硅灰對混凝土氣泡特征參數的影響

王文卓 蔣玉川 岳漢威

（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

0 引言

硅灰是冶煉硅鐵、工業硅時從煙氣凈化裝置中回收的工業煙塵[1]，硅灰的化學成分中85%以上為非晶態的無定型二氧化硅，具有很高的火山活性，因此硅灰具有作為混凝土礦物摻合料的潛在特性。目前，針對硅灰的研究多見于改善混凝土工作性能、力學性能及耐久性等方面，混凝土中摻加硅灰可以明顯改善混凝土拌合物的和易性及流變性，提高抗壓強度和抗凍性能，硅灰已在高強高性能混凝土工程中有廣泛的應用[2-3]。但硅灰對硬化混凝土氣泡結構影響的研究較少，對于硅灰摻量與混凝土含氣量、氣泡間距系數和氣泡平均直徑之間相關性的分析幾乎沒有。

表征混凝土氣泡特征的參數通常有含氣量、氣泡間距系數、氣泡平均直徑、比表面積、平均氣泡面積、單位面積氣泡數等，其中，含氣量、氣泡間距系數、氣泡平均直徑為主要評價參數[4]。這些參數具有一定的相關性，一般而言，含氣量一定時，氣泡越小，氣泡間距就越小，氣泡數量越多，氣泡比表面積就越大?；炷林袣馀莸拇笮　⑿螒B、數量、分布直接影響混凝土的拌合物性能、物理力學性能及耐久性能，研究較多的包括流動度、抗壓強度、抗凍性等[5-7]。因此，探究硅灰對混凝土氣泡特征參數的影響有重要的現實意義。

本文著重就硅灰對混凝土抗壓強度、含氣量、硬化混凝土氣泡特征的影響展開試驗研究，以期對硅灰在混凝土中的應用有所裨益，使得硅灰可以變廢為寶，物盡其用。

1 試驗內容

1.1 原材料

采用中國聯合水泥集團有限公司生產的P.I42.5硅酸鹽水泥。砂符合GB/T 14684中II區中砂的要求，細度模數為2.8，含泥量為0.8%。石子符合GB/T 14685要求的公稱粒徑為5mm～20mm的連續級配碎石，采用二級配，其中5mm～10mm占40%，10mm～20mm占60%。硅灰產自甘肅三遠硅材料有限公司，各項性能見表1。減水劑為山東華偉銀凱建材科技有限公司生產的標準型聚羧酸高性能減水劑。引氣劑由山東華偉銀凱建材科技有限公司提供。水采用自來水。

1.2 配合比

為了研究硅灰摻量對混凝土氣泡特征參數的影響規律，降低其他因素的影響，本試驗用混凝土配合比設計為等量膠凝材料、等水灰比、同砂率、等摻量減水劑和引氣劑，只改變硅灰摻量，分別為內摻0、3%、6%、9%、12%。采用等摻量引氣劑的目的是為了引入混凝土中一定數量的氣體，突出混凝土的氣泡結構特征，更明顯地對比摻入硅灰后混凝土氣泡結構的變化。試驗用配合比數據見表2。

表2 試驗用配合比（單位：kg/m3）

1.3 試件制作

混凝土采用公稱容量為60L的單臥軸式強制攪拌機在溫度為（20±5）℃的實驗室條件下進行拌制，每組混凝土配合比成型邊長100mm的立方體試塊3組，每組3塊，在標準條件（20℃±2℃，≥95%RH）下養護，一組養護至7d，進行抗壓強度試驗，其余兩組養護至28d，分別進行抗壓強度和氣泡參數的測定。

1.4 混凝土氣泡特征參數試驗方法

新拌混凝土含氣量依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法》（GB/T 50080-2016）進行試驗，采用日本進口氣壓式直讀式含氣量儀。

硬化混凝土含氣量、氣泡間距系數和氣泡平均直徑依據《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2017）進行試驗，采用顯微鏡分辨率≤2μm、放大倍數100～200倍的硬化混凝土氣泡間距系數分析儀。將100mm×100mm×100mm的試塊切割成100mm×100mm×20mm的試件，經打磨、拋光、清潔，提高孔與孔壁對比度，待試件干燥后將其固定在移動平臺上，打開軟件輸入漿體含量、閾值等參數，開始試驗，設備采用專業的數字工業相機采集圖像，通過USB接口輸入計算機，通過計算機對采集到的圖像進行統一處理和分析，得到氣泡個數及面積分布情況，并計算相應的氣泡參數。

2 結果及分析

2.1 硅灰對混凝土抗壓強度的影響

抗壓強度是混凝土硬化后最基本、最重要的性能表征參數，硅灰對混凝土抗壓強度有明顯的影響，隨著硅灰摻量的增加，混凝土7d和28d抗壓強度均呈現增長趨勢，見圖1。硅灰摻量為3%、6%、9%、12%的混凝土7d和28d抗壓強度比未摻硅灰的混凝土分別提高了3.1%、8.2%、11.3%、12.4%和5.3%、13.6%、20.4%、21.9%，但隨著硅灰摻量的增加，混凝土抗壓強度增加幅度越來越小，尤其是硅灰摻量超過9%時，混凝土抗壓強度增加幅度已不明顯，因此，混凝土中硅灰的摻量宜控制在9%以下。硅灰摻量在3%～9%時的混凝土28d抗壓強度較7d抗壓強度增加幅度更大，硅灰對混凝土長齡期抗壓強度的影響較短齡期更為顯著（見表3）。

硅灰對混凝土抗壓強度的影響可以從以下三個方面解釋：1）微集料效應提升混凝土強度。硅灰顆粒微小，呈規則的圓球狀，可改善膠凝材料顆粒間的微級配，填充漿體孔隙，減少有害孔洞，增加密實度，進而達到提高混凝土抗壓強度的效果。2）火山灰活性促進混凝土后期強度的激發。硅灰含有超過85%的不定型二氧化硅，具有極高的火山活性，與水泥水化產物氫氧化鈣進行二次水化反應生成水化硅酸鈣，分布到混凝土中形成一種堅硬、膠結力強的物質，使得混凝土后期強度發展較快[8-9]。3）硅灰摻量具有最佳范圍，不宜過高。硅灰摻量過高，會使得硅灰的微集料效應和火山灰活性沒有繼續充分發揮的余地，反而由于硅灰摻量的增大，使其分散不均出現成團的現象，團簇的硅灰內部未發生水化反應，成為漿體的薄弱區域，造成混凝土抗壓強度增加幅度越來越小。

表3 硅灰對混凝土抗壓強度的影響

圖1 硅灰對混凝土抗壓強度的影響

2.2 硅灰對混凝土含氣量的影響

按試驗配比進行混凝土配制，減水劑和引氣劑摻量不變，僅改變硅灰摻量，運用控制變量法進行對比試驗探究，硅灰對新拌混凝土含氣量和硬化混凝土含氣量的影響試驗結果見圖2。隨著硅灰摻量的增加，新拌混凝土含氣量和硬化混凝土含氣量均有不同程度的降低，降低幅度逐漸減小，且硬化混凝土含氣量普遍低于新拌混凝土含氣量，新拌混凝土含氣量越高，硬化混凝土含氣量損失值越大。

表4 硅灰對混凝土含氣量的影響

圖2 混凝土含氣量與硅灰摻量的關系

硅灰摻量的增加致使新拌及硬化混凝土含氣量降低，可從以下兩個方面進行解釋：1）硅灰平均粒徑小于0.1μm，表面光滑致密，呈球形顆粒，粒徑遠小于水泥，具有填充效應，可以填充水泥間的孔隙，減少混凝土含氣量。2）硅灰是冶煉硅鐵、工業硅時從煙氣凈化裝置中回收的工業煙塵，殘余的一定量未燒盡的碳含量（以燒失量表示），而摻入的引氣劑多為改性松香熱聚物，易被硅灰中的碳輕度吸附，影響引氣劑的作用效果[10]。硬化混凝土含氣量普遍低于新拌混凝土含氣量，原因主要在于：混凝土振搗及硬化過程中，混凝土中部分非穩定、連通、開口的有害氣孔逸出或被填充。

2.3 硅灰對硬化混凝土氣泡特征參數的影響

表5 硅灰對硬化混凝土氣泡特征參數的影響

圖3 氣泡間距系數儀掃描的待測面圖像

在一定硅灰摻量范圍內，隨著硅灰摻量的增加，氣泡間距系數逐漸變小，比表面積增大，平均氣泡直徑及面積變小，單位面積氣泡數增多，硅灰摻量為12%的混凝土氣泡間距系數較硅灰摻量9%的混凝土有微增趨勢，說明硅灰摻量不宜超過9%。

一般規律是，氣泡間距系數會隨著混凝土含氣量的降低而增大，但表5得出的結果卻相反，這說明硅灰的摻入雖然致使混凝土含氣量降低，但并沒有減少氣孔的數量，反而使混凝土中的氣泡直徑得到了重新排布，孔結構進一步細化，一個大的有害孔變成多個微小的無害孔，同時使開口孔變成有利的閉口孔。如圖3所示，尺寸大的氣泡數量變少，微小氣泡的數量增加。通過硅灰的摻入，使得混凝土中保留的氣泡是直徑較小的穩定氣泡。從混凝土微觀氣孔結構角度說明了硅灰雖然表面上降低了混凝土的含氣量，但氣泡結構得到了優化，有利于提高混凝土的性能。

3 結論

硅灰可以提高混凝土的抗壓強度。隨著硅灰摻量的增加，混凝土抗壓強度呈增長趨勢，但增加幅度越來越小，混凝土中硅灰的摻量宜控制在9%以下；硅灰對混凝土長齡期抗壓強度的影響較短齡期更為顯著。

隨著硅灰摻量的增加，新拌及硬化引氣混凝土含氣量均有不同程度的降低，且硬化混凝土含氣量普遍低于新拌混凝土含氣量。摻入硅灰的引氣混凝土如若要保留較大的含氣量，需要適當增加引氣劑的摻量。

隨著硅灰摻量的增加，氣泡間距系數逐漸變小，平均氣泡直徑變小。硅灰的摻入使混凝土具有更均勻的氣泡分布，微觀結構得到優化，但硅灰摻量過高時，氣泡間距系數出現微增趨勢，因此不可為追求最優混凝土性能一味地增加硅灰摻量。