硅灰和高性能混凝土

1、硅灰和高性能混凝土硅灰的商業(yè)化應(yīng)用在美國已有 25年的歷史。在此期間，硅灰從一種處于研究階段的材料演變成一種在 商品混凝土中被廣泛規(guī)定使用的組分。硅粉在被市場所接 納的時間，恰好是“高性能商品混凝土” 一詞產(chǎn)生的前夕，有充分的理由說明： 最初的硅灰商品混凝土項目正是高性能商品混凝土的起源。本文簡述了在美國市場中硅灰使用的發(fā)展歷史；回顧了硅灰商品混凝土如何發(fā)展成為高性能商品混凝 土；并總結(jié)了使用硅灰的適用場合、配合比、抹面和施工性能等方面的經(jīng)驗。硅粉的市場化工作也進(jìn)行了近 20年時間。在此期間，硅粉的市場化工作也進(jìn)行 了近20年時間。在此期間，硅粉吸引了包括美國在內(nèi)的全球眾多研究人員的注 意力。

2、發(fā)展至今，成為多種商品混凝土的必要組成成分。引言眾所周知，在商品混凝土行業(yè)中，引進(jìn)和接受新技術(shù)是比較困難和緩慢的， 這種 說法對于硅灰尤其準(zhǔn)確。對于這些新的技術(shù)，往往需要某個項目的“第一次使 用”，從而從根本上打開該技術(shù)廣泛應(yīng)用的大門。 對于硅灰，其取得突破性進(jìn)展 的項目是美國工程兵部隊在20世紀(jì)80年代初在水工結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。在硅灰應(yīng)用 于商品混凝土一段時間后，“高性能商品混凝土”（HPC）術(shù)語出現(xiàn)在商品混凝土行業(yè)。如下所述，該材料（HPC）的定義經(jīng)歷了一些反復(fù)。目前，“高性能” 一詞 較廣泛地表述了很多商品混凝土材料的性能特征。本文簡要地回顧了硅灰在美國應(yīng)用于商品混凝土的歷史，以及早期進(jìn)行的

3、市場化工作。然后，回顧了高性能商品混凝土的萌芽和演變。最后，本文對過去20年硅灰在商品混凝土中應(yīng)用所積累的經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)。1歷史在20世紀(jì)70年代，兩個挪威的組織開始將硅灰介紹到美國市場。其中一個是挪威的Norcem公司，另一個是日borgTechnology 公司?，F(xiàn)在，這兩個組織演變成 為Norcem商品混凝土制品公司和?？喜牧瞎?，并且仍然活躍于硅灰的生產(chǎn)和 營銷工作中。與此同時，美國工程兵部隊將水工結(jié)構(gòu)商品混凝土的抗沖磨性作為 一個主要的研究方向。在工程兵部隊水道試驗站工作（WES）勺劉先生，研制了模擬抗沖磨環(huán)境測試商品混凝土性能的試驗方法，此后成為標(biāo)準(zhǔn) ASTMC1138采用 這種試驗

4、方法，開展了大規(guī)模試驗研究，比較許多不同的商品混凝土和其它材料 的抗沖磨性能。筆者最早與硅灰打交道是20世紀(jì)70年代后期，在WESK道試驗站工作期間。兩 個ElborgTechnology公司的人訪問了我們，并帶來材料樣品，聲稱材料抗壓強 度可以達(dá)到210MPa盡管當(dāng)時在 WESK道試驗站正在分析確定不同來源硅灰的 特性，但這是我們第一次看到這種材料真正在商品混凝土中使用和推廣。測試所提供的150m由300mnH柱試件試驗結(jié)果證明，上述的高抗壓強度是確實 存在的。根據(jù)該試驗結(jié)果，高強硅灰商品混凝土被增加進(jìn)抗沖磨材料的試驗計劃，試驗結(jié)果令人滿意因此，硅灰商品混凝土在兩個主要工程中得到了應(yīng)用這兩個

5、項目是洛山磯河低流量截面的襯板和更換Kinzua大壩消力池底板。在參考文獻(xiàn)中對這兩個項目有詳細(xì)描述，所有參加者認(rèn)為這兩個項目是成功的。 值得指出 的是，在這兩個項目的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，均采用抗壓強度替代耐磨性能。 這種間接規(guī) 定商品混凝土性能的方法，在如今的高性能商品混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中很常見。后來 的調(diào)查表明，硅灰商品混凝土具有被期望的抗沖磨性能。2002年4月對Kinzua大壩消力池的檢查顯示，在使用將近 20年后，硅灰商品 混凝土狀態(tài)良好迄今為止，硅灰商品混凝土的使用時間，已是先前使用的商品混 凝土修補材料的兩倍，而原先使用的商品混凝土修補材料在使用到 10年的時候, 其損壞程度已經(jīng)超過使用到20

6、年的硅灰商品混凝土?？上Э箾_磨商品混凝土的市場不夠大，不足以維持供應(yīng)商銷售大量的硅灰。Norcem公司成功地開辟了耐化學(xué)腐蝕商品混凝土領(lǐng)域，應(yīng)用于化肥和化工廠，但這個市場的容量仍然有限。兩個供應(yīng)商尋找嘗試其它合適的硅灰商品混凝土應(yīng) 用。出現(xiàn)了兩個新領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高強商品混凝土和耐久性應(yīng)用的低滲透商品 混凝土。Norcem口 ElborgTechnology公司是早期 Whitlng研發(fā)“快速氯離子滲透”試驗 方法的支持者，該試驗方法后來成為ASTMC1202準(zhǔn)方法。通過這項試驗的驗證， 硅灰商品混凝土應(yīng)用有了新的突破-俄亥俄州交通部第一個將其在橋面板上使用。 在許多機構(gòu)充分試驗論證的基礎(chǔ)上，

7、這些初始項目建立起了對硅灰的信任和信心， 同時有力推動了硅灰在該領(lǐng)域的應(yīng)用 一開始，兩個主要硅灰供應(yīng)商均是零售方式銷售，都與制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的人員合作，發(fā)展適用硅灰的項目，然后將硅灰直接賣給商品混凝土生產(chǎn)企業(yè)， 同時在項目建 設(shè)期間提供必要技術(shù)服務(wù)。過了一段時間，這兩個組織變成為如今的批發(fā)商。 現(xiàn) 在在美國，直接銷售和項目技術(shù)服務(wù)主要都由 外加劑供應(yīng)商承擔(dān)?？傮w來說，硅灰在美國的應(yīng)用歷史可以概括如下：20世紀(jì)70年代中后期：硅灰被介紹到美國和開始應(yīng)用。當(dāng)時，硅灰被看作一種配方產(chǎn)品，市場開發(fā)和應(yīng)用是逐個項目進(jìn)行的。20世紀(jì)80年代早期：硅灰的市場開發(fā)力度增大，但仍然是以項目為基礎(chǔ)。美國 陸軍工程兵部

8、隊的項目和俄亥俄州橋面板項目完成。20世紀(jì)80年代中后期：硅灰應(yīng)用增長，仍然由生產(chǎn)商主導(dǎo)營銷。20世紀(jì)80年代后期，美國的主要化學(xué)外加劑供應(yīng)商都將硅灰納入自己的產(chǎn)品系列。20世紀(jì)80代后期至90年代中期：化學(xué)外加劑供應(yīng)商大力進(jìn)行硅灰的推廣。這 是硅灰被廣泛接受的重要過程，因為這些公司具有更強的能力推廣這種材料和為項目提供技術(shù)服務(wù)。20世紀(jì)90年代中期至今：硅灰成為能夠自身持續(xù)發(fā)展的材料。設(shè)計人員在日常工作中選用硅灰，不再需要供應(yīng)商的幫助或參與項目。 目前，在許多州交通部的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中都有硅灰，并在許多項目需要的某種高性能商品混凝土中應(yīng)用。2最初硅灰商品混凝土的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在Kinzua項目應(yīng)用硅灰商

9、品混凝土的一個有趣方面是制定項目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。怎樣規(guī)定使用硅灰呢？最早的兩個可能的供應(yīng)商均是將硅灰作為配方產(chǎn)品銷售，產(chǎn)品 含硅灰和化學(xué)外加劑（減水劑、高效減水劑或兩者的組合）。作為政府機構(gòu)，我們 不想將招標(biāo)限制在這兩個供應(yīng)商內(nèi)一我們希望在更廣泛的供應(yīng)商范圍招標(biāo)。如前所述，Buck先生當(dāng)時正在 WESK道試驗站做一項工作，分析確定幾種不同 硅灰的特性。WES*道試驗站的代表一總工程師辦公室和匹茲堡地區(qū)工程部（代 表Kinzua大壩）一起討論了 Buck先生的數(shù)據(jù)。硅灰的性能，在氧化硅（SiO2）含 量水平85流右，似乎是一個清晰的分界點。有合理數(shù)量貨源的硅灰，SiO2含量 大于85%因此，在硅灰技術(shù)

10、標(biāo)準(zhǔn)中，85%SiO的量被選定為要求的最低含量。這項指標(biāo)的確定并不是以技術(shù)性能為基礎(chǔ)， 而是基于當(dāng)時潛在硅灰供應(yīng)商產(chǎn)品能夠達(dá)到的水平。然而，這項指標(biāo)不幸地就由此固定了下來，并在至今的ASTMf口其它標(biāo)準(zhǔn)中采用。當(dāng)時，硅灰的其它特征指標(biāo)來源于粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。其中一個參數(shù)是比表面積的透氣試驗，從技術(shù)上該試驗對于硅灰是不正確的。我們進(jìn)一步?jīng)Q定， 任何化學(xué)外加劑都要求滿足ASTMC49的要求，無論硅灰作為配方產(chǎn)品或單獨摻 加。3高性能商品混凝土 硅灰被介紹到商品混凝土領(lǐng)域的一個非常獨特現(xiàn)象，是該材料引起了各商品混凝 土研究組織的極大興趣。在早些年，送給研究人員的硅灰似乎比銷售的還多。之后，難以想象數(shù)量的研

11、究報告發(fā)表。 這些研究人員關(guān)注了硅灰的方方面面， 包 括它在商品混凝土中的作用和可能的應(yīng)用， 以及可以預(yù)計的局限。從總體上，這 些報告建立起了使用硅灰的信心。 無論是何種原因，與其它材料相比，人們似乎 非常有興趣將硅灰作為商品混凝土組分和納入商品混凝土工藝技術(shù)。 主要的研究 與應(yīng)用領(lǐng)域包括：改善界面過渡區(qū)（ITZ）對強度和滲透性的重要意義。在界面過渡區(qū)（ITZ）,顆粒包裹和火山灰活性的作用。認(rèn)識到：與簡單降低水膠比（w/cm）相比，摻加合適火山灰質(zhì)材料，能更大幅度降 低商品混凝土的滲透性。將高效減水劑技術(shù)應(yīng)用到硅灰商品混凝土。利用可生產(chǎn)的高強商品混凝土，承載高層建筑的重力荷載。利用低滲透性商品

12、混凝土改善耐久性，特別是暴露于氯污染環(huán)境。在水平構(gòu)件中，如橋的大梁，應(yīng)用高強商品混凝土。適宜的澆筑和抹面工藝程序，控制塑性收縮裂縫。在有些時間，幾項研究和工藝技術(shù)的潮流匯聚到了一塊。 這些潮流包括上述對硅 灰的研究，生產(chǎn)和應(yīng)用不含硅灰的高強商品混凝土， 非常低水膠比和高摻量高效 減水劑的流態(tài)商品混凝土，提高耐久性的商品混凝土等等，匯聚到一起就形成大 家熟知的高性能商品混凝土。盡管高性能商品混凝土不一定含硅灰， 但我認(rèn)為圍繞硅灰的興趣和研究， 對發(fā)展 高性能商品混凝土（HPC）的概念起了重要作用。作為戰(zhàn)略公路研究計劃 （SHRP珀 一部分，Zia先生和他的同事是最早（或最早之一）嘗試定義高性能商

13、品混凝土 （HPC）o他們的定義適用面較窄，主要指導(dǎo)商品混凝土在公路方面應(yīng)用。1991年美國商品混凝土學(xué)會（ACI）成立了高性能商品混凝土（HPC）員會。該委員會的第一項工 作就是對該材料作出定義。Russell介紹ACI對高性能商品混凝土的定義（包括 說明）如下： “能夠滿足特殊組合的性能和勻質(zhì)性要求的商品混凝土，這些要求不是日常采用傳統(tǒng)組分和普通攪拌、澆筑、養(yǎng)護(hù)工藝總能達(dá)到?！薄罢f明”包括高性能商品混凝土可能會涉及到的下列特性:Easeofplacement 易于澆筑 Compactionwithoutsegregation密實過程不離析Earlyagestren gth 早期強度 Lon

14、gtermmechanicalproperties長期力學(xué)性能Permeability 滲透性Density容重（密實性）Heatofhydration 水化熱Toughness韌性 Volumestability 體積穩(wěn)定性 Longlifeinsevereenvironments在惡劣環(huán)境中長壽命（1998年，ACI對上述定義作了修改，把“早強”列入“特殊性能組合”可選性能之一，而不是作為必要的規(guī)定加以強調(diào)。編者注 ）在同一篇文章中介紹了世界范圍其它高性能商品混凝土的定義。無須多言，你可以看出這些定義很多內(nèi)容是來源于研究硅灰應(yīng)用所做的工作。4美國目前的硅灰市場在美國，硅灰目前主要應(yīng)用于兩個

15、領(lǐng)域。其一是高強商品混凝土， 一股指抗壓強該應(yīng)用的建筑為房地度高于70MP加品混凝土，主要用于城市高層結(jié)構(gòu)的柱子 產(chǎn)項目和辦公樓。近些年，高強商品混凝土被應(yīng)用于商品混凝土橋梁， 其目的為 增大梁的跨度，或減少梁的數(shù)量。這一應(yīng)用的決定因素是經(jīng)濟性評價， 即潛在的 節(jié)省與高強商品混凝土增加費用的比較。其次，也是最主要的硅灰應(yīng)用，提高商品混凝土耐久傳，特別是用于暴露在氯污 染環(huán)境的商品混凝土。在美國中西部和東北部地區(qū)，冬季非常嚴(yán)酷，在公路和橋 梁上用大量氯鹽除冰。在公路上行走的車輛還將鹽帶入停車結(jié)構(gòu)。 結(jié)果是由于氯 導(dǎo)致鋼筋銹蝕，使橋梁和停車結(jié)構(gòu)在很短時間內(nèi)破壞。 迄今，在美國最廣泛應(yīng)用 硅灰的結(jié)構(gòu)

16、是橋面板和停車樓。5獲得的經(jīng)驗在整個硅灰應(yīng)用發(fā)展歷程中，我們對如何最佳地使用硅灰積累了豐富的經(jīng)驗。下 面是使用和研究人員的一些總結(jié)：硅灰并不適用于所有場合。制定商品混凝土技術(shù)要求的人員必須仔細(xì)分析特定 的使用場合，并確認(rèn)使用硅灰能夠得到預(yù)期的結(jié)果。硅灰必須使用在合適組成(配合比)的商品混凝土中，應(yīng)為低水膠比(w/cm)和含 高效減水劑商品混凝土。早期的研究發(fā)現(xiàn)，采用硅灰的商品混凝土配合比中， 水 膠比為016或更高，不合理。硅灰與其它輔助膠凝材料的組合使用正在增長。起初，這些材料被看作是相互 競爭的材料，但現(xiàn)在越來越廣泛地認(rèn)識到：最好的商品混凝土往往是組合使用這 些材料的結(jié)果。單位體積商品混凝

17、土的硅灰用量在減少， 特別是暴露在氯鹽環(huán)境的商品混凝土。 最初的橋面板商品混凝土含 12%- 15啾灰（以水泥重量計），然后的幾年硅灰摻 量降低到8說右。目前，如果與粉煤灰或磨細(xì)礦渣組合使用，則硅灰摻量降低 至IJ 5流右。尚沒有硅灰商品混凝土配合比設(shè)計和性能預(yù)測的經(jīng)驗方法， 但可以參考現(xiàn)有的 指南和配合比實例。必須以工程實際使用材料進(jìn)行試驗室和現(xiàn)場試驗，確定最終 配合比。硅灰商品混凝土對塑性收縮裂縫敏感，但這個問題容易被克服。硅灰商品混凝土平面結(jié)構(gòu)，特別是罩面，裂縫曾經(jīng)是個問題。濕養(yǎng)護(hù)至少7天基本可以解決或減輕裂縫問題。然而，在一些較長跨度的橋梁上， 出現(xiàn)的一些裂縫還無法解釋或通過施工程序防

18、止。這樣的裂縫在不含硅灰的商品 混凝土也同樣出現(xiàn)，因此可能需要更多地從結(jié)構(gòu)方面考慮，而不是材料。這方面 有關(guān)研究正在進(jìn)行。硅灰商品混凝土必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)如果沒有養(yǎng)護(hù)，硅灰?guī)Ыo商品混凝土的優(yōu)點就不能實現(xiàn)。如果不將適當(dāng)養(yǎng)護(hù)的要求納入商品混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和不在項目 中貫徹實施養(yǎng)護(hù)要求，則最好不要使用硅灰冏品混凝土。使用硅灰的商品混凝土，必須重視商品混凝土生產(chǎn)施工的每個環(huán)節(jié)。攪拌過程、 硅灰的充分分散是關(guān)系到商品混凝土性能的關(guān)鍵。 攪拌不好和硅灰分散不良，可 能得不到預(yù)期的商品混凝土性能。對于確定商品混凝土的硬指標(biāo)性能， 采用抗壓強度可能是一個合適的方法。 然而，確定性能必須謹(jǐn)慎和充分理解其場合與條件。 具有相同強度的商品混凝土， 測試其它性能參數(shù)，表現(xiàn)不一定相同。很多平面商品混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了過多的抹面。硅灰商品混凝土抹面的經(jīng)驗顯示， 進(jìn)行最少的抹面工作就能獲得更加耐久的商品混凝土，同時防止塑性收縮裂縫。在氯鹽環(huán)境，硅灰商品混凝土具有期望的抗氯離子滲透性能。 迄今，一些對實 際結(jié)構(gòu)進(jìn)行的測試證明，硅灰商品混凝土性能良好。其中一個報告顯示：隨