硅灰在輕質(zhì)高強混凝土中的應(yīng)用探討

張昶

摘要：輕質(zhì)高強混凝土是隨著社會的發(fā)展對建筑結(jié)構(gòu)提出的新的要求的需要，關(guān)于輕質(zhì)高強混凝土的研究也已經(jīng)是比較成熟，其很多優(yōu)良的性能都在工程實際中得到了很好的運用。本文通過對輕質(zhì)高強頁巖混凝土的實驗研究，討論了其存在的不足，并通過研究硅灰在輕質(zhì)高強混凝土的作用，對輕質(zhì)高強頁巖混凝土的性能進行了優(yōu)化。使其無論是經(jīng)濟指標(biāo)還是性能指標(biāo)都得到了提高。

關(guān)鍵詞：硅灰 輕質(zhì)高強頁巖混凝土優(yōu)化 性能

前言

隨著社會的不斷發(fā)展進步，人們對混凝土的綜合性能要求越來越高。高性能頁巖混凝土以其超高的強度、超低的容重、高耐久性、較好的和易性和經(jīng)濟性越來越受到人們的青睞。目前在配制高性能頁巖混凝土?xí)r一般選用優(yōu)質(zhì)的原材料，并摻入一定量的礦物摻合料和外加劑來改善混凝土的性能 。常用礦物摻合料主要有硅灰、粉煤灰等，其中粉煤灰應(yīng)用最廣。摻入硅灰對頁巖混凝土的性能的改變比摻入粉煤灰要明顯優(yōu)良許多，礦物摻和料和高性能外加劑的應(yīng)用有利于改善混凝土的流動性，節(jié)約水泥用量，從而降低成本，減少環(huán)境污染及能源消耗。

強輕質(zhì)混凝土是指利用高強輕粗集料、普通砂、水泥和水配制而成的干表觀密度不大1 950 kg／m3，強度等級為LC30以上的結(jié)構(gòu)用輕質(zhì)混凝土。在我國輕質(zhì)高強混凝土主要是從骨料入手，一般采用輕質(zhì)的頁巖作為輕骨料。從高強輕質(zhì)混凝土的定義我們可以看出，它除了和普通混凝土一樣牽涉到粗、細(xì)集料、水泥和水以外，所不同的是還涉及到表觀密度(原稱容重)的最大限值和最小的強度等

1、硅灰的相關(guān)性質(zhì)

1.1、硅灰的發(fā)展現(xiàn)狀

硅灰是近20年發(fā)展起來的一種高活性摻合料。在混凝土巾科學(xué)地?fù)饺牍杌?，既可提高混凝土性能，又可減少水泥的用量，同時利用了工業(yè)廢料，有利于保護環(huán)境。深入研究并開發(fā)硅灰的資源，對進一步推廣硅灰混凝土在工程中廣泛應(yīng)用具有重要意義。

硅粉是冶煉硅鐵、工業(yè)硅時從煙氣凈化裝置中回收的工業(yè)煙塵。我國是世界硅鐵、工業(yè)硅生產(chǎn)大國，據(jù)冶金報報道，1985年我國已形成生產(chǎn)硅鐵100萬噸，工業(yè)硅3O萬噸的生產(chǎn)能力，估計硅鐵實際年生產(chǎn)量80～90萬噸。據(jù)此計算，我國硅粉潛在資源每年達15萬噸以上。硅灰是硅鐵合金廠用高純度石英冶煉金屬硅或硅鐵合金時從煙塵中收集的硅氧化物粉末。用氮吸附法測定的硅灰比表面積高達15～2O萬平方厘米／克，平均粒徑小于0．1UM，約為水泥料徑的1／50～1／100；質(zhì)量好的硅灰中硫含量大于90％，其中活性硫在40％以上，故活性較高?；炷林袚饺牍杌铱娠@著提高混凝土強度和耐久性，其原因正是硅灰極細(xì)微的顆?？僧a(chǎn)生良好的微填充效應(yīng)，使混凝土孔結(jié)構(gòu)充分細(xì)化，低水化熱及很高的火山灰活性對混

凝土早期和后期強度發(fā)展十分有利。但硅灰摻入混凝土將增加混凝土需水量，故硅灰必須與高效減水劑共同使用方能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。硅灰的適宜摻量一般為5％～15％。在我國，因硅灰產(chǎn)量很低，價格很高(約為水泥體格的5倍甚至更多)，出于經(jīng)濟性考慮，通常只在配制高強混凝土或高強度高性能混凝土?xí)r才使用。

1.2、硅灰的物理性質(zhì)

硅灰外觀為灰色或灰白色粉末．耐火度大于1600℃密度是200～250 kg／m 其細(xì)度和比表面積約為水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍硅灰存形成過程 ，網(wǎng)相變的過程 I，受表面張力的作用，形成了非結(jié)晶相無定形 球狀顆粒，且表面較為光滑 有些則是多個圓球顆粒牯在一一起的團聚體。它是一種比表面積很大，活性很高的火山灰物質(zhì)。它的主要成分是顆粒檄細(xì)的無定型的氧化硅。硅灰色澤呈淺灰至深灰不等， 隨含碳量增加由淺變深。在電子顯微鏡下為乳白色或灰白色的空心球狀顆粒。硅灰成泥漿狀時呈黑色。

2、輕質(zhì)高強頁巖混凝土的不足

(1)用水量、拌和及澆筑都需要更嚴(yán)格的控制，這就要求具有較高施工技術(shù)水平和質(zhì)量管理水平。這也是目前我國在工程中較少應(yīng)用高強輕質(zhì)混凝土的一個主要原因。

（2)研究表明，高強輕質(zhì)混凝土對局部壓碎比普通混凝土較敏感。

(3)需要采用高強陶粒，并且在要求強度較高時，需要較多的水泥用量，與同體積混凝土相比，價格較高。

(4)高強輕質(zhì)混凝土的E值抗拉強度較小，所以用于受彎構(gòu)件時，抵抗荷載變形能力較差，開裂較早。高強輕質(zhì)混凝土的收縮、徐變較相同強度等級的普通混凝土大，所以當(dāng)其應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力橋梁上時，其較大的收縮、徐變將引起較大

的預(yù)應(yīng)力損失。

(5)低彈性模量。高強輕質(zhì)混凝土的彈性模量較同強度等級的普通混凝土低18％一40％，其彈性模量隨密度等級和強度的增長而提高，但不成比例。

(6)脆性較大。雖然高強輕質(zhì)混凝土的峰值應(yīng)變較普通混凝土大，但其單軸本構(gòu)關(guān)系曲線下降段陡。

(7)高收縮、高徐變。高強輕質(zhì)混凝土的收縮、徐變比普通混凝土大15％一40％。

(8)極限抗拉強度、極限抗剪強度較普通混凝土低。

(9)與變形鋼筋的粘結(jié)強度和普通混凝土相同，但與光圓鋼筋的粘結(jié)強度較普通混凝土低。

3、硅灰摻量的確定

硅灰是在冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時產(chǎn)生的SiO 和Si氣體與空氣中的氧氣迅速氧化并冷凝而形成的一種超細(xì)硅質(zhì)粉體材料，在混凝土中加入硅灰可以顯著提高頁巖混凝土的抗折、抗壓性能以及抗凍性能、抗化學(xué)腐蝕性能、抗?jié)B性能等等一系列相關(guān)的力學(xué)性能。高強頁巖陶粒是有關(guān)輕骨料的國家標(biāo)準(zhǔn)中新增的品種，其強度要求比相同密度等級的普通輕骨料高1個等級，因此一般我國的輕質(zhì)高強混凝土普遍采用頁巖作為粗骨料來滿足輕質(zhì)高強的性能要求。

3.1硅灰摻量的確定

硅灰作為傳統(tǒng)的礦物摻和料應(yīng)用在混凝土中已經(jīng)30多年了，其品質(zhì)及其均勻性是保證混凝土質(zhì)量的前提。硅灰在高性能混凝土中的摻量，根據(jù)其品質(zhì)、均勻性和混凝土設(shè)計要求的不同而適當(dāng)調(diào)整。首先根據(jù)要求確定一定強度和容重下的頁巖混凝土的基準(zhǔn)配合比，然后按超量取代法用硅灰置換部分水泥，超量系數(shù)選為1．2。經(jīng)過抗壓強度試驗確定基準(zhǔn)配合比硅灰的最終摻量。

3.2外加劑摻量的確定

不同的摻合料就需要不同的外加劑摻量。目前，高效減水劑已成為配制輕質(zhì)高強混凝土的必須組分，尤其聚羧酸超高效減水劑的應(yīng)用不但使混凝土水泥用量大大下降而且還能大幅度降低混凝土的用水量使混凝土流動性提高，硬化后的混凝土致密度大大增加，從而提高混凝土的強度及抗?jié)B性 。當(dāng)我們用硅灰取代一定量的水泥以后，會帶來減水劑摻量的變化。

4、硅粉在頁巖混凝土中的作用

把硅粉作為摻合劑用于頁巖混凝土中是硅粉綜合利用中研究最早、成果最多、應(yīng)用最廣的一個領(lǐng)域。由于硅粉顆粒細(xì)小，比面積大，具有硫純度高與強火山灰活性等物理化學(xué)特點，把硅粉作為摻劑加入頁巖混凝土具有如下幾個方面的性能。

2．1提高頁巖混凝土早期強度和最終強度

有研究證明，當(dāng)硅粉對水泥的取代率為30％以內(nèi)時，蒸氣溫度為80度。砂漿24h的抗壓強度為不摻硅粉的2倍(100MPa)；若采用蒸壓養(yǎng)護，則幾乎達3倍(150MPa)；采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，砂漿的抗壓強度也明顯提高。當(dāng)硅粉與高效減水劑復(fù)合使用時，可使混凝土的水膠比(W／C+Si)降至0．13—0．18，水泥顆粒之間被硅粉填充密實，混凝土的抗壓強度為不摻硅粉合劑的3—5倍。

2．2增加質(zhì)密度

頁巖混凝土中摻入硅粉增加了起反應(yīng)的硅含量，在電鏡下觀察，摻硅灰的頁巖混凝土的水泥石空隙中有晶體生長。另外，硅粉顆粒很細(xì)小，均勻地填充了頁巖混凝土微孔。硅粉與其他材料物理性質(zhì)的比較用水泥注入法測定，無論哪種養(yǎng)護條件，摻硅粉的頁巖混凝土水泥微孔容積均明顯減少。

2．3改善混凝土離析和泌水性能

澆灌混凝土之后，往往產(chǎn)生水從混凝土中分離出來的現(xiàn)象，即在表層形成水膜，也稱之為浮漿，使上層混凝土分布不均勻，影響建筑質(zhì)量。研究證明，硅粉摻人量即取代率Si／(Si+C)愈多，混凝土材料愈難以離析和泌水。當(dāng)取代率達15％時，混凝土坍落度即使達15～20cm，也幾乎不產(chǎn)生離析和泌水，當(dāng)取代率達20％～3o％u~，將該頁巖混凝土直接放入自來水中也不易產(chǎn)生離析。由于硅粉對頁巖混凝土離析和泌水性能的改善，使摻硅粉頁巖混凝土可以用作海港、隧道等水下工程。

2．4提高混凝土的抗化學(xué)腐蝕性

由于硅粉的摻入提高了混凝土的密實性，大大減少了水泥空隙，所以提高了硅粉頁巖混凝土的抗?jié)B性能。研究認(rèn)為，當(dāng)混凝土中硅粉取代率為1O%～2O%時顯著改善了混凝土的抗?jié)B性、抗化學(xué)腐蝕性，而且對鋼筋的耐腐蝕性也有改善。這時因為密實性的提高和硫含量增加，有效地阻止了酸離子的侵人和腐蝕作用。別外，由于硅粉比電阻很高，所以混凝土比電阻可提高1．9～16倍。在混凝土中摻加適量硅灰，可以大大增加混凝土強度。但是硅灰價格偏高，加之粉塵飛揚，在運輸和工地使用及環(huán)保方面有諸多不便，如果能將這些困難解決，將會有很好的市場前景。

2．5抗?jié)B性能

混凝土材料抗介質(zhì)滲透的能力主要取決于其內(nèi)部孑L隙率，由于硅灰顆粒小，比水泥顆粒小20一i00倍．可以充填到水泥顆粒間的空隙，使混凝土密實，同時硅灰的二次水化作，新的生成物堵塞混凝土中的滲透通道，故硅灰 昆凝土的

抗?jié)B能力很強，混凝土的滲透性隨水膠比的增加而增大。這是因為水灰比混凝土的密實性相對差些

2.6和易性

由于硅灰顆粒極細(xì)， 比表面積非常大。因此， 硅灰混凝土拌和物的粘聚性增加， 泌水和離析現(xiàn)象顯著降低，穩(wěn)定性提高，從而可有效控制混凝土的沉縮裂縫。正如有的試驗所表明的那樣，當(dāng)硅灰取代水泥用量大于15％ 、高效減水荊量為膠結(jié)材料的1％一2 時， 混凝土坍落度迭15-20cm的情況下， 未見拌和物離析， 當(dāng)硅灰取代水泥用量20％-$0％ 時，即使用自來水直接沖擊混凝土拌和物也基本不離析。硅灰混凝土可配制水下混凝土和噴射混凝土即基于此。但在另一面，和不摻硅灰的普通混凝土相比， 在用水量一定的條件下， 硅灰混凝土的坍落度明顯減小， 為了保證施工要求的坍落度，就得增加用水量，且隨灰摻量的增加麗增大。這也就是硅灰混凝土必須與高效減水劑同時摻用的原因。因為高效減水劑將使硅灰微粒得到充分的分散，進而使拌和物不必增加或僅少增加用水量便能達到所要求的和易性。由于硅灰頁巖混凝土不泌水的特點， 往往又舍導(dǎo)致頁巖混凝土表面缺水而引起塑性收縮產(chǎn)生開裂。

結(jié)語

硅灰作為混凝土摻合料的一種，能夠顯著的提高混凝土的早期強度、最終強度、抗化學(xué)腐蝕性能以及抗?jié)B性能等，同時還可以減少環(huán)境污染、節(jié)約水泥和降低成本是一項值得深入研究和應(yīng)用的項目。

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