硅灰掺量对高强自密实混凝土性能的影响研究

侯茜茜，陈华

（深圳市公路交通工程试验检测中心，广东 深圳 518112）

0 引言

随着工程建筑要求的不断提高，高性能混凝土的研发和使用已经成为混凝土技术的热点话题。自密实混凝土指在较低水灰比条件下，通过掺入复合高效外加剂，合理使用活性掺合料，优化混凝土集料的级配而配制出的混凝土，在没有外力作用下，仅依靠自重就能够流动，在浇筑时不需要振捣，并能保持良好匀质性的一种混凝土[1-3]。其拌合物具有良好的流动性、粘聚性和保水性，同时填充性能优异，不离析、不泌水且硬化后具有良好的力学性能，属于高性能混凝土的一种。

硅灰是硅铁合金和工业硅生产中的副产品，是通过烟道排出的硅蒸汽氧化后收集到的无定型、粉末状的二氧化硅[4]，属于一种高活性火山灰掺合料，具有极小颗粒粒径和极大比表面积[5]。当其掺入混凝土中，能与水泥水化产物发生反应，将高碱水化产物变成低碱水化产物，填充混凝土中的毛细孔，使得混凝土结构密实化，有效的改善混凝土的强度[6]、渗透性[7]和抗冻性[8]。

当前，对于硅灰对高强自密实混凝土的工作性和耐久性能鲜有报道。本论文主要研究不同掺量的硅灰对高强自密实混凝土工作性、强度和碳化性能的研究，对理论研究和工程实践具有很大的意义。

1 实验原材料与实验方法

1.1 实验原材料

（1）水泥：广东华润水泥厂生产硅酸盐水泥 P·O 42.5R，主要化学成分如表 1 所示。

表1 水泥化学成分 wt%

（2）矿物掺合料：粉煤灰：广东某电厂Ⅰ级粉煤灰，烧失量 2.7%，密度 2580kg/m3，比表面积 590m2/kg，主要化学成分见表 2。硅粉：选用埃肯公司的硅灰，其平均粒径为0.1μm，比表面积为 1. 5×104m2/ kg，化学成分见表 3。

表2 粉煤灰化学组成 wt%

表3 硅灰化学组成 wt%

（3）减水剂：西卡高效聚羧酸减水剂，减水率 35%。

2.2 配合比设计

混凝土配合比设计，如表 4。

表4 不同硅灰掺量混凝土配合比 kg/m3

2.3 实验方法

自密实混凝土工作性试验按照 GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；水泥混凝土抗压强度是按标准方法制作的 150mm×l50mm×l50mm 立方体试件，在温度为 (20±3)℃及相对湿度 90% 以上的条件下，养护至龄期后，按 GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。碳化深度系数试验按照 GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行试验，测定时用劈裂抗拉夹具在压力机上将试件劈开，喷涂 1%酚酞指示剂，用游标卡尺分别测量其 3、7、14、28 天碳化深度。

3 结果与讨论

3.1 硅灰对高强自密实混凝土工作性的影响

图1 反映不同掺量的硅灰对自密实混凝土坍落度和扩展度的关系。

图1 硅灰掺量与新拌混凝土坍落度和扩展度的关系

研究结果表明，新拌混凝土的坍落度和扩展度随着硅灰量增大而增大。虽然硅灰的平均粒径在 0.1μm 左右，比表面积比较大，需水量有所增大，但是在高效减水剂作用下，硅灰颗粒表面覆盖着强的表面活性离子，使得硅灰与硅灰、硅灰与水泥和水泥与水泥颗粒间存在着静电作用，增大了新拌混凝土的坍落度和扩展度。此外，硅灰形貌是一种细小玻璃球状，不但在新拌混凝土浆体中起到滚珠和润滑的作用， 而且能有效的填充混凝土中的空隙，置换空隙中的自由水，使得新拌混凝土中自由水增多，所以这种填充作用有助于改善其坍落度和扩展度。

3.2 硅灰对高强自密实混凝土抗压强度的影响

图2 反映了硅灰掺量与自密实混凝土抗压强度之间的关系。

图2 硅灰掺量与抗压强度的关系

研究结果表明，随着硅灰掺量增大和龄期延长，28d 前自密实混凝土抗压强度增大幅度比较大，而 28d 后抗压强度增大幅度很小，几乎趋于平衡。当硅灰掺量由 30kg/m3增大至50kg/m3，28d 抗压强度增大 8%，180d 抗压强度增大 15%。硅灰属于高活性掺和料，能有效与水化产物 CH 发生反应，在骨料周围生成致密无定形的硅酸钙水化产物，明显改善混凝土粗骨料与水泥石之间的过渡区[9]。此外，由于硅灰颗粒粒径比较小，在混凝土结构中起到填充空隙的作用，减少了混凝土结构中的孔隙率，减小了混凝土在受力时产生应力集中，增大了其抗压强度。

3.3 硅灰对高强自密实混凝土碳化性能的影响

图3 反映了硅灰与高强自密实混凝土碳化深度的关系。

图3 硅灰掺量与碳化深度的关系

研究结果表明，在相同的碳化时间内，高强自密实混凝土碳化深度随着硅灰掺量的增大而减小，当硅灰的掺量由30kg/m3增大至 50kg/m3时，其 28d 的碳化深度由 2.7mm 减小至 1.2mm，由于硅灰颗粒粒径比较小，填充混凝土中的毛细孔，阻断毛细孔的联通，阻碍 CO2在混凝土基体中扩散，减慢了 CO2对混凝土的侵蚀。此外，随着碳化时间的延长，高强自密实混凝土碳化速度随着碳化时间延长而减慢，这是由于随着碳化时间延长，碳化产物的生成，减小其孔隙率[10-11]，进一步阻碍 CO2在混凝土基体中扩散速度的结果。

4 结论

（1）随着硅灰掺量增大，新拌混凝土的工作性得到改善，其坍落度与扩展度随着硅灰增大而增大。

（2）随着硅灰掺量增大和龄期延长，28d 前自密实混凝土抗压强度增大幅度比较大，而 28d 后抗压强度增大幅度很小，几乎趋于平衡。其中当硅灰掺量为 50kg/m3时，28d 抗压强度增大 11.5%，而 180d 强度增大 13.5%。

（3）高强自密实混凝土碳化速度随着硅灰掺量的增大和碳化时间延长而不断减慢。

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