淺談硅灰在高強混凝土中的應用

伍重瑞

（重慶欣材混凝土集團有限公司）

淺談硅灰在高強混凝土中的應用

伍重瑞

（重慶欣材混凝土集團有限公司）

本文對硅灰的組分及性質進行了分析，并論述了其在高強混凝土中發揮的作用及其作用機理。

硅灰 高強混凝土

近些年來，由于社會的飛速發展，及建設事業的蓬勃發展，建筑業對于混凝土的性能要求也與日俱增。而高強混凝土中摻入硅灰，會使得其耐久性能得到顯著的加強，因此硅灰在高強混凝土中的應用越來越得到人們的重視。

1. 灰簡介

硅灰是硅鐵合金廠冶煉硅或硅鐵合金時，從煙塵之中收集的一種飛灰，也叫做凝聚硅或硅粉。

1.1 主要成分

硅灰的組成成分并不是完全相同的，會受到冶煉過程的影響，表1給出的是硅灰的主要組分。

表1 硅灰的主要組分

由表1中可以看出，硅灰中比例最大的是非晶態的二氧化硅，所占比例達到90%以上。這種二氧化硅有著活躍的火山灰活性，也就是說，硅灰能夠很快地跟氫氧化鈣發生反應。

1.2 物理性質

硅灰是一種灰白色的粉狀顆粒，碳含量的不同會使得硅灰呈現出不同的顏色深淺。

硅灰是一種極細的顆粒，大部分顆粒不超過1，平均在0.1左右，僅為水泥粒徑的1/50-1/100。硅灰的密度一般為2200，松堆密度一般在180-230，空隙率可以超過90%。硅灰的比表面積極大，一般在15000-25000。

表2中給出了硅灰的一些物理性質，并與水泥和粉煤灰進行比較。

表2 硅灰與水泥、粉煤灰的物理性質對比

硅灰的密度較小，而比表面積極大，說明硅灰的分你散性較大。當硅灰摻入水泥混凝土中，硅灰能夠進行充分的填充。

2. 灰的作用機理

硅灰由于其自身的化學組分以及一些物理性質，當摻入到混凝土當中，會產生一些作用及反應從而提高混凝土的強度和性能。

2.1 填充效應

水泥混凝土的拌合過程中，往往會加入過量的水，以保證較好的施工流動性。但是多余的水會降低水泥漿的稠度，削弱其膠結力；另一方面又會在混凝土中發展為水泡，這些水泡會導致混凝土凝結后出現孔隙，進而削弱混凝土的受力性能。

硅灰的填充效應指的是：由于硅灰的粒徑遠小于水泥顆粒，硅灰在水泥顆粒之間的空隙當中起到填充作用。由于硅灰的顆粒數量較大，因此填充效應的效果十分明顯。

硅灰另一方面能夠阻止混凝土的沁水，阻止水分集聚，從而一方面能夠提高水泥漿與骨料界面過渡區的密實度，另一方面能夠減小該區的厚度。也就是說，硅灰能夠增強水泥漿和石料之間的結合力，并不只是一個絕對的填充物。

2.2 火山灰反應

火山灰反應指的是在混凝土中，活性二氧化硅與氫氧化鈣反應，生成水化硅酸鈣。這些氫氧化鈣來源于水泥的水化反應，并且這些氫氧化鈣是不利于混凝土的強度形成的。在摻入硅灰的混凝土中，水泥的早期水化反應產物有大量的氫氧化鈣，但齡期增長會導致混凝土中的氫氧化鈣含量迅速下降。

硅灰的存在會使得這些不利的氫氧化鈣轉化成為有利的水化硅酸鈣凝膠。同時硅灰與氫氧化鈣的不斷反應，也會促進水泥的水化反應，從而提升了混凝土的早期強度。

2.3 空隙溶液化學效應

空隙溶液化學效應指的是由于硅灰的存在，會使得水化產物中硅化鈣的減少，相應的水化硅酸鈣凝膠會吸附更多堿金屬離子，從而導致空隙溶液中堿金屬離子濃度的大幅度降低。

這種堿金屬離子濃度的降低能夠有效降低空隙溶液的pH值，從而極大程度的減少堿集料反應的發生。

3. 灰發揮的作用

硅灰在混凝土當中會發生上述所說的填充效應、火山灰反應以及空隙溶液化學效應，這些都能對混凝土的性能帶來影響。

3.1 提高混凝土強度

由于硅灰的作用，混凝土的早期強度和最終強度會出現明顯的提升。一些研究表明，當硅灰的摻量在30%以下時，摻加硅灰的混凝土的蒸汽養護一天的抗壓強度是普通混凝土的2倍；如果采用蒸壓養護，摻硅灰的混凝土的抗壓強度是不摻的混凝土的3倍；就是進行普通的養護，摻硅灰的混凝土的強度也有明顯提升。同時，摻硅灰的混凝土的抗壓強度與硅灰摻量呈現正比關系，硅灰的摻量越大，混凝土的強度也就越高，但是一般不大于35%。

一些國家已經通過使用硅灰生產出了強度高達1100kg/cm2的高強混凝土，而且工藝不算復雜，有著良好的經濟效益。

3.2 增加混凝土密實度

一方面，摻加的硅灰在水泥顆粒之間的空隙當中起到類似細集料的填充作用，從而從微觀上減少混凝土的空隙率，增加混凝土的質密性；另一方面，硅灰能夠與氫氧化鈣發生火山灰反應，從而生成水化硅酸鈣凝膠，提高混凝土的密度。通過借助電子顯微鏡，可以看到在摻入硅灰的混凝土當中，有晶體的生長現象。這種現象在空隙當中尤為突出。國外的研究通過使用水泥注入法證明，摻入硅灰能夠有效地減少混凝土中的微小空隙體積，并且減小幅度明顯。

3.3 改善混凝土和易性

在混凝土中摻入硅灰，會提高水泥混凝土的需水量。也就是，在一定的水灰比下，硅灰的使用會降低混凝土的坍落度，這種降低的效果隨著硅灰的摻量的增大而增大。當硅灰的用量為5%左右時，硅灰對混凝土用水量的影響較小，但是摻量繼續增大會使得混凝土用水量的出現大幅度增加，最大增幅為130%。當然，高效減水劑的使用能夠起到一個很好的平衡作用。高效減水劑和硅灰已經是制作高強混凝土的基本途徑。

混凝土浮漿現象，指的是混凝土在澆筑后，往往會出現水從水泥混凝土中分離出來的現象，隨之就會在混凝土的表層形成水膜。浮漿的發生，往往意味著混凝土的表層會出現不均勻的分布，進而影響混凝土的性能。國外研究結果證實，硅灰摻入的越多，混凝土發生離析和沁水的概率就越低。當硅灰的摻量為15%時，就算混凝土的坍落度達到15-20厘米，混凝土當中也基本沒有離析和沁水現象的發生；當硅灰摻量達到20%-30%，混凝土在各種不利狀況下，基本都不會出現離析和沁水現象。

3.4 提高混凝土的耐久性

硅灰的使用能夠顯著地降低混凝土內部的微小空隙并增強質密性。因此，硅灰的摻入能夠有效提高混凝土的抗滲性能，同時硅灰的摻入有效地防止了外部溶液的滲入，即能夠有效地防止外部溶液的化學腐蝕作用。有研究表明，當硅灰的摻量為10%-20%時，能夠有效增加混凝土的抗滲性和抗化學腐蝕性，并且還能夠提高鋼筋的抗腐蝕性。同時，硅灰具有很高的比電阻，當摻入到混凝土當中，也能夠顯著提高混凝土的比電阻。

3.5 改善混凝土的抗凍性

許多試驗的結果都證明了硅灰會對混凝土的抗凍性能造成影響。但是這種影響并不是一種正比例關系。伴隨著硅灰摻量的增大，混凝土的抗凍性能會出現從增加到降低的一個趨勢。一般當硅灰的摻量低于10%，硅灰的摻入能夠改善混凝土的抗凍性；當硅灰的摻量為15%-20%之前，硅灰的摻入對混凝土的抗凍性能的影響很小，可以忽略；當硅灰的摻量大于20%，硅灰的摻入反而會削弱混凝土的抗凍性能。

[1]姜德民.硅灰對高性能混凝土強度的作用機理研究[J].建筑技術開發,2001,04期:44-46.

[2]馬永浪.冷凝硅灰在高強混凝土中的作用探討[J].四川水泥,2015.

[3]程瑤,張美霞.綠色高強混凝土——硅灰混凝土[J].安全與環境工程,2002,03期:33-36.

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1007-6344（2015）11-0001-01