硅灰改良混凝土性能的研究现状★

刘金辉 周浩然

(1.宁夏华侨园集团公路工程有限公司，宁夏 固原 756000; 2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)



硅灰改良混凝土性能的研究现状★

刘金辉1周浩然2

(1.宁夏华侨园集团公路工程有限公司，宁夏 固原 756000; 2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)

介绍了硅灰的含义与研究现状，结合硅灰改良混凝土的物理与化学机理，分析了硅灰对混凝土力学性能及耐久性能的影响，指出硅灰作为掺料制作混凝土时，可在一定程度上提高混凝土的强度与耐久性。

硅灰，混凝土，力学性能，耐久性

0 引言

硅灰，又称硅粉，是工业冶炼过程中产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气经过迅速氧化并冷凝形成的一种硅质粉体材料。由于将硅灰直接排放到空气中会对环境造成极大污染，且我国的硅灰产量很大，因此对于硅灰的回收利用十分重要。

混凝土是根据一定的配合比，由水、胶凝材料以及骨料拌合而成的一种人造材料。由于材料易得，成本低廉，且种类繁多，可以适应不同的结构需求，混凝土已成为我国最为广泛使用的土木工程材料之一。然而，混凝土在使用过程中常出现力学性能和耐久性方面的问题。因此，如何通过在拌合混凝土时加入掺合料来改善其性能逐渐成为了人们关注的焦点[1]。

20世纪50年代，挪威、丹麦率先对硅灰在混凝土方面的应用进行了研究。到了20世纪80年代，硅灰在美国、日本、加拿大等国得到了更为广泛和全面的研究、应用，研究硅灰对于混凝土性能的影响具有重要的现实意义。本文即围绕硅灰对混凝土性能的改良进行了综述[2]。

1 硅灰改良混凝土的机理研究

1.1 物理机理

硅灰颗粒有相当高的分散性，使之能够充分地填入水泥颗粒间，提升混凝土硬化之后的密实性[3]。

1.2 化学机理

硅灰的化学成分大约90%以上为非晶态的无定型二氧化硅(SiO2)，具有火山灰活性。李建权等在研究水泥/石灰砂浆微观结构的实验中用10%的硅灰取代了水泥，对水泥/石灰砂浆材料进行改性，结果发现28 d后硅灰的火山灰活性被激发，与砂浆中的Ca(OH)2发生反应生成了纤维状的C-S-H凝胶，这种产物填入试样中的孔隙后不仅令试样的孔隙率得以降低，还使材料获得了相应的力学强度。可见，加入硅灰有效地改善了材料内部的孔结构，降低了孔隙率，还对材料硬化后期的强度提高起到了很大的作用[3]。

2 硅灰对混凝土力学性能的改良

混凝土的力学性能包括抗压强度、抗折强度、劈裂强度、弹性模量等指标，由于抗压强度、抗折强度、劈裂强度这几个指标在工程实际应用中十分重要，因此这里我们着重讨论硅灰的掺入对于前三个指标的影响。

2.1 对抗压强度的改良

阎培渝等[4]研究了水胶比为0.24或0.29，硅灰掺量0%～10%，养护温度20 ℃或50 ℃时，掺加加密硅灰或原状硅灰的高强混凝土的力学性能，发现两种硅灰均能加快混凝土的强度发展且当硅灰掺量在胶凝材料总量的10%以内时效果最佳。蒲心诚等[5,6]研究发现掺入硅灰的混凝土的各龄期强度均超过了无硅灰的混凝土相应龄期的强度，同时极大地提升了混凝土的流动性。当硅灰掺量为10%时，混凝土各龄期增长的强度最多，但硅灰掺量为5%的混凝土其强度的增长则不甚明显。硅灰贡献的强度达150 MPa级混凝土的1/3。张奇奇等[7]在硅灰对HPMC改性水泥砂浆性能的研究中也发现硅灰掺量在10%时，HPMC改性水泥砂浆28 d的抗压强度可以提高40%。

而张宪圆等[8]经试验发现蒸压加气混凝土的抗压强度在硅灰掺量不大于5%时增长最明显。王洪等[9-11]通过试验研究了硅灰对高强混凝土强度的影响，发现在高强混凝土的配制过程中加入约为5%～9%的硅灰，混凝土的抗压强度和抗折强度会随着硅灰掺量的增加而增长，但掺量大于9%后其抗压强度会开始下降。而Sri M Kalaiarasu等[12]研究发现硅灰掺量15%时，可以使高性能混凝土取得较高的抗压强度，同时还可获得良好的劈裂强度、抗弯强度。侯茜茜等[13]也在硅灰掺量对高强自密实混凝土性能的影响研究中发现，当硅灰掺量增大、龄期延长时，所制得的高强自密实混凝土抗压性能会得到明显提高。试验发现，当硅灰掺量从30%增大至50%时，混凝土的28 d,180 d抗压强度分别增大了8%,15%。

2.2 对抗折强度的改良

刘文永等[14]进行了用硅灰配制高抗折混凝土的研究，试验结果表明，以8%的硅灰代替矿渣水泥配制出的高抗折混凝土的3 d抗折强度达到了8.8 MPa，提高了44.3%；28 d抗折强度达到了11.4 MPa，提高了50%。此外，加入8%硅灰后，28 d抗压强度提高了13.2%，劈裂强度也提高了34.6%，而90 d强度增幅并未减少。Zemei Wu等[15,16]在研究硅灰对于超高强钢纤维水泥基混凝土微观结构发展的影响中也发现，硅灰的掺入有利于混凝土微观结构的发展，且当硅灰掺量在15%～25%内可使混凝土的力学性能达到最佳。经简单的双侧拉拔等实验后发现，掺入硅灰后，混凝土的微观硬度会有一定程度的提高，同时其抗折性能也可得到提升。

2.3 对劈裂强度的改良

Santanu等[17,18]进行了大量高强高性能混凝土实验，发现硅灰掺量的百分比控制在15%～25%能够使混凝土获得接近最大的劈裂抗拉强度；当硅灰掺量大于15%时，对于混凝土的劈裂强度没有显著的影响；当硅灰掺量大于25%时，混凝土的抗弯强度会有相当大的增长。王洪等[9]通过试验发现硅灰掺量在3%～6%时，对混凝土劈裂强度的增长最为有利，高于或低于此范围对于劈裂强度都没有明显改善。

3 硅灰改良混凝土的耐久性研究

3.1 对抗冻性的影响

在工程建设中，由于四季的温度变化导致的“冻融循环”对混凝土的破坏作用很大，因此改善混凝土的抗冻性是提高混凝土耐久性的重要途径之一。

李理等[19]在混凝土抗冻性影响的试验中发现，未掺入硅灰的混凝土试块，在冻融次数达到250次之后，相对动弹模量下降较快；而掺入硅灰的混凝土试块在冻融次数达到300次之后仍然未破坏，可见硅灰对提高混凝土的抗冻性有着重要作用。另外，试验发现，相同水胶比条件下，硅灰掺量增加，抗冻性能提高；硅灰掺量相同条件下，水胶比增加，抗冻性能降低。掺硅灰混凝土的最佳抗冻性配比为：水胶比0.30，硅灰掺量5%。

但付亚伟等[20]在研究硅灰对自密实混凝土性能的影响时发现，硅灰掺量在5%～10%时可以使自密实混凝土的抗冻性达到最佳。刘斯凤等[21]研究了掺入硅灰的超高性能混凝土(RPC)，发现在热水养护的条件下，RPC的密实性得到提高，混凝土中的毛细尺度得以细化，孔隙率得以减小，提高了毛细孔的充水难度，进而提高了RPC的抗冻性。陈德玉等[22,23]研究了不同因素对再生骨料混凝土抗冻性的影响，发现细小的硅灰可以较好地填补水泥石内部的孔洞,减少了内部可冻水量，从而提高了混凝土的抗冻性。

3.2 对抗渗性的影响

作为一种透水材料，混凝土的抗渗性与其内部孔隙率、孔隙大小等因素有着密切关系。

刘文永等[14]在硅灰配制高抗折混凝土的研究中发现，水渗透试验中掺入硅灰的混凝土渗水高度明显低于未掺入硅灰的混凝土,Cl-渗透试验中掺入硅灰的混凝土通过电量也显著少于未掺入硅灰的混凝土，表明硅灰的掺入对混凝土抗渗性的提高有显著作用。王阳等[24]在研究硅灰对于混凝土长期耐久性能影响的实验中，发现混凝土掺入硅灰之后，混凝土的微观结构和界面性能得到改善。粒径极小的硅灰颗粒填入水泥颗粒的孔隙，使混凝土密实度上升，并由掺入硅灰和未掺硅灰混凝土电通量的比较，发现掺入硅灰的混凝土的抗氯离子渗透性大大提高。

诸多试验也表明多种材料的复掺对于混凝土抗渗性的提高比单掺更佳。唐明等[25,26]在同水胶比下混凝土中水泥、矿渣、粉煤灰、硅灰的混料效应研究中，发现随着硅灰掺量的增加，混凝土的抗渗性能也在逐渐提高。张武满等[27]发现掺入5%和10%硅灰的混凝土在重复荷载作用下的氯离子透过性会小于基准混凝土，且掺加5%的硅灰时，混凝土的抗氯离子透过性与掺加20%的矿渣时的相当。邓海斌等[28]进行了二元复掺钢渣混凝土试验，结果表明当钢渣粉硅灰掺量为10%时，混凝土抗渗能力有显著提高且远大于钢渣粉单掺时的情况。刘竞等[29,30]围绕粉煤灰混凝土进行了单掺聚丙烯纤维、硅灰以及二者的复掺试验，研究发现单掺聚丙烯纤维对于抗氯离子渗透性影响较小，而聚丙烯纤维与硅灰双掺却能够令氯离子的扩散系数减少50%以上。

4 结语

因硅灰具有良好的火山灰活性，能够与水泥石中的碱性物质发生反应，故作为掺料参与制作混凝土时能够在一定程度上提高混凝土的抗折强度、抗压强度等强度指标，同时还可以提高混凝土的耐久性如抗冻性及抗渗性等。但由于制作的混凝土种类各异，配制条件与材料也不尽相同，所以还难以得到能使混凝土性能达到最佳状态的硅灰掺量。因此，如何利用已有的实验数据，如何通过数值模拟等技术确定出硅灰的最佳替代比例将成为未来研究的一个重要方向。

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Review on the improvements of cement cncrete’s performance caused by silica fume★

Liu Jinhui1Zhou Haoran2

(1.NingxiaOverseasChineseGardenGroupHighwayEngineeringCo.,Ltd,Guyuan756000,China;2.CollegeofCivilandHydraulicEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

This paper introduced the connotation and research status of silica fume, combining with the physical and chemical mechanism of silica fume modified concrete, analyzed the influence of silica fume to concrete mechanical property and durability, pointed out that when the silica fume as admixture making concrete, could improve the concrete strength and durability to a certain extent.

silica fume, concrete, mechanical property, durability

1009-6825(2017)15-0097-03

2017-03-17★:宁夏自然科学基金资助项目(NZ1618)

刘金辉(1964- )，男，高级工程师

TU528

A