硅粉對(duì)無(wú)機(jī)植筋高性能混凝土材料強(qiáng)度影響試驗(yàn)

卜力平，張超

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 交通土建智能與綠色建造應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 福州 350007；3.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司，福建 福州 350001；4.福建省高速公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350001）

近幾年，特殊性能新型混凝土得到快速發(fā)展，無(wú)機(jī)植筋高性能混凝土應(yīng)用與錨固施工越來(lái)越多。以普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，摻加硅粉與調(diào)凝材料，通過(guò)試驗(yàn)研究不同摻配比例情況下材料強(qiáng)度變化規(guī)律，分析強(qiáng)度差別的原因，提出適用無(wú)機(jī)植筋高性能混凝土材料的最佳摻量[1-2]。

將硅粉添加到混凝土材料中，一方面硅粉具有高活性，在水泥發(fā)生水化反應(yīng)中可減少混凝土的孔隙率，提高混凝土的強(qiáng)度[3-4]，并能減少水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，防止內(nèi)外溫度差造成的缺陷，多方面改善提高混凝土性能與工程質(zhì)量[5-6]；另一方面是對(duì)工業(yè)廢料的循環(huán)再利用，有利于環(huán)境保護(hù)，具有重要的環(huán)保與社會(huì)效益。

1 硅粉摻入混凝土后的作用機(jī)理

硅粉是在硅鐵和金屬硅生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)塵埃，它是高純度石英與焦碳在冶煉硅、鐵合金時(shí)發(fā)生還原反應(yīng)生成的。硅粉的密度為2.2～2.5 g/cm3，主要成分是非晶態(tài)的二氧化硅（含量高于90%）。硅灰顆粒為圓球形（見(jiàn)圖1），極其微細(xì)，平均粒徑約為0.1μm，其比表面積為2.0×105～3.0×105cm2/g（普通水泥是3 000～4 000 cm2/g，普通粉煤灰是4 000～7 000 cm2/g），因而使得硅粉具有優(yōu)異的火山灰質(zhì)特性。硅粉摻入混凝土后，硅粉二氧化硅含量越高、細(xì)度越細(xì)，其對(duì)混凝土的改性效果也越好。

圖1 高純硅粉Fig.1 High purity silicon powder

1.1 微集料填充效應(yīng)

硅粉的粒徑比水泥顆粒小100倍，按最大密實(shí)理論，當(dāng)硅粉良好地分散于混凝土中時(shí)，它填充于水泥顆粒之間的空隙，其效果如同水泥顆粒填充在細(xì)骨料空隙之間和細(xì)骨料填充在粗骨料空隙之間一樣，增加混凝土的密實(shí)度。

混凝土中，水泥凈漿與骨料之間過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度一般低于凈漿體強(qiáng)度，這是因?yàn)榛炷羶?nèi)部泌水受到骨料顆粒的阻擋而聚集在骨料下面，形成多孔界面，其中氫氧化鈣含量要多于其它區(qū)域，且氫氧化鈣晶體取向性較強(qiáng)，故過(guò)渡區(qū)易于開(kāi)裂。摻入硅粉后，降低泌水，防止水分在骨料下表面聚集，從而提高界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)度和減小界面過(guò)渡區(qū)的厚度；同時(shí)微小的硅粉顆粒成為氫氧化鈣的晶種，使氫氧化鈣晶體的尺寸更小，取向更隨機(jī)，從而提高水泥凈漿與骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

1.2 火山灰效應(yīng)

在水泥水化過(guò)程中，水泥與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、氫氧化鈣和鈣礬石等水化產(chǎn)物，其中氫氧化鈣的結(jié)晶度和取向性對(duì)混凝土強(qiáng)度不利。摻入硅粉后，硅粉顆粒分散在比其更為粗大的水泥顆粒之間，微硅粉中含有的大量玻璃態(tài)二氧化硅和水反應(yīng)首先生成富硅的凝膠，接著氫氧化鈣與該富硅凝膠發(fā)生如下反應(yīng)：

化學(xué)反應(yīng)中消耗的Ca(OH)2生成C-S-H凝膠,同時(shí)促進(jìn)了C3S的水化，加速水泥水化過(guò)程。硅粉顆粒愈細(xì)，則化學(xué)反應(yīng)愈快，促進(jìn)混凝土強(qiáng)度快速提高。

2 不摻加硅粉的水泥強(qiáng)度變化規(guī)律

2.1 原材料

水泥選用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥物理力學(xué)性能Tab.1 Portland cement physical and mechanical properties of CONCH P·O 42.5

砂子選用閩江天然河砂，顆粒級(jí)配良好，細(xì)度模數(shù)2.66，屬于中砂。水選用福州市區(qū)自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》試驗(yàn)，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體，如圖2所示。成型24 h后拆模，并放置在水中養(yǎng)護(hù)，到達(dá)不同齡期進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖2 棱柱體試件Fig.2 prismatic specimen

2.3 試驗(yàn)配合比和試驗(yàn)結(jié)果

影響水泥強(qiáng)度的因素很多，主要與水泥熟料的礦物組成、水泥細(xì)度、水灰比、石膏摻量等有關(guān)。為檢驗(yàn)普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度形成過(guò)程，采用0.26和0.32兩種水灰比，分別配制普通硅酸鹽水泥凈漿和水泥砂漿進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，分析強(qiáng)度形成規(guī)律。試驗(yàn)配合比和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 水泥凈漿和水泥砂漿試驗(yàn)配合比Tab.2 Test mix ratio of cement paste and cement mortar

表3 水泥凈漿和水泥砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Strength test results of cement paste and cement mortar

根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制水泥凈漿和水泥砂漿抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，如圖3和圖4所示。

圖3 水泥凈漿抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.3 Variation of compressive strength of cement paste

圖4 水泥砂漿抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.4 Variation of compressive strength of cement mortar

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：

（1）水泥凈漿1 d齡期的抗壓強(qiáng)度約能達(dá)到28 d強(qiáng)度的43%以上，7 d齡期則達(dá)到約90%，此后抗壓強(qiáng)度緩慢增加，增長(zhǎng)率遠(yuǎn)小于前7 d增長(zhǎng)率，且水灰比越大，水泥凈漿不同齡期強(qiáng)度值越低。

（2）水泥砂漿強(qiáng)度與水泥凈漿強(qiáng)度變化規(guī)律基本相同，并且在相同水灰比的條件下，水泥砂漿抗壓強(qiáng)度略大于水泥凈漿，增加幅度約5%左右。

分析認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)室攪拌成型的水泥砂漿，經(jīng)過(guò)精心制作、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，大粒徑骨料不會(huì)造成砂漿試件的離析和較大內(nèi)部空隙，可以形成骨架作用，在一定程度上可提高材料抗壓強(qiáng)度。

水灰比0.26的水泥凈漿和砂漿抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖5所示，水灰比0.32的水泥凈漿和砂漿抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖5 水灰比0.26的水泥凈漿和砂漿抗壓強(qiáng)度比較Fig.5 Comparison of compressive strength between cement paste and mortar with water cement ratio of 0.26

圖6 水灰比0.32的水泥凈漿和砂漿抗壓強(qiáng)度比較Fig.6 Comparison of compressive strength between cement paste and mortar with water cement ratio of 0.32

根據(jù)水泥凈漿和砂漿抗壓強(qiáng)度比較分析可知：水灰比0.26時(shí)，齡期1、3、7、14、28 d水泥砂漿抗壓強(qiáng)度均大于水泥凈漿；但是水灰比0.32時(shí)，齡期1 d水泥砂漿抗壓強(qiáng)度小于水泥凈漿，此后齡期水泥砂漿強(qiáng)度又恢復(fù)到大于水泥凈漿。

分析認(rèn)為，當(dāng)齡期1 d時(shí)，水泥凈漿化學(xué)組分反應(yīng)均勻，水泥中的礦物熟料發(fā)生水化反應(yīng)，水化物凝聚并由于引力作用互相結(jié)合，組成水泥石結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度增長(zhǎng)較快；隨著齡期不斷增長(zhǎng)，水泥石與骨料界面粘結(jié)力逐漸加強(qiáng)，水泥砂漿中的礦物空隙和水泥內(nèi)部化學(xué)組分之間的孔隙被逐漸填滿，由于骨料強(qiáng)度和彈性模量一般比水泥石高一些，因此增強(qiáng)了水泥砂漿強(qiáng)度。

3 單一摻加硅粉試驗(yàn)研究

在不改變其它化學(xué)成分含量的情況下，單一硅粉的摻加比例直接影響混凝土強(qiáng)度。以硅粉等量取代水泥配置水泥砂漿，作為配置無(wú)機(jī)植筋高性能混凝土試驗(yàn)依據(jù)。

試驗(yàn)選用北京興榮源科技有限公司生產(chǎn)的4N高純硅粉，其化學(xué)成分見(jiàn)表4。

表4 硅粉化學(xué)成分Tab.4 Chemical composition of silicon powder

試驗(yàn)按照0～20%比例摻加硅粉，具體配合比見(jiàn)表5。

表5 單一摻加硅粉試驗(yàn)配合比Tab.5 Test mix ratio of single addition of silicon powder

在試驗(yàn)過(guò)程中觀察到，加入硅粉以后，水泥砂漿很快變得粘稠，并且攪拌時(shí)間越長(zhǎng)、粘度越大。此外硅粉的摻量越大，水泥砂漿粘稠的速度也越快。由此可見(jiàn)，硅粉能使混凝土攪拌過(guò)程中用水量增加。

試件1 d齡期的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 單一摻加硅粉混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Strength test results of concrete with single silica fume

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以硅粉摻量為橫坐標(biāo)，繪制混凝土1 d齡期強(qiáng)度變化曲線，和混凝土1 d與28 d齡期抗壓強(qiáng)度對(duì)比曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 混凝土1 d齡期強(qiáng)度變化曲線Fig.7 1 d age of concrete strength curve

圖8 混凝土1 d與28 d齡期抗壓強(qiáng)度對(duì)比曲線Fig.8 1 d and 28 d age of concrete curve of compressive strength

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：

（1）單一摻加硅粉后，混凝土1 d與28 d齡期強(qiáng)度均有顯著提高，并且隨著硅粉摻量的增加，混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)先高后低趨勢(shì)。

（2）比較混凝土1 d與28 d齡期抗壓強(qiáng)度變化曲線，當(dāng)硅粉摻量不大于10%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度有較快地增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率達(dá)到31.6%；但是硅粉摻量超過(guò)10%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)受到抑制，增長(zhǎng)率大幅降低，硅粉摻量與抗壓強(qiáng)度呈拋物線關(guān)系，存在最佳硅粉摻量。

因此，從技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性考慮，摻加10%左右的硅粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的改善效果最佳。

4 調(diào)凝組分QT與硅粉復(fù)摻試驗(yàn)研究

為研究調(diào)凝組分QT與硅粉復(fù)摻對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，在不改變其它化學(xué)成分含量的情況下，按照兩者不同比例進(jìn)行摻配，具體配合比見(jiàn)表7。

表7 調(diào)凝組分QT與硅粉復(fù)摻試驗(yàn)配合比Tab.7 Mixing ratio of QT and Silica fume

試件1 d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度、7 d和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 調(diào)凝組分QT與硅粉復(fù)摻混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Strength test results of concrete mixed with QTand silica fume

不同硅粉摻量1 d齡期混凝土抗折與抗壓強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖，如圖9、圖10所示。

圖9 1 d齡期混凝土抗折強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖Fig.9 1 d age concrete flexural strength contrast bar chart

圖10 1 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖Fig.10 1 d age concrete compressive strength comparison bar chart

通過(guò)分析表7和圖9、圖10的數(shù)據(jù)和趨勢(shì)可以得出：

（1）單一摻加調(diào)凝組分QT可以提高混凝土的早期強(qiáng)度，QT摻量8%比4%時(shí)的強(qiáng)度略高。

（2）隨著復(fù)摻硅粉的加入，混凝土1 d齡期抗折、抗壓強(qiáng)度均有降低。

（3）同時(shí)摻加硅粉和調(diào)凝組分QT，混凝土早期強(qiáng)度的改善效果并沒(méi)有得到疊加，反而有所削弱。

分析認(rèn)為：因?yàn)檎{(diào)凝組分QT的活化增強(qiáng)作用優(yōu)于硅粉，復(fù)摻后水泥礦物組分首先與QT反應(yīng)，然后又與硅粉反應(yīng)，兩者之間存在某種“競(jìng)爭(zhēng)”關(guān)系，互相牽制，此增彼減，減緩混凝土早期強(qiáng)度的形成。此外，同等體積的混凝土，由于硅粉的摻入，相應(yīng)擠占水泥礦物組分的空間，是造成摻加同等數(shù)量的QT但是混凝土早期強(qiáng)度卻減少的原因之一。

復(fù)摻硅粉和調(diào)凝組分QT的7 d與28 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖，如圖11、圖12所示。

圖11 7 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖Fig.11 7 d age concrete compressive strength comparison bar chart

圖12 28 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖Fig.12 28 d age concrete compressive strength contrast bar chart

（1）通過(guò)圖11可以看出，復(fù)摻硅粉的混凝土7 d齡期抗壓強(qiáng)度比不摻硅粉的混凝土均有提高，但并不是硅粉摻量越多越好，復(fù)摻10%硅粉抗壓強(qiáng)度值最高。

（2）通過(guò)圖12可以看出，水泥中調(diào)凝組分QT摻量無(wú)論是4%，還是8%，復(fù)摻10%硅粉的混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度依然比不摻硅粉和復(fù)摻20%硅粉的混凝土強(qiáng)度高。

（3）調(diào)凝組分QT摻量4%時(shí)，復(fù)摻10%硅粉的混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度86.04 MPa，比不摻硅粉的抗壓強(qiáng)度82.29 MPa，提高了4.6%；QT摻量8%時(shí)，復(fù)摻10%硅粉的混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度88.86 MPa，比不摻硅粉的抗壓強(qiáng)度79.87 MPa，提高11.2%；并且復(fù)摻20%硅粉與不摻硅粉的混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)。

5 結(jié)語(yǔ)

以普通硅酸鹽水泥混凝土為例分析研究硅粉對(duì)無(wú)機(jī)植筋高性能混凝土材料強(qiáng)度影響規(guī)律，可以得出：

（1）單一摻加硅粉對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有提高促進(jìn)作用，從技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性考慮，摻加10%左右的硅粉對(duì)混凝土強(qiáng)度影響最佳。

（2）單一摻加水泥調(diào)凝組分QT也能提高混凝土的早期強(qiáng)度，并且QT摻量8%比4%時(shí)的強(qiáng)度略高。

（3）水泥調(diào)凝組分QT摻量無(wú)論是4%還是8%，復(fù)摻10%硅粉的混凝土28d齡期抗壓強(qiáng)度依然比不摻硅粉和復(fù)摻20%硅粉的混凝土強(qiáng)度高。