硅灰自密实高性能道面混凝土性能研究.pdf

l 4 4 建 筑 技 术 A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第 4 2卷第 2期 2 0 1 1 年 2月 Vo 1 4 2 No 2 F e b 2 01 1 硅灰 自密实高性能道面混凝土性能研究 魏 铮，蔡 良才，付亚伟 ( 空军工程大学工程学院 ， 7 1 0 0 3 8 ， 西安 ) 摘 要 ：针对机场道面混凝土的技术要求和 自密实混凝土的特点 ， 通过掺入优质硅灰和高效减水剂， 配制 出了适用于道面工程 的自密实高性 能道面混凝土 ， 并对硅灰 自密实道面混凝土的工作性 、 力学性 能和抗冻耐久 性进行了试验研究 ， 探讨硅灰对混凝土性能改善的机理 。结果表明 ： 硅灰 的掺入显著提高了混凝土的工作性 、 力 学性能与抗冻耐久性 ， 硅灰自密实道面混凝土综合性能优异， 满足机场道面混凝土各项功能要求。 关键词 ： 硅灰 ； 自密实混凝土 ； 工作性； 力学性能； 抗冻耐久性 中图分类号 ： T U 5 2 8 3 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 1 ) O 2 0 l 4 4 一 O 3 PRoPERT oF S CA FU=I江E S ELF CoM PACTD G m GH PERF0RM_ANCE 队 VEM匝NT CoNCRETE W El Zh en g，CAJ L ian g - c ai ，FU Ya -wei ( E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，A i r F o r c e E n g i n e e r n g U n i v e r s i t y ，7 1 0 0 3 8 ， Xi a n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ai mi n g a t t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s o f a i r p o r t p a v e me n t c o n c r e t e a nd p r o p e r t i e s of s e l f -c o mp a c t i n g c o n c r e t e ，s e l f - c o mp a c t i n g h i g h p e rf o r ma n c e p a v e m e n t c o n c r e t e( S C H P C )f o r p a v e me n t p r o j e c t s w a s e o n f e c t e d mi x i n g s i l i c a f u me a n d wa t e r r e d u c i n g a g e n t ，wo r k a b i l i t y ，me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d f r e e z e r e s i s t a n c e d u r a b i l i t y o f S CHP C we r e t e s t e d ，a n d me c h a n i s m o f s i l i c a f u me o n S CHP C p e r f o r ma n c e s wa s a l s o analy z e dRe s u l t s s h o w t h a t wo r k a b i l i t y ，me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d f r e e z e r e s i s t a n c e d u r a b i l i t y o f S CHP C c a n b e i mp r o v e d ma r k e d l y b y mi x i n g s i l i c a f u me ， t h e p e rf o r ma n c e s o f S CHP C a r e e x c e l l e n t an d me e t f u n c t i o n al r e q u i r e me n t s o f a i r p o r t pa v emen t c o nc r e t e Ke y wo r d s ： s i l i c a f u me ； s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e ； wo r k a b i l i t y ； me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； f r e e z e r e s i s t a n c e d u r a b i l i t y 随 着高性能 混凝土技术 在我 国的大力 推广 ，人们 已经意识到矿物掺合料的使用不仅仅可取代水泥 、 节 约能源以及减少环境污染 ，它已经成为对混凝土改性 的一种重要组分， 被誉为高性能混凝土的“ 第六组分” 。 目前， 国内外广泛使用的矿物掺合料主要有粉煤灰 、 矿 渣和硅灰 。 硅灰 ( S i l i c a F l l m ) 又称凝聚硅或硅粉 。 是硅铁或 金属硅在生产过程中由电弧炉中的高纯石英、焦炭和 木屑还原产生的副产品。硅灰能显著改善混凝土的性 能， 尤其对混凝土的流变性 、 强度 、 耐久性 、 稳定性和触 变性等有较大的改善与提高1 2 1 。 欧洲首先将硅灰应用于 混凝土。在美国硅灰在混凝土中的商业化应用已有近 3 0 年的历史 ， 硅粉的市场化工作也进行了2 0 多年 。 在此 期间， 硅粉吸引了全球众多研究人员的注意力。 硅灰已 成为 多种混凝 土的必要组 成成分 ，在混凝 土 工程 中大 量应 用。 机场混凝土道面置于自然环境下长期承受着以 飞机为主的加载和卸载作用，要求道面混凝土具有足 收稿 日期 ： 2 0 1 0 一 l l 一 2 9 作者简介 ： 魏铮 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 湖北孝感人， 助理工程师， 助理员 ， 硕士研究 生， 主要研究方向为机场施工与材料等 ， ma i l ： d a v i d i 1 0 5 s i n a c o m 够的物理力学性能 与耐久性 。自密实混凝土 ( S e l f C o mp a c t i n g C o n c r e t e ， 简称为S C C ) 因其良好的工作性 、 力学性能与耐久性 ，广泛应用于浇筑量大、振捣强度 大 、 匀质性要求高的混凝土结构工程中。 自密实混凝土 对工作性有着特殊的要求，最主要的是要解决高流动 性与高稳定性之间的矛盾 3 - 5 1 。 因此 。针对机场道面混凝土的技术要求和 自密实 混凝土的特点，通过在普通水泥混凝土中掺入优质硅 灰和外加剂 ， 配制自密实高性能道面混凝土 ， 使其具有 良好 的物理 力学性能 与耐久性 能 。这 样不仅 能够减 少 水泥的用量， 充分利用工业废渣 ， 减小废弃物对环境的 影响 ， 实现混凝土发展与环境的协调与可持续发展 还 能大大提高道面的综合性能， 延长道面的使用寿命 ， 对 发展“ 低维护、 长寿命” 的机场道面 ， 具有重要的社会和 经 济意 义 l 硅灰的性能 1 1 硅灰 的物理 性能 硅灰是硅铁合金厂在冶炼硅铁合金或金属硅时从 烟尘中收集的超细粉末。硅灰颜色在浅灰色与深灰色 之间， 密度Y J 2 2 g c m 左右， 比水泥要轻得多， 与粉煤灰 2 0 1 1 年 2 月 魏铮 ， 等 ： 硅灰 自密实高性能道面混凝土性能研究 1 4 5 相似， 堆积密度一般为2 0 0 3 5 0 k g m。 。 硅灰颗粒非常微 小 ， 大 多 数颗 粒 的粒 径小 于 1 Ix m， 平 均 粒 径 约0 1 I x m， 仅 为水 泥颗 粒 直径 的 1 。硅 灰 比 表面 积 介 于 1 5 0 0 0 2 5 0 0 0 m 2 k g ( 采用氮吸附法 N B E T 法测定 ) ， 是水泥 的 1 0 2 0 倍 ， 比粉煤灰要高近两个数量级。硅灰的这种物 理特 性 决定 了硅 灰 的微 小 颗粒 具 有 高 度 的分 散 性 ， 可 充分地填充在水化水泥颗粒之间提高浆体硬化后的 密实度 6 1 。 1 2硅 灰的化 学性 能 硅灰具有S i O 含量高 、 火山灰活性高 、 早期活性大 等化学特性 ， 尤其适用于配制强度等级较高的混凝土 ， 作为矿物外加剂加入到混凝土中，对混凝土的性能会 产生多方面的良好效果 。硅灰 的主要化学成分为非晶 态的无定型S i O ： ，一般占9 0 以上。高细度 的无定型 S i O 具 有较 高 的火 山灰 活性 ， 在 水泥 水化 产物 C a O H 的 碱性 激发 下 能迅速 与 C a O H 反应 ， 生 成低 C a O S i O ： 的水 化硅酸钙凝胶( c S H) ， 提 高混凝土强度 ， 改善混凝土 性 能 2 试验材料 、 技术方案与混凝土配合 比 2 1 试 验材 料 ( 1 )水泥： P O 5 Z S R ： k 泥， 密度为3 1 0 0k tn l 3 , 2 8 d 抗折 强度为9 6 M P a ， 抗压强度为6 0 0 M P a 。 ( 2 )硅灰 ： 宁夏天先硅灰 ， 密度21 0 0 k g h n 。 。 ( 3 )砂 ： 灞河中砂 ， 级配合格 ， 密度26 3 0 k g h n 。 ， 堆 积密度 1 5 0 0 k g m 。 ( 4 )石 ：泾 阳石 灰岩 碎石 ，粒 径5 2 0 mm，密 度 2 7 0 0 k g m ， 堆积密度 1 6 2 0 k 咖 。 ( 5 )外加剂 ： F D N高效减水剂 ， 掺量为胶凝材料总 量 的 1 。 2 2技术 方案 混凝土拌和采用单卧轴强制式搅拌机 ， 依据 普通 混 凝 土 拌 合 物 性 能 试 验 方 法 标 准 ( GB T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 ) 、 自密 实 混 凝 土 设 计 与 施 工 指 南 ( C E C S 0 2 ： 2 0 0 4 ) 测定混凝土的坍落度、 坍落扩展度 、 流动时间； 成 型 1 5 0 mmx l 5 0 mmx 6 0 0 mm标 准 梁 试 件 在 2 0 c I = 室 温 下养护7 ， 2 8 d 后脱模 ， 依据 普通混凝土力学性能试验 方 法标 准 ( G B T5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 测定 混 凝 土 的抗 折 强 度 ，再 取 断 头进 行 抗 压 强 度 测 定 ；成 型 1 0 0 m mx l 0 0 m r n x 4 0 0 m m J 梁试件依据 普通混凝土长期性能与耐 久性 能试 验方 法 ( G B J 8 2 1 9 8 5 ) 选 用 快冻 法进 行抗 冻 耐久性试验。 2 3混凝 土配合 比 美国混凝土协会2 0 0 2 2 0 0 3 年度主席T e r e n c e C Ho l l a n d 在2 0 0 4 年 由中国土木工程学会市政工程分会 、 上海港湾工程设计研究院于上海举办的 国际高性能 混凝土应用技术研讨会上的报告指出： “ 硅灰必须使 用在合适组成 ( 配合比 ) 的混凝土 中， 应低水胶比和含 高效减水剂混凝土采用硅灰的混凝土配合比中 。 水胶比为0 6 或更高， 不合理 。” 从减小早期收缩考虑 ， 一 般把硅灰掺量控制在胶凝材料的1 0 左右 罔 。鉴于 此 ， 本 研 究通 过试 拌 调整 ， 优选 配合 比 ， 最 终 确定 混 凝 土配 合 比如表 1 所示 。 表1混 凝 土配 合 比 水泥 硅灰， 水， 砂， 石， F D N ， 编号 水胶比 ( k g m ) ( k g m ) ( k g m 3 ) ( k g m3 ) ( k g m ) ( k g m3 ) P 5 4 5 0 1 8 5 - 3 5 4 5 8 l 1 3 7 7 0 3 4 5 4 5 S1 4 9 0 5 5 1 8 5 _ 3 53 8 5 1 1 2 2 4 0 3 4 5 4 5 S 2 5 0 o 45 1 8 5- 3 5 3 9 8 l 1 2 5 2 0 3 4 5 4 5 3试 验 结 果 与 分 析 3 1硅灰 自密 实道 面混凝 土 的工作 性 一 般认为， 硅灰 的需水量较大 ， 掺入硅灰会增加混 凝土用水量 ，其实硅灰的掺入对 自密实混凝土的流动 性有一定的改善作用 ，同时使拌合物具有较好的保水 性和粘聚性。只不过硅灰的这种作用需高效率的表面 活性 剂 高效减 水剂 来激发 ， 使硅 灰颗 粒充 分分散 ， 从 而 显现出硅灰的“ 滚珠” 润滑作用和潜在物理减水作用12 1 。 硅灰是平 均粒径约 为0 1 m的球形微粒 ，细 小的球 形颗粒显 然具有填 充作用和 润滑作 用 ，自然状态 下 ， 它 们多聚集在一起， 以较大的颗粒形态存在 ， 在强制搅拌 过程中，这些处于聚集状态的粒子在外力的作用下 ， 可 被强制分散 ， 高效减水剂又使它们的表面上覆盖一层活 性物质 ， 使颗粒之间产生静电斥力( 和水泥颗粒一样) ， 不 能形成絮凝结构。由于球状 的硅灰粒子远小于水泥颗 粒 ， 它们在水 泥颗 粒之 间起 到 “ 滚珠 ” 作 用 ， 从 而使 水泥 浆 体的流动性 增大 。此外 ， 由于硅 灰粒子在 水泥颗粒空 隙问的填充， 又将这些空隙的填充水置换出来 ， 使之成 为自由水， 从而使整个混凝土混合料流动眭大大增加。 混凝土 工作性 试 验结果如 表2 所示 。 由表2 可 知 ， 硅 灰 的掺人 大大 改善 了混凝 土 的坍落 度 、 坍落扩展度 、 ， 尤其是S 的坍落扩展度增加 了1 0 1 mm。 硅灰通过“ 滚珠” 润滑和减水作用来改善混凝土的 流 变性 能 ， 降 低 了拌 合 物粘度 ， 从而 提高 了 自密实 混凝 土 的工 作性 指标 。 同时 ， 试验中发现 ， P 拌合物存在一定程度的流浆 现 象 ， 而S ， 和S ： 拌合 物扩 展后 的混凝 土边 缘几 乎无 水泥 1 4 6 建筑技术 第 4 2卷第 2期 表2混 凝土 工作 性试 验 结果 编号 坍落度 n u n 坍落扩展度 m m 流动时间， s P 2l l 5 4 2 7 S I 2 3 5 6 3 9 5 2 41 6 43 4 浆析出， 不存在泌水现象 ， 抗离析性 良好 ， 表明硅灰的 掺入较好地提高了混凝土拌合物的稳定性 。 3 2硅 灰 白密 实道 面混凝 土的强 度 每个配合比分别成型两组6 个试件 ， 标准条件下养 护7， 2 8 d ， 测定其抗折、 抗压强度， 结果如表3 所示。 表 3 混 凝 土强 度试 验结 果 水泥 硅灰 水 抗折强 抗压强 编号 度 MP a 度， Mp a ( k g m ) ( k g m3 ) ( k g m ) 7 d 2 8 d 7 d 2 8 d P 5 4 5 O l 8 53 5 4 6 7 Ol 5 5 3 7 2 1 S l 4 9 0 5 5 l 8 53 6 1 0 89 8 6 2 4 9 3 6 s 2 5 o o 4 5 l 8 5 3 6 2 1 9 0 1 6 5 3 9 7 5 由表3 可知， 掺硅灰的自密实混凝土7 d 和2 8 d 龄期 的抗折、 抗压强度均有不同程度的提高。 与普通混凝土 P 相比 ， 混凝土s 。 和S ： 的7 d 抗折 、 抗压强度 的增长率分 别为1 1 7 2 ， 1 2 8 4 和1 3 7 4 ， l 8 0 8 ； 2 8 d 抗折 、 抗压 强 度 的 增 长 率 分 别 为 2 8 1 0 ， 2 9 8 2 和 2 8 5 3 ， 3 5 2 3 ； 2 8 d 抗折强度高达8 9 8 MP a ， 9 0 1 MP a ， 完全满 足机场道面高强混凝土的要求。 硅灰对S C C 强度 的增长机理主要在于硅灰的填充 效应和火山灰效应。S C C 中小于水泥颗粒直径1 0 0 倍的 微细硅灰颗粒 。填充于水泥浆体的空隙间和水泥颗粒 的空隙间，如 同水泥颗粒填充在骨料空隙之间和细骨 料填充在粗骨料空隙之间一样 ，从微观尺度上s D i： i 了 S C C的密实度 ， 降低了透水和透气性 ， 从而提高了S C C 的强度 ， 即硅灰的填充效应 6 。硅灰的火山灰效应能将 对强度不利的C a 0 H 转化成低C a O S i O 的C S H 凝胶 ， 并填充在水泥水化产物之间 。有力地促进了S C C 强度 的增长昀 。 同时 ， F D N 高效减水剂与硅灰的复合使用 ， 可有效 改善其中水泥颗粒的分散度 ， 提高混凝土的水化程度 ， 增强其微观结构的密实性， 也大大提高了S C C 的强度。 3 3硅灰 自密实道 面混凝 土的抗冻 耐久 性 成型尺寸为1 o 0 m mx l O 0 minx 4 0 0 l m的棱柱体试 件 ， 以6 个为一组 。标 准养护2 4 d 后从 养护室取 出 ， 放进 l 5 2 0的水 中浸泡4 d ，然后 采用 快冻 法进 行抗 冻耐 久性试验 ， 结果如 表4 所示 。 表4 混凝土抗冻耐久性试验结果 编号 水 泥 ( k g m ) 硅 ( k g m ) 水 ( k g m ) 抗冻等级 P 5 4 5 0 1 8 5 3 F2 2 5 S1 4 9 0 5 5 l 8 5 3 F3 o 0 S 2 5 0 o 4 5 1 8 5 3 舢 由表4 可知 ，硅灰混凝土s 和S ： 的抗 冻等级均为 F 3 0 0， 较普通混凝土P 提高很多。这是由于硅灰的颗粒 很细 ， 能有效降低混凝土的初始孔隙率和孔径 ， 对孔的 细化作用增强 ， 从而有效提高混凝土的抗冻性能I 2 。同 时， 硅灰能降低混凝土的渗透系数， 较大程度地提高其 抗渗性 这也是硅灰自密实混凝土具有优异抗冻性的 原 因之 一。 通过试验研究也表明。 在自密实高性能混凝土中掺 入适量硅灰， 能降低气泡间距系数， 从而提高抗冻性罔 o 4 结语 ( 1 )硅灰作为矿物外加剂加入混凝土中，能显著 提高混凝土的物理力学性能与耐久性 。 ( 2 )硅灰的掺入能优化 自密实混凝土的工作性 ， 改善S C C的流动性 、 保水性和粘聚性 ， 提高S C C 拌合物 的稳定性 。 掺硅灰的S C C 与未掺硅灰的混凝土相比 ， 其 坍落度 、 坍落扩展度 、 均有不同程度 的改善 ， 尤其是 坍落扩展度增加了9 7 - 1 0 1 m i l l 。 ( 3 )硅灰能有效提高 自密实混凝土的强度 ，满足 机场 道面高 强混凝 土的要求 。 ( 4 )硅灰的颗粒很细 ，能有效降低混凝土的初始 孔隙率和孔径 。 对孔的细化作用较强 。 能降低气泡间距 系数 ， 降低混凝土的渗透系数 ， 从而有效提高混凝土的 抗冻性能 ， 抗冻等级达到F 3 0 o 。 参考文献 【 1 徐亦冬 ， 张利娟 ， 陆云龙粉煤 灰、 矿渣及硅灰对水泥胶砂流动性及 早期强度的影响 J 】 混凝土， 2 0 0 5 ( 9 ) 2 付亚伟 ， 王硕太 ， 崔云长 硅灰对 自密实混凝土性能 的影响f J 】 四川 建筑科学研究， 2 0 0 9 ( 1 ) 【 3 】 赵筠 自密实混凝的研究和应用 J 】 混凝土， 2 0 0 3 ( 6 ) ， f4 】 P e t e r O o m o n e Mo n t a r t e s t s f o r s e rf - c o n s o l i d a t i n g c o n c r e t e J C o n - c r e t I n t e rna t i o n a l ，2 0 0 6 ( 4 ) 5 】 E F N AR C S p e c i fi c a t i o n a n d g u i d e l i n e s f o r s e l f - c o mp a c t i ng C o n - c r e t e ，2 0 01 【 6 】 姜德民 硅灰对 高性能混凝 土强度的作用机理研 究【 J 】 建筑技术开 发 ，2 0 0 1 ( 4 ) 7 】 冯乃谦 高性能混凝土结构 MI 北京 ： 机械工业出版社。2 0 0 4 【 8 】 姚燕， 王玲， 田培 高性能混凝土【 M 1 北京 ： 化学工业出版社 【 9 蒲心诚， 严吴南， 王冲 硅灰对1 5 0 M P a 超高强高流态混凝土的强度 及流动性的贡献【 J 1 混凝土与水泥制品， 2 0 0 0 ( 1 )