不同二氧化硅含量硅灰对混凝土抗压强度的影响

2020-03-23

中国建材科技 2020年6期

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

0 引言

硅灰是铁合金厂在冶炼硅铁合金或工业硅的过程中，气态Si和SiO随着冶金烟气排放，遇到空气中的O2迅速反应冷凝而形成的一种超细球型粉体材料，与粉煤灰和矿渣粉同属工业“三废”中的废渣[1-2]。硅灰具有质轻、蓬松、易飞扬等特性，属于PM2.5级的大气污染物来源之一[3]。混凝土抗压强度是混凝土抵抗外力破坏的能力，是硬化混凝土最重要的性质，混凝土的其他性能与其有密切关系。

硅灰以一种宝贵的无机非金属材料的身份出现在高端材料市场，越来越得到社会和业内人士的认可和青睐。目前，我国硅灰资源并不充足，且高二氧化硅含量的硅灰产量较低，市场上大多以中、低二氧化硅含量的硅灰为主。低二氧化硅含量的硅灰因达不到国家标准规定的技术要求，只能以堆置、填埋的方式进行处理，更甚者以次充好投入工程应用，扰乱市场秩序，危害工程质量。目前针对低二氧化硅含量硅灰的开发与利用，国内外相关研究较少。

本文通过对不同二氧化硅含量硅灰掺入混凝土中进行抗压强度试验，分析不同二氧化硅含量硅灰对混凝土抗压强度的影响，以期为中、低二氧化硅含量硅灰的合理利用提供借鉴。

1 试验内容

1.1 原材料

采用中国联合水泥集团有限公司生产的P.I42.5硅酸盐水泥。粉煤灰采用威海港域粉煤灰科技有限公司生产的II级F类粉煤灰。砂符合GB/T 14684中II区中砂的要求，细度模数2.8，含泥量0.8%。石子符合GB/T 14685要求的公称粒径5～20mm的连续级配碎石，采用二级配，其中5～10mm占40%，10～20mm占60%。减水剂为山东华伟银凯建材科技有限公司生产的标准型高效减水剂。水采用自来水。硅灰产自甘肃三远硅材料有限公司，硅灰各项性能见表1，根据二氧化硅含量的高低将硅灰由低到高分别编号硅灰1到硅灰7。

表1 试验用硅灰性能情况

1.2 配合比

为了研究不同二氧化硅含量硅灰对不同等级混凝土抗压强度的影响，分别设计了C40、C60、C80三种强度等级的混凝土配合比。为了更全面对比分析试验数据，每种级别的混凝土配合比分为两组基准配比（配比-01和配比-02）和一组受检配比（配比-1），配比-01和配比-02不掺加硅灰，配比-1分别内掺10%的各种类型硅灰，配比-1掺加一定量减水剂调整其与配合比-01保持相同坍落度，配比-02与配比-1掺加等量的减水剂，两者不必保持相同坍落度。试验用配合比数据见表2-表4。

表2 C40混凝土试验用配合比(单位:kg/m3)

表3 C60混凝土试验用配合比(单位:kg/m3)

表4 C80混凝土试验用配合比(单位:kg/m3)

针对C40、C60和C80三种不同强度等级的混凝土配合比分别设计3种情况，共9个配合比。硅灰具有需水量大的特征，混凝土中掺加硅灰会明显降低混凝土的流动度，影响混凝土的可操作性。若通过增加用水量来调整混凝土流动性，势必影响混凝土抗压强度等一系列性能。因此在实际工程应用中，混凝土掺加硅灰的同时一般通过添加减水剂保证其流动度不下降。然而试验研究过程中，如果掺加硅灰的同时再添加减水剂，导致基准和受检配比变量不唯一，得出的结果无法证明是硅灰的二氧化硅含量这一唯一变量对混凝土抗压强度的影响。从实验室和工程实际应用等各方面综合考虑，本文设计了两组基准配比（配比-01和配比-02）和一组受检配比（配比-1）。

1.3 试验方法

混凝土试件的制备及养护按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》规定进行。混凝土抗压强度试验按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定进行。抗压强度采用100mm×100mm×100mm立方体试件，3个试件为一组，在标准养护条件下养护至3d、7d、14d、28d后测定并换算为标准试件强度。

2 结果与分析

2.1 不同二氧化硅含量硅灰对C40混凝土抗压强度影响

由表5、图1和图2可见，掺有硅灰的C40混凝土抗压强度普遍高于基准混凝土的抗压强度值，随着硅灰的二氧化硅含量的提高，抗压强度值大致呈增长趋势。因此可得出结论，掺加硅灰可以提高C40混凝土的抗压强度，混凝土抗压强度值与所掺硅灰的二氧化硅含量基本成正比关系。

图1 C40混凝土抗压强度与硅灰二氧化硅含量曲线分析图

图2 不同龄期基准和受检C40混凝土抗压强度对比图

表5 掺不同二氧化硅含量硅灰C40混凝土抗压强度试验结果

通过对试验数据进行回归分析，得到不同龄期抗压强度和硅灰二氧化硅含量的相关关系式，如图1所示，关系式中x的系数大小表示混凝土抗压强度受硅灰二氧化硅含量影响程度的高低。随着龄期的延长，抗压强度趋势线斜率（即关系式系数）逐渐增大，表示混凝土后期强度受硅灰二氧化硅含量的影响程度更大。进而得出结论，硅灰混凝土龄期越长，抗压强度提高幅度越大。

硅灰对混凝土抗压强度的影响可以从两个方面解释：1）微集料效应提升混凝土强度。硅灰颗粒微小，呈规则的球型结构，可改善胶凝材料颗粒间的微级配，填充浆体孔隙，增加混凝土密实度，从而提高混凝土抗压强度。2）火山灰活性促进混凝土后期强度的激发。硅灰含有大量的不定型二氧化硅，具有极高的火山活性，与水泥水化产物氢氧化钙进行二次水化反应生成水化硅酸钙，分布到混凝土中形成一种坚硬、胶结力强的物质，使得混凝土后期强度发展较快[4-5]。

2.2 不同二氧化硅含量硅灰对C60混凝土抗压强度影响

由表6、图3和图4可见，掺有硅灰的C60 混凝土抗压强度变化趋势与C40混凝土基本一致。掺加硅灰可以提高C60混凝土的抗压强度，混凝土抗压强度值与所掺硅灰的二氧化硅含量基本成正比关系，且龄期越长提高幅度越大。

图3 C60混凝土抗压强度与硅灰二氧化硅含量曲线分析图

图4 不同龄期基准和受检C60混凝土抗压强度对比图

表6 掺不同二氧化硅含量硅灰C60混凝土抗压强度试验结果

通过对试验数据进行回归分析，得到不同龄期抗压强度和硅灰二氧化硅含量的相关关系式，如图3所示，关系式中R2为相关系数，表示抗压强度与硅灰二氧化硅含量相关关系的可靠性，越接近于1代表可靠性越高。C60强度等级的混凝土R2较C40混凝土明显增大，由0.6左右增加到0.8左右，说明C60混凝土抗压强度与硅灰二氧化硅含量正比关系的可靠性增加。

随着硅灰二氧化硅含量的升高，抗压强度呈波浪式提升。选取试验中的个例进行分析，低二氧化硅含量硅灰也能配制出比高二氧化硅含量硅灰强度高的混凝土；即便掺加二氧化硅含量不符合国家标准要求的硅灰，抗压强度也比不掺加硅灰的混凝土强度高。混凝土属于复合材料，各种原材、各种比例、各种级配互相搭配，弱化了硅灰品质单项因素对最终混凝土强度的影响，所以会出现低二氧化硅含量硅灰也能配制出比高二氧化硅含量硅灰强度高的混凝土。因此对于混凝土要求不是很高的工程，可酌情使用中、低二氧化硅含量的硅灰。