硅粉和高炉矿渣双掺超高强度混凝土基本物性研究

张鲲鹏

摘要：硅粉细度大，活性高，添加硅粉的混凝土强度增加极大，但硅粉需水量极大。高炉矿渣需水量较小，前期强度较低，但后期强度呈明显增加趋势，且有递减混凝土水化热的效果，若将这两种混合料同时添加，预期可形成互补，产生叠加效应。

关键词：硅粉;高炉矿渣;流动性;密实结构

Abstract： Silicon powder has high fineness and high activity. The strength of concrete added with silicon powder increases greatly， but silicon powder requires a great amount of water. The blast furnace slag requires less water， and the early strength is lower， but the strength in the later stage is obviously increasing， and it has the effect of decreasing the hydration heat of concrete. If these two mixtures are added at the same time， it is expected to form a complement and produce a superposition effect.

Key words： silicon powder;blast furnace slag;fluidity;dense structure

0  引言

随着建筑结构物寿命要求的提高，高强度混凝土的使用实例呈现出日趋增多的状况。类似硅粉、微硅粉、高炉矿渣、粉煤灰等能够胜任低水灰比并且具有极佳强度发展性、施工便利性的添加料得到大量的使用。但是，与此同时有实验报告指出添加硅粉后的高强度混凝土会产生大量水化熱，从而引起较大的混凝土收缩。因此，考虑在混凝土中使用硅粉的同时可以尝试添加一些低发热型的掺和物，以避免水化热过高而影响施工质量。

本研究以改善低水灰比混凝土的施工性、递减水化热等为目的，在混凝土拌合过程中同时添加硅粉以及高炉矿渣，并对其进行标准水养，以及40℃水养（模拟夏季混凝土浇筑、预制混凝土部件的制作）后的压缩强度、干燥收缩、水化发热等进行初步的探讨。

1  实验概要

①混凝土的压缩强度。

测定标准水养以及40℃水养下的材龄1天、7天、28天、91天下高强度混凝土的压缩强度。

②混凝土的长度变化。

对混凝土试件进行初期水养（1周、4周）后，转入大气养护，从而以周为单位，探讨其收缩的长度变化。

③绝热温度上升实验。

制作尺寸为30×30×30cm的混凝土试块，将其放置于泡沫塑料中，监控混凝土内部及表面温度的变化，对混凝土水化发热状态形成参考。

1.1 使用材料

本实验研究所使用的材料见表1。

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比见表2。以水胶比18%、22%、26%为基准，高炉矿渣添加量为0%、30%、50%，硅粉添加量为均为10%。例如：22SF-BS8G-30表示在22%的水灰比下，添加10%的硅粉和30%的8000级无石膏高炉矿渣;22SF-BS8P-30则表示22%的水胶比下，添加10%的硅粉和30%的8000级石膏高炉矿渣。

2  试验结果及分析

2.1 流动性（O型仪）

图1所示，三种水灰比下所有实验混凝土都具备良好的流动性。即使是水胶比18%的SFCS、SF混凝土流动性与水胶比22%添加高炉矿渣的混凝土比较也更具优势。

2.2 压缩强度

2.2.1 高炉矿渣的影响

如图4、图5所示，同等养护温度与时间的情况下，单纯添加硅粉的混凝土强度增进状况最为明显。而高炉矿渣比表面积、添加率越大、混凝土的初期强度就越小，随着水泥水化反应生成的Ca（OH）2对高炉矿渣的持续刺激反应，后期强度持续将递增，最终超越硅粉混凝土亦可期待。

原因分析：无论添加SF还是BS，其混凝土内部都需要与水泥中的Ca（OH）2充分反应，同时添加硅粉和矿渣后，显然是因为欠缺足量的Ca（OH）2供其反应。

设定普通水泥量与Ca（OH）2量的生成比例关系，可由下式推定[2]

A=[C+（1-r）-S]/r （1）

A：单位矿渣微粉量相对应的Ca（OH）2所需反应量;

C：普通水泥相对应的Ca（OH）2生成量;

S：单位结合材料相对应的Ca（OH）2量;

r：结合材料相对应的高炉矿渣添加率。

根据式（1）可以看出，高炉矿渣添加率越小，水泥产生的可供高炉矿渣反应的Ca（OH）2量就越多。相反，高炉矿渣添加率越大，水泥产生的可供高炉矿渣反应的Ca（OH）2量就越少。

水泥生成Ca（OH）2量可根据下例反应式：

根据历史文献[2]如图6所示高炉矿渣置换率达到50%时，单位矿渣Ca（OH）2反应量约为28mg/g。22SF-BS-8G-50混凝土中高炉矿渣的添加量为364kg/m3，那么完全反应所需Ca（OH）2量应为10.2kg。

图7所示，硅粉质量与Ca（OH）2质量之比为1/2时，硅粉才能完全反应。在此先排除高炉矿渣反应所需的Ca（OH）2质量，余有75.86kg。硅粉添加量约73kg，此时硅粉相对于Ca（OH）2质量比约为1/1。根据图7所示，质量比1/1时，硅粉的反应率约为85%。由此可见，硅粉和高炉矿渣双掺的混凝土显然要比单纯添加硅粉的混凝土要强度略低。

2.2.2 养护水温的影响

如图8，图9所示，水养初期，40℃水养初期，混凝土强度明显比20℃水养要大，但是养护7日后，20℃水养混凝土强度开始缓慢递增，而40℃水养混凝土强度的增进开始放缓。

原因分析：高温条件下，水泥水化速率果快，水化产物不及均匀扩散，大部分堆积在水泥颗粒周围，导致较为疏松的结构形成，从而使混凝土后期强度增速放缓。较低水灰比混凝土，在水泥水化前水泥颗粒就已经紧密堆积，因此只需少量的水化产物即足以填充颗粒之间的空隙。并且由于水泥颗粒之间的间距短，使高温养护条件下水化产物不均匀分布程度降低，后期强度增长速率所受影响较小。

2.3 收缩变化

如图10所示，为4周标养+91日风箱干燥与1周标养+91日风箱干燥的混凝土试块收缩变化。经过4周标养各混凝土的91日材龄长度变化为150×10-6～300×10-6的范围内，而1周表养的混凝土试块的长度变化则为300×10-6～400×10-6的范围内。而且混入高炉矿渣的混凝土试块其长度变化差值最大。

原因分析：矿渣微粉在混凝土及其制品中起到了微观填充的作用，同时矿渣微粉中的活性组份Al2O3与水泥中的Ca（OH）2、SO3生成鈣钒石，钙钒石具有一定的微膨胀作用，可以补偿制品的化学干缩，从而提高制品的密实性和抗渗性。因此可断定，水养时间越长，就更能发挥高炉矿渣的水硬性，高炉矿渣置换率越高其内部也越致密，收缩变化就越小。[3][4]

2.4 绝热温度上升

如图11所示各混凝土在经约35～40小时左右达到其最高温度，之后内部温度开始下降，各混凝土之间的温度差也日趋变小。如图12所示，添加高炉矿渣的混凝凝土中心温度与单纯添加硅粉的混凝土相比较，其中中心温度有近15℃的温差。

原因分析：由于高炉矿渣颗粒绩效[4]，与水接触后期中的Ca+水中的H+发生快速反应并与矿渣中的Si形成-Si-OH，Si（4OH），水被吸附在这种胶体上，从而减少了水泥水化所需要水含量，亦导致水化过程中水泥量减少，如此一来大大降低了水化速度，从而降低了水化反应所释放出的热量。

3  结论

①虽然有报告指出混凝土中添加高炉矿渣会影响混凝土的流动性，但是本研究发现，当高炉矿渣与硅粉双掺时混凝土的流动性虽受到影响，但依旧处于一种良好的状态下，仍适用于低水胶比的高强度混凝土。

②硅粉和高炉矿渣双掺混凝土虽然前期强度较硅粉混凝土低，但是随着材龄递增，后期强度的增进值得期待。

③添加高炉矿渣的混凝土由于内部组织更趋密实，从而混凝土的收缩明显改善。

④适量添加高炉矿渣可使混凝土有利于避免温差裂缝，养护条件能够得到保证的前提下，掺矿粉混凝土适宜用于低水胶比混凝土工程。

参考文献：

[1]渡部嗣道，岡村一臣.シリカフューム·高炉スラグ微粉末を使用したコンクリートの諸特性，1990，12（1）：99-106.

[2]郭度連ほか.高炉スラグ微粉末を用いたコンクリートの内部組識の形成に及ぼす置換率の影響，コンクリート工学年次論文集，2004，26（1）：783-788.

[3]谭克峰，刘涛.早起高温养护队混凝土抗压强度的影响[J].建筑材料学报，2006，9（4）：473-476.

[4]宇部三菱セメント株式会社.シリカフュームセメント技術資料（第5版），2008，4.