硅灰對水泥性能影響的實驗研究

彭佳　劉花蓉

摘 要：分別以0%、5%、10%的硅灰取代普通水泥，對其性能進行了實驗研究，測試了標準稠度用水量、凝結時間、安定性、膠砂流動度、膠砂強度等性能。通過SEM觀察了硅灰摻入水泥體系后的微觀形貌變化，初步解釋了硅灰對水泥性能影響的機理。

關鍵詞：硅灰;普通水泥;性能影響

中圖分類號：TU525.9 文獻標識碼：A

0 引言

硅灰（Silia Fume，簡稱SF）是硅鐵合金和工業硅生產中的副產品，是一種超細粉末，主要成分為無定形SiO2。早在20世紀70年代，挪威率先開始把硅灰作為摻合料應用到工程中，以提高混凝土的強度。由于硅灰的微集料填充作用和火山灰效應[1-3]，硅灰主要用于高強（>80 MPa）或高耐久性的混凝土工程中。

普通的摻合料摻量可以高達20%以上，硅灰摻量一般要求限制在10%以內。硅灰對普通水泥（P·O）凈漿性能的影響及其對硬化膠砂試件微觀結構影響的文獻較少， 缺乏系統深入的研究。本文研究探討了不同硅灰摻量對普通水泥凈漿性能的影響及不同水化齡期的硬化水泥微觀結構，為硅灰的合理應用提供了參考。

1 實驗

1.1 原材料及儀器

水泥：P·O42.5，四川羅江利森水泥廠生產。水：自來水。硅灰：成都產SF-92型硅灰。

ISO標準砂。水泥膠砂攪拌機，水泥凈漿攪拌機，北京中科科儀掃描電子顯微鏡KY3200。

1.2 實驗方法

采用內摻法（又稱為取代水泥法），即在其他條件不變的情況下，用一定質量的硅灰取代相同質量的水泥。選取了硅灰摻量為0%、5%、10%來進行對比實驗。并按照相關國家標準，測定了三組樣品的標準稠度用水量，凝結時間、安定性，膠砂流動度和膠砂強度。利用SEM分析了樣品7 d和28 d齡期的微觀形貌。

2 結果與分析

2.1 水泥凈漿標準稠度用水量、凝結時間、安定性

根據《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346—2011），利用調整用水量法，分別測定了硅灰摻量為0%、5%和10%時的標準稠度用水量，結果分別為133 ml、137 ml和147 ml，隨著硅灰的摻量增加，標準稠度用水量在增加，說明硅灰摻入增大了水泥凈漿的需水量。

再根據標準稠度用水量制備了水泥凈漿，分別測定了三組樣品的凝結時間，以及采用雷氏法測定了三組樣品的安定性，結果如表1所示。此外，實驗中觀察到，摻入硅灰的水泥凈漿攪拌后迅速變得粘稠;并且隨著攪拌時間的延長，硅灰摻量的增多，水泥凈漿的粘度增大。

5%的樣品與0%的樣品相比，水泥凈漿的初凝時間和終凝時間都大大縮短，而10%的樣品和5%的樣品相比，凝結時間略有縮短，說明硅灰的摻入促進了水泥凈漿的凝結。另外，值得注意的是，三組樣品各自的終凝時間與初凝時間之差非常接近，分別為103 min（0%樣品），93 min（5%樣品），95 min（10%樣品）。由于硅灰能填充水泥漿體中的孔隙，其火山灰活性在一定程度上促進了水泥漿體水化反應的進行。因此，縮短了水泥漿體的凝結時間[4]。三組樣品的安定性均為合格，說明硅灰摻量在10%以內不會對水泥安定性造成不良影響。

2.2 水泥膠砂流動度

根據《水泥膠砂流動度實驗標準》（GB/T 2419—2005），分別測定了三組樣品的水泥膠砂流動度，用卡尺測定了水泥膠砂底面兩垂直直徑的平均值分別為：22 mm（0%樣品），19 mm（5%樣品）和17 mm（10%樣品）。說明隨著硅灰的摻量增加，水泥膠砂流動度越來越小，由于硅灰具有比表面積大的特性，引起了水泥硅灰混合料總表面積的增加，導致水泥漿體需水性增大，從而降低了水泥膠砂的流動度。

2.3 水泥膠砂強度

根據《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999），制作了40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試件，經過標準養護，分別測定了硅灰摻量為0%、5%和10%時的抗折抗壓強度，測定的齡期為7 d，14 d，28 d，實驗結果如圖1和圖2所示。

可以看出，0%樣品的7 d和14 d的抗折抗壓強度更高，但是5%和10%的樣品28 d抗折抗壓強度更高，以0%樣品28 d強度為基準，5%樣品抗折強度提高了10%，抗壓強度提高了8.5%;10%樣品抗折強度提高了15%，抗壓強度提高了17%。說明硅灰的摻入降低了水泥膠砂水化早期的強度，而在14 d到28 d期間，硅灰的增強效應開始體現，促進強度的迅速提高，使得28 d強度明顯高于空白樣品。另外，值得注意的是，10%的樣品28 d抗折強度達到了9.1 MPa，已經遠遠超過了國家標準對42.5水泥的抗折強度要求（62.5水泥28 d抗折強度要求≥6.5 MPa），28 d抗壓強度達到了51.2 MPa。說明硅灰的摻入對水泥抗折抗壓強度的增強十分明顯。

5%和10%的樣品相比，10%的樣品7 d和14 d抗折抗壓強度更低，但是28 d抗折抗壓強度更高。結果表明：硅灰摻量越多，早期7 d和14 d強度越低，但是后期28 d強度增長越多，說明硅灰抑制了水泥早期強度的發展，但對28 d強度有增強作用。

2.4 微觀分析

利用SEM觀察了0%和5%樣品7 d和28 d齡期的微觀形貌，結果如圖3～圖4所示。

從SEM圖像可以看出，7 d齡期時，0%樣品生成了更多的針棒狀形貌的硫鋁酸鈣，可以推斷0%的樣品水化產物更多，說明其水化進行得更充分，因此0%樣品的7 d抗折抗壓強度更高。而在28 d的微觀形貌圖上可以看出，0%和10%的樣品具有非常明顯的差異，0%的樣品生成物顆粒粗大，并且相對比較疏松;而10%的樣品的微觀結構更加致密，孔隙要細小得多。由于硅灰的微骨料效應，填充了水泥石中的部分孔隙，使得整體孔隙細化[5]，從而水泥石強度提高。另一方面，硅灰屬于超細火山灰，具有火山灰效應，能與Ca（OH）2反應，生成水化產物，使水泥石強度提高[6]。

3 結論

（1）摻入5%和10%的硅灰使標準稠度用水量增加，凝結時間縮短，安定性無不良影響。摻入5%和10%的硅灰使膠砂流動度下降。這可能是因為硅灰顆粒很細，引起比面積增大，需水性增大，從而導致漿體粘稠，凝結時間縮短。（2）7 d和14 d的抗折抗壓強度：0%樣品>5%樣品>10%樣品;28 d抗折抗壓強度：10%樣品>5%樣品>0%樣品，尤其是10%的樣品對抗折強度的增強十分明顯。說明硅灰對水泥14 d之前強度發展有抑制作用，對28 d強度有增強作用。（3）28 d齡期樣品的SEM圖表明，10%樣品的孔隙細化，結構密實，推斷是硅灰的微骨料填充效應和火山灰效應引起強度提高。

參考文獻：

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