硅微粉用于混凝土掺合料的探讨

罗晖,谭勉志,万朝均,陈航

（1重庆市建筑科学研究院 重庆 400020 2新兴栈(重庆)建材有限公司 重庆 400020 3重庆大学材料科学与工程学院 重庆 400045 4重庆市锦艺硅材料开发有限公司 重庆 404508）

1 引言

根据以上分析,建设工程中迫切需要开发应用多品种、高性能、品质稳定,且价格合适的掺合料产品。

2 硅微粉作为混凝土掺合料的分析

混凝土的强度,部分来源于其基材的密实[1],即使有一部分水泥被一种或多种辅助胶凝材料代替,也对混凝土的强度不会有明显副作用。此外,化学活性较低的辅助胶凝材料代替部分水泥,从控制水化放热和流变性能的角度也是有益的。研究中所用硅微粉,是由优质矿石经过超细粉磨、分级处理得到的产品,主要成分是二氧化硅,有害组分极少,质量稳定。

2.1 硅微粉物理特性

2.1.1 密度

混凝土掺合料比水泥熟料的密度小得越多,当用混凝土掺合料等质量取代水泥熟料时,所用混凝土掺合料的体积就越大,会为混凝土拌合物带来更多的浆体,从而有助于提高拌合物流动性,达到增塑效果。

硅微粉与常用混凝土掺合料的密度范围如表1所示。

表1 硅微粉与常用混凝土掺合料的密度范围 单位：g/cm3

硅微粉的密度明显小于水泥熟料的密度,具备增塑条件。

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2.1.2 堆积密度

混凝土掺合料的堆积密度越小,其单位质量的堆积体积就越大,运输相同质量的粉体所需的车厢就越大,运输难度和运输成本都增加。

硅微粉和常用混凝土掺合料的堆积密度范围如表2所示。

表2 硅微粉和常用混凝土掺合料的堆积密度 单位：kg/m3

硅微粉的堆积密度适中,适宜运输。

2.1.3 比表面积

混凝土掺合料的比表面积越小,润湿其表面所需要的水分或者达到相同润湿度的需水量也就越少,有利于提高拌合物的流动性。如果比表面积太小,掺合料颗粒粒径偏大,对水泥混凝土的填充效应又不能得到很好体现,因此,需要一个合适的比表面积范围。

不同掺合料可因为其易磨性不同而在相同粉磨条件下得到不同的比表面积,同一种掺合料可因不同粉磨条件得到不同的比表面积,具体比表面积由生产需要确定。硅微粉和常用混凝土掺合料在通常生产和应用条件下的比表面积范围如表3所示,硅微粉数据为型号LB0106的产品数据,其它数据引自GB/T18736-2002和GB/T18046-2008。

表3 常用混凝土掺合料生产和应用的比表面积范围[2][3]

表3数据显示,硅微粉的比表面积远高于常用的矿渣和粉煤灰技术指标要求。

2.2 硅微粉化学特性

将硅微粉的化学成分数据与GB/T 18736-2002、GB/T 18046-2008和GB/T 1596-2005中的数据进行对比（表4）。

表4 常用混凝土掺合料的化学成分技术要求[2][3][4](%)

硅微粉的烧失量、三氧化硫含量、氯离子含量等对混凝土性能尤其是耐久性能不利的成分远低于大部分的其它类型掺合料。

2.3 硅微粉作为掺合料的活性指数

作为混凝土掺合料,最受关注的是对混凝土的强度影响问题,通常用活性指数来进行衡量,即以水泥胶砂28d抗压强度比表征掺合料的活性。虽然,本研究中的硅微粉产品型号主要考虑的是填充效应和增塑效应对水泥基材料强度的影响,实验方法仍参照GB/T 18736-2002,硅微粉的水泥取代量为10%。实验结果见表5。

表5 硅微粉不同龄期活性指数

以水泥胶砂28d抗压强度比表征的硅微粉活性指数达到了GB/T 18736-2002中对磨细天然沸石和硅灰的技术要求。

2.4 掺硅微粉混凝土工作性能

2.4.1 单掺硅微粉

在混凝土中单掺硅微粉,保持基准配合比的其它参数不变,仅以硅微粉取代不同比例的水泥,混凝土的坍落度和扩展度实验结果见表6。

表6

随着掺量的增加,含硅微粉混凝土的坍落度与坍落扩展度均有一定增加。

2.4.2 复掺矿渣和硅微粉

表7中编号为1的混凝土胶凝材料全部为水泥,其余编号混凝土采取硅微粉和矿渣复掺,保持掺合料总量为20%。随着硅微粉掺量增加,在保持相同流动性的情况下,减水剂用量逐渐降低,硅微粉有较好的混凝土增塑效果,其增塑效果优于矿渣。

表7

2.5 硅微粉混凝土力学性能

图1 不同掺合料混凝土的抗压强度发展规律

水泥水化的不断进行使混凝土的强度可以随着时间 (龄期)的延长而持续增长。这些增长出来的强度可以为混凝土结构的安全提供更大的强度储备,因而是被期望的。一般来讲,混凝土强度的增长与时间(龄期)的对数成正比关系。

对含硅微粉的混凝土90天内强度发展趋势进行研究。含硅微粉混凝土的抗压强度发展规律与不含掺合料的基准混凝土、含粉煤灰、硅灰、矿渣粉等掺合料的混凝土是类似的。本研究中,合适的掺量范围内,硅微粉混凝土28d强度高于常用掺量范围内的矿渣和粉煤灰混凝土,低于硅灰混凝土。

2.6 硅微粉混凝土体积稳定性

高体积稳定性是混凝土高耐久性非常重要的保证条件,掺合料对混凝土变形性能的影响,在工程应用中往往被忽视,在掺合料使用不当时容易出现混凝土开裂并导致结构破坏现象。采用硅微粉与矿渣复掺,保持总掺量不变,掺入硅微粉以后体系的收缩呈现降低的趋势。硅微粉的掺入对混凝土的体积稳定性是有利的。

图2 硅微粉对混凝土干缩的影响

3 结论

（1）硅微粉的物理化学特性适合作为混凝土掺合料使用。

（2）由于硅微粉纯度高,性能稳定,掺入硅微粉的混凝土质量容易控制。硅微粉中对混凝土性能的有害成分（Cl-、SO3、碱含量、烧失量等）含量低,抗腐蚀性能优异,因此,作为掺合料使用对混凝土的耐久性有利。

（3）硅微粉具有增塑效果,可以在混凝土中单掺或复掺,以改善混凝土流动性或降低减水剂用量。

（4）硅微粉颗粒粒径小,在混凝土中具有密填充效应,合适的掺量范围内,对混凝土强度有一定贡献。由于替代部分水泥,掺入硅微粉可减小水化温升导致的混凝土开裂几率。

（5）掺硅微粉混凝土的体积稳定性好、收缩变形小。

[1]于全忠.烟台广电中心C60高抛自密实混凝土配比与施工技术[J].施工技术,2008,37(12),5-8.

[2]GB/T18736-2002,高强高性能混凝土用矿物外加剂[S].

[3]GB/T18046-2008,用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉[S].

[4]GB/T1596-2005,用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].