硅微粉对混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期) N u mb e r 6 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERlAL AND ADMI NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 3 1 硅微粉对混凝土性能的影响 雷文晗 ，彭小芹 ，谢 永江 ， ( 1 重庆大学 材料科学与工程学院 ，重庆 4 0 0 0 4 4 ；2 李化建 ，易忠来 ，谭盐宾 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所 ，北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要 ： 为开发一种新型矿物掺合料 ， 以硅微粉为研究对象 ， 系统研究 了硅微粉混凝土的力学性能 、 耐久性能 ( 抗氯离子渗透性 、 抗冻性 ) 及其热物理性能 。 研究结果表 明： 硅微粉与粉煤灰 复掺 4 0 时 ， 其中硅微粉 掺量在 2 0 以内 ， 混凝土 2 8 d强度可以达到 4 0MP a以上 ， 硅微 粉的掺人可提高混凝土的抗氯离子渗透性与抗冻性能， 显著降低了混凝土的早期放热峰值与水化放热速率， 从而有效地降低混凝土温度 开裂敏感性 ， 因此 ， 硅微粉是一种具有 良好应用前景的新型矿物掺合料。 关键词 ： 硅微粉 ；混凝土 ；力学性能 ；耐久性 ；水化热 中图分类号： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 1 0 0 0 2 I nf l ue nc e of s i l i c a powde r on t h e pr o per t i e s of c onc r e t e L E I We n b a n ， P E NGXi a o q n ， XI EY o n g -j i a n g ， L I Hu a - j i a n ， YI Z h o n g l a i ， T ANY a h - b i n ( 1 C o l l e g e o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， C h o n g q i n gU n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g4 0 0 0 4 5 ， Ch i n a ； 2 R a i l w a yE n g i n e e ri n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ， Ch i n a Ac a d e myo f R a i l w a y S c i e n c e ， B e ij i n g1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： F o rt h e d e v e l o p me n t o f an e w t y p e of mi ne r a l a d mi x t u r e， s t u d yt h ei n fl ue n c e s o fa d d i t i o n o f s i l i c a p o wd e r o nme c h a ni c a l p r o p e ai e s ， d u r a b i l i t y p r o p e i e s ( c h l o ri d e d i f f u s i v i t i e s ， fr e e z i n g r e s i s t a n c e ) a n d p e r f o r manc e o f h y d r mi o n h e a t o f c o n c r e t e T e s t r e s u l t s i n d i c a t e t h att h e 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a c h i e v e a b o v e 4 0 M P a wh e n 40 of t h e c e me n t mate r i a l i s s i l i c a p o wd e r a n d fl y a s h， a n d t h e c o n t e n t o f s i l i c a p o wd e r i s n o t mo r e than 2 0 Th e c h l o rid e d i f f u s i v i t i e s ， fr e e z i n g r e s i s t an c e o fc o nc r e t e C an b e o b v i o u s l y i mp r o v e d By a dd i n g s i l i c a p o wd e r c a n o b v i o u s l y r e d u c e t h e e arl y e x o t h e r mi c p e a k a n d e a r l y s p e e d of h y d r a t i o n h e at， S O t h i s C an e ffe c t i v e l y r e d u c e t h e s e n s i t i v i t y o f c o n c r e t e c r a c k i n g Th e r e f o r e， s i l i c a p o wd e r i s a g o o d p r o s p e c t f o r n e w mi n e r a l a d mi x t u r e s Key w or ds ： s i l i c ap o wd e r ； c o n c r e t e ； m e c h an i c a l p r o p e r t i e s ； d u r a b i l i t y； h e a t o f h y d r a t i o n 0 引言 矿物掺合料已成为现代混凝土中必不可少的组分 ， 人们对 于粉煤灰 、 矿粉等为代表 的矿物掺合料对混凝土性能 的改善 已 达成共 识【 l J 。 我国基础工 程( 高速铁路 、 南水北 调工程 、 核 电站 等) 的大规模建设， 对混凝土需求量巨大， 导致矿物掺合料资源 严重短缺， 为了实现就地取材， 充分利用当地资源， 研究开发新 且产量较大 ， 具有 良好的应用前景。 本研究 以硅微粉为掺合料 ， 以粉煤灰作为对 比掺合料 ， 系统研 究了硅微粉对混凝土力学性 能 、 耐 久性能和热物理性能的影响 。 1 试 验 1 1 原材料 水 泥 ： 北京 金隅集团生产的 P 0 4 2 5级水泥 ， 其性能指标 型矿物掺合料具有十分重要的意义。 硅微粉主要由天然粉石英 见表 1 。 矿经破碎、 粉磨等工艺制备而成， 由于其原材料分布十分广泛， 粉煤灰： 山东聊城电厂 I 级灰， 其性能指标见表 2 。 表 1 水泥性能指标 硅微粉 ： 重庆锦艺硅材料有限公司生产的硅微粉； 采用英 国马尔文仪器公司生产的 Ma s t e r s i z e r 2 0 0 0激光粒度分析仪分 析硅微粉的粒度分布 ， 其性能指标见表 2 ， 粒度特征值见表 3 。 细骨料 ： 河砂 ， 细度模数 2 8 ， 区中砂 。 粗骨料 ： 由粒径 5 1 0 m n l 和 5 2 0 mt n 的碎石组成连续级配。 外加剂： 天津雍阳减水剂厂生产的聚羧酸减水剂 ， 减水率 27 。 水 ： 自来水 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - l 2 一 o 4 基金项 目：铁道部科技开发计划项 目( 2 0 0 8 G0 3 1 - N； 2 0 1 0 G 0 2 9 一 B) 】 00 表 2 主要掺合料化学成分与物理性 能 材料名称 需水量 比S i O 烧失量S O， CI 一 碱含量 f - C a O Mg O 1 2配合 比 混凝土坍落度控制在( 2 0 0 +_ 2 0 ) i n l n ， 含气量 2 4 ， 试验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3硅微粉的粒度特征p m 所用配合 比如表 4所示 ， 胶凝材料组 成见表 5 。 表 4 试验配合比 强度 胶材总量 砂 小石( 5 1 0 ram) 大石( 5 2 0 mm) 水 减水剂 等级 ( k g m ) ( k g m ) “ k g m ) ( k m ) ( k g m ) ( k g m ) 1 3试 验 方 法 混凝土抗 强度试验按 G B T 5 0 0 8 l 一2 0 ( 】 2 普通混凝土力 学性 能试 验方法标准 进 行 ； 混凝 土抗 氯离子渗透性与抗 冻性 试验按照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性 能 试验 方法标准 进行 ； 胶凝材料水化热试验采用 T AM AI R水泥 水化热分析仪测试。 2 试验结果与讨论 2 i 硅微粉对混凝土力学性能的影响 硅徽粉掺量对混凝土抗压强度的影响如图 1 所示 ， 混凝土抗 压强度随着龄期的增加而增加 ， 掺合料混凝土 2 8 d抗压强度皆小 于纯水泥混凝土 ， 2 8 d以后 ， 掺有硅微粉与粉煤灰的混凝土强度虽 然增幅较大， 但仍低于纯水泥混凝土 ， 当硅微粉掺量为 1 、 粉煤 灰掺量为 3 O 时， 混凝土 5 6 d强度 与纯水泥混凝土相 当， 且大于 掺 4 粉煤灰的混凝土强度。 当硅微粉掺量在 2 0 以内时， 混凝土 2 8 d 强度都达到4 0 MP a 以上， 而9 0 d强度都达到 5 0 MP a 以上。 硅微粉粒径对混凝土 力学性能的影响如图 2所示 ， 掺入硅 微粉 C的混凝土后期强度比其他两组高 ， 原 因可能是硅微粉 C 颗粒最细 ， 在混凝土中能更好 的发挥其“ 微集料效应” 【 2 】 ， 混凝土 结构较其他两组密文 ， 提高了其抗压强度。 2 - 2 硅微粉 对混凝 土耐 久性 能 的影 2 2 1 硅做粉对混凝土电通量的影 响 电通量法是评价混凝土抵抗氯 离子侵蚀 性能 的一 种重要 试验方法 。 混凝 土电通量越大 ， 其抵抗氯离子侵蚀性能就越差 。 由图 3 、 4可矢 ， 与纯 水泥混凝土相 比， 硅微粉 与粉煤灰 的掺入 明 的降低了混凝土的 2 8 d电通量值 ， 这表明粉煤灰与硅微粉 的掺入可提高混凝 土的密实性 ， 从而有利于混凝土的抗氯离子 渗透性能 ， 由冈 4可知 ， 随着硅微粉取代粉煤灰量 的增加 ， 混凝 土的电通量也逐渐增加， 硅微粉取代 3 0 粉煤灰时， 这种现 象更加 明显 ， 原周是 由于粉煤灰作 为一种活性矿物掺合料 ， 其 在混凝土 中发生二次水化反应 ， 与水泥水化生成的 C a ( OH) 反 应 ， 消耗 了混凝 土内部 的 C a ( OH) ， 改善 了混凝 土内部结构 ， 提 龄期 d 龄期， d 硅微粉粒径对混凝抗压 强度的影响 1 2 3 4 5 硅微粉粒径对混凝土电通量 的影响 1 2 6 4 7 。 图 4 硅微粉掺量对混凝土电通量 的影响 高混凝土 的密实性 ， 阻断可能形成 的渗透通 道 ， 降低 了混凝土 的孑 L 隙率3 1 。 而硅微粉活性远低 于粉煤灰 ， 它与粉煤灰相 比， 参 与水化反应 的组分远少于粉煤灰 ， 在混凝 土内部主要起“ 微集 料作用” 。 所 以硅微粉掺量应该有 其最大掺量限值 ， 因此 ， 硅微 粉掺量不宜过大， 并 与其他活性矿物掺合料复掺效果较好。 2 2 I 2 硅微粉对混凝土抗冻性的影响 混凝土受到冻融循环的作用后 ， 会 出现两种形式 的劣化 ， 即 剥落与 内部微裂纹 ， 导致混凝土质量及其动弹模在冻融前后发 生变化4 。 图 5 、 6为硅微粉对混凝土抗冻性 的影 响， 由图可知 ， 4组混凝土都已满足混凝土 3 0 0次冻融要求， 从图中可以看出， 与单掺粉煤灰相 比， 3 组 掺有 不同粒径硅微粉 的混凝 土试 件质 量损失率均未超过 5 ， 相对动弹性模量均大于 9 0 ， 说明无论 从质量损失率还是从相对 动弹模 的变化来看 ， 硅微粉的掺入都 下转第 1 O 7页 l 0l 0 3 0 2 O 5 O 5 日O 5 O 5 靴 图如 嘲 熠 u 咖 暇 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 进行 f 密实徽膨胀钢管混凝土配合比的没计 ， 计算虽复杂， 但所确 定的理论配合比基本能达到使用要求 ， 仅需较小的试验调整。 ( 3 ) 超声波技 术能有效检测 、 鉴定 自密实微膨胀钢管混凝土 的内部质量 采用首波声时法相对一般混凝土缺陷检测方法 ， 不仅 省时高效 ， 且精确度也有一定的提高。 所检测的钢管混凝土内部严 密充实 、 混凝土与钢管管壁胶结 良好 无空洞和冷接缝等缺陷。 参考文献 ： 【 1 1王存江 ， 刘晏斌 ， 冯希民 京张高速公路周 家沟 I 号桥钢管拱施工技 术l J Il 铁道标准设计 ， 2 0 0 1 ( 4 ) 上接第 1 O 1页 循环 次数 图 5 硅微粉混凝土动弹模与冻融次数的关 系 循 环 次 数 图 6 硅微粉 混凝土重量损 失率与冻融次数 的关 系 明 的提高了混凝土的抗冻性。 2 3 硅 微粉 对胶 凝 材料水化 放热性 能的影 响 胶凝材料水化过程中放出的热量会导致混凝土温度升高， 在 大体积混凝土结构中， 南于混凝土的导热性能差 ， 水泥水化产生的 热量聚集在结构物内部长期不易散失。 此 ， 在大体积混凝土中易 形成较大的温差和温度应力， 导致混凝土产生温度裂缝 ， 给T程带 来不同干 旱 度的危害 ， 闪此抑制胶凝材f 4 z k 化放热十分重要。 7 , 8 为不同掺合料的水化热与放热速率抽线 试验结果表明： 与纯水泥浆体相比， 粉煤灰 与 硅微粉的掺入使水泥浆体水化热与 其水化放热曲线皆有不同程度的下降。 表明这两种掺合料都具有 降低水泥水化放热量与放热速率的作用。 与粉煤灰相比， 掺有硅 微粉的水泥浆体放热最大速率以及放热量皆有大幅度下降， 其原凶 是粉煤灰可以与通过液* H Jo 散到粉煤灰球形玻璃体的表面的水泥 水化产物氢氧化钙逐渐发生化学吸附和侵蚀， 并生成水化硅酸钙和 水化铝酸钙 因此， 粉煤灰 J 以发挥其火山灰效应、 形态效应和徽 集料效应 ， j者相互叠加 不断推进水化进程 ， 掺合料活性得到逐 步激发 5 】 。 陶 7 、 8 证实了硅微粉极少参与水化反应 ， 是一种惰性材 料， 在混凝土结构体系巾主要起到“ 微集料效应” 与“ 形态效应” j 【 2 】 陈宝春钢管混凝土拱桥设计与施IN 北京： 人民交通出版社， 1 9 9 9 【 3 】路来军 复合掺合料配制高性能混凝土的研究l J 】 中国水泥 ， 2 0 0 6 ( 7 ) 4 7 - 4 9 【 4 】吴中伟 ， 廉慧珍 高性能混凝土【 M】 京 ： 中国铁道出版社 ， 1 9 9 9 【 5 】赵筠启 密买混凝土的研究与应用 J I 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 9 - 1 7 f 6 1 C E C S 2 1 ： 2 0 0 0 ， 超声波检测混凝土缺陷技术规程【 S 】 作者简介 ： 曹现强( 1 9 7 0 一 ) ， 男 ， 本科 ， 工程技术应用研究员 ， 建材与制 品专业。 联系地址： 山乐省日照币、济南路2 6 9 号 5 2 8 室( 2 7 6 8 2 6 ) 联系电话 ： 0 6 3 3 8 8 9 9 3 6 3 龄期 II 图 7 掺合料对水泥水化热的影响 龄 期 d 图 8 掺合料对水泥水化放热速率的影响 3结 论 ( 1 ) 硅微粉 粉煤灰复掺具有较好的协同效应， 当硅微粉 掺量为 1 0 、 粉煤灰掺量为 3 0 时， 混凝土抗压强度 与纯水泥 混凝土卡 玎 当， 而高于单掺 4 0 粉煤厌的混凝土 ( 2 ) 与纯水泥混凝土 相比， 硅微粉 与粉煤灰 复掺可 以明显 降低混凝土电通量， 并且电通量随着硅微粉粒度的降低而降低 ( 3 ) 硅微粉的掺人可以有效降低浆体的最大放热量与最大放 热速率 ， 从而减少混凝土内部温度应力， 降低混凝土开裂敏感性 。 参考文献 ： 【 l 】赵 国堂 ， 李化建 高速铁路高性能混凝土应用管理技术l Ml E 京 ： 中 国铁道出版社 ， 2 0 0 9 【 2 阎 培渝 ， 张庆欢 含有活性或惰性掺合料 的复合 胶凝材料硬化浆体 的微观结构特征l J I 硅酸盐学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 2 ) ： 1 4 9 1 1 4 9 6 【 3 】游有鲲 ， 缪昌文 粉煤 灰高性 能混凝土抗冻性研究 J I _混 凝土与水泥 制品， 2 【 M x 】 ( 5 ) ： l 4 一l 5 f 4 刘辉 高掺量粉煤灰 高性能混凝土提及稳定性及耐久性的影响l J l l 铁道建筑 ， 2 0 1 O ( 6 ) ： 2 4 2 7 程智清， 林星平， 等 粉煤灰与磷矿渣对水泥水化热及胶砂强度的影 0 NJ 水利水电科技进展， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 4 ) ： 5 5 6 2 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 雷文晗 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向： 建筑材 料。 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 2 1 1 室( 1 O 0 O 8 1 ) Ol 0 5l 8 7 41 8 3 1 O7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m