硅灰對(duì)混凝土性能影響和其應(yīng)用

1、硅灰對(duì)混凝土持久性的影響2007-06-12 上午 03:50綱要：硅粉是硅合金與硅鐵合金制造過程中高純石英、焦炭和木屑復(fù)原產(chǎn)生的副產(chǎn) 品，是從電弧爐煙氣中采集到的無定型二氧化硅含量很高的微細(xì)球形顆粒。硅粉一 般含有90%以上的SiO2，且大多半為無定型二氧化硅。硅粉用于提升新拌混凝土 及硬化后混凝土的性能，擁有火山灰活性的硅灰對(duì)混凝土的持久性有顯然的改良作 用。重點(diǎn)字：硅灰混凝土持久性自北歐國家冰島、挪威和瑞典1976年開始在工程上應(yīng)用硅粉以來，人們開始 對(duì)硅粉進(jìn)行了不停的研究。因?yàn)楣璺蹞碛信c硅酸鹽水泥獨(dú)到的互補(bǔ)性能，此刻已被 確立為一種新式的協(xié)助膠結(jié)資料而被很多國家寬泛研究和應(yīng)用。跟著構(gòu)造

2、超高和復(fù) 雜程度的增大，人們對(duì)構(gòu)造資料的工作性能提出了更高的要求，除了高工作度外，在 實(shí)質(zhì)應(yīng)用中還希望高性能混凝土擁有高的強(qiáng)度和持久性。有些攪合料， 如硅粉、高爐礦渣及粉煤灰已被用于提升新拌混凝土及硬化后混凝土的性能。本文 主要介紹了擁有火山灰活性的硅灰對(duì)混凝土持久性的影響。1、硅灰的特征1.1物理特征硅灰顏色在淺灰色與深灰色之間，密度2. 2g/cm3左右，比水泥(3.1g/cm3)要 輕，與粉煤灰相像，聚積密度一般在200350kg/m3。硅灰顆粒特別渺小，大多半 顆粒的粒徑小于1 um ,均勻粒徑0.1 um左右，僅是水泥顆粒均勻直徑的1/ 100。 硅灰的比表面積介于150002500

3、0m2/kg(采納氮吸附法即BET法測(cè)定)。硅灰的 物理性質(zhì)決定了硅灰的渺小顆粒擁有高度的分別性，能夠充足地填補(bǔ)在水泥顆粒之 間，提升漿體硬化后的密實(shí)度。1.2化學(xué)特征硅粉是硅合金與硅鐵合金制造過程中高純石英、焦炭和木屑復(fù)原產(chǎn)生的副產(chǎn)品，是從電弧爐煙氣中采集到的無定型二氧化硅含量很高的微細(xì)球形顆粒。硅粉一般含有90%以上的SiO2，且大多半為無定型二氧化硅，其成分則依據(jù)合金品種 不一樣而有變化。我國西寧、唐山、遵義等地硅粉的化學(xué)成分見表1:表1我國部分地域硅粉的化學(xué)成分成分 SiO2 (%) Al2O3(%) Fe2O3 (%) CaO (%) MgO (%) C (%) R2O (%)燒失量

4、遵義西寧唐山由表1可知，硅灰的主要化學(xué)成分為非晶態(tài)的無定型二氧化硅 (SiO2)，一般 占90%以上(往常用于高性能混凝土中的硅灰的SiO2最低要求含量是85 %)。高 細(xì)度的無定型SiO2擁有較高的火山灰活性，即在水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(Ca(OH)2) 的堿性激發(fā)下，SiO2能快速與Ca(OH)2反響，生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，提 升混凝土強(qiáng)度并改良混凝土性能。硅粉之所以能夠作為一種協(xié)助性膠凝資料改良硬化水泥漿體的微構(gòu)造，第一是 因?yàn)楣璺蹞碛泻芨叩幕鹕交一钚浴９倘还璺圩约夯旧吓c水不發(fā)生水化作用， 但它能夠在水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2及其余一些化合物的激發(fā)生用下發(fā)生二次水化反 響生成

5、擁有膠凝性的產(chǎn)物；其次是因?yàn)楣璺鄣奈⒓咸卣?，它不單自己能夠填補(bǔ) 硬化水泥漿體中的有害孔，其二次水化產(chǎn)物也能夠填補(bǔ)硬化水泥漿體中的有害孔， 從而改良硬化水泥漿體的微觀構(gòu)造。2、硅粉在水泥漿體和混凝土中的最正確應(yīng)用條件為了更有效地利用硅粉對(duì)硬化水泥漿體微構(gòu)造的改良作用，國內(nèi)外很多研究者 對(duì)硅粉在水泥漿體和混凝土中的最正確應(yīng)用條件進(jìn)行比較詳盡的研究，這方面的研 究主要包含水膠比、硅粉摻量、外加劑以及其余火山灰摻合料的選擇及其用量等。 硅粉在水泥漿體和混凝土中應(yīng)用時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)水膠比范圍，一般超出該范 圍，硅粉對(duì)硬化水泥漿體和混凝土微構(gòu)造的改良作用就會(huì)降低。如 Gapparao指出， 在水泥沙漿3d

6、或7d齡期時(shí)，水膠比小于0.45(水膠比為0.35 , 0.40)的含硅粉的 沙漿試件強(qiáng)度降低，而水膠比等于0.45或0.50的含硅粉的沙漿試件強(qiáng)度上漲；但 在水泥沙漿28d或90d齡期時(shí)，水膠比小于0.35 , 0.40 , 0.50的含硅粉的沙漿 試件強(qiáng)度大概同樣；而水膠比等于0.45的含硅粉(無論硅粉含量多少)的沙漿試件 強(qiáng)度較低；當(dāng)水膠比等于0.50，硅粉摻量大于27.5%時(shí)，硅粉對(duì)沙漿后期強(qiáng)度發(fā) 展有明顯影響。硅粉固然能夠有效地改良硬化水泥漿體和混凝土微構(gòu)造，可是因?yàn)楣璺鄣牧?徑小，比表面積大，所以水泥漿體和混凝土摻入硅粉后，跟著硅粉摻量的增添， 需水量增大，自縮短也增大。所以，一般

7、將硅粉的摻量限制在5%10%之間，并用高效減水劑來調(diào)理需水量，同時(shí)，水泥、硅粉、外加劑之間存在一個(gè)相容性問 題，所以，在利用硅粉時(shí)一定注意其應(yīng)用條件。因?yàn)榛炷林袚郊庸璺酆?，可?致使混凝土的自縮短，而摻加硅粉的混凝土一般是有特別要求的混凝土，所以， 在混凝土中利用硅粉對(duì)硬化水泥漿體和混凝土性能的有益作用的同時(shí)，一定盡量減少由硅粉帶來的不利影響，解決這一問題的最有效的方法就是摻加硅粉的同時(shí) 摻加其余火山灰資料或其余物質(zhì)，讓它們揚(yáng)長避短以獲得更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成效。 當(dāng)前，研究許多的是采納超細(xì)礦渣與硅粉復(fù)摻，或采納粉煤灰與硅粉復(fù)摻。另一 個(gè)對(duì)硅粉應(yīng)用條件研究許多的領(lǐng)域是采納硅烷對(duì)硅粉表面進(jìn)行預(yù)辦理后

8、摻加到 水泥漿體或混凝土中或直接將硅烷與硅粉同時(shí)摻加到水泥漿體或混凝土中，它們都 能改良新拌水泥漿體和混凝土的工作性，從而改良硬化水泥漿體和混凝土的微構(gòu)造。3、硅粉改良硬化水泥漿體微觀構(gòu)造的機(jī)理硅粉能夠在很大程度上改良硬化水泥漿體和混凝土的性能，主假如因?yàn)楣璺蹞?有較強(qiáng)的火山灰活性及其較小的粒徑和較大的比表面積。第一，硅粉擁有很強(qiáng)的火山灰活性。固然硅粉直接加到水中時(shí)其實(shí)不與水發(fā)生 水化反響，但將硅粉與水泥同時(shí)加入到水中，當(dāng)水泥發(fā)生水化反響時(shí)，硅粉立刻 與水泥水化產(chǎn)物之一 Ca(OH)2發(fā)生二次水化反響(即火山灰反響)，生成C-S-H凝 膠體，這樣既耗費(fèi)了水化水泥漿體里的Ca(OH)2，又使C-

9、S-H凝膠體(火山灰反響 的生成物)增加，且硅粉還可以與水化水泥漿體中另一種水化產(chǎn)物C-S-H凝膠 體(又稱傳統(tǒng)C-S-H凝膠體)反響，生成低Ca/Si比的新C-S-H凝膠體(又稱火山 灰C-S-H凝膠體)。火山灰C-S-H凝膠體與傳統(tǒng)C-S-H凝膠體的構(gòu)成和性質(zhì)均不同 樣，它能與氫氧根離子、鋁離子等聚合，并且聚合后相當(dāng)穩(wěn)固。重生成的C-S-H 凝膠體不會(huì)在酸性溶液中分解，這即是使用硅粉配制的硬化水泥漿體對(duì)酸性介質(zhì)有 必定的抵擋能力，對(duì)滲析、鹽霜、碳化有較強(qiáng)抵擋能力的原由。此外，混凝土的界面過渡區(qū)內(nèi)Ca(OH)2及鈣磯石擁有取向性，且界面過渡區(qū) 的晶體比硬化水泥漿體中的晶體粗大，擁有更多的孔隙

10、，且水泥漿體相對(duì)來說泌水性大，在水泥漿體中的水分向上遷徙的過程中會(huì)在骨料下邊形成水膜，削弱界面 的粘結(jié)，形成界面過渡區(qū)的微裂痕。而在凝膠土中摻加硅粉后，因?yàn)榉错懞馁M(fèi)了絕大多半的Ca(OH)2，并使傳統(tǒng)C-S-H混凝體轉(zhuǎn)變成火山灰C-S-H凝膠體，與此 同時(shí)，因?yàn)楣璺郾缺砻孥x躍大， 可吸附大批自由水而減少泌水，減少自由水在集料界面上的齊集，使界面區(qū)構(gòu)造密實(shí)，同時(shí)Ca(OH)2晶體的生長也遇到限制，晶粒 獲取細(xì)化，擺列的取向度降低，從而使界面過渡區(qū)的微構(gòu)造改良。其次，由 于硅粉粒徑較小，均勻粒徑約為0.1 mm,約為硅酸鹽水泥顆粒粒徑的1/100，同 時(shí)硅粉的比表面積特別大，用氮?dú)馕椒y(cè)定的硅粉

11、比表面積達(dá)20m2/g，所以硅粉 特別簡單成團(tuán)，故在水泥水化時(shí)能夠作為水泥水化所需要的晶核，從而加快水泥 水化。同時(shí)，因?yàn)楣璺垲w粒渺小，它能夠填補(bǔ)硬化水泥漿體中的渺小孔隙，從而減 小水泥漿體的孔隙率，從而使硬化水泥漿體和混凝土更密實(shí)、強(qiáng)度更高，同時(shí)增強(qiáng) 硬化水泥漿體和混凝土抵擋外力變形的性能，從而使硬化水泥漿體和混凝土的徐變 和干減少少。硅粉對(duì)硬化水泥漿體微構(gòu)造的影響機(jī)理主要表此刻以下幾個(gè)方面：提升水泥水化度，并與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反響，增添硬化水泥漿體中 的C-S-H凝膠體的數(shù)目，且改良了傳統(tǒng)C-S-H凝膠體的性能，從而提升硬化水泥 漿體的性能。硅粉及其二次水化產(chǎn)物填補(bǔ)硬化水泥漿體中

12、的有害孔，水泥石中宏觀大孔和毛細(xì)孔孔隙率降低，同時(shí)增添了凝膠孔和過渡孔，使孔徑散布發(fā)生很大變化，大孔減少，小孔增加，且散布均勻，從而改變硬化水泥漿體的孔構(gòu)造。硅粉的摻入能夠耗費(fèi)水泥漿體中的Ca(OH)2，改良混凝土中硬化水泥漿 體與骨料的界面性能。因?yàn)橐陨显桑沟糜不酀{體及混凝土中摻入硅粉后的性能，特別是其 持久性獲取很大改良。自然硅粉對(duì)硬化水泥漿體微構(gòu)造的影響的機(jī)理也還沒有完全弄清楚，如硅粉對(duì)混凝土堿硅酸反響的克制就有2種截然相反的看法。所以，這方面還有很多工作需要做。4、硅灰對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度的作用機(jī)理4.1填補(bǔ)效應(yīng)混凝土在拌制合物時(shí)，為了獲取施工要求的流動(dòng)性，常需要多加一些水(超出

13、 水泥水化所需水量)，這些多加的水不單使水泥漿變稀，膠結(jié)力減弱，并且剩余的水 分殘留在混凝土中形成水泡或水道，隨混凝土硬化而蒸發(fā)后便留下孔隙。從而減少混凝土實(shí)質(zhì)受力面積，并且在混凝土受力時(shí)，易在孔隙四周產(chǎn)生應(yīng)力集 中。在混凝土中，內(nèi)部泌水受骨料顆粒的阻攔而齊集在骨料下邊形成多孔界面。在骨料界面過濾區(qū)形成的Ca(OH)2要多于其余地區(qū)。Ca(OH)2晶體生長較大并有 平行于骨料表面的較強(qiáng)取向性。平行于骨料表面的大Ca(OH)2晶體較易開裂，比水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)單薄。水泥漿與骨料之間的界面過濾區(qū)因?yàn)槎嗫缀陀性S 多定向擺列的大Ca(OH)2晶體，而成為混凝土內(nèi)部的強(qiáng)度單薄區(qū)。HPC中因?yàn)閾?/p>

14、 入必定量的硅灰，其強(qiáng)度與一般混凝土(不摻硅灰)對(duì)比，有顯然改良。有學(xué)者曾 計(jì)算：以15%的硅灰代替水泥，則在水泥顆粒數(shù)目與硅灰顆粒數(shù)目的比率為1 : 2000000，即二百萬個(gè)硅灰對(duì)一個(gè)水泥顆粒，所以硅灰對(duì)HPC強(qiáng)度有很大影 響。在HPC中小于水泥顆粒直徑100倍的硅灰，填補(bǔ)于水泥漿體的孔隙間，填補(bǔ)于水泥顆粒的縫隙間，其成效好像水泥顆粒填補(bǔ)在骨料縫隙之間和細(xì)骨料填補(bǔ)在 粗骨料縫隙之間同樣，從微觀尺度上增添HPC的密實(shí)度，提升了 HPC的強(qiáng)度，這 就是硅灰的“填補(bǔ)效應(yīng)”。在HPC中，填補(bǔ)于水泥漿體中的硅灰使水泥漿體孔的 數(shù)目顯然減少，勻質(zhì)性提升，而總縫隙率基本保持不變。水泥漿與骨料界面過渡區(qū)的

15、硅灰，降低了 HPC的泌水，防備水分在骨料下邊 齊集，使骨料界面過渡區(qū)與水泥凈漿的顯微構(gòu)造相像，從而提升了界面過濾區(qū)的 密實(shí)度和有效減小界面過渡區(qū)的厚度。渺小硅灰顆粒成為Ca(OH)2的“晶種”，使Ca(OH)2晶體的尺寸更小，取向更隨機(jī)。所以，硅灰的摻入提升了 HPC中水 泥凈漿與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度，除去了混凝土中不一樣復(fù)合組分的“弱連結(jié)”問題， 使HPC擁有復(fù)合資料的特征。骨粒顆粒在HPC中起著增強(qiáng)作用，而不只是是惰 性的填補(bǔ)物。硅灰對(duì)水泥凈漿(無骨料)的強(qiáng)度提升影響不是很大，但卻能使同樣 水膠比的混凝土的強(qiáng)度顯然高于其基體(凈漿)的強(qiáng)度。4.2火山灰效應(yīng)在硅酸鹽水泥水化過程中，水泥水化反響生

16、成水化硅鈣凝膠(C-S-H)、氫氧化 鈣(Ca(OH)2)和鈣磯石等水化產(chǎn)物。此中Ca(OH)2對(duì)強(qiáng)度有不利影響。硅灰中高度 分別的SiO2組分能與Ca(OH)2反響生成C-S-H凝膠，即所謂火山灰效應(yīng)：Ca(OH)2+SiO2+H2O C-S-H很多研究表示：在有硅灰存在的狀況下，水泥水化初期的水化產(chǎn)物中有大批 Ca(OH)2，跟著齡期的延伸，Ca(OH)2的量愈來愈少，甚至完整測(cè)不到。Grutzeck等 人對(duì)硅灰的火山灰效應(yīng)提出解說：硅灰接觸拌合水后第一形成富硅的凝膠，并汲取水分；凝膠在未水化水泥顆粒之間齊集，漸漸包裹水泥顆粒；Ca(OH)2與該富 硅凝膠的表面反響產(chǎn)生C-S-H凝膠，這些

17、根源于硅灰和Ca(OH)2的C-S-H凝膠多 生成于水泥水化的C-S-H凝膠孔隙之中，大大提升了構(gòu)造密實(shí)度。也就是說： 硅灰的火山灰效應(yīng)能將對(duì)強(qiáng)度不利的Ca(OH)2轉(zhuǎn)變成C-S-H凝膠，并填補(bǔ)在水泥 水化產(chǎn)物之間，有力地促使了 HPC強(qiáng)度的增添。同時(shí)，硅灰與Ca(OH)2反響， Ca(OH)2不停被耗費(fèi)，會(huì)加快水泥的水化速率，提升HPC的初期強(qiáng)度。4.3孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)在水泥一硅灰水化系統(tǒng)中，硅灰與水泥的比率增添則水化產(chǎn)物的Ca/Si比降低。 Ca/Si比低，相應(yīng)的C-S-H凝膠就會(huì)聯(lián)合許多的其余離子，如鋁和堿金屬離子等。 這樣就會(huì)使孔隙溶液的堿金屬離子濃度大幅度降低。這就所謂孔隙溶液化學(xué)效

18、應(yīng)。 增添硅灰代替水泥的比率，則孔隙溶液的pH值降低。這是因?yàn)閴A金屬離子和 Ca(OH)2與硅灰反響而耗費(fèi)惹起的。關(guān)于含有堿活性骨料的HPC，硅灰這類降低孔 隙堿金屬離子(K a+、N a+ )濃度的作用特別重要，因?yàn)槟軌蛴行У叵魅跎踔脸?發(fā)生堿一硅酸反響(ASR)的危害。硅灰還可提升HPC的電阻率和大幅度降低Cl 一 的浸透速率，防備鋼筋銹蝕，提升HPC的強(qiáng)度和持久性。5、硅粉對(duì)高性能混凝土的持久性的影響混凝土的持久性包含了混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、抗化學(xué)侵害性、抗鋼筋銹 蝕能力和抗沖磨性能。5.1抗凍性當(dāng)硅粉摻量少時(shí)，硅粉混凝土的抗凍性與一般混凝土基真同樣，當(dāng)硅粉摻量 超出15%時(shí)，它的抗

19、凍性較差。經(jīng)過大批的試驗(yàn)，這類看法基本上被證明了，主要 原由是當(dāng)硅粉超出15%時(shí)，混凝土膨脹量增大，相對(duì)動(dòng)彈性模數(shù)降低，抗壓強(qiáng)度急 劇降落，從混凝土內(nèi)部方面特點(diǎn)看，比表面積小，間距系數(shù)大。5.2抗?jié)B性混凝土是一種透水資料，它的浸透性與它的孔隙率、孔隙散布及孔隙連通性 相關(guān)。振搗密實(shí)的混凝土水灰比愈小，保養(yǎng)齡期愈長，則浸透性愈小。在混凝土中 摻入引氣劑也可降低浸透性。一般地水灰比小于0.50的混凝土，它的浸透系數(shù)能夠 達(dá)到1 X10-11m/s。在海水中的混凝土它的浸透性是決定混凝土工程持久性的最重 要的要素，浸透性高的混凝土在海水中很易遭損壞。因?yàn)楣璺垲w粒小，比水泥顆粒 小20100倍，能夠充

20、填到水泥顆粒中間的縫隙中，使混凝土密實(shí)，同時(shí)硅粉的二 次水化作用，新的生成物擁塞混凝土中浸透通道，故硅粉混凝土的抗?jié)B能力很強(qiáng)， 混凝土的浸透性隨水膠比的增添而增大，這是因?yàn)樗冶然炷恋拿軐?shí)性相對(duì)差些。5.3抗化學(xué)侵害性一般硅粉減少浸透性的成效要大于強(qiáng)度的增添，特別在硅粉以小摻量摻入低強(qiáng)混凝土?xí)r更是這樣。關(guān)于摻入必定量的硅粉的高性能混凝土，水膠比往常小于 0.4，且有超細(xì)微粒填補(bǔ)，所以，摻入硅粉的高性能混凝土擁有特別好的抗?jié)B能 力。因?yàn)榧尤牍璺勰軌蝻@然地降低混凝土浸透性及減少游離的Ca(OH)2，從而提升 了混凝土抗化學(xué)侵害能力。在混凝土中摻入硅粉，能減少Ca(OH)2含量，增添混 凝土密實(shí)性

21、，有效提升弱酸腐化能力，但在強(qiáng)酸或高妙度的弱酸中不可以，因混 凝土中的C-S-H在酸中分解，此外，它還可以抗鹽類腐化，特別是對(duì)氯鹽及硫酸鹽 類，它之所以能抗酸鹽侵害，原由是硅粉混凝土較密實(shí)，孔構(gòu)造獲取改良，從而 減少了有害離子傳達(dá)速度及減少了可溶性的Ca(OH)2和鈣磯石的生成，而增添水化 硅酸鈣晶體的結(jié)果。5.4抗堿集料反響堿集料反響一定具備3個(gè)條件：(1)混凝土中的集料擁有活性；(2)混凝土中含 有必定量可溶性堿；(3)有必定的濕度。清除這三個(gè)條件中的任何一個(gè)都可達(dá)到控 制堿集料反響的目的。混凝土中加入硅粉，因?yàn)楣璺哿Ｗ犹嵘嗄z結(jié)資料的密 實(shí)性，減少了水分經(jīng)過漿體的運(yùn)動(dòng)速度，使得堿集料膨脹反響所需的水分減少，也 因?yàn)闇p少水泥漿孔隙液中堿離子的濃度，所以，減少了堿集料反響的危險(xiǎn)。5.5抗鋼筋銹蝕的能力混凝土高堿性給一般鋼筋混凝土中的鋼筋供給了形成鈍化膜的條件，一旦鈍化 膜損壞，鋼筋就會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐化，腐化速度取決于水分