硅灰混凝土基本力学性能调研

硅灰混凝土基本力学性能调研

孔令钊

北京建筑大学北京市100044

摘要：硅灰作为一种活性矿物掺合料，有着很强的火山灰效应。并且在微观层面上，其可以改善混凝土界面过渡区，增强混凝土的匀质性和密实度，对混凝土的抗压抗拉强度、弹性模量等基本力学性能和耐久性能都有显著的提高。

关键词：硅灰混凝土；基本力学性能；耐久性

1、引言：

高强高性能化是混凝土发展的必然方向，硅灰作为提高混凝土强度和耐久性最为常用和有效的矿物掺合料，有着卓越而不可替代的优势。并且硅灰作为工业副产物，对其的合理利用可以减少工业废料的排放，保护环境节约资源。明确硅灰对混凝土基本力学性能的影响，量化其作用效果，对工程中设计使用硅灰高强高性能混凝土有着推广作用，同时也对规范设计中对硅灰混凝土这一方面的欠缺有所补充。

硅灰是在冶炼硅和硅铁合金时在埋弧电炉中由高纯度石英和煤产生的副产品[i]，其相对密度通常为2.2，但当二氧化硅含量较低时其密度会有略微的增加。硅灰颗粒非常细，直径大约在0.03~0.3μm，平均直径在0.1μm以下，比表面积约为20000㎡/kg，比其他火山灰材料的比表面积高13~20倍。硅灰有很强的火山灰活性，并且因其颗粒很细，对混凝土有很好的填充效应，这种对微观的改善，反映在宏观上，即是掺入硅灰的混凝土的早期强度，包括抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和抗渗性能耐久性能等都会有明显的提高。

2硅灰对混凝凝土力学性能的改善

2.1提高混凝土抗压强度

经过广泛的调研，硅灰掺量在5%~10%时，对混凝土的立方抗压强度的提高可以达到10%~30%。并且这种提高作用在早龄期时更加明显。

Mazloom等[ii]研究了掺加硅灰的高性能混凝土的抗压强度，他测试了龄期至400d的试件的抗压强度，发现掺硅灰的混凝土的28d抗压强度比对照组高21%，但是90d龄期之后，掺硅灰混凝土的强度增长几乎可以忽略，而未掺硅灰的混凝土的强度增长达到了15%左右。类似的，Wild[iii]的研究表明，当龄期超过90d之后，掺加硅灰的胶凝体系中会形成一个抑制后期水化反应的层，导致掺硅灰混凝土的后期强度发展缓慢。Sobolev[iv]观察到将减水剂掺量从8%提高到18%后水胶比从0.31降低到0.26，混凝土的抗压强度由86MPa提高至97MPa，掺15%硅灰的混凝土的抗压强度是最高的。总的来看，硅灰对于混凝土的抗压强度有促进作用，这种促进作用在早期更为明显，90d龄期后逐渐减弱。

2.2提高混凝土抗折强度

研究显示，当普通混凝土中掺入硅灰5%~10%，硅灰混凝土的抗折强度可提高10%以上。

根据Bhanja[v]和Sengupta所研究的硅灰对高强混凝土抗折强度的影响，其结果表明掺加硅灰可以增加混凝土的抗折强度，且其抗折强度随硅灰掺量的增加而稳定增加。根据韩佃利[vi]等人的研究，当硅灰掺量为2%时，和未掺加硅灰相比，混凝土1d和3d抗折强度分别增加43%和22%。高巍[vii]的试验显示，在不同水胶比下，掺硅灰的混凝土抗折强度要明显大于均不掺硅灰的混凝土，并且当硅灰掺量在0%~9%之间时，混凝土的抗折强度随硅灰掺量的增加而增大；当硅灰掺量超过9%时，混凝土强度不再增加甚至略有下降。这是因为对于一定量的水泥来说水化反应产生的Ca(OH)2的数量是一定的，发生火山灰反应所需要的硅灰的量也是一定的，当掺入的硅灰的量过多时，其不再能有效的发生火山灰反应，因此反而不利于混凝土强度的增长。

2.3提高混凝土劈裂抗拉强度

硅灰对抗弯强度比劈裂抗拉强度的影响更显著，当硅灰掺量为3%~6%左右时，对高强混凝土的劈裂抗拉强度的增强作用非常有利；高于或低于这个掺量范围，硅灰的掺入对高强混凝土的劈裂抗拉强度的改善都不是很明显。而国外有研究表示，对于掺入了高强度钢纤维的硅灰高强混凝土，在硅灰掺量为5%和10%时，相对于对照混凝土，硅灰混凝土的劈裂抗拉强度平均增加9.4%和18.9%[viii]。Bhanja和Sengupta对0.26至0.42范围内的多组水胶比以及0%~25%范围内的多种硅灰掺量拌制的混凝土的28d劈裂抗拉强度进行了测试，试验结果表明当硅灰掺量超过15%时，硅灰对混凝土的劈裂抗拉强度没有明显的增强作用。Tanyildizi和Coskunzsoi[ix]进一步研究了高温养护对硅灰混凝土的影响，当养护温度超过200℃时，混凝土的劈裂抗拉强度随着温度的升高而出现损失，掺加硅灰可以显著防止过高温度带来的混凝土的劈裂抗拉强度损失。

2.3提高混凝土弹性模量

混凝土弹性模量因硅灰的加入，弹性模量会有所提高。Saridemir[x]在混凝土中掺入15%硅灰后发现，其抗压强度增加的同时，弹性模量也随之增大。Shannag[xi]对不同硅灰替代率的混凝土进行了弹性模量与抗压强度的试验，发现混凝土的弹性模量与抗压强度相关，但并不成线性关系，对于硅灰混凝土而言，弹性模量的增长速率要低于抗压强度的增长，且混凝土平均弹性模量值约为40GPa。

3硅灰对混凝凝土耐久性能的改善

3.1提高混凝土抗渗透性

掺加硅灰、改变水灰比可以改变混凝土的渗透性，其抗渗性随硅灰掺量的增加和水胶比的降低而提高。研究认为，当混凝土中的硅灰掺量为10~20%时，显著改善了混凝土的抗渗性、抗化学腐蚀性，而且对钢筋的耐腐蚀性也有改善。这是因为密实型的提高和二氧化硅含量的增加，有效地阻止了酸离子的侵入和腐蚀作用[xii]。

朱海威[v]等研究表明在自然扩散条件下，掺加适当的硅灰能够有效地降低混凝土的表观氯离子扩散系数，其最佳掺量在10%左右。张武满[vi]等研究表明掺加20%和30%矿渣、5%和10%硅灰的混凝土的氯离子透过性低于基准混凝土。杨文武等[vii]研究表明硅灰改善混凝土的抗氯离子渗透性能，硅灰掺量在10%左右对混凝土的抗冻和抗氯离子渗透综合性能影响存在一个最佳值。

3.2提高混凝土抗冻性

硅灰可以改善混凝土的孔结构，减少混凝土中的有害孔隙，从而减小了混凝土孔隙中的水分提高其抗冻融的能力。

Chung[v]指出，砂浆中由于硅灰的加入，可提高其抗冻融循环能力，尽管其孔系统并不良好，但仍然推荐使用引气剂，此外，硅灰还能减少水垢的生成。Sabir[vii]对硅灰混凝土进行冻融试验，循环210次后，混凝土的抗压强度与抗折强度降低10-20%，硅灰混凝土降低幅度要比传统混凝土大。张益杰[iv]等研究表明在28d标准养护条件下，双掺粉煤灰和硅灰的混凝土较同水灰比下的普通混凝土及掺加粉煤灰的混凝土的抗冻能力、抗拉、抗裂能力均有明显的提升。

4结论

硅灰的掺入可以提高混凝土的抗压强度，但是存在最佳掺量为5%~10%左右。硅灰对抗折强度的提高与劈裂抗拉强度的提高幅度并不一致，对劈裂抗拉强度的提高更加显著。硅灰混凝土弹性模量随硅灰掺量的增加而增加。硅灰除提高混凝土力学性能外，还能有效改善混凝土耐久性尤其在抗渗透性和抗冻性上有所提高。

参考文献：

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