基于混凝土性能需求的硅灰優選試驗分析

奚歡歡 汪林華 楊益濤 楊云龍 范長利

（成都建工蓉睿建材有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

硅灰作為一種高活性的摻合料，在混凝土和砂漿中的應用越來越廣泛，在保證強度的前提下能夠大量取代水泥用量。但我國對硅灰的應用研究和回收利用起步較晚，一些硅鐵生產企業對硅灰的回收不夠重視，一些規模較大的企業盡管回收了硅灰，但其硅灰的二氧化硅含量大多數都不達標，尚屬粗放型的工業副產品［1-2］。最近幾年，國家對環保治理的力度越來越高，許多鐵合金生產企業開始配備了收塵設備，并開發、引進了硅灰的加密技術（又稱增密技術，用以提升硅灰的容重）。因此近幾年我國硅灰產品發展速度較快，對硅灰的生產使用技術更加成熟，各種硅灰產品已經陸續應用在普通低強混凝土、（超）高強混凝土、自密實混凝土中。然而目前市場上的硅灰質量參差不齊。為了科學使用硅灰配制優質混凝土，本文對硅灰進行相關性能優選試驗，以期為硅灰的有效利用提供參考。

1 試驗原材料

1.1 試驗目的

通過設定的試驗方案對不同廠家提供的硅灰樣品進行對比試驗，比較硅灰用于配制混凝土的相關性能指標，并根據指標選擇最優的硅灰用于實際生產中。

1.2 試驗設備

水泥膠砂攪拌機、砂漿稠度儀、水泥膠砂振實臺、恒溫恒濕標準養護箱、抗折抗壓試驗機、馬弗爐、自動比表面積測定儀、水泥負壓篩析儀、截錐圓模和游標卡尺等。

1.3 試驗樣品

水泥：來自成都市某廠家P·042.5R水泥，其化學成分及物理性能見表1和表2所示。

表1 水泥的化學成分分析

表2 水泥的物理性能分析

硅灰：該試驗采用5種不同的硅灰樣品。1#樣品：長和新材全加密硅灰；2#樣品：長和新材半加密硅灰；3#樣品：恒瑞源半加密硅灰；4#樣品：成都埃森全加密硅灰；5#樣品：張繼業全加密硅灰。

（1）砂：采用標準砂，其粒徑范圍為0.08～2mm；

（2）減水劑：來自成都市某廠緩凝型高效減水劑，其檢測數據見表3所示。

表3 減水劑勻質性報告

（3）水：本試驗采用的水為飲用水。

2 試驗方案設計

根據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JTJ/T 70-2009），《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-2021）幾個試驗標準要求進行硅灰的性能試驗。以純水泥砂漿作為空白對照組，采用5種不同的硅灰，硅灰摻量為5%的砂漿進行擴展度、稠度和活性試驗，并根據試驗結果最終選擇綜合性能最佳的樣品的硅灰用于混凝土的實際生產。對照試驗方案設計見表4所示。

表4 對照試驗方案設計

3 對照試驗結果及其分析

試驗結果見表5所示。根據表5中不同硅灰的燒失量、需水比、擴展度、稠度以及28d膠砂強度的試驗數據進行相關性分析。

表5 對照試驗結果數據

3.1 燒失量與28d強度試驗結果對比

燒失量與28d強度試驗結果對比如圖1、圖2所示。

圖1 燒失量對比

圖2 28d強度對比

由圖1、圖2 可知，對于硅灰，燒失量體現的是活性成分在硅灰中的占比，活性成分含量越高，在燒失量試驗中與氧氣發生反應損失的數量就越多，而活性成分含量越高，水泥硅灰膠砂試塊28d強度就越高，由此可知，3#樣品燒失量為7.8%，對應膠砂試塊28d強度52.7MPa，樣品硅灰的燒失量越高，該樣品硅灰替代5%的水泥成型的水泥硅灰膠砂試塊對應的28d強度就越高。

3.2 擴展度和稠度試驗結果對比

擴展度和稠度試驗結果對比如圖3、圖4所示。

圖3 擴展度對比

圖4 稠度對比

由圖3、圖4 可知，1#和3#試樣活性成分含量最高，拌制砂漿時，樣品中的活性成分對外加劑中聚羧酸分子的吸附性很強，使得砂漿的拓展度和稠度很小，3#相較于1#更小，說明3#吸附的聚羧酸分子數量更多，但3#燒失量7.8%，1#只有3.7%，只能說明3#樣品中的活性成分的含量比1#更多。2#樣品為半加密，1#和3#為全加密，2#樣品的密度小，但它的比表面積更大，2#燒失量2.0%，28d 強度45.6MPa 最低，說明2#樣品中的活性成分的含量最少,從數據上分析可能是因為更大的比表面積對水分子和聚羧酸分子的物理吸附的數量更多。

3.3 需水比試驗結果分析

需水比試驗結果如圖5所示。由圖5可知，需水比1#為118.4%，3#為133.3%，1#的需水比遠小于3#的需水比，從而分析可得3#試樣的活性成分的含量比1#試樣多，達到相同的砂漿狀態3#需要更多的水分子，即3#的需水比更大；從圖2 可知，1#試樣的強度為52.5MPa，3#試樣的強度為52.7MPa，兩者替代水泥的比例和強度都相同，但1#的活性成分的含量不到3#的一半，說明1#的活性成分的增強效率（活性成分與水泥的化學反應）為3#的2倍。

圖5 需水比對比

3.4 稠度與需水比分析

稠度是反映砂漿干稀的指標，稠度越小，砂漿越干。1#試樣稠度為100.5mm，相較于空白組111.5mm，稠度減小了11mm；3#試樣稠度為91.5mm，相較于空白組的稠度減小了20mm。由于聚羧酸分子具有較大的分子量、復雜的分子結構，相較于水分子有更強的競爭吸附能力，可優先吸附于硅灰和水泥表面而釋放更多的自由水。由圖4 可知，數量相同的聚羧酸分子被全部吸附于活性成分含量更少的1#硅灰和水泥分子表面，而且還有部分水分子被吸附，使得加了1#硅灰的砂漿狀態比空白組變得更干，3#試樣活性成分的含量更多，因而吸附的水分子數量比1#更多，才使得3#的砂漿狀態比1#更干。由圖5可知，1#試樣需水比為118.4%，3#試樣為133.3%，1#需水比增加量18.4%，3#試樣33.3%，可知3#與1#的需水比增加量的比值為1.810，3#與1#的稠度減小值的比值為1.818，聚羧酸分子存在與否不影響材料的需水特性，這說明砂漿稠度與材料需水比二者完全相關，并且可以根據兩種材料的需水比、一種材料的砂漿稠度推算出另一種材料的砂漿稠度。

4 結束語

為了選出性能最佳的一種硅灰，本文對5 組硅灰樣品進行了燒失量、需水比、28d 活性等關鍵指標的試驗數據進行分析，根據《砂漿和混凝土用硅灰》（GBT 27690-2023）要求（硅灰燒失量≤4%，需水比≤125%），分析結果發現滿足這兩項要求的只有1#硅灰。按照《砂漿和混凝土用硅灰》（GBT 27690-2023）中對硅灰活性的要求，樣品硅灰膠砂試塊與基準水泥膠砂試塊28d 強度的比值≥105%，5%摻量的1#硅灰樣品膠砂試塊與基準水泥膠砂試塊28d 強度的比值盡管只有100%，其活性卻在5個樣品中排第二名。因此，綜合硅灰的燒失量、需水比、拓展度、稠度以及28d 膠砂強度等多項指標，性能最佳的一組硅灰為1#硅灰，即長和新材全加密硅灰。