硅灰-粉煤灰復(fù)合礦物摻合料對(duì)混凝土性能的影響研究

幸超群，鄧怡帆，笪俊偉，李蒙強(qiáng)

（1.湖南省建設(shè)工程質(zhì)量安全協(xié)會(huì)，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

在配制混凝土?xí)r，加入礦物摻合料不僅能節(jié)約水泥，降低混凝土的水化熱，而且由于摻合料的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，還可以改善混凝土的工作性，提高混凝土的后期強(qiáng)度，改善混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)度、抗裂性及耐久性。此外，在混凝土中摻入礦物摻合料對(duì)堿-集料反應(yīng)還有一定的抑制作用。因此，礦物摻合料是配制高性能混凝土不可或缺的組分[1-5]。

硅灰是硅鐵合金廠或硅鋼廠生產(chǎn)硅鐵和硅鋼時(shí)排出的煙塵，經(jīng)過(guò)靜電除塵而回收的粉塵，其成分主要為非晶態(tài)SiO2，顆粒粒徑一般小于0.1 μm，具有很高的火山灰活性，目前主要應(yīng)用于高強(qiáng)高性能混凝土[6-7]。在工作性能方面，硅灰的球狀形貌可使其填充于水泥顆粒之間的部分空間，置換出水泥顆粒間的部分填充水，改善混凝土的流動(dòng)性。但硅灰顆粒過(guò)細(xì)，導(dǎo)致需水量大，當(dāng)超過(guò)一定摻量后會(huì)使混凝土拌和物變黏稠。硅灰的顆粒細(xì)度和化學(xué)成分導(dǎo)致其具有高火山灰活性。硅灰的高活性對(duì)混凝土早期和后期強(qiáng)度發(fā)展非常有利，其極細(xì)微的顆粒能夠產(chǎn)生良好的毛細(xì)填充效應(yīng)，使混凝土孔結(jié)構(gòu)更加致密，提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性能，還能抑制堿骨料反應(yīng)[8-9]。粉煤灰是煤燃燒后的煙氣中收捕下來(lái)的細(xì)灰，是目前使用量最大的礦物摻合料之一。粉煤灰對(duì)混凝土宏觀性能有很多有利的影響，包括改善新拌漿體和易性、降低水化熱、減少干燥收縮、提高后期強(qiáng)度及耐久性等[10-11]。

本文利用硅灰和粉煤灰配制復(fù)合礦物摻合料，研究不同硅灰形態(tài)、不同復(fù)配比例對(duì)硅灰-粉煤灰復(fù)合礦物摻合料性能的影響，及復(fù)合礦物摻合料對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能的影響，為硅灰-粉煤灰復(fù)合礦物摻合料在普通混凝土（C30～C60）中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：新化海螺水泥有限公司P·O42.5水泥，密度3.15 g/cm3，比表面積348 m2/kg，主要技術(shù)性能如表1所示。

硅灰：四川朗天資源綜合利用有限責(zé)任公司，根據(jù)密度等級(jí)分為全加密硅灰QSF、半加密硅灰BSF，主要技術(shù)性能如表2所示。

表2 硅灰的主要技術(shù)性能

粉煤灰（FA）：益陽(yáng)電廠，Ⅱ級(jí)，主要技術(shù)性能如表3所示。

表3 粉煤灰的主要技術(shù)性能

砂：膠砂用砂為中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；混凝土用砂為婁底產(chǎn)碎石機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.8。

石：婁底5～25 mm碎石，壓碎值10%。

減水劑：東方雨虹產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸系高性能減水劑，含固量15.3%，減水率24%。

水：自來(lái)水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)半加密和全加密2種形態(tài)硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合料，硅灰與粉煤灰的質(zhì)量比分別為0∶10、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、10∶0，復(fù)合摻合料按10%等質(zhì)量取代水泥，測(cè)試膠砂的流動(dòng)度和7、28 d抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)配合如表4、表5所示。

表4 半加密硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合料膠砂試驗(yàn)配合比

表5 全加密硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合料膠砂試驗(yàn)配合比

在膠砂實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定BSF-FA以及QSF-FA復(fù)合摻合料中硅灰和粉煤灰最佳復(fù)配比例后，研究這2種復(fù)合摻合料摻量對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)（C30～C60）混凝土工作性能、力學(xué)性能的影響。C30～C60混凝土的基準(zhǔn)配合比如表6所示。

表6 C30～C60混凝土的基準(zhǔn)配合比 kg/m3

2種硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合料分別按3%、6%、9%等質(zhì)量取代水泥，記錄混凝土的初始狀態(tài)及外加劑摻量，成型150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)至7、28、60 d，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合料的性能

2.1.1 半加密硅灰-粉煤灰體系

不同復(fù)配比例BSF-FA復(fù)合摻合料的性能如表7所示。

表7 不同復(fù)配比例BSF-FA復(fù)合摻合料的性能

由表7可以看出：

（1）隨著半加密硅灰占比的增加，膠砂流動(dòng)度隨之減小。當(dāng)復(fù)配比例達(dá)到4∶6后，膠砂流動(dòng)度低于基準(zhǔn)膠砂。這是由于當(dāng)粉煤灰占比較高時(shí)，粉煤灰的滾球潤(rùn)滑作用，降低內(nèi)摩擦力而提高流動(dòng)性；而當(dāng)半加密硅灰占比較高時(shí)，由于硅灰的比表面積是水泥的10～20倍，如此大的比表面積使得需水量顯著增加，從而導(dǎo)致整體流動(dòng)性降低。

（2）隨著半加密硅灰占比的增加，復(fù)合摻合料的活性指數(shù)增大，當(dāng)硅灰與粉煤灰復(fù)配比例為3∶7時(shí)，復(fù)合摻合料的28 d活性指數(shù)達(dá)101%，與純水泥基本持平；當(dāng)復(fù)配比例為8∶2時(shí)，復(fù)合摻合料的活性指數(shù)達(dá)到最大，7、28 d活性指數(shù)分別為115%、128%；當(dāng)復(fù)配比例為10∶0時(shí)，復(fù)合摻合料的活性指數(shù)稍有減小，7、28 d活性指數(shù)較8∶2時(shí)減小了3個(gè)百分點(diǎn)。主要由于硅灰具有極細(xì)的顆粒形態(tài)和很高的非晶態(tài)SiO2含量，其在體系中可填充孔隙，使得漿體結(jié)構(gòu)更密實(shí)，與水泥水化生成的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)可降低其含量，并增加水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠量，加強(qiáng)漿體與骨料間的界面粘結(jié)，從而提高強(qiáng)度。當(dāng)粉煤灰、半加密硅灰同時(shí)摻入水泥中，3種材料的平均粒徑處于3個(gè)不同的數(shù)量級(jí)，因而優(yōu)化了微集料的級(jí)配，有利于緊密堆積和填充。當(dāng)復(fù)配比例為8∶2時(shí)，活性指數(shù)最大，為BSF-FA復(fù)合摻合料活性最優(yōu)配比。

2.1.2 全加密硅灰-粉煤灰體系

不同復(fù)配比例QSF-FA復(fù)合摻合料的性能如表8所示。

表8 不同復(fù)配比例QSF-FA復(fù)合摻合料的性能

由表8可以看出：

（1）隨著全加密硅灰占比的增加，膠砂流動(dòng)度隨之減小。與BSF-FA體系類似，都是由于硅灰比表面積大，使得需水量顯著增加，導(dǎo)致整體流動(dòng)性降低。但QSF-FA體系膠砂流動(dòng)度整體比BSF-FA體系膠砂流動(dòng)度要大，這是因?yàn)楣杌彝ㄟ^(guò)全加密后，細(xì)小的顆粒聚集成團(tuán)，密度增大而比表面積減小，全加密硅灰的需水量比相對(duì)于半加密硅灰減小，從而流動(dòng)度增大。

（2）使用QSF-FA制備的復(fù)合摻合料，其活性指數(shù)變化趨勢(shì)與BSF-FA復(fù)合摻合料相近，當(dāng)硅灰與粉煤灰復(fù)配比例為8∶2時(shí)，復(fù)合摻合料的活性指數(shù)達(dá)到最大，7、28 d活性指數(shù)分別為96%、112%，高于單摻硅灰的活性指數(shù)。說(shuō)明使用QSFFA以8∶2進(jìn)行復(fù)配時(shí)，2種摻合料可進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。但相對(duì)于BSF-FA復(fù)合摻合料，在硅灰比例相同時(shí)，活性指數(shù)均有所下降，并未充分發(fā)揮超細(xì)粉體的復(fù)合效應(yīng)。這是因?yàn)楣杌胰用芎?，很多硅灰顆粒聚集成團(tuán)，普通攪拌工藝很難在體系中分散，火山灰活性難以充分發(fā)揮。

綜合考慮，按m（硅灰）∶m（粉煤灰）=8∶2分別制備BSFFA、QSF-FA復(fù)合摻合料進(jìn)行混凝土性能實(shí)驗(yàn)。

2.2 復(fù)合摻合料對(duì)混凝土性能的影響

2.2.1 對(duì)工作性能的影響（見(jiàn)表9、表10）

由表9、表10可以看出，摻入硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合料后，為保持良好和易性，復(fù)合摻合料摻量每增加3%，外加劑摻量增加0.1～0.3個(gè)百分點(diǎn)，外加劑摻量與復(fù)合摻合料摻量成正比。在坍落度基本相同時(shí)，復(fù)合摻合料的摻入增大了擴(kuò)展度，且與復(fù)合摻合料摻量成正比，同時(shí)C30、C40混凝土中，摻入復(fù)合摻合料后也改善了混凝土粘聚性。主要是因?yàn)閺?fù)合摻合料中的硅灰、粉煤灰的球狀形貌可填充水泥顆粒之間的部分空間，置換出水泥顆粒間的部分填充水，改善混凝土的流動(dòng)性；硅灰較大的比表面積，需要更多水分來(lái)潤(rùn)濕，也能夠約束住新拌混凝土的大量自由水，同時(shí)硅灰粒徑微小，堵塞了新拌混凝土的毛細(xì)孔，避免泌水現(xiàn)象出現(xiàn)，提高了混凝土的粘聚性。

表9 BSF-FA復(fù)合摻合料對(duì)混凝土工作性能的影響

表10 QSF-FA復(fù)合摻合料對(duì)混凝土工作性能的影響

2.2.2 對(duì)力學(xué)性能的影響（見(jiàn)表11）

表11 復(fù)合摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表11可以看出，摻入硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合料后，各強(qiáng)度等級(jí)混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于基準(zhǔn)組均有所提高，但對(duì)于C30和C40混凝土，強(qiáng)度提高并不明顯，且當(dāng)硅灰摻量超過(guò)6%以后，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢甚至有所降低。對(duì)于C50和C60混凝土，各齡期強(qiáng)度皆隨著復(fù)合摻合料摻量的增加而提高。這主要是因?yàn)閺?fù)合摻合料摻入混凝土后，硅灰中的SiO2與水泥水化生成的高堿水化硅酸鈣反應(yīng)生成低堿水化硅酸鈣來(lái)提高混凝土強(qiáng)度；對(duì)于中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，由于其水泥用量偏低，水化反應(yīng)產(chǎn)生的的高堿性水化硅酸鈣也偏低，因此，摻入復(fù)合摻合料后并未明顯提高其混凝土強(qiáng)度，且隨著摻量增加，多余的SiO2不再水化產(chǎn)生新的低堿水化硅酸鈣，復(fù)合摻合料強(qiáng)度貢獻(xiàn)不足以抵消由替代水泥所產(chǎn)生的強(qiáng)度損失時(shí)，混凝土強(qiáng)度開(kāi)始下降。對(duì)比不同齡期混凝土強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d以后，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，達(dá)到60 d強(qiáng)度基本沒(méi)有增長(zhǎng)。說(shuō)明復(fù)合摻合料對(duì)28 d后的強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小。

對(duì)比使用QSF-FA和BSF-FA復(fù)合摻合料可知，使用QSF-FA復(fù)合摻合料混凝土強(qiáng)度雖然相對(duì)有所下降，但強(qiáng)度差距不大，這可能是因?yàn)榛炷猎跀嚢璧倪^(guò)程中，由于砂、石等骨料的摩擦作用強(qiáng)烈，以及攪拌功率的提升，使得硅灰在混凝土中的分散效果比在砂漿中的分散效果好，其發(fā)揮的強(qiáng)度貢獻(xiàn)也更高。

采用蒲心誠(chéng)[12-13]提出的比強(qiáng)度分析法，利用混凝土立方體抗壓強(qiáng)度來(lái)計(jì)算復(fù)合摻合料的火山灰效應(yīng)貢獻(xiàn)率，依次量化評(píng)價(jià)復(fù)合摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響及對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。摻礦物摻合料的混凝土比強(qiáng)度Rsa、基準(zhǔn)混凝土的比強(qiáng)度Rsc及火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率Pa分別按式（1）、式（2）、式（3）計(jì)算：

式中：Ra——摻礦物摻合料的混凝土強(qiáng)度絕對(duì)值，MPa；

q0——混凝土中非硅灰復(fù)合礦物摻合料的摻量，%；

Rc——基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度絕對(duì)值，MPa；

Rsp——礦物摻合料水化活性效應(yīng)貢獻(xiàn)的比強(qiáng)度，Rsa與Rsc的差值，MPa。

根據(jù)式（1）～式（3）計(jì)算出各強(qiáng)度等級(jí)混凝土中復(fù)合摻合料的火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表12、表13所示。

表12 BSF-FA復(fù)合摻合料火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率

表13 QSF-FA復(fù)合摻合料火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率

由表12、表13可以看出，對(duì)于各強(qiáng)度等級(jí)混凝土，復(fù)合摻合料火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率均隨齡期延長(zhǎng)先增大后減小，28 d齡期時(shí)，火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率達(dá)到最大。對(duì)于C30、C40混凝土，復(fù)合摻合料摻量超過(guò)6%以后，7 d火山灰強(qiáng)度貢獻(xiàn)率反而減小，且在各齡期摻量為6%和9%的火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率相差不大，說(shuō)明對(duì)于C30、C40混凝土，復(fù)合摻合料摻量超過(guò)6%時(shí)，多余的復(fù)合摻合料并不能完全發(fā)揮其火山灰活性。對(duì)比相同摻量時(shí)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻量為3%時(shí)，復(fù)合摻合料在各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率相差不大，說(shuō)明當(dāng)摻量在3%時(shí)，復(fù)合摻合料在各強(qiáng)度等級(jí)均能充分發(fā)揮其火山灰活性。而摻量為6%和9%時(shí)，復(fù)合摻合料火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而有不同程度增大。因?yàn)殡S著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土中水泥用量增加，水化過(guò)程中產(chǎn)生了更多的高堿性水化硅酸鈣凝膠和CH，復(fù)合摻合料的活性得到更好地激發(fā)，火山灰活性因此提高。同時(shí)比較相同條件下2種復(fù)合摻合料的貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)，使用半加密硅灰制備的復(fù)合摻合料對(duì)混凝土火山灰效應(yīng)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率更高。

3 結(jié)論

（1）硅灰-粉煤灰復(fù)合礦物摻合料中，硅灰與粉煤灰復(fù)配比例達(dá)到4∶6后，膠砂流動(dòng)度低于基準(zhǔn)膠砂；硅灰與粉煤灰復(fù)配比例為8∶2時(shí)，2種加密狀態(tài)硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合活性指數(shù)最高，但與半加密硅灰對(duì)比，全加密硅灰的活性指數(shù)均有所減小，因?yàn)槿用艿膱F(tuán)聚效應(yīng)，使得全加密硅灰活性并未充分發(fā)揮。

（2）2種加密狀態(tài)硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合料在混凝土中應(yīng)用時(shí)，能發(fā)揮礦物摻合料的填充效應(yīng)，改善混凝土的黏聚性。并且等質(zhì)量取代水泥后能增加混凝土漿體體積，增大混凝土的擴(kuò)展度。但由于硅灰具有較高的需水量，摻入2種復(fù)合摻合料都會(huì)增加外加劑摻量，復(fù)合摻合料每增加3%，外加劑摻量提高0.1～0.3個(gè)百分點(diǎn)。

（3）2種加密狀態(tài)硅灰-粉煤灰復(fù)合摻合料均能提高各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的強(qiáng)度，但當(dāng)齡期超過(guò)28 d后，增長(zhǎng)減緩，60 d與28 d強(qiáng)度相差不大。對(duì)比火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)，復(fù)合摻合料對(duì)混凝土早期和后期的火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率較低。且對(duì)于C30、C40混凝土，復(fù)合摻合料摻量皆不宜超過(guò)6%。使用半加密硅灰-粉煤灰摻合料對(duì)混凝土火山灰效應(yīng)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率更高。