浅谈硅灰在高强混凝土中的应用

伍重瑞

（重庆欣材混凝土集团有限公司）

浅谈硅灰在高强混凝土中的应用

伍重瑞

（重庆欣材混凝土集团有限公司）

本文对硅灰的组分及性质进行了分析，并论述了其在高强混凝土中发挥的作用及其作用机理。

硅灰 高强混凝土

近些年来，由于社会的飞速发展，及建设事业的蓬勃发展，建筑业对于混凝土的性能要求也与日俱增。而高强混凝土中掺入硅灰，会使得其耐久性能得到显著的加强，因此硅灰在高强混凝土中的应用越来越得到人们的重视。

1. 灰简介

硅灰是硅铁合金厂冶炼硅或硅铁合金时，从烟尘之中收集的一种飞灰，也叫做凝聚硅或硅粉。

1.1 主要成分

硅灰的组成成分并不是完全相同的，会受到冶炼过程的影响，表1给出的是硅灰的主要组分。

表1 硅灰的主要组分

由表1中可以看出，硅灰中比例最大的是非晶态的二氧化硅，所占比例达到90%以上。这种二氧化硅有着活跃的火山灰活性，也就是说，硅灰能够很快地跟氢氧化钙发生反应。

1.2 物理性质

硅灰是一种灰白色的粉状颗粒，碳含量的不同会使得硅灰呈现出不同的颜色深浅。

硅灰是一种极细的颗粒，大部分颗粒不超过1，平均在0.1左右，仅为水泥粒径的1/50-1/100。硅灰的密度一般为2200，松堆密度一般在180-230，空隙率可以超过90%。硅灰的比表面积极大，一般在15000-25000。

表2中给出了硅灰的一些物理性质，并与水泥和粉煤灰进行比较。

表2 硅灰与水泥、粉煤灰的物理性质对比

硅灰的密度较小，而比表面积极大，说明硅灰的分你散性较大。当硅灰掺入水泥混凝土中，硅灰能够进行充分的填充。

2. 灰的作用机理

硅灰由于其自身的化学组分以及一些物理性质，当掺入到混凝土当中，会产生一些作用及反应从而提高混凝土的强度和性能。

2.1 填充效应

水泥混凝土的拌合过程中，往往会加入过量的水，以保证较好的施工流动性。但是多余的水会降低水泥浆的稠度，削弱其胶结力；另一方面又会在混凝土中发展为水泡，这些水泡会导致混凝土凝结后出现孔隙，进而削弱混凝土的受力性能。

硅灰的填充效应指的是：由于硅灰的粒径远小于水泥颗粒，硅灰在水泥颗粒之间的空隙当中起到填充作用。由于硅灰的颗粒数量较大，因此填充效应的效果十分明显。

硅灰另一方面能够阻止混凝土的沁水，阻止水分集聚，从而一方面能够提高水泥浆与骨料界面过渡区的密实度，另一方面能够减小该区的厚度。也就是说，硅灰能够增强水泥浆和石料之间的结合力，并不只是一个绝对的填充物。

2.2 火山灰反应

火山灰反应指的是在混凝土中，活性二氧化硅与氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙。这些氢氧化钙来源于水泥的水化反应，并且这些氢氧化钙是不利于混凝土的强度形成的。在掺入硅灰的混凝土中，水泥的早期水化反应产物有大量的氢氧化钙，但龄期增长会导致混凝土中的氢氧化钙含量迅速下降。

硅灰的存在会使得这些不利的氢氧化钙转化成为有利的水化硅酸钙凝胶。同时硅灰与氢氧化钙的不断反应，也会促进水泥的水化反应，从而提升了混凝土的早期强度。

2.3 空隙溶液化学效应

空隙溶液化学效应指的是由于硅灰的存在，会使得水化产物中硅化钙的减少，相应的水化硅酸钙凝胶会吸附更多碱金属离子，从而导致空隙溶液中碱金属离子浓度的大幅度降低。

这种碱金属离子浓度的降低能够有效降低空隙溶液的pH值，从而极大程度的减少碱集料反应的发生。

3. 灰发挥的作用

硅灰在混凝土当中会发生上述所说的填充效应、火山灰反应以及空隙溶液化学效应，这些都能对混凝土的性能带来影响。

3.1 提高混凝土强度

由于硅灰的作用，混凝土的早期强度和最终强度会出现明显的提升。一些研究表明，当硅灰的掺量在30%以下时，掺加硅灰的混凝土的蒸汽养护一天的抗压强度是普通混凝土的2倍；如果采用蒸压养护，掺硅灰的混凝土的抗压强度是不掺的混凝土的3倍；就是进行普通的养护，掺硅灰的混凝土的强度也有明显提升。同时，掺硅灰的混凝土的抗压强度与硅灰掺量呈现正比关系，硅灰的掺量越大，混凝土的强度也就越高，但是一般不大于35%。

一些国家已经通过使用硅灰生产出了强度高达1100kg/cm2的高强混凝土，而且工艺不算复杂，有着良好的经济效益。

3.2 增加混凝土密实度

一方面，掺加的硅灰在水泥颗粒之间的空隙当中起到类似细集料的填充作用，从而从微观上减少混凝土的空隙率，增加混凝土的质密性；另一方面，硅灰能够与氢氧化钙发生火山灰反应，从而生成水化硅酸钙凝胶，提高混凝土的密度。通过借助电子显微镜，可以看到在掺入硅灰的混凝土当中，有晶体的生长现象。这种现象在空隙当中尤为突出。国外的研究通过使用水泥注入法证明，掺入硅灰能够有效地减少混凝土中的微小空隙体积，并且减小幅度明显。

3.3 改善混凝土和易性

在混凝土中掺入硅灰，会提高水泥混凝土的需水量。也就是，在一定的水灰比下，硅灰的使用会降低混凝土的坍落度，这种降低的效果随着硅灰的掺量的增大而增大。当硅灰的用量为5%左右时，硅灰对混凝土用水量的影响较小，但是掺量继续增大会使得混凝土用水量的出现大幅度增加，最大增幅为130%。当然，高效减水剂的使用能够起到一个很好的平衡作用。高效减水剂和硅灰已经是制作高强混凝土的基本途径。

混凝土浮浆现象，指的是混凝土在浇筑后，往往会出现水从水泥混凝土中分离出来的现象，随之就会在混凝土的表层形成水膜。浮浆的发生，往往意味着混凝土的表层会出现不均匀的分布，进而影响混凝土的性能。国外研究结果证实，硅灰掺入的越多，混凝土发生离析和沁水的概率就越低。当硅灰的掺量为15%时，就算混凝土的坍落度达到15-20厘米，混凝土当中也基本没有离析和沁水现象的发生；当硅灰掺量达到20%-30%，混凝土在各种不利状况下，基本都不会出现离析和沁水现象。

3.4 提高混凝土的耐久性

硅灰的使用能够显著地降低混凝土内部的微小空隙并增强质密性。因此，硅灰的掺入能够有效提高混凝土的抗渗性能，同时硅灰的掺入有效地防止了外部溶液的渗入，即能够有效地防止外部溶液的化学腐蚀作用。有研究表明，当硅灰的掺量为10%-20%时，能够有效增加混凝土的抗渗性和抗化学腐蚀性，并且还能够提高钢筋的抗腐蚀性。同时，硅灰具有很高的比电阻，当掺入到混凝土当中，也能够显著提高混凝土的比电阻。

3.5 改善混凝土的抗冻性

许多试验的结果都证明了硅灰会对混凝土的抗冻性能造成影响。但是这种影响并不是一种正比例关系。伴随着硅灰掺量的增大，混凝土的抗冻性能会出现从增加到降低的一个趋势。一般当硅灰的掺量低于10%，硅灰的掺入能够改善混凝土的抗冻性；当硅灰的掺量为15%-20%之前，硅灰的掺入对混凝土的抗冻性能的影响很小，可以忽略；当硅灰的掺量大于20%，硅灰的掺入反而会削弱混凝土的抗冻性能。

[1]姜德民.硅灰对高性能混凝土强度的作用机理研究[J].建筑技术开发,2001,04期:44-46.

[2]马永浪.冷凝硅灰在高强混凝土中的作用探讨[J].四川水泥,2015.

[3]程瑶,张美霞.绿色高强混凝土——硅灰混凝土[J].安全与环境工程,2002,03期:33-36.

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1007-6344（2015）11-0001-01