基于混凝土性能需求的硅灰优选试验分析

奚欢欢 汪林华 杨益涛 杨云龙 范长利

（成都建工蓉睿建材有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

硅灰作为一种高活性的掺合料，在混凝土和砂浆中的应用越来越广泛，在保证强度的前提下能够大量取代水泥用量。但我国对硅灰的应用研究和回收利用起步较晚，一些硅铁生产企业对硅灰的回收不够重视，一些规模较大的企业尽管回收了硅灰，但其硅灰的二氧化硅含量大多数都不达标，尚属粗放型的工业副产品［1-2］。最近几年，国家对环保治理的力度越来越高，许多铁合金生产企业开始配备了收尘设备，并开发、引进了硅灰的加密技术（又称增密技术，用以提升硅灰的容重）。因此近几年我国硅灰产品发展速度较快，对硅灰的生产使用技术更加成熟，各种硅灰产品已经陆续应用在普通低强混凝土、（超）高强混凝土、自密实混凝土中。然而目前市场上的硅灰质量参差不齐。为了科学使用硅灰配制优质混凝土，本文对硅灰进行相关性能优选试验，以期为硅灰的有效利用提供参考。

1 试验原材料

1.1 试验目的

通过设定的试验方案对不同厂家提供的硅灰样品进行对比试验，比较硅灰用于配制混凝土的相关性能指标，并根据指标选择最优的硅灰用于实际生产中。

1.2 试验设备

水泥胶砂搅拌机、砂浆稠度仪、水泥胶砂振实台、恒温恒湿标准养护箱、抗折抗压试验机、马弗炉、自动比表面积测定仪、水泥负压筛析仪、截锥圆模和游标卡尺等。

1.3 试验样品

水泥：来自成都市某厂家P·042.5R水泥，其化学成分及物理性能见表1和表2所示。

表1 水泥的化学成分分析

表2 水泥的物理性能分析

硅灰：该试验采用5种不同的硅灰样品。1#样品：长和新材全加密硅灰；2#样品：长和新材半加密硅灰；3#样品：恒瑞源半加密硅灰；4#样品：成都埃森全加密硅灰；5#样品：张继业全加密硅灰。

（1）砂：采用标准砂，其粒径范围为0.08～2mm；

（2）减水剂：来自成都市某厂缓凝型高效减水剂，其检测数据见表3所示。

表3 减水剂匀质性报告

（3）水：本试验采用的水为饮用水。

2 试验方案设计

根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JTJ/T 70-2009），《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-2021）几个试验标准要求进行硅灰的性能试验。以纯水泥砂浆作为空白对照组，采用5种不同的硅灰，硅灰掺量为5%的砂浆进行扩展度、稠度和活性试验，并根据试验结果最终选择综合性能最佳的样品的硅灰用于混凝土的实际生产。对照试验方案设计见表4所示。

表4 对照试验方案设计

3 对照试验结果及其分析

试验结果见表5所示。根据表5中不同硅灰的烧失量、需水比、扩展度、稠度以及28d胶砂强度的试验数据进行相关性分析。

表5 对照试验结果数据

3.1 烧失量与28d强度试验结果对比

烧失量与28d强度试验结果对比如图1、图2所示。

图1 烧失量对比

图2 28d强度对比

由图1、图2 可知，对于硅灰，烧失量体现的是活性成分在硅灰中的占比，活性成分含量越高，在烧失量试验中与氧气发生反应损失的数量就越多，而活性成分含量越高，水泥硅灰胶砂试块28d强度就越高，由此可知，3#样品烧失量为7.8%，对应胶砂试块28d强度52.7MPa，样品硅灰的烧失量越高，该样品硅灰替代5%的水泥成型的水泥硅灰胶砂试块对应的28d强度就越高。

3.2 扩展度和稠度试验结果对比

扩展度和稠度试验结果对比如图3、图4所示。

图3 扩展度对比

图4 稠度对比

由图3、图4 可知，1#和3#试样活性成分含量最高，拌制砂浆时，样品中的活性成分对外加剂中聚羧酸分子的吸附性很强，使得砂浆的拓展度和稠度很小，3#相较于1#更小，说明3#吸附的聚羧酸分子数量更多，但3#烧失量7.8%，1#只有3.7%，只能说明3#样品中的活性成分的含量比1#更多。2#样品为半加密，1#和3#为全加密，2#样品的密度小，但它的比表面积更大，2#烧失量2.0%，28d 强度45.6MPa 最低，说明2#样品中的活性成分的含量最少,从数据上分析可能是因为更大的比表面积对水分子和聚羧酸分子的物理吸附的数量更多。

3.3 需水比试验结果分析

需水比试验结果如图5所示。由图5可知，需水比1#为118.4%，3#为133.3%，1#的需水比远小于3#的需水比，从而分析可得3#试样的活性成分的含量比1#试样多，达到相同的砂浆状态3#需要更多的水分子，即3#的需水比更大；从图2 可知，1#试样的强度为52.5MPa，3#试样的强度为52.7MPa，两者替代水泥的比例和强度都相同，但1#的活性成分的含量不到3#的一半，说明1#的活性成分的增强效率（活性成分与水泥的化学反应）为3#的2倍。

图5 需水比对比

3.4 稠度与需水比分析

稠度是反映砂浆干稀的指标，稠度越小，砂浆越干。1#试样稠度为100.5mm，相较于空白组111.5mm，稠度减小了11mm；3#试样稠度为91.5mm，相较于空白组的稠度减小了20mm。由于聚羧酸分子具有较大的分子量、复杂的分子结构，相较于水分子有更强的竞争吸附能力，可优先吸附于硅灰和水泥表面而释放更多的自由水。由图4 可知，数量相同的聚羧酸分子被全部吸附于活性成分含量更少的1#硅灰和水泥分子表面，而且还有部分水分子被吸附，使得加了1#硅灰的砂浆状态比空白组变得更干，3#试样活性成分的含量更多，因而吸附的水分子数量比1#更多，才使得3#的砂浆状态比1#更干。由图5可知，1#试样需水比为118.4%，3#试样为133.3%，1#需水比增加量18.4%，3#试样33.3%，可知3#与1#的需水比增加量的比值为1.810，3#与1#的稠度减小值的比值为1.818，聚羧酸分子存在与否不影响材料的需水特性，这说明砂浆稠度与材料需水比二者完全相关，并且可以根据两种材料的需水比、一种材料的砂浆稠度推算出另一种材料的砂浆稠度。

4 结束语

为了选出性能最佳的一种硅灰，本文对5 组硅灰样品进行了烧失量、需水比、28d 活性等关键指标的试验数据进行分析，根据《砂浆和混凝土用硅灰》（GBT 27690-2023）要求（硅灰烧失量≤4%，需水比≤125%），分析结果发现满足这两项要求的只有1#硅灰。按照《砂浆和混凝土用硅灰》（GBT 27690-2023）中对硅灰活性的要求，样品硅灰胶砂试块与基准水泥胶砂试块28d 强度的比值≥105%，5%掺量的1#硅灰样品胶砂试块与基准水泥胶砂试块28d 强度的比值尽管只有100%，其活性却在5个样品中排第二名。因此，综合硅灰的烧失量、需水比、拓展度、稠度以及28d 胶砂强度等多项指标，性能最佳的一组硅灰为1#硅灰，即长和新材全加密硅灰。