗?jié)B性的提高有顯著作用。王陽等[24]在研究硅灰對于混凝土長期耐久性能影響的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)混凝土摻入硅灰之后，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和界面性能得到改善。粒徑極小的硅灰顆粒填入水泥顆粒的孔隙，使混凝土密實(shí)度上升，并由摻入硅灰和未摻硅灰混凝土電通量的比較，發(fā)現(xiàn)摻入硅灰的混凝土的抗氯離子滲透性大大提高。

諸多試驗(yàn)也表明多種材料的復(fù)摻對于混凝土抗?jié)B性的提高比單摻更佳。唐明等[25,26]在同水膠比下混凝土中水泥、礦渣、粉煤灰、硅灰的混料效應(yīng)研究中，發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻量的增加，混凝土的抗?jié)B性能也在逐漸提高。張武滿等[27]發(fā)現(xiàn)摻入5%和10%硅灰的混凝土在重復(fù)荷載作用下的氯離子透過性會小于基準(zhǔn)混凝土，且摻加5%的硅灰時(shí)，混凝土的抗氯離子透過性與摻加20%的礦渣時(shí)的相當(dāng)。鄧海斌等[28]進(jìn)行了二元復(fù)摻鋼渣混凝土試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)鋼渣粉硅灰摻量為10%時(shí)，混凝土抗?jié)B能力有顯著提高且遠(yuǎn)大于鋼渣粉單摻時(shí)的情況。劉競等[29,30]圍繞粉煤灰混凝土進(jìn)行了單摻聚丙烯纖維、硅灰以及二者的復(fù)摻試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)單摻聚丙烯纖維對于抗氯離子滲透性影響較小，而聚丙烯纖維與硅灰雙摻卻能夠令氯離子的擴(kuò)散系數(shù)減少50%以上。

4 結(jié)語

因硅灰具有良好的火山灰活性，能夠與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，故作為摻料參與制作混凝土?xí)r能夠在一定程度上提高混凝土的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)還可以提高混凝土的耐久性如抗凍性及抗?jié)B性等。但由于制作的混凝土種類各異，配制條件與材料也不盡相同，所以還難以得到能使混凝土性能達(dá)到最佳狀態(tài)的硅灰摻量。因此，如何利用已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如何通過數(shù)值模擬等技術(shù)確定出硅灰的最佳替代比例將成為未來研究的一個(gè)重要方向。

[1] 林毓梅.硅灰及硅灰混凝土綜述[J].河海大學(xué)科技情報(bào),1990,10(3):59-67.

[2] 何小芳,盧軍太,李小楠,等.硅灰對混凝土性能影響的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào),2013,32(3):423-428.

[3] 馬艷芳,李 寧,常 鈞.硅灰性能及其再利用的研究進(jìn)展[J].無機(jī)鹽工業(yè)，2009(10)：8-10.

[4] 閻培渝,張 波.以不同形態(tài)硅灰配制的高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2016,44(2):196-201.

[5] 蒲心誠,嚴(yán)吳南.硅灰對150 MPa超高強(qiáng)高流態(tài)混凝土的強(qiáng)度及流動(dòng)性的貢獻(xiàn)[J].混凝土與水泥制品,2000(1):8-12.

[6] Fallah S, Nematzadeh M. Mechanical properties and durability of high-strength concrete containing macro-polymeric and polypropylene fibers with nano-silica and silica fume[J]. Construction and Building Materials,2017(132):170-187.

[7] 張奇奇,張 銘,錢愛保.硅灰對HPMC改性水泥砂漿性能的影響[J].粉煤灰，2016,28(6)：29-32.

[8] 張憲圓,林克輝,謝紅波.硅灰對蒸壓加氣混凝土性能影響的研究[J].新型建筑材料,2016,43(10):53-55.

[9] 王 洪,陳偉天,陳昌禮.硅灰對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J].混凝土,2011(7):74-76.

[10] 楊慶國,袁 培,陳德伍,等.摻硅灰對中等強(qiáng)度混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009(23):88-91.

[11] 程寶軍,張建亮,楊 文,等.硅灰配制低水泥用量高強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)研究[J].商品混凝土,2013(5):22.

[12] Kalaiarasu S M, Subramanian K. Properties of recycled aggregate concrete with silica fume[J]. J. Appl. Sci,2006,6(14):2956-2958.

[13] 侯茜茜,陳 華.硅灰摻量對高強(qiáng)自密實(shí)混凝土性能的影響研究[J].商品混凝土,2013(11):50-51.

[14] 劉文永.用硅灰配制高抗折混凝土的研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(11):92-95.

[15] Wu Z, Shi C, Khayat K H. Influence of silica fume content on microstructure development and bond to steel fiber in ultra-high strength cement-based materials (UHSC)[J]. Cement and Concrete Composites,2016(71):97-109.

[16] 向 超,梅迎軍.硅灰對鋼纖維混凝土力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)特征的影響[J].混凝土與水泥制品,2015(7):55-57.

[17] Bhanja S, Sengupta B. Investigations on the tensile strength of high performance concrete incorporating silica fume[A].Proceedings of 18th international conference on structural mechanics in reactor technology[C].2005.

[18] 王 玲,田 培,高春勇,等.硅灰及其在高強(qiáng)高性能混凝土中的應(yīng)用[A].紀(jì)念中國混凝土外加劑協(xié)會成立20周年——混凝土外加劑新技術(shù)發(fā)展研討會論文集[C].2006.

[19] 李 理,楊萬斌,劉茉莉.硅灰對混凝土抗凍性能影響的試驗(yàn)研究[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào),2012,29(2):63-65.

[20] 付亞偉,王碩太,崔云長.硅灰對自密實(shí)混凝土性能的影響[J].四川建筑科學(xué)研究,2009,35(1):191-193.

[21] 劉斯鳳,孫 偉,林 瑋,等.摻天然超細(xì)混合材高性能混凝土的制備及其耐久性研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2003,31(11):1080-1085.

[22] 陳德玉,劉來寶,嚴(yán) 云，等.不同因素對再生骨料混凝土抗凍性的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(5):54-58.

[23] 霍俊芳.硅灰和纖維對輕骨料混凝土抗凍性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(11):65-68.

[24] 王 陽,蔣玉川,高永剛.硅灰對高性能混凝土長期耐久性能的影響[J].中國建材科技,2010(15):2.

[25] 唐 明,劉宏亮,李婧琦.同水膠比下混凝土中水泥-礦渣-粉煤灰-硅灰的混料效應(yīng)[J].混凝土,2011(12):1-4.

[26] 蔡 路,陳太林,王 浩.硅灰增強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透性能研究[J].北方交通,2006(8):3-5.

[27] 張武滿,巴恒靜.磨細(xì)高爐礦渣和硅灰對重復(fù)荷載作用下混凝土氯離子透過性的影響[J].中國科學(xué):技術(shù)科學(xué),2012,42(12):1449-1455.

[28] 鄧海斌,王海龍,彭琪雯，等.鋼渣粉硅灰混凝土的力學(xué)性能及耐久性研究[J].混凝土,2014(12):97-100.

[29] 劉 競,鄧德華,尹 明，等.聚丙烯纖維,硅灰對粉煤灰混凝土Cl-離子滲透性的影響[A].超高層混凝土泵送與超高性能混凝土技術(shù)的研究與應(yīng)用國際研討會論文集(中文版)[C].2008.

[30] 姜 健,徐 惠,唐軼繁.礦物摻合料對再生混凝土抗氯離子滲透性研究[J].科技通報(bào),2016(2):185-188.

Review on the improvements of cement cncrete’s performance caused by silica fume★

Liu Jinhui1Zhou Haoran2

(1.NingxiaOverseasChineseGardenGroupHighwayEngineeringCo.,Ltd,Guyuan756000,China;2.CollegeofCivilandHydraulicEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

This paper introduced the connotation and research status of silica fume, combining with the physical and chemical mechanism of silica fume modified concrete, analyzed the influence of silica fume to concrete mechanical property and durability, pointed out that when the silica fume as admixture making concrete, could improve the concrete strength and durability to a certain extent.

silica fume, concrete, mechanical property, durability

1009-6825(2017)15-0097-03

2017-03-17★:寧夏自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(NZ1618)

劉金輝(1964- )，男，高級工程師

TU528

A