高氧化鐵硅渣對高強混凝土和易性和強度的影響

楊貴淞，朱金華，吳濤，張奔，羅小東

（成都建工賽利混凝土有限公司，四川 成都 610015）

0 背景

高氧化鐵硅渣是化工生產的副產物，其處理一直困擾企業的發展，大多數企業處理的方法是進行填埋，這將造成嚴重的環境污染。但高氧化鐵硅渣含有大量的SiO2，具有較高的活性，摻入混凝土中能夠提高混凝土強度，特別適宜于蒸養、蒸壓養護混凝土；同時，硅渣具有一定的保水性能，可以降低混凝土的泌水現象，提高混凝土的密實成型性能，提高混凝土耐久性以及抗凍性能[1]。

在混凝土中摻入硅灰可顯著提高混凝土強度和耐久性，其原因正是硅灰極細微的顆粒可產生良好的微填充效應，使混凝土孔結構充分細化，低水化熱及很高的火山灰活性對混凝土早期和后期強度發展十分有利。硅灰能夠與水泥水化產物發生反應，將高堿水化產物變成低堿水化產物，填充混凝土中的毛細孔，使混凝土結構密實化，有效改善混凝土強度、滲透性和抗凍性；也可以節約水泥熟料用量，降低混凝土成本，有效減少環境污染，保護環境[2]。

而高氧化鐵硅渣擁有跟硅灰一樣的性能，在摻入混凝土中后，能夠發揮良好的填充效應，提高混凝土強度，明顯改善混凝土的抗滲性與抗凍性，同時其成本價格不足硅灰一半，有良好的經濟效益。因此開發高氧化鐵硅渣在建設資源節約型、環境友好型社會具有重要的現實意義，其技術、經濟及社會效益顯著，應用前景廣闊。

本文主要研究了類似硅灰性能的高氧化鐵硅渣在不同摻量下對高強混凝土（以 C60 強度等級混凝土為主）工作性能、強度和碳化性能的研究，以及其對水泥用量的影響。

1 原材料

1.1 水泥

使用都江堰拉法基水泥有限公司生產的 P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，其性能如表 1 所示。

表 1 水泥的物理力學性能

1.2 粉煤灰

粉煤灰選用成都博磊資源循環開發有限公司的Ⅰ級粉煤灰，其性能如表 2 所示。

表 2 粉煤灰的主要指標 %

1.3 磨細礦渣粉

礦粉選用峨眉山宏源資源循環開發有限公司 S75 級礦粉，其性能如表 3 所示。

表 3 礦粉的主要指標 %

1.4 泵送劑

選用北京中安遠大科技發展有限公司 ZA-I 型聚羧酸高性能泵送劑，主要性能見表 4。

表 4 泵送劑主要性能指標 %

1.5 高氧化鐵硅渣

選用某公司生產的高氧化鐵硅渣，主要性能見表5。

表 5 高氧化鐵硅渣主要性能指標 %

2 試驗方案

首先采用不同摻量的高氧化鐵硅渣，研究其對混凝土的影響，試驗配合比見表 6；再選擇最優配合比，研究其對水泥用量的影響，試驗配合比見表 7。

表 6 高氧化鐵硅渣不同摻量試驗配合比 kg/m3

表 7 不同水泥用量試驗配合比 kg/m3

3 試驗結果與討論

3.1 不同高氧化鐵硅渣摻量的試驗結果

按方案進行試驗，混凝土合易性及強度檢測結果見表 8，對比曲線如圖 1、2。

表 8 不同高氧化鐵硅渣摻量試驗結果

由表 8 試驗數據分析可知，在保證水膠比不變的情況下，摻入高氧化鐵硅渣后，泵送劑的摻量會隨著硅渣摻量的增加而增加，碳化深度也有一定程度的改善，在硅渣摻量 5% 時，混凝土 28d 無碳化；當硅渣摻量在 5%～6% 時，混凝土和易性得到明顯提升，同時混凝土粘度最低、和易性最佳，當硅渣摻量低于或者高于5%～6% 時，混凝土和易性并未得到明顯改善，混凝土粘度與基準相當，依然較粘稠。

從強度分析來看，摻入硅渣的混凝土 7d 至 28d 強度漲幅均在 10MPa 以上，并且無論 7d 強度還是 28d 強度均高于基準組強度；當硅渣摻量在 5% 時，混凝土28d 強度最高，高于基準強度 10MPa。

從整體的試驗結果分析，摻入高氧化鐵硅渣后，無論是混凝土和易性、粘度、碳化深度以及強度，均隨著硅渣摻量的增加呈現出先增加后減小的趨勢，硅渣摻量在 5%～6% 時，各項性能最佳。由于高氧化鐵硅渣的價格比所用Ⅰ級粉煤灰的價格低，硅渣摻量在 6% 與摻量在 5% 時混凝土性能接近，從混凝土性能與經濟效益綜合考慮，后續試驗采用硅渣摻量在 6% 進行試驗。

圖 1 不同硅渣摻量混凝土強度

圖 2 不同硅渣摻量混凝土倒提時間及碳化深度

3.2 不同水泥用量的試驗結果

按方案進行試驗，混凝土和易性及強度檢測結果如表 9，對比曲線如圖 3、4。

由表 9 試驗數據分析可知，固定高氧化鐵硅渣用量6%，分別減少水泥用量 20kg、30kg、40kg、50kg，混凝土和易性并未隨著水泥用量的降低而改變，28d 碳化深度也無較大影響，同時混凝土粘度依然保持在一個較低粘度的狀態；但混凝土 28d 強度有下降的趨勢。水泥熟料用量在降低 40kg 時，混凝土 28d 強度與基準強度相當，當水泥用量減少 50kg 時，強度僅 65.3MPa，剛好滿足 C60 強度設計要求。

由此可見，摻入總膠材用量 6% 的高氧化鐵硅渣時，水泥用量的最多可降低 50kg，若選擇繼續降低水泥用量則會有無法達到 C60 強度設計要求的風險。

表 9 不同水泥用量試驗結果

圖 3 不同水泥用量混凝土強度

圖 4 不同水泥用量混凝土倒提時間及碳化深度

4 分析與討論

高氧化鐵硅渣與硅灰相似，也是一種極細的活性摻合料，它具有良好的填充效應、火山灰效應以及滾珠效應。因為硅渣的顆粒遠小于水泥的顆粒，硅渣摻入混凝土后可以充分的分散、填充在水泥顆粒的空隙之間，使漿體更為致密。

硅渣的火山灰活性指數可達 100%。雖然高氧化鐵硅渣直接加到水中時并不與水發生水化反應，但將其與混凝土同時加入到水中，當混凝土發生水化反應時，硅渣立即與混凝土水化產物之一——Ca(OH)2發生二次水化反應（即火山灰反應），生成 C-S-H 凝膠體，這樣既消耗了水化混凝土漿體里的 Ca(OH)2，又使 C-S-H 凝膠體增多，且硅渣還能與水化混凝土漿體中另一種水化產物——C-S-H 凝膠體（又稱傳統 C-S-H 凝膠體）反應，生成低 Ca/Si 比的新 C-S-H 凝膠體（又稱火山灰 C-S-H凝膠體）。

火山灰 C-S-H 凝膠體與傳統 C-S-H 凝膠體的組成和性質均不相同，它能與氫氧根離子、鋁離子等聚合，而且聚合后相當穩定。新生成的 C-S-H 凝膠體不會在酸性溶液中分解，這便是使用硅渣配制的硬化混凝土漿體對酸性介質有一定的抵抗能力，對抗滲、抗凍融、抗碳化有較強抵抗能力的原因。

5 結論

（1）高氧化鐵硅渣取代率不宜過高，隨高氧化鐵硅渣摻量的增加，混凝土粘度增加，強度也呈降低的趨勢。

（2）高氧化鐵硅渣摻量在總膠材用量的 5%～6%時，混凝土和易性最佳，粘度相對較低，抗碳化性能好，強度較高。

（3）高氧化鐵硅渣摻入能夠降低水泥熟料用料，當水泥熟料用量降低 40kg 時與基準強度相當；若水泥熟料用量降低超過 50kg，則會有無法達到強度設計要求的風險。

（4）高氧化鐵硅渣性能與硅灰相近，但比硅灰跟廉價，應用在混凝土中有能夠產生良好的經濟效益。