粉煤灰/硅灰复合掺合料对水泥净浆性能的影响

冯辉红，鲁黎，陈静思，王果，张永臣

(1.西南石油大学 土木工程与建筑学院，四川 成都 610500;2.兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730000)

随着现代混凝土工程应用领域的不断扩大、工程规模的大型化和工程环境的复杂化，人们对水泥制品的性能有了新的要求。同时，工业废弃物的利用研究已经较为成熟，粉煤灰、硅灰作为常见的工业废弃物，本身具有优良的理化性能，若是用于生产高性能水泥，对其进行资源化利用，既可以有效消除工业固体废弃物，降低环境污染，又可以为高性能水泥的实现提供可能［1］。

粉煤灰的特性是火山灰活性较低，在常温下即使水泥水化产物中有足够的Ca(OH)2，其火山灰反应仍很慢，因此在考虑利用粉煤灰来减少水泥用量时，会导致混凝土的早期强度发展较慢［2］。而硅灰则是一种活性较高的超细粉末，无定形的SiO2含量可高达90%，其粒径约为水泥的1%，由于其微集料填充作用和火山灰效应，能提高混凝土的早期强度，但后期强度增长不快。若能充分利用二者的优点，就可改善混凝土的结构和性能，使混凝土具有较高早期强度的同时，保证后期强度的较快增长。基于此，本文将就粉煤灰、硅灰对水泥净浆的需水量和早期强度的影响进行实验研究［3］。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

PO42.5 级普通硅酸盐水泥;甘肃省某电厂生产的Ⅱ级粉煤灰;硅灰(嘉峪关巨大冶炼有限公司副产品);自来水。

1.2 实验方法

选用内掺法(又称为取代水泥法)，即在其他条件不变的情况下，用一定质量的硅灰取代相同质量的水泥。选取了多种配比进行研究分析，即硅灰和粉煤灰的单掺掺量均为0，5%，10%，15%，20%，25%，30%，同时固定粉煤灰和硅灰的总掺量为20%，采用掺加量为10%粉煤灰与10%硅灰、12%粉煤灰与8%硅灰、15%粉煤灰与5%硅灰、17%粉煤灰与3%硅灰共4 种配比来进行对比实验［4-6］。

水泥净浆标准稠度用水量的测定方法依据国家标准《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T 1346—2005 进行。水泥净浆的抗压强度试验使用的试件规格为上底24 mm ×24 mm、下底16 mm×16 mm、高18 mm 的梯形体和70 mm ×70 mm×70 mm 的立方体。试件在标准养护条件下成型后24 h 拆模并于恒温20 ℃的水中养护，实验按有关规范或标准进行。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰、硅灰对水泥净浆用水量的影响

按照操作规程，测定单掺不同粉煤灰、硅灰掺量及双掺掺量下的水泥标准稠度用水量，结果见表1。

表1 粉煤灰、硅灰水泥净浆标准稠度用水量Table 1 Standards water consistency of fly ash，silica fume cement paste

由表1 可知:①当单掺粉煤灰的用量由15%增大到30%时，需水量仅由29.67%增长到30.33%，即水泥净浆的用水量随着单掺粉煤灰用量的增加而略有增多，但增长趋势不明显;而当单掺硅灰的用量由15%增大到30%时，需水量由31.67%迅速增大到42%，这说明单掺硅灰水泥的用水量随硅灰掺量的增加而急剧增多，增长趋势明显;②随着双掺(粉煤灰+硅灰)水泥净浆中硅灰掺量的减少和粉煤灰用量的增加，粉煤灰/硅灰水泥的用水量整体呈下降趋势。

此外，实验过程中观察到硅灰对水泥净浆的粘度有较大影响。当掺加入硅灰后，水泥净浆能够在较短的时间内迅速变得粘稠;并且随着搅拌时间的延长，水泥净浆的粘度会越来越大;同时，硅灰的掺入量越多，水泥净浆变粘稠的速度也就越快。

由此可见，硅灰使水泥净浆的用水量明显增加，且硅灰对水分的需求量远远大于粉煤灰。造成这一现象的主要原因是硅灰颗粒细小，使新拌水泥浆的毛细孔堵塞，阻断了水分的一部分渗透路径，使水泥浆内的水分不能自由流动;而且，硅灰的比表面积大，颗粒表面不仅湿润需要大量水分，还具有较大的吸附力，约束了水泥浆内大量的自由水。

2.2 粉煤灰、硅灰用量对水泥净浆强度的影响

2.2.1 确定实验水灰比 选用0.5 水灰比和标准稠度用水量时的粉煤灰水泥强度进行比较，结果见图1。

图1 不同水灰比时粉煤灰水泥净浆试件抗压强度Fig.1 Compressive strength specimens of cement paste under different water-cement ratio

由图1 可知，当标准稠度用水量时，粉煤灰水泥3 d 抗压强度都大于0.5 水灰比时的强度，且强度曲线存在起伏，即有最大值;而0.5 水灰比时，强度随着粉煤灰掺量的增加而持续降低。因此，强度实验中将使用标准稠度用水量作为粉煤灰、硅灰水泥强度实验中的水灰比。

2.2.2 单掺粉煤灰水泥、单掺硅灰水泥及双掺(粉煤灰+硅灰)水泥的最佳掺量确定 不同掺量下粉煤灰、硅灰水泥的小型试件3 d 抗压强度的实验结果见图2、图3。

由图2 可知，3 d 抗压强度中，粉煤灰水泥在15%粉煤灰掺量时取得最大值，但略小于基准水泥;硅灰水泥在5%硅灰掺量时达到最大值，并高于基准水泥;并且，硅灰水泥的强度普遍高于粉煤灰水泥。

由图3 可知，掺入10%粉煤灰和10%硅灰时，水泥净浆试件的3 d 抗压强度值最大。同时，观察到，水泥净浆加入硅灰后凝结时间缩短，加入粉煤灰后则增长［7-9］。

因此，水泥净浆中粉煤灰的最佳掺量为15%，硅灰为5%，复掺的最佳掺量为10%粉煤灰和10%硅灰。

图2 粉煤灰水泥与硅粉水泥净浆抗压强度Fig.2 Compressive strength of fly ash cement and silica fume cement paste

图3 粉煤灰、硅粉水泥净浆抗压强度Fig.3 Compressive strength of fly ash，silica fume cement specimen

2.2.3 粉煤灰、硅灰水泥强度实验 粉煤灰、硅灰的最佳掺量时，水泥净浆试件28 d 抗压强度见表2。

表2 不同掺量水泥净浆抗压强度Table 2 Strength of different dosage of cement paste

由表2 可知，水泥净浆试件28 d 的抗压强度中，复掺粉煤灰、硅灰的值最大，且大于基准水泥，粉煤灰水泥的强度最小，硅灰水泥的强度小于但接近基准水泥。

因此，粉煤灰使得水泥净浆的早期强度降低，硅灰能保证水泥净浆的早期强度，而复掺粉煤灰、硅灰却能提高水泥净浆的早期强度［10］。

2.3 粉煤灰和硅灰的作用机理

粉煤灰在常温下其火山灰效应早期缓慢，原因是其玻璃体微珠外层有致密的玻璃质表层，阻碍了粉煤灰与水的接触，使得参与二次水化的时间较晚。根据中南大学高性能混凝土课题组的研究成果表明，掺超细粉煤灰的水泥浆体14 d 后才开始参与二次水化反应，生成水化产物。

硅灰的特性就是其细度大，具有高度的无定形性质及高的SiO2含量。其填充作用从微观尺度上增加了水泥石的密实度，火山灰效应能将对强度不利的氢氧化钙转化成C—S—H 凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进强度的增长，同时，硅灰与CH 反应，使CH 不断被消耗，加快水泥的水化速率，提高早期强度。

粉煤灰、硅灰同时掺入水泥中，三种材料不同的粒径使微集料的级配得到了优化，有利于紧密堆积和填充;各材料间能优势互补，迅速与水泥水化产物进行二次反应，取得较好的早期强度［11-12］。

3 结论

(1)单掺硅灰加入水泥中，使得水泥净浆的需水量明显增加，且水泥净浆能够在较短的时间内迅速变得粘稠，且随着搅拌时间的延长，粘度会越来越大，硅灰的掺入量越多，水泥净浆变粘稠的速度也就越快。

(2)单掺粉煤灰使得水泥净浆的早期强度降低，粉煤灰的最佳掺量为15%;单掺硅灰能保证水泥净浆的早期强度，硅灰的最佳掺量为5%;而双掺(粉煤灰+硅灰)则能提高水泥净浆的早期强度，双掺的最佳掺量为10%粉煤灰与10%硅灰。

(3)粉煤灰、硅灰复掺比单掺能获得良好的微集料级配和较迅速地水化反应，弥补纯水泥石微结构的不足。

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