彭佳　劉花蓉

摘 要：分別以0%、5%、10%的硅灰取代普通水泥，對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試了標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性、膠砂流動(dòng)度、膠砂強(qiáng)度等性能。通過SEM觀察了硅灰摻入水泥體系后的微觀形貌變化，初步解釋了硅灰對(duì)水泥性能影響的機(jī)理。

關(guān)鍵詞：硅灰;普通水泥;性能影響

中圖分類號(hào)：TU525.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

硅灰（Silia Fume，簡(jiǎn)稱SF）是硅鐵合金和工業(yè)硅生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，是一種超細(xì)粉末，主要成分為無定形SiO2。早在20世紀(jì)70年代，挪威率先開始把硅灰作為摻合料應(yīng)用到工程中，以提高混凝土的強(qiáng)度。由于硅灰的微集料填充作用和火山灰效應(yīng)[1-3]，硅灰主要用于高強(qiáng)（>80 MPa）或高耐久性的混凝土工程中。

普通的摻合料摻量可以高達(dá)20%以上，硅灰摻量一般要求限制在10%以內(nèi)。硅灰對(duì)普通水泥（P·O）凈漿性能的影響及其對(duì)硬化膠砂試件微觀結(jié)構(gòu)影響的文獻(xiàn)較少， 缺乏系統(tǒng)深入的研究。本文研究探討了不同硅灰摻量對(duì)普通水泥凈漿性能的影響及不同水化齡期的硬化水泥微觀結(jié)構(gòu)，為硅灰的合理應(yīng)用提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及儀器

水泥：P·O42.5，四川羅江利森水泥廠生產(chǎn)。水：自來水。硅灰：成都產(chǎn)SF-92型硅灰。

ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。水泥膠砂攪拌機(jī)，水泥凈漿攪拌機(jī)，北京中科科儀掃描電子顯微鏡KY3200。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用內(nèi)摻法（又稱為取代水泥法），即在其他條件不變的情況下，用一定質(zhì)量的硅灰取代相同質(zhì)量的水泥。選取了硅灰摻量為0%、5%、10%來進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。并按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定了三組樣品的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，凝結(jié)時(shí)間、安定性，膠砂流動(dòng)度和膠砂強(qiáng)度。利用SEM分析了樣品7 d和28 d齡期的微觀形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性

根據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》（GB/T 1346—2011），利用調(diào)整用水量法，分別測(cè)定了硅灰摻量為0%、5%和10%時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，結(jié)果分別為133 ml、137 ml和147 ml，隨著硅灰的摻量增加，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量在增加，說明硅灰摻入增大了水泥凈漿的需水量。

再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量制備了水泥凈漿，分別測(cè)定了三組樣品的凝結(jié)時(shí)間，以及采用雷氏法測(cè)定了三組樣品的安定性，結(jié)果如表1所示。此外，實(shí)驗(yàn)中觀察到，摻入硅灰的水泥凈漿攪拌后迅速變得粘稠;并且隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，硅灰摻量的增多，水泥凈漿的粘度增大。

5%的樣品與0%的樣品相比，水泥凈漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都大大縮短，而10%的樣品和5%的樣品相比，凝結(jié)時(shí)間略有縮短，說明硅灰的摻入促進(jìn)了水泥凈漿的凝結(jié)。另外，值得注意的是，三組樣品各自的終凝時(shí)間與初凝時(shí)間之差非常接近，分別為103 min（0%樣品），93 min（5%樣品），95 min（10%樣品）。由于硅灰能填充水泥漿體中的孔隙，其火山灰活性在一定程度上促進(jìn)了水泥漿體水化反應(yīng)的進(jìn)行。因此，縮短了水泥漿體的凝結(jié)時(shí)間[4]。三組樣品的安定性均為合格，說明硅灰摻量在10%以內(nèi)不會(huì)對(duì)水泥安定性造成不良影響。

2.2 水泥膠砂流動(dòng)度

根據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 2419—2005），分別測(cè)定了三組樣品的水泥膠砂流動(dòng)度，用卡尺測(cè)定了水泥膠砂底面兩垂直直徑的平均值分別為：22 mm（0%樣品），19 mm（5%樣品）和17 mm（10%樣品）。說明隨著硅灰的摻量增加，水泥膠砂流動(dòng)度越來越小，由于硅灰具有比表面積大的特性，引起了水泥硅灰混合料總表面積的增加，導(dǎo)致水泥漿體需水性增大，從而降低了水泥膠砂的流動(dòng)度。

2.3 水泥膠砂強(qiáng)度

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999），制作了40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試件，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)定了硅灰摻量為0%、5%和10%時(shí)的抗折抗壓強(qiáng)度，測(cè)定的齡期為7 d，14 d，28 d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

可以看出，0%樣品的7 d和14 d的抗折抗壓強(qiáng)度更高，但是5%和10%的樣品28 d抗折抗壓強(qiáng)度更高，以0%樣品28 d強(qiáng)度為基準(zhǔn)，5%樣品抗折強(qiáng)度提高了10%，抗壓強(qiáng)度提高了8.5%;10%樣品抗折強(qiáng)度提高了15%，抗壓強(qiáng)度提高了17%。說明硅灰的摻入降低了水泥膠砂水化早期的強(qiáng)度，而在14 d到28 d期間，硅灰的增強(qiáng)效應(yīng)開始體現(xiàn)，促進(jìn)強(qiáng)度的迅速提高，使得28 d強(qiáng)度明顯高于空白樣品。另外，值得注意的是，10%的樣品28 d抗折強(qiáng)度達(dá)到了9.1 MPa，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)42.5水泥的抗折強(qiáng)度要求（62.5水泥28 d抗折強(qiáng)度要求≥6.5 MPa），28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了51.2 MPa。說明硅灰的摻入對(duì)水泥抗折抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)十分明顯。

5%和10%的樣品相比，10%的樣品7 d和14 d抗折抗壓強(qiáng)度更低，但是28 d抗折抗壓強(qiáng)度更高。結(jié)果表明：硅灰摻量越多，早期7 d和14 d強(qiáng)度越低，但是后期28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)越多，說明硅灰抑制了水泥早期強(qiáng)度的發(fā)展，但對(duì)28 d強(qiáng)度有增強(qiáng)作用。

2.4 微觀分析

利用SEM觀察了0%和5%樣品7 d和28 d齡期的微觀形貌，結(jié)果如圖3～圖4所示。

從SEM圖像可以看出，7 d齡期時(shí)，0%樣品生成了更多的針棒狀形貌的硫鋁酸鈣，可以推斷0%的樣品水化產(chǎn)物更多，說明其水化進(jìn)行得更充分，因此0%樣品的7 d抗折抗壓強(qiáng)度更高。而在28 d的微觀形貌圖上可以看出，0%和10%的樣品具有非常明顯的差異，0%的樣品生成物顆粒粗大，并且相對(duì)比較疏松;而10%的樣品的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙要細(xì)小得多。由于硅灰的微骨料效應(yīng)，填充了水泥石中的部分孔隙，使得整體孔隙細(xì)化[5]，從而水泥石強(qiáng)度提高。另一方面，硅灰屬于超細(xì)火山灰，具有火山灰效應(yīng)，能與Ca（OH）2反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，使水泥石強(qiáng)度提高[6]。

3 結(jié)論

（1）摻入5%和10%的硅灰使標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加，凝結(jié)時(shí)間縮短，安定性無不良影響。摻入5%和10%的硅灰使膠砂流動(dòng)度下降。這可能是因?yàn)楣杌翌w粒很細(xì)，引起比面積增大，需水性增大，從而導(dǎo)致漿體粘稠，凝結(jié)時(shí)間縮短。（2）7 d和14 d的抗折抗壓強(qiáng)度：0%樣品>5%樣品>10%樣品;28 d抗折抗壓強(qiáng)度：10%樣品>5%樣品>0%樣品，尤其是10%的樣品對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)十分明顯。說明硅灰對(duì)水泥14 d之前強(qiáng)度發(fā)展有抑制作用，對(duì)28 d強(qiáng)度有增強(qiáng)作用。（3）28 d齡期樣品的SEM圖表明，10%樣品的孔隙細(xì)化，結(jié)構(gòu)密實(shí)，推斷是硅灰的微骨料填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)引起強(qiáng)度提高。

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