硅灰对水泥基材料性能影响的试验研究

赵 飞 丛晓红 吴 宝 李佳琦 张玉栋

(1.河北建筑工程学院，张家口，075024;2.中国建筑第六工程局有限公司，天津，300450)

1前言

随着水泥混凝土研究和应用技术的进步，具有优良工作性、高强度、高耐久性和体积稳定性好的高性能水泥混凝土受到了工程界广泛的重视.矿物掺合料是现有技术条件下配制高性能混凝土不可或缺的组分.研究表明:活性矿物掺合料有许多技术优点，如掺入矿物掺合料可降低水化热，从而改善水泥混凝土的抗裂性;掺入超细的掺合料可优化孔结构与孔级配，降低了大孔孔隙率，提高细孔比例，最终可提高水泥混凝土的强度和抗渗性;掺入掺合料还可缓解碱一骨料和硫酸盐造成的膨胀等损害程度.本文主要讨论了在水泥中掺入硅灰后，水泥浆性能发生的变化.

2 硅灰简介

硅灰是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生的二氧化硅和硅气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料.

硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体.在水泥基的混凝土、砂浆中，掺入适量的硅灰，可起到如下作用:

(1)显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能.

(2)具有保水、防止离析、泌水、大幅降低混凝土泵送阻力的作用.

(3)显著延长混凝土的使用寿命.特别是在氯盐污染侵蚀、硫酸盐侵蚀、高湿度等恶劣环境下，可使混凝土的耐久性提高1倍甚至数倍.

(4)大幅度降低喷射混凝土的落地灰，提高单次喷层厚度.

(5)它是高强混凝土的必要成份.

(6)有效防止发生混凝土碱－骨料反应.

3 原材料及实验方法

3.1 原材料

3.1.1 水泥

为了使试验所得出的数据具有代表性，突出硅灰在水泥基复合材料中所产生的效果，排除掺混合材的水泥对试验的影响，所以选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，即P·O42.5.

本试验中所选用水泥是北京金隅水泥厂生产的.依据现行标准《通用硅酸盐水泥》GB175－2007对水泥的性能进行检验，对其进行合格性判定.检验结果为合格，见表1.

表1 水泥的基本参数

3.1.2 硅灰

本实验所使用的硅灰来自北京凯木斯新建筑材料有限公司，其基本参数见表2.

表2 硅灰的基本参数

3.1.3 水

本试验选用洁净、无杂质的可饮用水来拌制水泥浆，满足《混凝土拌和用水标准》(JGJ 63—2006)的规定(水泥浆拌和用水的技术要求和混凝土拌和用水的技术要求相同).

3.2 试验方法

本设计中采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥(P·O42.5)所配制的水泥净浆作为基体材料，通过调整硅灰的掺配比例，取代等质量水泥的方法，对掺硅灰的水泥浆的性质进行试验研究.经过考虑后，拟设计5组配比，每组配比中硅灰取代水泥质量的百分数分别为0%、8%、12%、16%、20%;每组配比成型试件2组，每组6块，共计60块，试件尺寸为20 mm×20 mm×20mm;其中，每组配比中一组在标准养护28天后测其抗压强度，而另一组则在标准养护条件下的质量百分数为15%的硫酸钠溶液中进行养护28后沸煮，再测其抗压强度.通过对每组配比中的两组试测强后得出的数据进行对比分析，从而得出结论.

表3 试样强度检测结果

4 数据整理与分析

本部分内容主要是对试验中所得到的数据结果进行整理和分析，从而探寻出在不同配比中，硅灰对水泥稠度、抗压强度及腐蚀后的抗压强度的影响.

4.1 水泥浆稠度数据分析

通过采用表3中的各配比水泥浆的数据，以硅灰掺量作为横坐标，以水泥浆稠度作为纵坐标绘制图1.

由图1可以看出，随着硅灰掺量的增加，水泥浆稠度逐渐增大，流动性降低.

现象分析:由于本设计中配制净浆均选用的是普通硅酸盐水泥、洁净无杂质的水，进行相同的搅拌时间，由净浆测定仪设定而成，且在相同的温度条件下进行试验操作，故这些因素对净浆试件的流动性影响是相同的，并不能成为影响净浆试件流动度的主要因素.

一般来说，硅灰的比表面积大，因而使浆体的流动性显著下降、粘聚性和保水性提高.虽然虽然硅灰颗粒具有形态效应，但与比表面增大相比，吸附水量的增加作用超过了形态效应.随着硅灰掺量的增加，浆体的稠度也随着增大，流动性下降，对施工，特别是给泵送施工带来不便.

4.2 正常养护28天后试样实测强度数据分析

通过采用表3中的各配比水泥浆的数据，以硅灰掺量作为横坐标，以试样正常养护28天的实测抗压强度值作为纵坐标绘制图2.

由图2可以看出，随着硅灰掺量的增加，正常养护28天试样的实测抗压强度值呈开始降低，随着硅灰掺量的增加又逐渐升高的状态，当硅灰掺量达到20%时，其强度甚至超过了掺量为0%时的强度.现象分析:硅灰具有很高的无定形SiO2成分、极高的比表面积和分散度，颗粒圆整而致密，与其他活性掺合料相比，具有反应快、活性高等优点.在浆体中加入硅灰，由于硅灰的比表面积较大，砂浆内部的大量毛细水被硅灰所约束，减少了浆体内部的泌水，提高了水泥浆与骨料及钢筋的黏结.改变了浆体内部的孔结构，大孔减少，小孔增多，孔径变细，填充水泥颗粒间的空隙，形成密实结构，使浆体的强度大幅度提高.

4.3 经过硫酸钠腐蚀溶液养护28天后试样实测抗压强度数据分析

通过采用表3中的各配比水泥浆的数据，以硅灰掺量作为横坐标，以经过硫酸钠腐蚀溶液养护28天后试样的实测抗压强度值作为纵坐标绘制图3.

由图3可以看出，经硫酸钠腐蚀溶液养护后的试样强度总体比正常养护的试样要低，其强度变化规律和正常养护后的试样相近，都是开始降低，随着硅灰掺量的增加又逐渐升高，当硅灰掺量达到20%时，其强度超过了掺量为0%时的强度.

现象分析:由于出现这种现象的原因与正常养护28天的试样相同，所以在此不再赘述.

5 结论

经过试验研究表明选用硅灰取代部分水泥用量的方法是可行的，而且也达到了预期的效果.由于硅灰的比表面积大，因而使浆体的流动性显著下降，但是粘聚性和保水性提高.虽然正常养护条件下的试样以及在硫酸钠腐蚀溶液中养护的试样随着硅灰的加入其28天抗压强度实测值开始降低很多，之后又逐渐升高，最终在硅灰掺量在20%时超过了掺量为0%时的强度，说明此时的掺量为适宜掺量，既可以达到节约水泥的效果，同时还可以使其强度得到提高.

［1］矿物掺合料对混凝土早期开裂性能的影响.中国矿业大学学报

［2］矿物掺合料对水泥胶砂强度发展规律的影响.粉煤灰期刊

［3］张明征.高性能混凝土的配制与应用.北京.中国计划出版社，2003，3

［4］朱宏军，程海丽，姜德民.特种混凝土和新型混凝土.北京.化学工业出版社，2004，3

［5］吴中伟，廉慧珍，高性能混凝土，中国铁道出版社，1999，9

［6］姚燕.新型高性能混凝土耐久性的研究与工程应用.北京.中国建材工业出版社，2004，1