硅灰对混凝土性能影响的研究进展

摘要:混凝土的性能受各种因素的影响，尤其是具有活性的硅灰的加入，能很好的改进其性能并延长了其使用寿命，提高了工程质量。本文综述了硅灰及含有硅灰的混合掺料对混凝土耐久性与力学性能的影响，并展望了硅灰对改进混凝土性能的研究前景。

关键词:硅灰;混凝土;耐久性;力学性能

1引言

硅灰是硅铁合金厂和金属厂冶炼硅铁合金或金属硅时从烟尘中收集的一种飞灰。硅灰的年产量较大，若不能合理利用，直接排放到环境中，将对环境造成重大污染。因此近几年，硅灰的回收与利用，将硅灰变废为宝受到材料研究者的广泛关注。

混凝土是由胶凝材料，水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。由于其具有良好的性能，且原料丰富，价格低廉已成为用途广并且主要的土木工程材料之一。在我国，通常将硅灰作为掺合料用于混凝土工业中，一方面可节约水泥熟料，降低混凝土的生产成本，有效减少环境污染，保护环境，另一方面硅灰具有很好的活性，能够很好的改善混凝土的性能，延长混凝土的使用寿命，提高工程质量。用硅粉配制高强混凝土的技术已相当成熟，并在挪威、日本、美国、澳大利亚等许多地方得到普遍应用。我国在上海等地区的越江隧道和房屋建筑中也已成功的应用了硅粉配制高强度混凝土，有的预制构件厂已用这种混凝土生产高强混凝土制品。付亚伟等研究认为，在混凝土中加入硅灰(5%～10%)能提高混凝土的流动性、填充性、稳定性、力学性能与耐久性，从而广泛应用于浇筑量大、浇筑深度深或浇筑高度大、钢筋密集、有特殊形状等振捣困难的混凝土结构工程中，给工程设计与施工带来极大的方便。因此，开发硅灰在混凝土中的应用，对促进节能减排、废弃物的资源化利用和保护环境、发展循环经济，以及建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的现实意义，其技术、经济、效益显著，应用前景广阔。本文综述了近几年硅灰对混凝土性能影响的研究。

2硅灰改进混凝土性能的微观机理

与普通混凝土相比，含有硅灰的混凝土的主要特点之一是更均匀的微观结构。在低水胶比时，掺入硅灰，则水泥石中的微结构主要由结晶不良的水化物，形成低孔隙率的更加致密的基质构成。随硅灰含量增加，Ca(OH)2转变为硅酸钙水化物的量增加，也就是说，水泥石中的CH含量随硅灰掺量的增大而降低。剩余的CH与不含硅灰的硅酸盐水泥相比，易于形成更细小的晶粒。在普通硅酸盐水泥中掺入硅灰，水化物中Ca/Si减小，水化物能与其他离子结合，结果使水泥石抗离子侵入和抑制碱-骨料反应的能力提高。同时掺有硅灰的混凝土能使骨料周围充满致密的无定形的C-S-H相，从而使粗料与水泥石之间的界面过渡区得到明显改善。李建权等研究了含有10%的硅灰对水泥砂浆微观结构的影响，研究发现，水化28d后的试样总孔隙率较不加硅灰的提高了8%。同时硅灰与Ca(OH)2的火山灰反应分布也很均匀，没有集中在界面区域，而主要发生在浆体的毛细结构中，这在很大程度上堵塞了浆体内部的毛细结构，降低了孔隙率，提高了试样硬化后期的强度。

3硅灰对混凝土材料性能的影响

混凝土的性能主要包括物理力学性能和耐久性。物理性能主要包括混凝土的密实度、混凝土的渗透性、混凝土的干缩与湿涨，混凝土的热性能;混凝土的力学性能主要指混凝土的强度和变形性能，其中混凝土强度分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。混凝土的耐久性指混凝土抵抗物理和化学侵蚀(如氯离子渗透、硫酸盐侵蚀、冻融等)的作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力。本文主要从混凝土的耐久性及其力学性能两方面研究分析混凝土的性能。

3．1硅灰对混凝土耐久性的影响

3．1．1硅灰对新拌混凝土性能的影响

新拌混凝土为水泥、水、集料及外加剂的混合物。新拌混凝土的性能既影响浇筑工程的质量又影响混凝土的耐久性。新拌混凝土的性能主要包括和易性和流变性。王振军研究发现硅灰能使混凝土拌合物的密实性增强，但是当硅灰的掺量达到4%以上时混凝土拌和物的黏聚性明显增加，流动性开始变差，研究表明较为合理的硅灰掺量为水泥总用量的2%。Duval等研究发现，在水灰比为0．35时，在停止搅拌后的0～50min内任何一个时间测得的坍落度都随着硅灰增加而增加。宋中南等研究发现，硅灰的掺量为6%时，混凝土的坍落度，扩展度都达到大值，即6%的硅灰能很好改进混凝土的流变性能。

3．1．2硅灰对混凝土抗渗透性的影响

混凝土材料的渗透性主要指液体和气体对其渗透的性质。抗渗性能高的混凝土，其耐久性就高，混凝土的抗渗性是表征其耐久性的一个重要指标。Song等通过硅灰对混凝土微观结构的影响理论分析与计算，提出了一种新的程序方法，很好的预测出硅灰对混凝土渗透性的影响，并通过实验验证了这一理论方法。他们计算出，在水胶比为0．4的条件下，硅灰替代比为8%到15%范围内，混凝土的渗透率几乎为零，但超过15%时，混凝土的渗透率又开始增加。通过对比不同水胶比下，硅灰对混凝土渗透性的影响，发现12%的硅灰替代比为佳硅灰替代比。与此同时硅灰的细度也会对混凝土的渗透性产生影响，如果细度增加，渗透性也会降低。另外渗透性的典型代表为氯离子的渗透性。Mohammad等研究了波斯湾的混凝土的抗渗透性发现无论水灰比为何值时，3、6、9个月的氯离子扩散率在硅灰替代比由0增加到7．5%时都显著降低，在7．5%时基本上达到小值。李凯等利用RCM法测定高性能混凝土氯离子扩散系数，对单掺硅灰和复掺粉煤灰和硅灰对混凝土抗氯离子渗透性能进行了研究。研究发现单掺硅灰的混凝土氯离子扩散系数较复掺粉煤灰和硅灰的混凝土氯离子扩散系数要小0．27×10－12m2/s，降低了25%，比不加任何掺料的混凝土降低了84%。这是因为硅灰的颗粒细度较小，比表面积大，能很好地填充到水泥浆体的空隙中，从而提高了混凝土的密实性，使得混凝土氯离子扩散系数较小，即硅灰能很好的提高混凝土的抗氯离子渗透性，增强混凝土的耐久性。

3．1．3硅灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性的影响

硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的又一重要内容，同时也是影响因素复杂、危害性大的一种环境水侵蚀。一般情况下，水灰比越小，密实度越大，硫酸盐溶液就越难侵蚀到混凝土内部，抗侵蚀能力就越强。硅灰的加入提高了混凝土的密实性，从而加强了混凝土的抗侵蚀性能。但是，不同的掺量会对混凝土抗侵蚀性产生不同的影响。Sokkary等研究了掺有硅灰的高铝水泥和普通波特兰水泥混合物的抗硫酸盐侵蚀性，研究发现当含有硅灰的高铝水泥量为15%，而普通波特兰水泥含量为85%时，其抗硫酸盐侵蚀性增强。Gzde通过测试混凝土硫酸盐扩散物的含量，研究了混凝土中添加硅灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响。以龄期为14周的测试结果为例，在Na2SO4溶液中，硅灰含量分别为0、5%、10%、15%时，混凝土硫酸盐的含量分别为0．09%、0．072%、0．06%、0．05%。即添加硅灰能显著提高混凝土抗硫酸钠溶液的侵蚀。然而在硫酸镁溶液中，硅灰含量分别为0、5%、10%、15%时，硫酸盐扩散物的含量分别为0．11%、0．083%、0．06%、0．06%，即在硅灰增加到15%时，硫酸盐扩散物的含量并没有减少。Lee等在水泥砂浆中掺入硅灰的量分别为0、5%、10%、15%，然后浸泡在5%的硫酸镁溶液中，用抗压强度损失率来评定水泥砂浆破坏程度。研究发现，随着硅灰的掺量由5%增加到15%，抗压强度的损失率不断增大，且抗压强度损失率都在40%以上，抗硫酸镁侵蚀性能逐步降低。因为硅灰代替了一部分水泥，发生了火山灰效应，减少了氢氧化钙的含量，使得镁离子更容易侵蚀混凝土内部，造成C-S-H的破坏。即硅灰并不能很好的提高抗硫酸镁侵蚀的能力。

3．1．4硅灰对混凝土抗冻融性的影响

许多水工混凝土建筑物所处环境都是正负温交替的，在使用过程中混凝土就会受到冻融循环的破坏作用而导致受冻破坏。特别是寒冷地区的水工建筑物，其混凝土抗冻性不足是造成结构破坏的主要原因，因此，解决混凝土材料的抗冻性是提高混凝土耐久性的一个重要途径。Cwirzen等测出水胶比为0．3时，56次冻融循环后，加入硅灰的混凝土表面缩放都在500g/m2以下，动态弹性模量都在90%以上，且相差不大。陈德玉等研究了硅灰和引气剂等改善再生混凝土抗冻性。实验采用5%、10%的硅灰等量替代水泥，探究硅灰对改善再生骨料混凝土抗冻性能方面的情况。研究发现，掺入硅灰的试件其相对动弹性模量下降值及下降趋势均小于对照试件(不掺硅灰)。到达300次冻融循环时，对照试件和掺入硅灰量分别为5%、10%的试件的相对动弹性模量分别为81．3%、92．1%、93．3%，同时在前100次冻融循环中，掺入硅灰的试件几乎无质量损失，在150～200次冻融循环内，质量损失才略有增加，冻融破坏比较轻微，而对照试件在100次冻融循环时质量损失已达到0．2%以上。吴泽媚等研究了硅灰对混凝土在不同浓度氯盐中抗冻性的影响，研究发现，不掺硅灰的混凝土在5%的氯盐中经过200次冻融循环后的质量损失为8．45%，相对弹性模量约为40%，而掺有硅灰的混凝土在相同条件下的质量损失不到2%，并且相对弹性模量基本不变，在90%左右。Assem等通过测试混凝土的脉冲传播速度发现在硅灰的含量由3%增加到8%时，脉冲传播速度减少率一直降低，且在210次冻融循环时，脉冲速度减少率约为15%，但当硅灰含量增加到11%时，在150次冻融循环时脉冲传播速度减少率就达到了70%以上。即硅灰改进混凝土抗冻融性的佳含量应在10%左右。

3．1．5硅灰对混凝土抗碱-集料反应的影响

碱-集料反应(alkali-aggregatereaction，AAR)是指在潮湿环境下，混凝土材料中的水泥、混合料和周围环境中的碱与集料中的活性成分在混凝土浇筑成型后若干年逐渐反应，反应生成物又吸水膨胀，从而导致混凝土膨胀开裂而失去设计性能的现象。AAR反应包括三种类型:碱-硅酸反应(ASR);碱-碳酸反应(ACR);碱-硅酸盐反应。Jan等认为硅灰作为一种高活性添加剂，在低的替代水平(8%～10%)下能很好的减少ASR扩张。于洋等利用砂浆棒快速法研究了硅灰对砂浆棒膨胀率的影响。研究发现，各掺量的硅灰均可使试样的膨胀率减小，且该膨胀率随硅灰的增加而不断下降，当硅灰掺量超过15%以后，试样14d的膨胀率小于0．10%，说明硅灰对AAR起到了很好的抑制效果。主要原因是掺入硅灰后，火山灰反应的发生，使水泥中的Ca(OH)2被大量吸收，形成了钙硅比低的C-S-H凝胶，而这样的C-S-H凝胶能呈现很强的吸收碱的能力，从而使水泥砂浆中的碱当量降低，减轻了碱对活性集料的侵蚀，抑制了碱硅酸反应引起的膨胀，从而达到了抑制AAR的效果。Andrew研究发现硅灰的聚集尺寸并不是引起ASR反应的因素，无论是大尺寸还是小尺寸，都降低了混凝土的扩张。Juenger等从硅灰的微观结构和聚集形态研究了硅灰对ASR的影响，发现只有含有烧结硅灰(聚集尺寸为150μm～4．75mm)的混凝土在14d时扩张长度变化竟然超过0．7%，不加硅灰的扩张长度变化不到0．4%，而其他聚集大小的硅灰混凝土扩张长度变化都小于不含有硅灰的，但彼此之间无明显差别。

3．2硅灰对混凝土力学性能的影响

强度是新拌混凝土硬化后的重要力学性质，也是混凝土质量控制的主要指标。研究发现，掺入硅灰能影响混凝土的强度(抗压强度，抗拉强度，弯曲强度)。Murat等认为硅灰的添加提高了混凝土的早期抗压强度，但是降低了混凝土的长期抗压强度。Tahir Gonen通过研究硅灰与粉煤灰及硅灰和粉煤灰混合物对混凝土抗压强的性能对混凝土抗压强度的影响发现，硅灰显著地提高了混凝土的抗压强度，且在28d时，混凝土的强度为72MPa。王洪等研究发现，在水胶比为0．3时，当硅灰的掺量在一定范围内(约为5%～9%)时，混凝土的抗压强度呈增长趋势。若同不掺硅灰的混凝土抗压强度对比，不管是7d还是28d的抗压强度，掺入3%的硅灰，混凝土的抗压强度基本没有变化;掺量大于9%后，混凝土的抗压强度呈下降趋势。掺入硅灰后，混凝土的劈裂抗拉强度总体同样呈增长趋势。硅灰掺量为6%时，7d、28d的，混凝土的劈裂抗拉强度比不掺硅灰的混凝土分别提高24%和16%。但当硅灰掺量超过6%后，不管是7d还是28d的劈裂抗拉强度，都开始呈下降趋势。可见在水胶比为0．3时，硅灰掺量6%左右，对提高混凝土的劈裂抗拉强度是非常有利的。Bhanja等专门研究了在水胶比从0．26变化到0．42时，硅灰独自存在对混凝土强度的影响。研究发现，硅灰对混凝土抗压性能影响的佳替代比不是一个定值，与水胶比有关，但是在15%～25%范围之内。对于劈裂抗拉强度来说，硅灰的掺入虽然增加了混凝土的劈裂抗拉强度，但是很高的硅灰替代比并不是影响劈裂抗拉强度的主要因素，并且硅灰替代比不会超过15%。并且所有的水胶比下，5%～10%的硅灰替代比都显著的提高了混凝土的劈裂抗拉性能。对于弯曲抗拉强度来说，硅灰显著提高了混凝土的弯曲抗拉强度，甚至高的硅灰替代比效果更明显，在硅灰替代比为5%、10%、15%、20%和25%下，分别计算出所有水胶比下，28d的弯曲抗拉强度的平均增长率为10．2%、14．5%、27%、31%和26．6%。由此可见硅灰替代率为20%左右时显著提高混凝土的弯曲抗拉强度。

4复合掺料对混凝土性能的影响

一种掺料的性质是单一的，将两种或两种以上的掺料混合在一起形成具有多种性质的复合掺料，也许能的改进混凝土的性能，例如:复掺粉煤灰和硅灰。硅灰属火山灰质材料，其颗粒极细(＜1μm)，且具有高度分散性，具有填充效应、火山灰效应和孔隙溶液化学效应。将矿物掺合料复掺后会产生各组分之间的物理及化学复合效应，主要表现为火山灰复合效应和微集料复合效应，对混凝土的渗透性、过渡带结构、抗裂性能等均有良好的改善作用，从而使混凝土的抗硫酸盐侵蚀作用显著改善。因此近年来许多学者探究了复合掺料对混凝土性能的影响。张笑等探究了硅灰和超塑化剂掺量对高性能混凝土强度及流动性的影响，研究发现高性能混凝土的优配比应为硅灰替代率10%，超塑化剂掺量1．1%，此时混凝土28d的抗压强度为92．7MPa，扩展度170mm。唐明等通过混料设计，研究了同一水胶比下水泥、矿渣、粉煤灰和硅灰混料因子对混凝土7、28d抗压强度和28d电通量的影响，通过多元回归分析，综合考虑，粉煤灰掺量和矿渣掺量应都为50%。周述光等研究发现粉煤灰、硅灰和引起剂复合使用时能够抑制ASR，当砂浆中只加入10%的粉煤灰，5%的硅灰时，24h后的膨胀率为0．18%，而还加有0．04%引气剂的砂浆24h后的膨胀率仅为0．08%，即三种复合时效果更明显。

5结语

由于硅灰具有良好的活性，其添加到混凝土中能很好的改进混凝土的性能。但是影响混凝土性能的因素复杂，因此很难确定一个改进混凝土综合性能的佳硅灰替代比。所以未来利用多元回归分析的方法研究硅灰对混凝土综合性能的影响，提出硅灰改进混凝土综合性能的佳替代比将成为未来的研究方向。