关于使用硅粉混凝土进行桥面铺装的探讨

任 杰

硅粉资源开发利用研究工作始于20世纪50年代,到20世纪60年代末70年代初已有工程应用。目前北欧、西欧、北美、日本、澳大利亚、南非、苏联等地区和国家已将硅粉广泛应用在水泥、混凝土、耐火注料、橡胶、化工等工业,并已开发了一批性能优异的新产品。我国开展硅粉综合利用的工作虽然起步较晚,但进展较快。如高强度混凝土、硅粉喷射混凝土、复合增强密度剂、硅粉砂浆、低水泥浇料等科研成果都已通过了部级或省、市级技术鉴定,并已在许多工程中应用,技术经济效果显著。有的应用技术已接近或达到了国外20世纪80年代初的水平。

在我国高速桥梁工程中,桥面铺装应用一直要求桥面混凝土具有较高抗渗、抗裂性能。国内也采用了很多的方法来解决相关技术难题,例如在桥面混凝土中掺加防水剂、掺加纤维合成材料等。笔者通过对硅粉混凝土的研究,加上对另外几种方式的对比,试验证明硅粉混凝土作为桥面混凝土的可行性。

1 硅粉材料功能

硅粉,也称硅微粉、微硅粉或硅灰,是工业生产硅或硅合金时的副产品,自20世纪50年代在挪威开始对其在水泥混凝土中的应用进行研究,且自20世纪70年代以来,欧美各国对这种材料广泛注意,开展了大量研究工作,研究发现硅粉材料的引入,可使砂浆、混凝土的孔隙与渗透性大大降低,给强度和耐久性带来明显改善,因而有广泛的使用范围。

硅粉颗粒的平均粒径一般为0.1 μ m～0.15 μ m,比表面积达2.0万m2/g～2.8万 m2/g,约比粉煤灰大 50倍,比水泥粒径大100多倍,掺入水泥混凝土中,可增加混凝土拌和韧柔润粘聚性和硬化混凝土填充致密性,具有显著的超微粉集料效应。硅灰在急剧冷凝的气、液、固相变过程中,形成大小不一、表面光滑的球状微粒在水泥混凝土中可起润滑减小颗粒之间内摩擦阻力的作用,利于扩散填充微孔隙,增强致密性的微细颗粒形态效应明显。

2 混凝土配制要点

2.1 硅粉的掺入方法

硅粉掺在混凝土中一般有两种方法:1)内掺;2)外掺,都要与减水剂配合使用。内掺法——用硅粉代替水泥,又分等量代替和部分代替两种,等量代替为硅粉掺量代替相等量的水泥,部分代替为1 kg硅粉代替 1 kg～3 kg水泥,作为研究一般掺量为5%～30%,水灰比一般保持不变。外掺法——硅粉像外加剂那样掺在混凝土中,即水泥用量不减少的条件下掺入硅粉。掺量一般为5%～10%。由于硅粉用法不同,所得混凝土的性能并不相同,外掺法所得混凝土的力学性能要高得多,但增加了混凝土中胶凝材料用量。在我们桥面混凝土应用当中,为了保证在较小水泥用量前提下,达到一般桥面混凝土C40强度要求,我们采用了外掺方法来处理硅粉混凝土。

2.2 硅粉的最优掺量

硅粉在混凝土中掺量太少,对混凝土性能改善不大,但是掺量太多,则混凝土太粘,不易施工,且干缩变形大,抗裂性变差,因此,掺硅粉时,应找出最优掺量才能获得最佳结果。一般情况下,掺量在10%以内效果较为满意。硅粉合适掺量一般根据所用硅粉、水泥种类和骨料性质,选择几个硅粉掺量,如3%,5%,7%,10%等,成型混凝土试件,绘制 R—SF(强度—硅粉掺量)曲线确定。值得注意的是硅粉价格高于水泥原料价格,在确定硅粉的最佳掺量时,也要考虑技术经济指标。

2.3 减水剂的掺量选择

经过试拌发现,在混凝土中使用硅粉,如不掺减水剂,想保持相同的坍落度,则必须要增加用水量,导致水灰比增加,掺硅粉混凝土的强度也上不去,这也是过去硅粉未在混凝土中大规模推广使用的原因之一。硅粉与减水剂联合使用,特别是与高效减水剂联合使用,掺用硅粉水灰比不变,用水量不增加,也能达到与未掺硅粉的混凝土具有相同的坍落度,硅粉混凝土强度等性能得到大幅度提高。

使用硅粉,建议使用萘系高效减水剂,既能达到减水效果,也能控制成本。萘系减水剂在硅粉混凝土中的掺量,一般为胶材用量的1%以内,掺量过大,混凝土泌水率必然上升,导致工作性下降。

对于所选用的减水剂品种、型号和所用混凝土原材料,选用几个掺量,如0.3%,0.6%,0.9%,1.2%,测量混凝土的坍落度(S),绘制坍落度—减水剂掺量曲线,并考虑成本,确定最佳掺量,也可根据经验确定减水剂掺量,例如掺硅粉10%,对于H1和UNF型减水剂,一般掺量为胶材用量的0.6%左右。

3 硅粉混凝土特性

3.1 新拌硅粉混凝土的性能特点

粘性大,在混凝土的运输和施工过程中不易离析分层,与石灰岩、河砂等材料粘结性好,用于桥面铺装时泵送效果好。在浇灌振实后,表面不泌水,不易产生沉缩裂缝,混凝土表面较为光滑,但对硅粉混凝土要早期养护及时。

3.2 硬化后混凝土的性能特点

1)抗压强度。掺硅粉后,混凝土的抗压强度明显增加。如掺10%的硅灰,配合减水剂使用,比不掺硅粉时的抗压强度可提高35%～58%。C40试件28 d强度达到54 MPa。2)抗拉强度。通过以普通混凝土为试样,掺入10%硅粉时,28 d龄期的抗拉强度比不掺的提高12%。在粉煤灰混凝土中掺入10%硅粉时,也得到相同的结果。说明硅粉混凝土能够满足桥面铺装混凝土抗裂性能要求。3)抗渗性。由于硅粉的掺入,使混凝土的密实性得到提高,从而提高了其抗渗性。内掺5%硅粉的混凝土,与不掺硅粉的进行渗透高度比试验,前者的抗渗性比后者提高6倍。硅粉混凝土抗渗等级大于S12,满足桥梁工程中桥面混凝土设计中的最高要求。4)抗冻性。硅灰掺入混凝土中,改善了其微孔结构,减少了可冻水量,因此抗冻性有明显提高。使用掺10%硅粉、水灰比0.5,胶凝材料总量为400 kg/m3的硅粉混凝土做抗冻试验,冻融300次,其相对动弹模为78%;而有相同含气量的不掺硅粉的普通混凝土,冻融500次,其相对动弹模就下降到50.2%。此外,硅灰混凝土的抗冻性还与水泥用量和减水剂的掺量等因素有关。5)抗磨性。对硅粉混凝土试件进行抗磨性试验,采用胶凝材料325 kg/m3的混凝土试件,28 d龄期在相同冲磨时间下,所选用的含硅粉10%的混凝土的磨损率为0.95 kg/(h◦m3),而未掺硅灰的磨损率为1.61 kg/(h◦m3),即硅粉混凝土的磨损率比未掺明显降低。

4 结语

通过对硅粉混凝土的试验,证明硅粉是混凝土中高活性优质掺料,它能明显改善混凝土各项技术性能。可促使水泥高度分散,早期水化,硅粉的火山灰活性不断和水泥水化物Ca(OH)2起反应,也加速水泥水化,从而改变水泥混凝土的孔结构和界面结构,使混凝土更加实密,提高了混凝土的强度和抗渗性,耐磨性能大幅度改善;硅粉和粉煤灰及缓凝型高效减水剂三掺,可克服单掺粉煤灰早期强度低,也能克服单掺硅粉混凝土早期收缩大的缺点,可取代水泥,降低水化热温升,有利于防止早期性开裂。硅粉混凝土各项性能指标已经满足桥面铺装混凝土性能要求。在推广中,随着更高减水率外加剂的出现,硅粉的掺量能否控制在10%左右,将可以降低因过多硅粉引起混凝土的自收缩变形,又可保证硅粉强度和耐久性能,同时也能够节约成本。

[1] 周国恩,虞孝伟.高强高性能混凝土的配制与应用[J].广西土木工程,1999(2):61-62.

[2] GB 1596-91,用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].

[3] 梁 峰.高性能路面混凝土配合比设计及路用性能研究[D].西安:长安大学,2002.

[4] 李立权.混凝土配合比设计手册[M].广州:华南理工大学出版社,2000.

[5] 马 江,柯美亮.硅粉粉煤灰混凝土的室内试验研究[J].山西建筑,2009,35(8):180-181.