硅灰对水泥胶砂抗折抗压强度的影响

赵新星， 扈惠敏

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

水泥作为一般混凝土的胶凝材料，因为其自身较高的抗压强度、良好的耐久性和低廉的价格，在工程中被广泛使用。水泥混凝土是应用最频繁的建筑材料之一，但随着经济高速发展，水泥使用量逐渐增加，能源消耗增加，对环境破坏越来越严重，不利于持续发展。如今，混凝土中的胶凝材料已经不仅仅只有水泥，还可以掺有硅灰、粉煤灰等物质，且掺量有逐渐增加的趋势。硅灰，本质上是一种大工业冶炼中的副产物，其主要成分为SiO2，粒径范围为纳米级，比表面积大，活性高[1]。由于在水泥混凝土中掺入适量的硅灰，可提高混凝土的多种性能，如今越来越多的硅灰作为外掺剂被加入水泥混凝土中以提升性能。由于不同硅灰之间SiO2含量及粒径大小有差异，其对胶凝材料体系的影响也不尽相同[2,3]。

通过水泥胶砂试验探究硅灰对胶砂抗折抗压强度的影响，以选择合理的硅灰及掺量搭配，非常简便有效。姜博等[4]通过内掺法测定掺硅灰的水泥胶砂强度，结果显示8%硅灰掺量时试件的7 d和28 d抗折抗压强度均最高；叶东忠[5,6]测定了3 d、7 d、28vd、180 d的水泥胶砂试件抗折抗压强度，除3 d、7 d试件的抗折抗压强度比不掺有所下降外，在8%掺量下28 d、180 d的抗折抗压强度均提升且是最佳掺量。

1 试验方法

参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)中《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(T 0506-2005)进行。本试验选用了3种不同的硅灰作为掺合料，分别用外掺和内掺的方法得到相应的水泥胶砂试件(掺量均为8%)，另有一组不掺硅灰的标准水泥胶砂试件作为对照组进行比较，每种掺量制作3个试件。

1.1 试验设备

胶砂搅拌机；振实台；试模；抗折试验机和抗折夹具；抗压试验机和抗压夹具。

1.2 试验材料

水泥：安徽长丰海螺水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。

标准砂：厦门艾斯欧标准砂有限公司按照GB/T 17671-1999生产的标准砂。

水：普通自来水。

硅灰：选用的3种硅灰的产地及颜色见表1。

表1 试验所用硅灰颜色及产地

1.3 试件养护

试件完成24 h后脱模，随即放入内部温度为20 ℃、湿度为98%的标准养护箱内养护。

2 试验结果及分析

试件成型7 d(28 d)后，用抗折抗压试验机测得各试件抗折抗压强度。

2.1 试验数据

各试件的抗折抗压强度见表2和表3。

表2 掺不同硅灰的水泥胶砂试件抗折强度

表3 掺不同硅灰的水泥胶砂试件抗压强度

为给出直观的对比效果，绘出试件的28 d抗折抗压强度折线图，如图1、图2所示。

图1 试件28 d抗折强度对比图

图2 试件28 d抗压强度对比图

2.2 结果分析

(1)内掺的情况下，所有硅灰的7 d抗折强度均小于不掺硅灰的对照组，且只有掺2#硅灰的试件28 d抗折强度能够超过对照组；所有硅灰的7 d抗压强度与28 d抗压强度均大于不掺硅灰的对照组，28 d抗压强度更是提升明显，以2#最为显著。这说明，用硅灰等量替代水泥不利于水泥胶砂早期强度的形成，且只有部分硅灰能够提升28 d的抗折强度；而硅灰可以明显改善水泥胶砂的抗压性能，对早期抗压强度形成也有帮助。

(2)外掺的情况下，除了3#硅灰，其余硅灰的添加均能明显提升试件的抗折强度；所有硅灰外掺的试件抗压强度均得到显著提高，2#硅灰对试件28 d抗折抗压强度的提升均是最高。因此，外掺适量硅灰能够帮助试件提升抗折抗压强度。

(3)综合各硅灰内外掺抗折抗压强度的数据，2#硅灰形成的试件强度最好，其次是1#，在生产中可考虑适量加入2#硅灰替代水泥。

3 机制分析

水泥胶砂的强度与其物相组成及孔结构特征有关。从图1、图2可以看出，硅灰的掺加使水泥胶砂的的抗压强度得到极大提高，抗折强度也能得到一定提高。产生这种结果的原因主要有两方面。

(1)水泥的水化产物中，高碱性水化硅酸钙以及Ca(OH)2的强度较低。而硅灰中含有大量活性SiO2，在水泥胶砂中掺入硅灰能与水泥水化时析出的Ca(OH)2发成2次反应，生成的低碱性水化硅酸钙和水化铝酸钙具有胶凝性，所以能够提高水泥胶砂的强度[7]，这是化学反应方面的原因。

(2)硅灰颗粒粒径较小，普通硅酸盐水泥的比表面积为350～400 m2/kg，而通过氮吸附试验测得三种硅灰样品的比表面积均在2 000 m2/kg以上，硅灰颗粒能够对孔隙进行填充，在水泥胶砂中加入硅灰，水泥颗粒与硅灰颗粒就像混凝土中的粗细集料，能够形成微观层面的合适的级配体系，使整体更加密实，同时又因为硅灰具有良好的分散作用，所以加入适量的硅灰能够改善水泥胶砂的性能。

使用钨灯丝扫描电子显微镜(SEM)观测几种硅灰样品，得到了放大倍数为3 000的微观形态，如图3所示1#、3#硅灰形态相似，呈团状，而2#硅灰有显著差异，分布更加分散，这种现象可能是2#硅灰性能更加良好的原因。

a.1#

b.2#

4 结 论

(1)硅灰不利于水泥胶砂早期强度的形成，对于抗折强度提升不明显，但能明显改善试件的抗压性能。因此对水泥混凝土抗压强度要求高时可以考虑掺加硅灰。

(2)在选用的几种硅灰中，只有掺加2#硅灰的试件抗折强度不受减弱，抗压强度提升也最为显著，综合来看性能最好，在工程中可以适量使用此种硅灰替代水泥来降低成本，提升强度。

(3)今后可以继续探究硅灰对水泥胶砂的作用机理，通过一些微观观察与测试研究硅灰对水泥胶砂作用的规律，同时将来利用试验结合多种数据分析方法，更全面地分析硅灰对混凝土性能的影响，寻找外掺剂的最佳比例以及相对应的水灰比等条件是未来的一个研究方向；在生产工程中，为满足水泥混凝土强度或者成本控制的要求，探寻合适的硅灰种类和掺量对实现目标也有十分积极的意义。