綠色硅灰混凝土材料性能研究

【摘要】研究指出混凝土的性能受到內(nèi)外各種因素的影響，當(dāng)硅灰摻入混凝土中時，混凝土的性能能夠被很好地改進(jìn)且使用壽命也比不摻硅灰時長，從而提高工程質(zhì)量。本文綜述了摻入硅灰后，混凝土力學(xué)性能與耐久性能的改變，并預(yù)測了硅灰混凝土性能的研究方向。

【關(guān)鍵詞】綠色；硅灰；耐久性；力學(xué)性能

1、引言

硅灰作為一種混凝土的高活性的摻合料，目前已經(jīng)有二十幾年的發(fā)展。把硅粉摻入混凝土中，不僅能提高混凝土性能，減少水泥用量，同時能夠利用工業(yè)廢棄物，有利于保護(hù)環(huán)境。對推動硅粉混凝土在工程中的應(yīng)用，及進(jìn)一步的研究和硅灰的發(fā)展具有重要意義。硅灰又稱硅粉，在溫度高達(dá)1700到2000度時，于電爐中同時冶煉硅石、焦炭和生鐵，硅將氧氣反應(yīng)生成一氧化硅，在上升過程中一氧化硅將被空氣二次氧化成二氧化硅，之后冷卻凝結(jié)成球形顆粒被集塵器回收，就得到硅粉。它是深灰色的粉狀顆粒，平均粒徑為0.1μm左右，密度為2.2g /cm3，松堆密度為0.18～0.23g /cm3，空隙率高達(dá)90% 以上，通過氮吸附法測定的比表面積大約為25～35m2/g ，比水泥的比表面積（約0.4m2/g ）大50～100倍[1]。如果硅粉摻量在一定范圍內(nèi)，對改善混凝土，特別是高強度混凝土的性能效果明顯，而且還可以減少在混凝土水泥的量。此外，硅粉的利用可有效解決在工業(yè)生產(chǎn)中存在的硅粉排放污染問題。同時，它也能起到保護(hù)環(huán)境和資源利用的積極作用。因此，與硅粉混合以制備高強度混凝土具有良好的應(yīng)用前景。

2、硅灰對混凝土材料性能的影響

2.1 硅灰對混凝土耐久性的影響

2.1.1硅灰對新拌混凝土性能的影響

硅灰混凝土的用水量隨著硅粉含量的增加而增大。在相同的用水量下，隨硅粉的摻入和摻量增加，混凝土坍落度顯著降低。在一般情況下，當(dāng)硅灰的含量約為5%時，其對水的需求量的影響不大。但是，如果增加硅灰的摻量，需水量可達(dá)到130%。但它可以用摻入高性能減水劑以抵消。混凝土粘聚性隨著的硅粉摻入會變好且離析傾向小，泌水作用很大程度上下降，不慘硅灰混凝土比砼強度摻硅灰混凝土的凝結(jié)時間短，特別是硅灰摻量多的時候。摻入硅灰，可使水泥的早期強度和溫度升高加快，但最終的水化熱降低，特別是當(dāng)水泥水膠比較低時最顯著。

2.1.2硅灰對混凝土抗?jié)B透性的影響

只單獨摻入硅灰可以提高硅灰混凝土的抗氯離子滲透能力，并隨著硅灰的摻量的增加，效果增加明顯[2]。對混凝土的氯離子滲透機(jī)理分析結(jié)果表明：硅灰摻合料改善混凝土的抗氯離子滲透性能主要從兩方面來說。一是孔的細(xì)化，由于產(chǎn)生更多的低堿度C—S—H凝膠，混凝土（物理和化學(xué)）固化能力增加，有利于降低混凝土中氯離子的滲透速度，從而混凝土的抗氯離子滲透能力得到提高；二是由于其火山灰效應(yīng)使混凝土的內(nèi)部氫氧化鈣的數(shù)量減少，使水泥石和集料之間的界面得到了改善，讓混凝土孔級配的到優(yōu)化，提高了混凝土對氯離子的擴(kuò)散阻礙能力。

Song通過理論分析和計算的混凝土微觀結(jié)構(gòu)，提出了一種很好地預(yù)測硅粉對混凝土的滲透性效果影響的方法，并通過實驗的方法驗證了這一想法。他們計算出水膠比為0.4條件下，8%至15%的范圍內(nèi)硅粉取代比率內(nèi)，混凝土滲透率幾乎為零，但超過15%時，混凝土的滲透率開始逐漸增長。通過在不同的水膠比下，硅灰對混凝土滲透性的影響的對比，可以發(fā)現(xiàn) 12%硅粉替代比為最佳替代比。

Hustad T等人對硅灰混凝土進(jìn)行了試驗研究，主要研究抗?jié)B性能。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土的抗?jié)B性能在摻入硅灰前后有較顯著的變化。試驗證明，在混凝土中加入100千克每立方米的水泥，硅灰摻量為20%，并且同時摻入一定量的高效減水劑混合得到的混凝土，其抗?jié)B性能與混凝土中加入250千克每立方米水泥，但不摻硅灰和高效減水劑的抗?jié)B性能相等。

2.1.3硅灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的影響

硅灰硅酸鹽水泥混凝土提高混凝土的耐化學(xué)腐蝕性能，主要是由于硅灰硅酸鹽水泥水化時產(chǎn)生氫氧化鈣化合物。這將顯著減少氫氧化鈣的浸出。第二個原因是，由于硅粉的摻入導(dǎo)致混凝土上中砂漿相的孔結(jié)構(gòu)的改變，因而降低了凝膠系統(tǒng)的滲透性。

根據(jù)賀行洋[3]等的研究，硅粉的摻入從而改善離子的遷移是提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的一個有效途徑。在硅灰摻量小于百分之十的范圍內(nèi)，隨著摻量的增加而抗硫酸鹽侵蝕效果更明顯。與此同時，根據(jù)Frearson的評價標(biāo)準(zhǔn)。由抗硫酸鹽水泥配制的混凝土性能水平和摻硅灰的混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能相差甚少，故摻硅灰的混凝土屬于抗硫酸鹽混凝土，為節(jié)約抗硫酸鹽水泥起到了指導(dǎo)作用。隨著混凝土的抗氯離子滲透能力提高，其抗硫酸鹽侵蝕能力也隨之提高。

2.1.4硅灰對混凝土抗凍融性的影響

由于環(huán)境存在凍融循環(huán)交替的正負(fù)溫度，許多水工混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中會受到凍融循環(huán)的破壞作用從而被受凍破壞。特別是在寒冷地區(qū)，主要是由于缺乏必要的抗凍性，混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞。因此，要提高混凝土的耐久性，提高混凝土材料的抗凍性能是一條重要途徑。

根據(jù)劉茉莉的研究，評價混凝土抗凍性能的兩個主要因素是試塊的相對動彈模量和質(zhì)量損失率，當(dāng)試塊的相對動彈模量最大和質(zhì)量損失率最小時，混凝土的抗凍性最好。在凍融過程中摻硅灰的混凝土存在不同于普通混凝土的劣化規(guī)律，相比不慘硅灰的混凝土的抗凍性能有所提高。硅灰的摻量也存在一個最佳摻量。泰倫斯·C·赫蘭（ Terence C. Holland） 先生提到硅灰的摻量一般最好不要超過百分之五，但混凝土的抗凍性隨著硅灰摻量的增加而提高，故硅灰的最大摻量百分之五。試驗研究表明，水膠比為0.30、0.35 ，硅灰摻量零到百分之五的混凝土，在凍融前后，混凝土的質(zhì)量損失率變化不大，但相對動彈模量降低幅度很大，但整體上相比不慘硅灰混凝土的相對動彈模量降低幅度要小，這說明摻入硅灰能很好的提高混凝土的抗凍性能。

2.2 硅灰對混凝土力學(xué)性能的影響

混凝土一個重要的性能就是其力學(xué)性能，力學(xué)性能的高低代表了混凝土具有較高的使用性能。最近研究發(fā)現(xiàn)，摻入硅灰能提高混凝土的強度（抗拉強度、抗壓強度、抗折強度）。

根據(jù)楊慶國[5]等的研究，發(fā)現(xiàn)（1）摻入硅灰后，混凝土抗壓強度提高明顯，當(dāng)而硅灰摻量為百分之十二時，混凝土早期強度增長較少，后期強度增長明顯，而硅灰摻量為百分之五時，結(jié)論正好相反；（2）劈裂抗拉強度顯著提高，當(dāng)硅灰摻量為百分之八時， 混凝土后期強度的增長幅度要比硅灰摻量為百分之五和百分之十二時大；（3）抗折強度顯著提高，混凝土的早、后期強度在硅灰摻量為百分之十二時，比硅灰摻量為百分之八時有小幅增長，但是硅灰摻量為百分之五時的后期強度則明顯低于摻量為百分之十二和百分之八時；（4）彈性模量顯著增大，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在硅灰摻量在百分之八和百分之十二時摻硅灰百分之五和明顯比基準(zhǔn)混凝土的要陡，彈性模量明顯增大。

結(jié)語：

硅灰具有良好的活性，混凝土的性能提高可以很好地依賴于摻入硅灰。但是混凝土性能的影響因素復(fù)雜，因此一個能使混凝土綜合性能達(dá)到最優(yōu)的最佳硅灰替代比很難確定。所以未來有可能利用多元回歸分析的方法以研究在不同硅灰摻量下混凝土的綜合性能，提出改進(jìn)混凝土綜合性能的硅灰最佳替代比將有可能成為未來的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]李梅，溫勇，張廣泰等.礦物摻合料對混凝土抗氯離子滲透性的影響綜述[J].材料導(dǎo)報，2013，27（11）：107-110.

[3]賀行洋，馬保國，陳益民等.礦物外加劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的研究和評價[J].混凝土，2003，（4）：8-11.

[4]王立成，劉漢勇，HIWADA Kiyoshi等.硅灰對輕骨料混凝土抗海水凍融性能的影響[J].建筑材料學(xué)報，2005，8（4）：349-355.

[5]楊慶國，袁培，陳德伍等.摻硅灰對中等強度混凝土力學(xué)性能影響的試驗研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009，（12）：88-91.

作者簡介：

劉創(chuàng)（1999.07.05），山東人，民族：漢學(xué)歷：高中在讀。單位：濟(jì)南市歷城第二中學(xué)。