硅灰对混凝土配合比影响的试验研究

王泽龙，姜震宇，李佳锐，赵涵冰，李彦荣，王 雪

（吉林农业科技学院机械与土木工程学院，吉林 132101）

硅灰对混凝土配合比影响的试验研究

王泽龙，姜震宇，李佳锐，赵涵冰，李彦荣，王 雪※

（吉林农业科技学院机械与土木工程学院，吉林 132101）

针对硅灰对混凝土配合比的影响进行试验研究，通过改变硅灰占胶凝材料的质量比，设计四组硅灰含量不同（0%、5%、10%、15%）的C30混凝土，依据混凝土配合比设计和混凝土坍落度试验，调整混凝土配合比，得到同时满足规范中最大用水量要求和流动性要求的合理掺硅灰混凝土配合比。研究表明：随着混凝土中硅灰含量的提高，混凝土坍落度呈线性减小，混凝土的流动性能减弱。本文可为研究硅灰对混凝土抗冻性能的影响提供依据，同时也为优化混凝土配比提供参考。

硅灰；混凝土配合比；混凝土坍落度；混凝土流动性

1 引言

硅灰是冶炼硅铁合金或金属硅时的一种飞灰，其主要成分是二氧化硅，硅灰的直接排放和堆存都会造成环境的污染，因此，硅灰的再利用成为了众多学者研究的课题[1]。20世纪70年代研究发现，硅灰可以替代部分水泥生产混凝土，但对混凝土的性能存在一定影响[2]，随后研究人员发现在混凝土中掺入一定量的硅灰会提高混凝土的抗冻性[3-4]。针对硅灰对混凝土性质的影响，通过改变胶凝材料中掺加硅灰含量（以下简称掺硅灰比）研究硅灰对混凝土配合比的影响，同时为进一步研究东北地区水泥混凝土道路抗冻性和抗渗性提供理论依据。

2 原材料及试验准备

2.1 C30混凝土原材料

水（拌和用水为吉林市市政自来水）；水泥（唐山冀东水泥股份有限公司生产的P.S 32.5矿渣硅酸盐水泥）；细骨料（中砂，细度模数2.3-3.0，含泥量1.0%）；粗骨料（选用两个级配的砂卵石石料，粒径5～20mm，含泥量0.5%，其中5～10mm粒径占66.7%，10～20mm粒径占33.3%）；硅灰（长春司奥科技有限公司生产的微硅灰）。

2.2 试验准备

本试验选用C30混凝土，其配合比按照目前我国现行的《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011（后面简称“规范”）中要求进行。流动性试验按照《公路工程及水泥混凝土试验规程》JTG E30-2005中水泥混凝土拌合物稠度试验方法（坍落度仪法）。坍落度采用标准坍落度试验，即坍落度（mm）=300-实测高度，坍落度范围在（10-30mm）满足要求。试验仪器准备包括方孔筛、坍落度筒、振捣棒、电子天平、量杯等。

3 混凝土配合比试验过程

3.1 混凝土配合比设计

（1）1m3，C30混凝土强度设计

（其中 fcu，k=30MPa，按规范查表 4.0.2，取 σ=5.0MPa）；

故强度设计值fcu，0≧30+1.645×5.0=38.225MPa。

（2）水胶比

（按规范查表5.1.2粗骨料为卵石时，取αa=0.49，αb=0.13）；

（其中ff=1.00，γs=1.00，γc=1.12，fce，g=32.5MPa；故fb=1.00×1.00×1.12×32.5=36.4MPa）；

因此水胶比W/B=0.44。

考虑到本试验时间为夏季，拌和方式为手动拌和，并且试验中加入硅灰会使混凝土流动性减小，为了满足混凝土流动性要求，故适当增大水胶比，W/B取为0.50，同时满足规范表3.0.4要求。

（3）用水量

本试验为塑性混凝土，坍落度为10～30mm，采用中砂，查规范表5.2.1-2知：用水量取mw0=190 kg/m3。

（4）胶凝材料用量

综上，胶凝材料用量mb0=mw0/（W/B）=190/0.5=380kg。

为研究硅灰对混凝土冻融循环的影响，根据试验方案，本文针对硅灰对混凝土流动性能的影响设计四组不同掺硅灰比（0%、5%、10%、15%）的C30混凝土配比，如表1所示。

表1 单位体积C30混凝土胶凝材料用量

（5）砂率βs

查规范表5.4.2，当水胶比W/B=0.5，卵石最大粒径为20mm时，砂率为29%～34%，本试验计算取砂率βs=30%。

（6）粗细骨料用量

（取 mcp=2400kg/m3，mc0=380kg/m3，mw0=190kg/m3，mf0=0，βs=30%）；

因此细骨料用量ms0=549kg/m3，粗骨料用量mg0=1281kg/m3。

（7）混凝土配合比

综上（1）-（6），1m3C30混凝土所需材料用量如表2所示。

表2 单位体积C30混凝土所需材料用量

3.2 试验过程

（1）根据3.1配合比设计结果分别称取所需试验原材料。

（2）坍落度试验

由于硅灰掺量对混凝土流动性影响较大，因此，需要根据混凝土坍落度试验适当调整混凝土用水量。首先进行掺15%硅灰的混凝土坍落度试验，试验过程如图1所示。

图1 混凝土坍落度试验

测得掺15%硅灰的混凝土坍落度为9mm，小于10mm，故该混凝土配合比在掺15%硅灰时，不满足混凝土流动性要求，故应调整配合比。在水胶比不变的情况下，适当加大用水量，经过反复调整试验，最终确定取用水量为200kg/m3（满足规范要求），测得混凝土坍落度为12mm（满足流动性要求），因此得出混凝土配合比，如表3所示。

表3 调整后单位体积C30混凝土所需材料用量

根据经验和试验结果，通过分析可知，硅灰含量越多，其混凝土流动性越低，因此，掺15%硅灰的混凝土流动性符合相关规范要求，掺其它比例≤15%（如0%、5%、10%）硅灰也必然满足规范要求。

4 试验结果与分析

4.1 掺硅灰混凝土配合比优化

通过试验得出，在基准配合比不变的前提下，符合混凝土流动性和易性要求，掺0%、5%、10%、15%硅灰得出了硅灰对混凝土的流动性和易性影响的最佳配合比，如表4所示。

表4 单位体积混凝土各材料用量（kg）

4.2 随着掺硅灰比例增大，混凝土流动性降低

掺硅灰比为0%、5%、10%、15%的混凝土拌合物经坍落度关系如图2所示。

图2 不同掺硅灰比混凝土的坍落度

由图2可知，不同掺硅灰比下的混凝土的坍落度明显不同。掺硅灰比为0%时，坍落度为25mm；当掺硅灰比提高至为5%时，坍落度骤降为17mm；当掺硅灰比提高为10%，坍落度为15mm；当掺硅灰比提高为15%，坍落度仅为12mm，基本呈线性关系。

掺硅灰比影响混凝土流动性能的原因是硅灰的粒径小于水泥，吸水性大于水泥，故相同水胶比下，随着掺硅灰比的提高，混凝土的流动性减弱。

5 结论

（1）在不添加外加剂的情况下，若通过掺硅灰改变混凝土的抗冻性能，混凝土的坍落度随掺硅灰比增大而线性减小。

（2）在用水量、流动性同时满足规范要求的情况下，为提高混凝土的抗渗性和抗冻性，配置混凝土时掺硅灰比例最高为15%，否则需采取其它措施进行改善。

[1]马艳芳，李 宁，常 钧.硅灰性能及其再利用的研究进展[J].无机盐工业，2009（10）：8-10.

[2]杨 坪，彭振斌.硅粉在混凝土中的应用探讨[J].混凝土，2002（01）：11-14.

[3]李 理，杨万斌，刘茉莉.硅灰对混凝土抗冻性能影响的试验研究[J].河北省科学院学报，2012（02）：63-65+70.

[4]付亚伟，王硕太，崔云长.硅灰对自密实混凝土性能的影响[J].四川建筑科学研究，2009（1）：191-193.

Experimental Research on the Effect of Silica Fume on Concrete Mix Proportion

Wang Zelong Jiang Zhenyu Li Jiarui Zhao Hanbing Li Yanrong Wang Xue
（ Civil Engineering and Water Resources Institute，Jilin Agricultural Science and Technology College，Jilin 132101，China）

In this paper，the effect of silica fume on concrete mix proportion is studied through experiments.Four groups of C30 concrete specimens are designed，in which the mass proportions of silica fume to the cementations’materials are respectively 0%，5%，10%and 15%.Based on the concrete mix proportion design and the slump test，the reasonable proportion of silica fume concrete can be obtained.This proportion can meet the requirements of both maximum water cement ratio and flow-ability of concrete.The research shows that，with the increase of silica fume proportion，the slump of the concrete is linearly reduced and the flow-ability is weakened.This research can provide a basis for studying the effect of silica fume on the frost resistance of concrete.It can also provide a reference for perfecting concrete mix proportion.

silica fume；concrete mix proportion；slump of concrete；flow-ability of concrete

TU528

A

2017-08-20

吉林农业科技学院青年基金项目（吉农院合字［2016］第Q19号）；吉林农业科技学院大学生科技创新项目（吉农院合字［2017］第016号）

王泽龙（1995-），男，江西省上饶市人，吉林农业科技学院2014级土木工程专业学生。

※为本文通讯作者

吴艳玲