硅粉和高爐礦渣雙摻超高強度混凝土基本物性研究

張鯤鵬

摘要：硅粉細(xì)度大，活性高，添加硅粉的混凝土強度增加極大，但硅粉需水量極大。高爐礦渣需水量較小，前期強度較低，但后期強度呈明顯增加趨勢，且有遞減混凝土水化熱的效果，若將這兩種混合料同時添加，預(yù)期可形成互補，產(chǎn)生疊加效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：硅粉;高爐礦渣;流動性;密實結(jié)構(gòu)

Abstract： Silicon powder has high fineness and high activity. The strength of concrete added with silicon powder increases greatly， but silicon powder requires a great amount of water. The blast furnace slag requires less water， and the early strength is lower， but the strength in the later stage is obviously increasing， and it has the effect of decreasing the hydration heat of concrete. If these two mixtures are added at the same time， it is expected to form a complement and produce a superposition effect.

Key words： silicon powder;blast furnace slag;fluidity;dense structure

0? 引言

隨著建筑結(jié)構(gòu)物壽命要求的提高，高強度混凝土的使用實例呈現(xiàn)出日趨增多的狀況。類似硅粉、微硅粉、高爐礦渣、粉煤灰等能夠勝任低水灰比并且具有極佳強度發(fā)展性、施工便利性的添加料得到大量的使用。但是，與此同時有實驗報告指出添加硅粉后的高強度混凝土?xí)a(chǎn)生大量水化熱，從而引起較大的混凝土收縮。因此，考慮在混凝土中使用硅粉的同時可以嘗試添加一些低發(fā)熱型的摻和物，以避免水化熱過高而影響施工質(zhì)量。

本研究以改善低水灰比混凝土的施工性、遞減水化熱等為目的，在混凝土拌合過程中同時添加硅粉以及高爐礦渣，并對其進行標(biāo)準(zhǔn)水養(yǎng)，以及40℃水養(yǎng)（模擬夏季混凝土澆筑、預(yù)制混凝土部件的制作）后的壓縮強度、干燥收縮、水化發(fā)熱等進行初步的探討。

1? 實驗概要

①混凝土的壓縮強度。

測定標(biāo)準(zhǔn)水養(yǎng)以及40℃水養(yǎng)下的材齡1天、7天、28天、91天下高強度混凝土的壓縮強度。

②混凝土的長度變化。

對混凝土試件進行初期水養(yǎng)（1周、4周）后，轉(zhuǎn)入大氣養(yǎng)護，從而以周為單位，探討其收縮的長度變化。

③絕熱溫度上升實驗。

制作尺寸為30×30×30cm的混凝土試塊，將其放置于泡沫塑料中，監(jiān)控混凝土內(nèi)部及表面溫度的變化，對混凝土水化發(fā)熱狀態(tài)形成參考。

1.1 使用材料

本實驗研究所使用的材料見表1。

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比見表2。以水膠比18%、22%、26%為基準(zhǔn)，高爐礦渣添加量為0%、30%、50%，硅粉添加量為均為10%。例如：22SF-BS8G-30表示在22%的水灰比下，添加10%的硅粉和30%的8000級無石膏高爐礦渣;22SF-BS8P-30則表示22%的水膠比下，添加10%的硅粉和30%的8000級石膏高爐礦渣。

2? 試驗結(jié)果及分析

2.1 流動性（O型儀）

圖1所示，三種水灰比下所有實驗混凝土都具備良好的流動性。即使是水膠比18%的SFCS、SF混凝土流動性與水膠比22%添加高爐礦渣的混凝土比較也更具優(yōu)勢。

2.2 壓縮強度

2.2.1 高爐礦渣的影響

如圖4、圖5所示，同等養(yǎng)護溫度與時間的情況下，單純添加硅粉的混凝土強度增進狀況最為明顯。而高爐礦渣比表面積、添加率越大、混凝土的初期強度就越小，隨著水泥水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2對高爐礦渣的持續(xù)刺激反應(yīng)，后期強度持續(xù)將遞增，最終超越硅粉混凝土亦可期待。

原因分析：無論添加SF還是BS，其混凝土內(nèi)部都需要與水泥中的Ca（OH）2充分反應(yīng)，同時添加硅粉和礦渣后，顯然是因為欠缺足量的Ca（OH）2供其反應(yīng)。

設(shè)定普通水泥量與Ca（OH）2量的生成比例關(guān)系，可由下式推定[2]

A=[C+（1-r）-S]/r （1）

A：單位礦渣微粉量相對應(yīng)的Ca（OH）2所需反應(yīng)量;

C：普通水泥相對應(yīng)的Ca（OH）2生成量;

S：單位結(jié)合材料相對應(yīng)的Ca（OH）2量;

r：結(jié)合材料相對應(yīng)的高爐礦渣添加率。

根據(jù)式（1）可以看出，高爐礦渣添加率越小，水泥產(chǎn)生的可供高爐礦渣反應(yīng)的Ca（OH）2量就越多。相反，高爐礦渣添加率越大，水泥產(chǎn)生的可供高爐礦渣反應(yīng)的Ca（OH）2量就越少。

水泥生成Ca（OH）2量可根據(jù)下例反應(yīng)式：

根據(jù)歷史文獻(xiàn)[2]如圖6所示高爐礦渣置換率達(dá)到50%時，單位礦渣Ca（OH）2反應(yīng)量約為28mg/g。22SF-BS-8G-50混凝土中高爐礦渣的添加量為364kg/m3，那么完全反應(yīng)所需Ca（OH）2量應(yīng)為10.2kg。

圖7所示，硅粉質(zhì)量與Ca（OH）2質(zhì)量之比為1/2時，硅粉才能完全反應(yīng)。在此先排除高爐礦渣反應(yīng)所需的Ca（OH）2質(zhì)量，余有75.86kg。硅粉添加量約73kg，此時硅粉相對于Ca（OH）2質(zhì)量比約為1/1。根據(jù)圖7所示，質(zhì)量比1/1時，硅粉的反應(yīng)率約為85%。由此可見，硅粉和高爐礦渣雙摻的混凝土顯然要比單純添加硅粉的混凝土要強度略低。

2.2.2 養(yǎng)護水溫的影響

如圖8，圖9所示，水養(yǎng)初期，40℃水養(yǎng)初期，混凝土強度明顯比20℃水養(yǎng)要大，但是養(yǎng)護7日后，20℃水養(yǎng)混凝土強度開始緩慢遞增，而40℃水養(yǎng)混凝土強度的增進開始放緩。

原因分析：高溫條件下，水泥水化速率果快，水化產(chǎn)物不及均勻擴散，大部分堆積在水泥顆粒周圍，導(dǎo)致較為疏松的結(jié)構(gòu)形成，從而使混凝土后期強度增速放緩。較低水灰比混凝土，在水泥水化前水泥顆粒就已經(jīng)緊密堆積，因此只需少量的水化產(chǎn)物即足以填充顆粒之間的空隙。并且由于水泥顆粒之間的間距短，使高溫養(yǎng)護條件下水化產(chǎn)物不均勻分布程度降低，后期強度增長速率所受影響較小。

2.3 收縮變化

如圖10所示，為4周標(biāo)養(yǎng)+91日風(fēng)箱干燥與1周標(biāo)養(yǎng)+91日風(fēng)箱干燥的混凝土試塊收縮變化。經(jīng)過4周標(biāo)養(yǎng)各混凝土的91日材齡長度變化為150×10-6～300×10-6的范圍內(nèi)，而1周表養(yǎng)的混凝土試塊的長度變化則為300×10-6～400×10-6的范圍內(nèi)。而且混入高爐礦渣的混凝土試塊其長度變化差值最大。

原因分析：礦渣微粉在混凝土及其制品中起到了微觀填充的作用，同時礦渣微粉中的活性組份Al2O3與水泥中的Ca（OH）2、SO3生成鈣釩石，鈣釩石具有一定的微膨脹作用，可以補償制品的化學(xué)干縮，從而提高制品的密實性和抗?jié)B性。因此可斷定，水養(yǎng)時間越長，就更能發(fā)揮高爐礦渣的水硬性，高爐礦渣置換率越高其內(nèi)部也越致密，收縮變化就越小。[3][4]

2.4 絕熱溫度上升

如圖11所示各混凝土在經(jīng)約35～40小時左右達(dá)到其最高溫度，之后內(nèi)部溫度開始下降，各混凝土之間的溫度差也日趨變小。如圖12所示，添加高爐礦渣的混凝凝土中心溫度與單純添加硅粉的混凝土相比較，其中中心溫度有近15℃的溫差。

原因分析：由于高爐礦渣顆?？冃4]，與水接觸后期中的Ca+水中的H+發(fā)生快速反應(yīng)并與礦渣中的Si形成-Si-OH，Si（4OH），水被吸附在這種膠體上，從而減少了水泥水化所需要水含量，亦導(dǎo)致水化過程中水泥量減少，如此一來大大降低了水化速度，從而降低了水化反應(yīng)所釋放出的熱量。

3? 結(jié)論

①雖然有報告指出混凝土中添加高爐礦渣會影響混凝土的流動性，但是本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高爐礦渣與硅粉雙摻時混凝土的流動性雖受到影響，但依舊處于一種良好的狀態(tài)下，仍適用于低水膠比的高強度混凝土。

②硅粉和高爐礦渣雙摻混凝土雖然前期強度較硅粉混凝土低，但是隨著材齡遞增，后期強度的增進值得期待。

③添加高爐礦渣的混凝土由于內(nèi)部組織更趨密實，從而混凝土的收縮明顯改善。

④適量添加高爐礦渣可使混凝土有利于避免溫差裂縫，養(yǎng)護條件能夠得到保證的前提下，摻礦粉混凝土適宜用于低水膠比混凝土工程。

參考文獻(xiàn)：

[1]渡部嗣道，岡村一臣.シリカフューム·高爐スラグ微粉末を使用したコンクリートの諸特性，1990，12（1）：99-106.

[2]郭度連ほか.高爐スラグ微粉末を用いたコンクリートの內(nèi)部組識の形成に及ぼす置換率の影響，コンクリート工學(xué)年次論文集，2004，26（1）：783-788.

[3]譚克峰，劉濤.早起高溫養(yǎng)護隊混凝土抗壓強度的影響[J].建筑材料學(xué)報，2006，9（4）：473-476.

[4]宇部三菱セメント株式會社.シリカフュームセメント技術(shù)資料（第5版），2008，4.