不同二氧化硅含量硅灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

（中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

0 引言

硅灰是鐵合金廠在冶煉硅鐵合金或工業(yè)硅的過(guò)程中，氣態(tài)Si和SiO隨著冶金煙氣排放，遇到空氣中的O2迅速反應(yīng)冷凝而形成的一種超細(xì)球型粉體材料，與粉煤灰和礦渣粉同屬工業(yè)“三廢”中的廢渣[1-2]。硅灰具有質(zhì)輕、蓬松、易飛揚(yáng)等特性，屬于PM2.5級(jí)的大氣污染物來(lái)源之一[3]。混凝土抗壓強(qiáng)度是混凝土抵抗外力破壞的能力，是硬化混凝土最重要的性質(zhì)，混凝土的其他性能與其有密切關(guān)系。

硅灰以一種寶貴的無(wú)機(jī)非金屬材料的身份出現(xiàn)在高端材料市場(chǎng)，越來(lái)越得到社會(huì)和業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可和青睞。目前，我國(guó)硅灰資源并不充足，且高二氧化硅含量的硅灰產(chǎn)量較低，市場(chǎng)上大多以中、低二氧化硅含量的硅灰為主。低二氧化硅含量的硅灰因達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求，只能以堆置、填埋的方式進(jìn)行處理，更甚者以次充好投入工程應(yīng)用，擾亂市場(chǎng)秩序，危害工程質(zhì)量。目前針對(duì)低二氧化硅含量硅灰的開(kāi)發(fā)與利用，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少。

本文通過(guò)對(duì)不同二氧化硅含量硅灰摻入混凝土中進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析不同二氧化硅含量硅灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，以期為中、低二氧化硅含量硅灰的合理利用提供借鑒。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 原材料

采用中國(guó)聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P.I42.5硅酸鹽水泥。粉煤灰采用威海港域粉煤灰科技有限公司生產(chǎn)的II級(jí)F類(lèi)粉煤灰。砂符合GB/T 14684中II區(qū)中砂的要求，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量0.8%。石子符合GB/T 14685要求的公稱(chēng)粒徑5～20mm的連續(xù)級(jí)配碎石，采用二級(jí)配，其中5～10mm占40%，10～20mm占60%。減水劑為山東華偉銀凱建材科技有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型高效減水劑。水采用自來(lái)水。硅灰產(chǎn)自甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司，硅灰各項(xiàng)性能見(jiàn)表1，根據(jù)二氧化硅含量的高低將硅灰由低到高分別編號(hào)硅灰1到硅灰7。

表1 試驗(yàn)用硅灰性能情況

1.2 配合比

為了研究不同二氧化硅含量硅灰對(duì)不同等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，分別設(shè)計(jì)了C40、C60、C80三種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比。為了更全面對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每種級(jí)別的混凝土配合比分為兩組基準(zhǔn)配比（配比-01和配比-02）和一組受檢配比（配比-1），配比-01和配比-02不摻加硅灰，配比-1分別內(nèi)摻10%的各種類(lèi)型硅灰，配比-1摻加一定量減水劑調(diào)整其與配合比-01保持相同坍落度，配比-02與配比-1摻加等量的減水劑，兩者不必保持相同坍落度。試驗(yàn)用配合比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2-表4。

表2 C40混凝土試驗(yàn)用配合比(單位:kg/m3)

表3 C60混凝土試驗(yàn)用配合比(單位:kg/m3)

表4 C80混凝土試驗(yàn)用配合比(單位:kg/m3)

針對(duì)C40、C60和C80三種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比分別設(shè)計(jì)3種情況，共9個(gè)配合比。硅灰具有需水量大的特征，混凝土中摻加硅灰會(huì)明顯降低混凝土的流動(dòng)度，影響混凝土的可操作性。若通過(guò)增加用水量來(lái)調(diào)整混凝土流動(dòng)性，勢(shì)必影響混凝土抗壓強(qiáng)度等一系列性能。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，混凝土摻加硅灰的同時(shí)一般通過(guò)添加減水劑保證其流動(dòng)度不下降。然而試驗(yàn)研究過(guò)程中，如果摻加硅灰的同時(shí)再添加減水劑，導(dǎo)致基準(zhǔn)和受檢配比變量不唯一，得出的結(jié)果無(wú)法證明是硅灰的二氧化硅含量這一唯一變量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。從實(shí)驗(yàn)室和工程實(shí)際應(yīng)用等各方面綜合考慮，本文設(shè)計(jì)了兩組基準(zhǔn)配比（配比-01和配比-02）和一組受檢配比（配比-1）。

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土試件的制備及養(yǎng)護(hù)按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行?；炷量箟簭?qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行?？箟簭?qiáng)度采用100mm×100mm×100mm立方體試件，3個(gè)試件為一組，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至3d、7d、14d、28d后測(cè)定并換算為標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同二氧化硅含量硅灰對(duì)C40混凝土抗壓強(qiáng)度影響

由表5、圖1和圖2可見(jiàn)，摻有硅灰的C40混凝土抗壓強(qiáng)度普遍高于基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度值，隨著硅灰的二氧化硅含量的提高，抗壓強(qiáng)度值大致呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此可得出結(jié)論，摻加硅灰可以提高C40混凝土的抗壓強(qiáng)度，混凝土抗壓強(qiáng)度值與所摻硅灰的二氧化硅含量基本成正比關(guān)系。

圖1 C40混凝土抗壓強(qiáng)度與硅灰二氧化硅含量曲線分析圖

圖2 不同齡期基準(zhǔn)和受檢C40混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

表5 摻不同二氧化硅含量硅灰C40混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到不同齡期抗壓強(qiáng)度和硅灰二氧化硅含量的相關(guān)關(guān)系式，如圖1所示，關(guān)系式中x的系數(shù)大小表示混凝土抗壓強(qiáng)度受硅灰二氧化硅含量影響程度的高低。隨著齡期的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)線斜率（即關(guān)系式系數(shù)）逐漸增大，表示混凝土后期強(qiáng)度受硅灰二氧化硅含量的影響程度更大。進(jìn)而得出結(jié)論，硅灰混凝土齡期越長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度提高幅度越大。

硅灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響可以從兩個(gè)方面解釋?zhuān)?）微集料效應(yīng)提升混凝土強(qiáng)度。硅灰顆粒微小，呈規(guī)則的球型結(jié)構(gòu)，可改善膠凝材料顆粒間的微級(jí)配，填充漿體孔隙，增加混凝土密實(shí)度，從而提高混凝土抗壓強(qiáng)度。2）火山灰活性促進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度的激發(fā)。硅灰含有大量的不定型二氧化硅，具有極高的火山活性，與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣進(jìn)行二次水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣，分布到混凝土中形成一種堅(jiān)硬、膠結(jié)力強(qiáng)的物質(zhì)，使得混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展較快[4-5]。

2.2 不同二氧化硅含量硅灰對(duì)C60混凝土抗壓強(qiáng)度影響

由表6、圖3和圖4可見(jiàn)，摻有硅灰的C60 混凝土抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)與C40混凝土基本一致。摻加硅灰可以提高C60混凝土的抗壓強(qiáng)度，混凝土抗壓強(qiáng)度值與所摻硅灰的二氧化硅含量基本成正比關(guān)系，且齡期越長(zhǎng)提高幅度越大。

圖3 C60混凝土抗壓強(qiáng)度與硅灰二氧化硅含量曲線分析圖

圖4 不同齡期基準(zhǔn)和受檢C60混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

表6 摻不同二氧化硅含量硅灰C60混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到不同齡期抗壓強(qiáng)度和硅灰二氧化硅含量的相關(guān)關(guān)系式，如圖3所示，關(guān)系式中R2為相關(guān)系數(shù)，表示抗壓強(qiáng)度與硅灰二氧化硅含量相關(guān)關(guān)系的可靠性，越接近于1代表可靠性越高。C60強(qiáng)度等級(jí)的混凝土R2較C40混凝土明顯增大，由0.6左右增加到0.8左右，說(shuō)明C60混凝土抗壓強(qiáng)度與硅灰二氧化硅含量正比關(guān)系的可靠性增加。

隨著硅灰二氧化硅含量的升高，抗壓強(qiáng)度呈波浪式提升。選取試驗(yàn)中的個(gè)例進(jìn)行分析，低二氧化硅含量硅灰也能配制出比高二氧化硅含量硅灰強(qiáng)度高的混凝土；即便摻加二氧化硅含量不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的硅灰，抗壓強(qiáng)度也比不摻加硅灰的混凝土強(qiáng)度高?；炷翆儆趶?fù)合材料，各種原材、各種比例、各種級(jí)配互相搭配，弱化了硅灰品質(zhì)單項(xiàng)因素對(duì)最終混凝土強(qiáng)度的影響，所以會(huì)出現(xiàn)低二氧化硅含量硅灰也能配制出比高二氧化硅含量硅灰強(qiáng)度高的混凝土。因此對(duì)于混凝土要求不是很高的工程，可酌情使用中、低二氧化硅含量的硅灰。

2.3 不同二氧化硅含量硅灰對(duì)C80混凝土抗壓強(qiáng)度影響

由表7、圖5和圖6可見(jiàn)，摻有硅灰的C80混凝土抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)與C40、C60混凝土基本一致。摻加硅灰可以提高C80混凝土的抗壓強(qiáng)度，混凝土抗壓強(qiáng)度值與所摻硅灰的二氧化硅含量基本成正比關(guān)系，且齡期越長(zhǎng)抗壓強(qiáng)度提高幅度越大。

表7 摻不同二氧化硅含量硅灰C80混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 C80混凝土抗壓強(qiáng)度與硅灰二氧化硅含量曲線分析圖

圖6 不同齡期基準(zhǔn)和受檢C80混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

C80強(qiáng)度等級(jí)的混凝土R2增大至0.9左右，相關(guān)關(guān)系已非常密切；關(guān)系式系數(shù)也比C40、C60混凝土高。可得出結(jié)論，對(duì)于高強(qiáng)混凝土，抗壓強(qiáng)度與硅灰的二氧化硅含量呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且硅灰二氧化硅含量對(duì)C80混凝土抗壓強(qiáng)度影響程度最大。因此，配制高強(qiáng)混凝土?xí)r需優(yōu)先選用高二氧化硅含量的硅灰。

3 結(jié)論

基準(zhǔn)和受檢混凝土無(wú)論是控制同配比還是同坍落度，硅灰的摻入都會(huì)不同程度提升混凝土的抗壓強(qiáng)度，且對(duì)后期抗壓強(qiáng)度提升更為明顯。

摻有硅灰的混凝土抗壓強(qiáng)度與硅灰的二氧化硅含量大致呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著硅灰二氧化硅含量的升高，抗壓強(qiáng)度也會(huì)提高。

抗壓強(qiáng)度等級(jí)越高的混凝土對(duì)硅灰品質(zhì)的要求越高。配制高強(qiáng)混凝土?xí)r需優(yōu)先選用高二氧化硅含量的硅灰。

對(duì)于中、低二氧化硅含量的硅灰，可根據(jù)配制的混凝土性能試驗(yàn)的實(shí)際情況，選擇性應(yīng)用于實(shí)際工程中，變廢為寶，物盡其用。