硅灰對(duì)膠砂性能影響的試驗(yàn)研究

梁榮創(chuàng)，孫海燕，董新越，趙 楊，葛云龍

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,云南 昆明 650201)

關(guān)鍵字：硅灰；水泥膠砂；力學(xué)性能；干燥收縮

硅灰因具有極高的火山灰活性，在實(shí)際的工程運(yùn)用中發(fā)揮著良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。目前中國(guó)對(duì)硅灰的應(yīng)用主要集中在混凝土和建材領(lǐng)域，然而因其應(yīng)用起步晚，總體利用水平仍處于中低階段[1]，這成為限制硅灰產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素。近年來(lái)，業(yè)界學(xué)者就硅灰對(duì)水泥混凝土性能的影響開(kāi)展較多的研究。

李曉琴等[2]研究結(jié)果表明摻加硅灰可改善高水灰比ECC的工作性能，最優(yōu)摻量為10%～15%。何鼎輝等[3]研究了礦物摻合料對(duì)水泥砂漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)在4%～10%摻量?jī)?nèi)，隨著硅灰摻量的增加能夠改善砂漿的流動(dòng)性能。對(duì)此，陳超等[4]則認(rèn)為，硅灰摻量大于8%時(shí)，水泥漿體的流動(dòng)性能會(huì)變差且無(wú)法攪拌均勻。丁向群等[5]通過(guò)對(duì)硅酸鹽膠凝材料摻加硅灰并研究其早期抗壓強(qiáng)度得出，0%～15%的硅灰摻量在水泥28 d齡期前對(duì)抗壓強(qiáng)度都有提升，這與文獻(xiàn)[3]所示的硅灰摻量提高對(duì)水泥7d力學(xué)性能有負(fù)面影響不一致。祝苗苗等[6]試驗(yàn)結(jié)果顯示，在短齡期內(nèi)，硅灰具有提升混凝土抗壓強(qiáng)度的作用，相對(duì)低摻量的試驗(yàn)組，最高能提升30.4%。姚源等[7]研究顯示，隨著硅灰摻量的增加，混凝土的干縮值呈增加趨勢(shì)，且較基準(zhǔn)組的干縮值增加更為顯著。相比之下，張昺榴等[8]研究表明硅灰對(duì)水泥砂漿的干燥收縮具有雙重效應(yīng)，低摻量能改善收縮，高摻量會(huì)提高收縮。

由此可見(jiàn)，有關(guān)硅灰對(duì)水泥混凝土性能的影響目前尚存有不同的觀點(diǎn)：①硅灰的摻入是否能改善水泥漿體流動(dòng)性；②硅灰的摻入是否能提升水泥基材料早齡期的強(qiáng)度；③硅灰的摻入對(duì)水泥基材料的干燥收縮起著怎樣的作用。在上述問(wèn)題基礎(chǔ)上，對(duì)于不同水膠比，硅灰對(duì)水泥膠砂性能影響還鮮有報(bào)道。本文在2種水膠比(0.40、0.45)下，研究摻入不同摻量的硅灰(0%、5%、8%、10%、15%)對(duì)水泥膠砂流動(dòng)性、力學(xué)性能和干縮性能的影響，以期為硅灰在水泥混凝土更廣泛應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

a)膠凝材料。水泥采用云南華新東駿水泥有限公司生產(chǎn)的“石林牌”P(pán)·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度為1.02%，3 d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為23.28 MPa，抗折強(qiáng)度為4.78 MPa；28 d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為45 MPa，抗折強(qiáng)度為7.91 MPa，比表面積為347 m2/kg。硅灰采用云南石晶硅業(yè)有限公司生產(chǎn)的硅灰，比表面積為21 000 m2/kg。硅灰的主要化學(xué)組成見(jiàn)表1。細(xì)骨料采用料場(chǎng)堆放人工砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含水率0.12%，松散堆積密度1 690 kg/m3，緊密堆積密度1 934 kg/m3。

表1 硅灰化學(xué)組成 %

b)外加劑。采用高性能聚羧酸減水劑，液體呈黃褐色且無(wú)沉淀。

c)拌和水。試驗(yàn)拌和用水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)配比

試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)0.40(組別編號(hào)為A)與0.45(組別編號(hào)為B)2種水膠比，固定膠砂比為1.0∶2.5，硅灰摻量分別為0%、5%、8%、10%和15%，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)10組，具體配合比見(jiàn)表2。

表2 水泥膠砂試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行水泥膠砂跳桌流動(dòng)度的測(cè)試。根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》，采用40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模成型試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至7、28、60 d后測(cè)定試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

根據(jù)JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》，采用40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模成型試件。采用比長(zhǎng)儀分別測(cè)定水泥膠砂1～7、14、28、60 d的干縮率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硅灰摻量對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響

2種水膠比下不同硅灰摻量對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同摻量硅灰對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響

由圖1可知，隨著硅灰摻量的增加，2種水膠比下水泥膠砂的流動(dòng)度均呈下降趨勢(shì)，且硅灰摻量低于5%時(shí)其下降趨勢(shì)較為平緩；而硅灰摻量超過(guò)5%時(shí)下降趨勢(shì)較為明顯。分析認(rèn)為：當(dāng)硅灰摻量低于5%時(shí)，由于硅灰的平均粒徑很小，能夠在膠凝體系中充分發(fā)揮其“填充作用”和“減水效應(yīng)”[9]；其次，硅灰的比表面積很大，對(duì)水分吸附作用明顯，導(dǎo)致膠凝體系中大量自由水分被硅灰吸附，從而使水泥膠砂流動(dòng)度的下降[4，10-13]。當(dāng)硅灰摻量超過(guò)5%時(shí)，由于硅灰的水化活性極高，需水量明顯增加，在膠凝體系中吸收水分的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其作為填充孔隙而起到的作用，故水泥膠砂的流動(dòng)度明顯下降；此外，球形外觀的硅灰在與水反應(yīng)時(shí)容易形成絮凝結(jié)構(gòu)，也在一定程度上阻礙了水泥漿體的流動(dòng)，故隨著硅灰摻量的增加，水泥膠砂的流動(dòng)度不斷下降[14]。

2.2 硅灰摻量對(duì)水泥膠砂力學(xué)性能的影響

為研究硅灰摻量、水膠比以及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥膠砂力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)分別對(duì)7、28、60 d齡期下水泥膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、3。由圖2可知，水膠比為0.40時(shí)，各組水泥膠砂的抗壓和抗折強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而逐漸增大。在各養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，水泥膠砂強(qiáng)度隨著硅灰摻量的增加均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí)，強(qiáng)度提升達(dá)到峰值，對(duì)比空白組，其28 d抗壓強(qiáng)度提升17.7%，抗折強(qiáng)度提升11%。

a)抗壓

由圖3可知，水膠比為0.45時(shí)，各組水泥膠砂的抗壓和抗折強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)而增大。在各養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，水泥膠砂強(qiáng)度則隨著硅灰摻量增加而逐漸增加，當(dāng)硅灰摻量為15%時(shí)強(qiáng)度提升達(dá)到峰值，對(duì)比空白組，其28 d抗壓強(qiáng)度提升22%，抗折強(qiáng)度提升13%。

a)抗壓

b)抗折

在相同齡期內(nèi)摻入硅灰使水泥膠砂強(qiáng)度得到提升，分析認(rèn)為硅灰在膠凝體系中能夠充當(dāng)微集料填充水泥顆粒之間的間隙，使得膠凝體系結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，孔隙率下降，從而提升強(qiáng)度。另一方面，在不同養(yǎng)護(hù)齡期下，7～28 d齡期內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)率明顯，28～60 d齡期內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)率開(kāi)始下降，是由于硅灰含有大量無(wú)定型的SiO2，使其具有很高的火山灰活性，并且有著較大的比表面積和分散度，故在早齡期就能發(fā)揮作用，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，硅灰發(fā)生“二次水化”與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠填充孔隙，提升水泥膠砂強(qiáng)度[15]。

由圖2、3難以得出硅灰的最優(yōu)摻量，故比較2種水膠比下10%和15%硅灰摻量的各齡期水泥膠砂強(qiáng)度變化以得出最優(yōu)摻量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

a)抗壓

由圖4可知，各組水泥膠砂強(qiáng)度增幅趨勢(shì)大致相同。同一水膠比下，A15在各養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度的提升均低于A10，而B(niǎo)15則高于B10；不同水膠比下，水泥膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)而增大，且水膠比越低，強(qiáng)度提升越大。分析認(rèn)為，在0.40水膠比下，A15對(duì)比A10在各水化齡期出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象是由于硅灰的過(guò)量替代水泥所導(dǎo)致的，在水化前期硅灰就消耗膠凝體系大部分自由水，到達(dá)水化后期，沒(méi)有足夠的水分參與反應(yīng)導(dǎo)致水化不充分，沒(méi)能充分反應(yīng)的硅灰更多是充當(dāng)微集料填充孔隙，故0.40水膠比下硅灰最佳摻量為10%。而在0.45水膠比下，B15盡管摻入過(guò)量的硅灰，但因其水膠比大于A15，即使在水化前期硅灰的高活性吸收消耗大部分的自由水，膠凝體系中仍有足夠的水分進(jìn)行水化反應(yīng)以保證水化后期的強(qiáng)度提升；而B(niǎo)15對(duì)比B10雖然抗壓和抗折強(qiáng)度在各水化齡期均有提升，但提升幅度很小甚至持平，出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，認(rèn)為0.45水膠比下硅灰的最佳摻量為10%。

2.3 硅灰摻量對(duì)水泥膠砂干縮性能的影響

為研究硅灰摻量、水膠比以及齡期對(duì)水泥膠砂干縮性能的影響，試驗(yàn)分別對(duì)1～7、14、28、60 d齡期下水泥膠砂干縮率進(jìn)行測(cè)定，具體的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同水膠比下硅灰摻量對(duì)水泥膠砂干縮率的影響

由圖5可知，2種水膠比下，隨干縮試驗(yàn)齡期的延長(zhǎng)，水泥膠砂干縮率增長(zhǎng)趨勢(shì)大致相同，在7 d內(nèi)快速增長(zhǎng)，7～60 d平穩(wěn)增長(zhǎng)，各組摻硅灰的水泥膠砂7 d干縮率約占60 d干縮率的87%～91%；隨著硅灰摻量的增加，對(duì)比基準(zhǔn)組，各組水泥膠砂干縮率逐漸增加，2種水膠比的水泥膠砂均在15%硅灰摻量時(shí)干縮率提升最大。由圖6還可以看出，同一摻量下，0.40水膠比的水泥膠砂較0.45水膠比的各組膠砂干縮率更大，以15%硅灰摻量為例，A15的60 d干縮值為1 796 μm/m，而B(niǎo)15的60 d干縮值為1 303 μm/m；0.45水膠比的各組膠砂60 d的干縮率較基準(zhǔn)組提升幅度比0.40水膠比的更大，其中A15和B15的60 d干縮率較基準(zhǔn)組分別提升32.8%、43.8%。

分析認(rèn)為，隨干縮試驗(yàn)齡期的延長(zhǎng)，由于硅灰的“二次水化”效應(yīng)，在早齡期它會(huì)消耗膠砂內(nèi)部大量的自由水，使膠砂的干縮率快速增長(zhǎng)；到達(dá)后期，由于硅灰的摻入使膠砂結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，水分不易散失，干縮率增長(zhǎng)趨于平穩(wěn)。另一方面，隨著硅灰摻量的增加，硅灰的填充作用減少了總孔隙率但毛細(xì)孔增多，使毛細(xì)管張力增加，造成干縮率增大[16]。在同一摻量下，水膠比低的膠砂由于體系中自由水相對(duì)較少，而硅灰需水量極大，造成膠砂內(nèi)部水分蒸發(fā)加快，從而干縮率相對(duì)更大；水膠比高的膠砂中自由水相對(duì)較多，為硅灰提供了較好的水化環(huán)境，能與Ca(OH)2反應(yīng)生成更多的C-S-H凝膠且具有較多的細(xì)孔[17]，導(dǎo)致內(nèi)部水分有更多孔通道向外界散失，造成干縮率較基準(zhǔn)組提升更為明顯。

3 結(jié)論與展望

a)隨硅灰摻量的增加，2種水膠比下水泥膠砂的跳桌流動(dòng)度均呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢(shì)，其中硅灰摻量為5%時(shí)，流動(dòng)度下降趨勢(shì)較為平緩；當(dāng)其摻量超過(guò)5%后，流動(dòng)度降低幅度開(kāi)始變得明顯。

b)在2種水膠比下，不同水化齡期摻有硅灰的水泥膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度均比基準(zhǔn)組高，且硅灰的摻入能在水化早期充分發(fā)揮作用，提升強(qiáng)度；出于增效性能和經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮，認(rèn)為硅灰的最佳摻量為10%。

c)水泥膠砂干縮率在7 d內(nèi)增長(zhǎng)速度較快，而在7～60 d時(shí)增幅開(kāi)始趨于平緩。隨著硅灰摻量增加，膠砂的干縮率逐漸增大；2種水膠比下，水膠比較小的膠砂干縮率更大，而水膠比較大的膠砂，60 d的干縮率較基準(zhǔn)組提升更為明顯。

d)硅灰在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用能響應(yīng)國(guó)家綠色環(huán)保的倡導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)變“廢”為寶、資源循環(huán)利用；而本次試驗(yàn)中硅灰對(duì)膠砂水化早期強(qiáng)度有較大的提升，可為硅灰在速凝混凝土的應(yīng)用提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)，而具體試驗(yàn)結(jié)果仍有待論證。