硅灰对水泥石收缩的影响研究

左文銮，魏勇，范建锋，张宏明

（南通众润混凝土有限公司利废技术开发中心，江苏 南通 226600）

硅灰对水泥石收缩的影响研究

左文銮，魏勇，范建锋，张宏明

（南通众润混凝土有限公司利废技术开发中心，江苏 南通 226600）

本文通过薄片制样的方法，研究了硅灰对水泥石收缩的影响。通过不同水胶比，不同龄期的各硅灰掺量的水泥石收缩率和失重的研究分析，探索硅灰对水泥石收缩的影响规律。实验结果表明，水灰比较低的情况下，硅灰的掺入能减小水泥石的收缩，这个减小收缩的最佳掺量值随水化程度的提高而逐渐增大。水灰比较大时，早期硅灰的掺入也会减小收缩，后期随着水化程度的增加，收缩增加。

硅灰；水泥石 ；收缩；失重

1 前言

随着混凝土的发展，高性能混凝土的研究已成为一种趋势，通过掺矿物掺合料来提高混凝土的性能，同时降低成本引起了国内外学者的极大兴趣。吴中伟教授[1]认为高性能混凝土是一种新型高技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。

矿物细掺料即矿物外加剂，又称混凝土掺合料[2]。其种类繁多，组成和性能有很大的差异,并各具特点。有研究者将矿物掺合料分为四类[3]，目前应用比较广泛的一种即为同时具有胶凝性和火山灰性的材料，硅灰就是其中一种。硅粉颗粒呈球型，是由许多小颗粒通过静电聚集在一起，混凝土中掺入硅灰可显著提高混凝土强度和耐久性[4]，硅灰的适宜掺量一般为 5% ～10%。

高性能混凝土中由于矿物外加剂和化学外加剂的加入使得施工性能和物理力学性能得到提高[5]，但由于两者的加入使得混凝土开裂的原因变得复杂。本文旨在通过研究硅灰对水泥石收缩的影响来探索矿物外加剂对混凝土收缩的影响规律，为混凝土中矿物外加剂的应用提供指导意见。

2 原材料和方法

2.1 主要原材料

2.1.1 水泥

水泥选用磊达水泥厂生产的磊达 P·O42.5 级的水泥，其主要性能指标和化学成分见表 1。

表 1 P·O42.5 水泥的性能指标

2.1.2 硅灰

本实验用硅灰的主要化学成分见表 2。

表 2 硅灰的主要化学成分 %

2.2 实验方法

本实验中试块成型后在 60℃ 恒温水浴中养护 24h 后，拆模放入饱和 Ca(OH)2中，再放入标准养护箱中养护。待测试样是用切割机切割厚度约 1.0mm、直径约 30mm 的圆形薄片试样[5]，在试样上用记号笔画上 3 条交与圆心的直径，间隔60°，标上顺序（1，2，3）以此作为测量基线，以三组数据取平均值。失水前试样质量为原始质量。试样每次测量完后放入饱和 Ca(OH)2中，继续标准养护。

3 实验结果和分析

实验通过不同水胶比，不同龄期的各硅灰掺量的收缩率和失重的研究分析，探索硅灰对水泥石收缩的影响规律。

由表 3 、图 1 可以看出，水胶比为 0.3 的水泥石的收缩随着龄期的增长而减缓，不同硅灰掺量的水泥石的收缩幅度不同，各龄期的水泥石的收缩变化不尽相同。7d 龄期和 28d龄期，在硅灰掺量为 2.5% 和 5.0% 时的水泥石收缩较小，且掺量为 5.0% 时收缩达到最大值；60d 龄期，在掺量为 5% 和10% 时收缩较小，5% 时达到最小值。对于 180d 龄期的，则在硅灰掺量为 7.5% 时达到最低值。由此我们可以认为，水泥石收缩的硅灰的最佳掺量随着水化程度的增大而增大。

表 3 水胶比为 0.3 的水泥石不同龄期的收缩 %

出现上述现象，原因分析为：

第一，加入到水泥体系中的硅灰依靠水泥水化产生的Ca(OH)2来进行火山灰二次反应，原有水泥体系中反应生成的Ca(OH)2数量及性能都会影响火山灰二次反应的发生，较低水胶比的水泥石体系中水化反应的速度相对较慢[5]。

第二，硅灰的细度和比表面积是水泥的近百倍，当加入到水泥体系中后，其需水量将明显增大，这使得体系用于水化的自由水减少，在一定程度上降低了体系的水灰比，延缓了水泥的水化，减慢了 Ca(OH)2的生成。但随着龄期的延长水泥的水化程度增大，体系中的 Ca(OH)2数量增多，硅灰的火山灰二次反应得以进行。

第三，硅灰的细小颗粒除了可以填充水泥浆体中的有害孔，另一方面其二次水化产物也可以填充硬化水泥浆体中的有害孔，起到微集料的作用，减少了较大毛细孔的数量，使得水泥浆体更加密实，失水相对更难。

图 2 水胶比为 0.3 的水泥石不同龄期的收缩

表 4 水胶比为 0.3 的水泥石不同龄期的失重 %

结合表 4 和图 2 可以看出，随着龄期的增长，各个掺量下水泥石的失重都减小。而每个龄期下随着硅灰掺量的增加，水泥石的失重变化规律不尽相同。在 7d 和 28d 时，随着硅灰掺量的增加水泥石的失重增加；而 56d 和 180d 时，则出现先减后增的失重规律。这同时也验证了上述原因的第三条。

综合以上分析认为，掺了硅灰的水泥石的收缩是水泥水化反应，硅灰火山灰活性二次反应的综合结果。换句话说，水泥浆体中初始水化的快慢直接影响硅灰火山灰二次反应需要的 Ca(OH)2的生成量，而硅灰较大的需水量则会降低水泥浆体的水灰比，所以在水胶比为 0.3 时，硅灰的掺入会有减缩作用。

图 3 不同水胶比水泥石 7d 的收缩

图 4 不同水胶比水泥石 7d 的失重

由前述实验结果及分析，我们可以进一步推论高水灰比的水泥石的试样在较早龄期时，硅灰的掺入也要减少收缩。图 3 就很好地验证了我们的推论。水胶比为 0.4 的水泥石试样在硅灰掺量为 2.5% 时，几乎没有增加收缩。而水胶比为 0.5的水泥石试样的收缩一直较小，当掺量为 5% 时，收缩达到了最小值。由图 4 看出，早期失重都有所增加，说明大水灰比早期水化较快，产生的 Ca(OH)2较多，促进了硅灰的火山灰活性二次水化，微孔填充效应明显，水泥浆体更密实失重增加，收缩较小。

表 5 水胶比 0.4 和 0.5 的水泥石的各龄期的收缩

表 6 水胶比 0.4 和 0.5 的水泥石的各龄期的失重

当水泥石的水胶比及水化程度增大时，硅灰的减缩效应便逐渐消失。表 5 中所示，当水胶比为 0.4 和 0.5 时，28d 及其以后的各龄期水泥石的收缩相对于空白试样均有所增大，其中 28d 和 60d 的试件均随硅灰掺量的增加收缩增加，而180d 时随着硅灰掺量的增加收缩呈先增后减的趋势，但均大于空白试样。表 6 则表明对于收缩增大的水泥石试件，其重量损失随硅灰掺量的增加而增大，水胶比 0.4 的试件在硅灰掺量增大时其重量损失增加较为明显；水胶比 0.5 时变化则相对较为平稳，这可能是由于较大的水胶比试件的水化程度相对较高，其内部的孔结构得以改善，大孔较少，从而失水相对平衡，但其收缩相对较大。

4 结论

通过以上研究分析，得出以下结论：

（1）在水胶比较低的情况下（实验中为 0.3），硅灰的掺入使得水泥石试件在不同的掺量时均出现减小收缩的现象，且这个减小收缩的最佳掺量值随水化程度的提高而逐渐增大，7d 最佳掺量为 2.5%，28d 和 60d 的最佳掺量为 5%，180d 的最佳掺量为 7.5%。

（2）在水灰比较大的情况下，早龄期时，硅灰的掺入也会减少收缩，水胶比为 0.4 的水泥石试样在硅灰掺量为 2.5%时，几乎没有增加收缩。而水胶比为 0.5 的水泥石试样的收缩一直较小，当掺量为 5% 时，收缩达到了最小值。

（3）随着水胶比的增大，养护龄期的增长，硅灰的掺入使得水泥石收缩呈增大趋势。

[1] 吴中伟，绿色高性能混凝土—混凝土的发展方向[J]，混凝土与水泥制品，1998,l(1)：3-7.

[2] 张成志．商品混凝土北京[M]．北京：化学工业出版社，2006(3)：37-39.

[3] RC Mielenz．Mineral admixtures-History and Background[J]，Concrete International，1983.8．

[4] 陈琴．高性能矿物掺合料的制备与性能研究[D]．武汉理工大学，2010．

[5] 尹全勇．混凝土外加剂对水泥石干燥收缩的影响及其机理研究[D]．重庆大学，2008．

［通讯地址］江苏省南通市海安经济开发区花园大道 88 号南通众润混凝土有限公司（226600）

住房城乡建设部关于发布国家标准《粉煤灰混凝土应用技术规范》的公告

现批准《粉煤灰混凝土应用技术规范》为国家标准，编号为 GB/T50146－2014，自 2015 年 1 月 1 日起实施。原《粉煤灰混凝土应用技术规范》GBJ146－90 同时废止。

本规范由我部标准定额研究所组织中国计划出版社出版发行。

来源：住房城乡建设部

左文銮（1987—），女，硕士，专业：无机非金属材料。