掺入硅灰对水泥混凝土性能的影响探析

　　摘要：为研究硅灰对水泥胶砂力学性能、干缩性能的影响，在不同水胶比下研究了不同掺量硅灰对水泥胶砂的流动性、抗压强度、抗折强度和干缩率的影响。试验结果表明，2种水胶比下水泥胶砂的跳桌流动度呈现相同变化趋势，均随着硅灰掺量提高而降低；硅灰的掺入对不同水胶比的水泥胶砂强度均有提升，0.40水胶比下，10%硅灰掺量28 d抗压和抗折强度较基准组分别提升17.7%、11.0%,0.45水胶比下，10%硅灰掺量28 d抗压和抗折强度较基准组分别提升21%和12%;硅灰的掺入会提升2种水胶比胶砂的干缩率，均随着掺量的增加而增大，水胶比为0.40时干缩率更大，水胶比为0.45时60 d干缩率较基准组提升更明显。

　　关键词：硅灰;水泥胶砂;力学性能;干燥收缩;

　　作者简介：梁荣创(1997—),男，硕士研究生，主要从事水工材料的研究。E-mail:739605077@qq.com;*孙海燕(1979—),女，副教授，主要从事水工材料的研究。E-mail:shy0474@163.com;

　　基金：云南省教育厅科学研究基金项目(2020J0241);云南农业大学科技创新创业行动基金项目(2021ZKY316);

　　Abstract：To study the effects of silica fume on the mechanical properties and drying shrinkage properties of cement mortar, we investigated the effects of silica fume content on the fluidity, compressive strength, flexural strength, and drying shrinkage rate of cement mortar under different water-binder ratios.The test results show that the jumping table fluidity of cement mortar under the two water-binder ratios follows the same change trend, that is, to decrease as the silica fume content increases.The incorporation of silica fume improves the strength of cement mortar of different water-binder ratios.Under a water-binder ratio of 0.40,a 10% silica fume increases the compressive and flexural strengths of cement mortar at 28 d by 17.7% and 11.0% respectively compared with those of the benchmark group.When the water-binder ratio is 0.45,the corresponding values are 21% and 12% respectively.The incorporation of silica fume also increases the drying shrinkage rate of the mortar in both cases, and the rate grows with the silica fume content.The drying shrinkage rate is larger when the water-binder ratio is 0.40.When the water-binder ratio is 0.45,the improvement of the drying shrinkage rate at 60 d is more obvious compared with that of the benchmark group.

　　Keyword：silica fume; cement mortar; mechanical properties; drying shrinkage;

　　硅灰因具有极高的火山灰活性，在实际的工程运用中发挥着良好的经济效益和环境效益。目前中国对硅灰的应用主要集中在混凝土和建材领域，然而因其应用起步晚，总体利用水平仍处于中低阶段[1],这成为限制硅灰产业化发展的重要因素。近年来，业界学者就硅灰对水泥混凝土性能的影响开展较多的研究。

　　李晓琴等[2]研究结果表明掺加硅灰可改善高水灰比ECC的工作性能，最优掺量为10%～15%。何鼎辉等[3]研究了矿物掺合料对水泥砂浆性能的影响，发现在4%～10%掺量内，随着硅灰掺量的增加能够改善砂浆的流动性能。对此，陈超等[4]则认为，硅灰掺量大于8%时，水泥浆体的流动性能会变差且无法搅拌均匀。丁向群等[5]通过对硅酸盐胶凝材料掺加硅灰并研究其早期抗压强度得出，0%～15%的硅灰掺量在水泥28 d龄期前对抗压强度都有提升，这与文献[3]所示的硅灰掺量提高对水泥7d力学性能有负面影响不一致。祝苗苗等[6]试验结果显示，在短龄期内，硅灰具有提升混凝土抗压强度的作用，相对低掺量的试验组，最高能提升30.4%。姚源等[7]研究显示，随着硅灰掺量的增加，混凝土的干缩值呈增加趋势，且较基准组的干缩值增加更为显着。相比之下，张昺榴等[8]研究表明硅灰对水泥砂浆的干燥收缩具有双重效应，低掺量能改善收缩，高掺量会提高收缩。

　　由此可见，有关硅灰对水泥混凝土性能的影响目前尚存有不同的观点：①硅灰的掺入是否能改善水泥浆体流动性；②硅灰的掺入是否能提升水泥基材料早龄期的强度；③硅灰的掺入对水泥基材料的干燥收缩起着怎样的作用。在上述问题基础上，对于不同水胶比，硅灰对水泥胶砂性能影响还鲜有报道。本文在2种水胶比(0.40、0.45)下，研究掺入不同掺量的硅灰(0%、5%、8%、10%、15%)对水泥胶砂流动性、力学性能和干缩性能的影响，以期为硅灰在水泥混凝土更广泛应用提供一定的依据。

　　1、试验

　　1.1 原材料

　　a)胶凝材料。水泥采用云南华新东骏水泥有限公司生产的“石林牌”P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥细度为1.02%,3 d实测抗压强度为23.28 MPa, 抗折强度为4.78 MPa; 28 d实测抗压强度为45 MPa, 抗折强度为7.91 MPa, 比表面积为347 m2/kg。硅灰采用云南石晶硅业有限公司生产的硅灰，比表面积为21 000 m2/kg。硅灰的主要化学组成见表1。细骨料采用料场堆放人工砂，细度模数2.7,含水率0.12%,松散堆积密度1 690 kg/m3,紧密堆积密度1 934 kg/m3。

　　b)外加剂。采用高性能聚羧酸减水剂，液体呈黄褐色且无沉淀。

　　c)拌和水。试验拌和用水为自来水。

表1 硅灰化学组成

　　1.2 试验配比

　　试验分别设计0.40(组别编号为A)与0.45(组别编号为B)2种水胶比，固定胶砂比为1.0∶2.5,硅灰掺量分别为0%、5%、8%、10%和15%,试验共设计10组，具体配合比见表2。

表2 水泥胶砂试验配合比

　　1.3 试验方案

　　根据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行水泥胶砂跳桌流动度的测试。根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》,采用40 mm×40 mm×160 mm的三联模成型试件，在标准条件下养护至7、28、60 d后测定试件的抗压强度和抗折强度。

　　根据JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》,采用40 mm×40 mm×160 mm的三联模成型试件。采用比长仪分别测定水泥胶砂1～7、14、28、60 d的干缩率。

　　2、试验结果与讨论

　　2.1 硅灰掺量对水泥胶砂流动度的影响

　　2种水胶比下不同硅灰掺量对水泥胶砂流动度影响的试验结果见图1。

图1 不同掺量硅灰对水泥胶砂流动度的影响

　　由图1可知，随着硅灰掺量的增加，2种水胶比下水泥胶砂的流动度均呈下降趋势，且硅灰掺量低于5%时其下降趋势较为平缓；而硅灰掺量超过5%时下降趋势较为明显。分析认为：当硅灰掺量低于5%时，由于硅灰的平均粒径很小，能够在胶凝体系中充分发挥其“填充作用”和“减水效应”[9];其次，硅灰的比表面积很大，对水分吸附作用明显，导致胶凝体系中大量自由水分被硅灰吸附，从而使水泥胶砂流动度的下降[4,10,11,12,13]。当硅灰掺量超过5%时，由于硅灰的水化活性极高，需水量明显增加，在胶凝体系中吸收水分的作用远远大于其作为填充孔隙而起到的作用，故水泥胶砂的流动度明显下降；此外，球形外观的硅灰在与水反应时容易形成絮凝结构，也在一定程度上阻碍了水泥浆体的流动，故随着硅灰掺量的增加，水泥胶砂的流动度不断下降[14]。

　　2.2 硅灰掺量对水泥胶砂力学性能的影响

　　为研究硅灰掺量、水胶比以及养护龄期对水泥胶砂力学性能的影响，试验分别对7、28、60 d龄期下水泥胶砂抗压和抗折强度进行测定，试验结果见图2、3。由图2可知，水胶比为0.40时，各组水泥胶砂的抗压和抗折强度均随养护龄期的延长而逐渐增大。在各养护龄期内，水泥胶砂强度随着硅灰掺量的增加均呈现先增长后下降的趋势，当硅灰掺量为10%时，强度提升达到峰值，对比空白组，其28 d抗压强度提升17.7%,抗折强度提升11%。

图2 0.40水胶比下硅灰掺量对水泥胶砂抗压、抗折强度的影响

　　由图3可知，水胶比为0.45时，各组水泥胶砂的抗压和抗折强度均随养护龄期延长而增大。在各养护龄期内，水泥胶砂强度则随着硅灰掺量增加而逐渐增加，当硅灰掺量为15%时强度提升达到峰值，对比空白组，其28 d抗压强度提升22%,抗折强度提升13%。

图3 0.45水胶比下硅灰掺量对水泥胶砂抗压、抗折强度的影响

　　在相同龄期内掺入硅灰使水泥胶砂强度得到提升，分析认为硅灰在胶凝体系中能够充当微集料填充水泥颗粒之间的间隙，使得胶凝体系结构变得密实，孔隙率下降，从而提升强度。另一方面，在不同养护龄期下，7～28 d龄期内强度增长率明显，28～60 d龄期内强度增长率开始下降，是由于硅灰含有大量无定型的SiO2,使其具有很高的火山灰活性，并且有着较大的比表面积和分散度，故在早龄期就能发挥作用，且随着养护龄期延长，硅灰发生“二次水化”与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶填充孔隙，提升水泥胶砂强度[15]。

　　由图2、3难以得出硅灰的最优掺量，故比较2种水胶比下10%和15%硅灰掺量的各龄期水泥胶砂强度变化以得出最优掺量，试验结果见图4。

图4 不同水胶比下硅灰掺量对水泥胶砂抗压、抗折强度的影响

　　由图4可知，各组水泥胶砂强度增幅趋势大致相同。同一水胶比下，A15在各养护龄期对水泥胶砂抗压和抗折强度的提升均低于A10,而B15则高于B10;不同水胶比下，水泥胶砂抗压和抗折强度均随养护龄期延长而增大，且水胶比越低，强度提升越大。分析认为，在0.40水胶比下，A15对比A10在各水化龄期出现强度下降的现象是由于硅灰的过量替代水泥所导致的，在水化前期硅灰就消耗胶凝体系大部分自由水，到达水化后期，没有足够的水分参与反应导致水化不充分，没能充分反应的硅灰更多是充当微集料填充孔隙，故0.40水胶比下硅灰最佳掺量为10%。而在0.45水胶比下，B15尽管掺入过量的硅灰，但因其水胶比大于A15,即使在水化前期硅灰的高活性吸收消耗大部分的自由水，胶凝体系中仍有足够的水分进行水化反应以保证水化后期的强度提升；而B15对比B10虽然抗压和抗折强度在各水化龄期均有提升，但提升幅度很小甚至持平，出于经济性的考虑，认为0.45水胶比下硅灰的最佳掺量为10%。

　　2.3 硅灰掺量对水泥胶砂干缩性能的影响

　　为研究硅灰掺量、水胶比以及龄期对水泥胶砂干缩性能的影响，试验分别对1～7、14、28、60 d龄期下水泥胶砂干缩率进行测定，具体的试验结果见图5。

图5 不同水胶比下硅灰掺量对水泥胶砂干缩率的影响

　　由图5可知，2种水胶比下，随干缩试验龄期的延长，水泥胶砂干缩率增长趋势大致相同，在7 d内快速增长，7～60 d平稳增长，各组掺硅灰的水泥胶砂7 d干缩率约占60 d干缩率的87%～91%;随着硅灰掺量的增加，对比基准组，各组水泥胶砂干缩率逐渐增加，2种水胶比的水泥胶砂均在15%硅灰掺量时干缩率提升最大。由图6还可以看出，同一掺量下，0.40水胶比的水泥胶砂较0.45水胶比的各组胶砂干缩率更大，以15%硅灰掺量为例，A15的60 d干缩值为1 796 μm/m, 而B15的60 d干缩值为1 303 μm/m; 0.45水胶比的各组胶砂60 d的干缩率较基准组提升幅度比0.40水胶比的更大，其中A15和B15的60 d干缩率较基准组分别提升32.8%、43.8%。

　　分析认为，随干缩试验龄期的延长，由于硅灰的“二次水化”效应，在早龄期它会消耗胶砂内部大量的自由水，使胶砂的干缩率快速增长；到达后期，由于硅灰的掺入使胶砂结构更为密实，水分不易散失，干缩率增长趋于平稳。另一方面，随着硅灰掺量的增加，硅灰的填充作用减少了总孔隙率但毛细孔增多，使毛细管张力增加，造成干缩率增大[16]。在同一掺量下，水胶比低的胶砂由于体系中自由水相对较少，而硅灰需水量极大，造成胶砂内部水分蒸发加快，从而干缩率相对更大；水胶比高的胶砂中自由水相对较多，为硅灰提供了较好的水化环境，能与Ca(OH)2反应生成更多的C-S-H凝胶且具有较多的细孔[17],导致内部水分有更多孔通道向外界散失，造成干缩率较基准组提升更为明显。

　　3、结论与展望

　　a)随硅灰掺量的增加，2种水胶比下水泥胶砂的跳桌流动度均呈现逐渐下降的变化趋势，其中硅灰掺量为5%时，流动度下降趋势较为平缓；当其掺量超过5%后，流动度降低幅度开始变得明显。

　　b)在2种水胶比下，不同水化龄期掺有硅灰的水泥胶砂抗压和抗折强度均比基准组高，且硅灰的掺入能在水化早期充分发挥作用，提升强度；出于增效性能和经济性的综合考虑，认为硅灰的最佳掺量为10%。

　　c)水泥胶砂干缩率在7 d内增长速度较快，而在7～60 d时增幅开始趋于平缓。随着硅灰掺量增加，胶砂的干缩率逐渐增大；2种水胶比下，水胶比较小的胶砂干缩率更大，而水胶比较大的胶砂，60 d的干缩率较基准组提升更为明显。

　　d)硅灰在混凝土领域的应用能响应国家绿色环保的倡导，实现变“废”为宝、资源循环利用；而本次试验中硅灰对胶砂水化早期强度有较大的提升，可为硅灰在速凝混凝土的应用提供一定的设计依据，而具体试验结果仍有待论证。

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