硅灰在轻质高强混凝土中的应用探讨

张昶

摘要：轻质高强混凝土是随着社会的发展对建筑结构提出的新的要求的需要，关于轻质高强混凝土的研究也已经是比较成熟，其很多优良的性能都在工程实际中得到了很好的运用。本文通过对轻质高强页岩混凝土的实验研究，讨论了其存在的不足，并通过研究硅灰在轻质高强混凝土的作用，对轻质高强页岩混凝土的性能进行了优化。使其无论是经济指标还是性能指标都得到了提高。

关键词：硅灰 轻质高强页岩混凝土优化 性能

前言

随着社会的不断发展进步，人们对混凝土的综合性能要求越来越高。高性能页岩混凝土以其超高的强度、超低的容重、高耐久性、较好的和易性和经济性越来越受到人们的青睐。目前在配制高性能页岩混凝土时一般选用优质的原材料，并掺入一定量的矿物掺合料和外加剂来改善混凝土的性能 。常用矿物掺合料主要有硅灰、粉煤灰等，其中粉煤灰应用最广。掺入硅灰对页岩混凝土的性能的改变比掺入粉煤灰要明显优良许多，矿物掺和料和高性能外加剂的应用有利于改善混凝土的流动性，节约水泥用量，从而降低成本，减少环境污染及能源消耗。

強轻质混凝土是指利用高强轻粗集料、普通砂、水泥和水配制而成的干表观密度不大1 950 kg／m3，强度等级为LC30以上的结构用轻质混凝土。在我国轻质高强混凝土主要是从骨料入手，一般采用轻质的页岩作为轻骨料。从高强轻质混凝土的定义我们可以看出，它除了和普通混凝土一样牵涉到粗、细集料、水泥和水以外，所不同的是还涉及到表观密度(原称容重)的最大限值和最小的强度等

1、硅灰的相关性质

1.1、硅灰的发展现状

硅灰是近20年发展起来的一种高活性掺合料。在混凝土巾科学地掺入硅灰，既可提高混凝土性能，又可减少水泥的用量，同时利用了工业废料，有利于保护环境。深入研究并开发硅灰的资源，对进一步推广硅灰混凝土在工程中广泛应用具有重要意义。

硅粉是冶炼硅铁、工业硅时从烟气净化装置中回收的工业烟尘。我国是世界硅铁、工业硅生产大国，据冶金报报道，1985年我国已形成生产硅铁100万吨，工业硅3O万吨的生产能力，估计硅铁实际年生产量80～90万吨。据此计算，我国硅粉潜在资源每年达15万吨以上。硅灰是硅铁合金厂用高纯度石英冶炼金属硅或硅铁合金时从烟尘中收集的硅氧化物粉末。用氮吸附法测定的硅灰比表面积高达15～2O万平方厘米／克，平均粒径小于0．1UM，约为水泥料径的1／50～1／100；质量好的硅灰中硫含量大于90％，其中活性硫在40％以上，故活性较高。混凝土中掺入硅灰可显著提高混凝土强度和耐久性，其原因正是硅灰极细微的颗粒可产生良好的微填充效应，使混凝土孔结构充分细化，低水化热及很高的火山灰活性对混

凝土早期和后期强度发展十分有利。但硅灰掺入混凝土将增加混凝土需水量，故硅灰必须与高效减水剂共同使用方能体现出其优越性。硅灰的适宜掺量一般为5％～15％。在我国，因硅灰产量很低，价格很高(约为水泥体格的5倍甚至更多)，出于经济性考虑，通常只在配制高强混凝土或高强度高性能混凝土时才使用。

1.2、硅灰的物理性质

硅灰外观为灰色或灰白色粉末．耐火度大于1600℃密度是200～250 kg／m 其细度和比表面积约为水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍硅灰存形成过程 ，网相变的过程 I，受表面张力的作用，形成了非结晶相无定形 球状颗粒，且表面较为光滑 有些则是多个圆球颗粒牯在一一起的团聚体。它是一种比表面积很大，活性很高的火山灰物质。它的主要成分是颗粒檄细的无定型的氧化硅。硅灰色泽呈浅灰至深灰不等， 随含碳量增加由浅变深。在电子显微镜下为乳白色或灰白色的空心球状颗粒。硅灰成泥浆状时呈黑色。

2、轻质高强页岩混凝土的不足

(1)用水量、拌和及浇筑都需要更严格的控制，这就要求具有较高施工技术水平和质量管理水平。这也是目前我国在工程中较少应用高强轻质混凝土的一个主要原因。

（2)研究表明，高强轻质混凝土对局部压碎比普通混凝土较敏感。

(3)需要采用高强陶粒，并且在要求强度较高时，需要较多的水泥用量，与同体积混凝土相比，价格较高。

(4)高强轻质混凝土的E值抗拉强度较小，所以用于受弯构件时，抵抗荷载变形能力较差，开裂较早。高强轻质混凝土的收缩、徐变较相同强度等级的普通混凝土大，所以当其应用于预应力桥梁上时，其较大的收缩、徐变将引起较大

的预应力损失。

(5)低弹性模量。高强轻质混凝土的弹性模量较同强度等级的普通混凝土低18％一40％，其弹性模量随密度等级和强度的增长而提高，但不成比例。

(6)脆性较大。虽然高强轻质混凝土的峰值应变较普通混凝土大，但其单轴本构关系曲线下降段陡。

(7)高收缩、高徐变。高强轻质混凝土的收缩、徐变比普通混凝土大15％一40％。

(8)极限抗拉强度、极限抗剪强度较普通混凝土低。

(9)与变形钢筋的粘结强度和普通混凝土相同，但与光圆钢筋的粘结强度较普通混凝土低。

3、硅灰掺量的确定

硅灰是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生的SiO 和Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料，在混凝土中加入硅灰可以显著提高页岩混凝土的抗折、抗压性能以及抗冻性能、抗化学腐蚀性能、抗渗性能等等一系列相关的力学性能。高强页岩陶粒是有关轻骨料的国家标准中新增的品种，其强度要求比相同密度等级的普通轻骨料高1个等级，因此一般我国的轻质高强混凝土普遍采用页岩作为粗骨料来满足轻质高强的性能要求。

3.1硅灰掺量的确定

硅灰作为传统的矿物掺和料应用在混凝土中已经30多年了，其品质及其均匀性是保证混凝土质量的前提。硅灰在高性能混凝土中的掺量，根据其品质、均匀性和混凝土设计要求的不同而适当调整。首先根据要求确定一定强度和容重下的页岩混凝土的基准配合比，然后按超量取代法用硅灰置换部分水泥，超量系数选为1．2。经过抗压强度试验确定基准配合比硅灰的最终掺量。

3.2外加剂掺量的确定

不同的掺合料就需要不同的外加剂掺量。目前，高效减水剂已成为配制轻质高强混凝土的必须组分，尤其聚羧酸超高效减水剂的应用不但使混凝土水泥用量大大下降而且还能大幅度降低混凝土的用水量使混凝土流动性提高，硬化后的混凝土致密度大大增加，从而提高混凝土的强度及抗渗性 。当我们用硅灰取代一定量的水泥以后，会带来减水剂掺量的变化。

4、硅粉在页岩混凝土中的作用

把硅粉作为掺合剂用于页岩混凝土中是硅粉综合利用中研究最早、成果最多、应用最广的一个领域。由于硅粉颗粒细小，比面积大，具有硫纯度高与强火山灰活性等物理化学特点，把硅粉作为掺剂加入页岩混凝土具有如下几个方面的性能。

2．1提高页岩混凝土早期强度和最终强度

有研究证明，当硅粉对水泥的取代率为30％以内时，蒸气温度为80度。砂浆24h的抗压强度为不掺硅粉的2倍(100MPa)；若采用蒸压养护，则几乎达3倍(150MPa)；采用标准养护，砂浆的抗压强度也明显提高。当硅粉与高效减水剂复合使用时，可使混凝土的水胶比(W／C+Si)降至0．13—0．18，水泥颗粒之间被硅粉填充密实，混凝土的抗压强度为不掺硅粉合剂的3—5倍。

2．2增加质密度

页岩混凝土中掺入硅粉增加了起反应的硅含量，在电镜下观察，掺硅灰的页岩混凝土的水泥石空隙中有晶体生长。另外，硅粉颗粒很细小，均匀地填充了页岩混凝土微孔。硅粉与其他材料物理性质的比较用水泥注入法测定，无论哪种养护条件，掺硅粉的页岩混凝土水泥微孔容积均明显减少。

2．3改善混凝土离析和泌水性能

浇灌混凝土之后，往往产生水从混凝土中分离出来的现象，即在表层形成水膜，也称之为浮浆，使上层混凝土分布不均匀，影响建筑质量。研究证明，硅粉掺人量即取代率Si／(Si+C)愈多，混凝土材料愈难以离析和泌水。当取代率达15％时，混凝土坍落度即使达15～20cm，也几乎不产生离析和泌水，当取代率达20％～3o％u~，将该页岩混凝土直接放入自来水中也不易产生离析。由于硅粉对页岩混凝土离析和泌水性能的改善，使掺硅粉页岩混凝土可以用作海港、隧道等水下工程。

2．4提高混凝土的抗化学腐蚀性

由于硅粉的掺入提高了混凝土的密实性，大大减少了水泥空隙，所以提高了硅粉页岩混凝土的抗渗性能。研究认为，当混凝土中硅粉取代率为1O%～2O%时显著改善了混凝土的抗渗性、抗化学腐蚀性，而且对钢筋的耐腐蚀性也有改善。这时因为密实性的提高和硫含量增加，有效地阻止了酸离子的侵人和腐蚀作用。别外，由于硅粉比电阻很高，所以混凝土比电阻可提高1．9～16倍。在混凝土中掺加适量硅灰，可以大大增加混凝土强度。但是硅灰价格偏高，加之粉尘飞扬，在运输和工地使用及环保方面有诸多不便，如果能将这些困难解决，将会有很好的市场前景。

2．5抗渗性能

混凝土材料抗介质渗透的能力主要取决于其内部孑L隙率，由于硅灰颗粒小，比水泥颗粒小20一i00倍．可以充填到水泥颗粒间的空隙，使混凝土密实，同时硅灰的二次水化作，新的生成物堵塞混凝土中的渗透通道，故硅灰 昆凝土的

抗渗能力很强，混凝土的渗透性随水胶比的增加而增大。这是因为水灰比混凝土的密实性相对差些

2.6和易性

由于硅灰颗粒极细， 比表面积非常大。因此， 硅灰混凝土拌和物的粘聚性增加， 泌水和离析现象显著降低，穩定性提高，从而可有效控制混凝土的沉缩裂缝。正如有的试验所表明的那样，当硅灰取代水泥用量大于15％ 、高效减水荆量为胶结材料的1％一2 时， 混凝土坍落度迭15-20cm的情况下， 未见拌和物离析， 当硅灰取代水泥用量20％-$0％ 时，即使用自来水直接冲击混凝土拌和物也基本不离析。硅灰混凝土可配制水下混凝土和喷射混凝土即基于此。但在另一面，和不掺硅灰的普通混凝土相比， 在用水量一定的条件下， 硅灰混凝土的坍落度明显减小， 为了保证施工要求的坍落度，就得增加用水量，且随灰掺量的增加丽增大。这也就是硅灰混凝土必须与高效减水剂同时掺用的原因。因为高效减水剂将使硅灰微粒得到充分的分散，进而使拌和物不必增加或仅少增加用水量便能达到所要求的和易性。由于硅灰页岩混凝土不泌水的特点， 往往又舍导致页岩混凝土表面缺水而引起塑性收缩产生开裂。

结语

硅灰作为混凝土掺合料的一种，能够显著的提高混凝土的早期强度、最终强度、抗化学腐蚀性能以及抗渗性能等，同时还可以减少环境污染、节约水泥和降低成本是一项值得深入研究和应用的项目。

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