硅灰对高强混凝土强度影响的试验研究.pdf

2 0 1 1 年 第 7期 (总 第 2 6 1期 ) Nu mb e r 7 i n 2 01 1 ( To t a 1 No 2 61) 混 凝 土 Co nc r e t e 原 材料及辅助物料 M AT ERI AI AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 2 4 硅灰对高强混凝土强度影响的试验研究 王洪，陈伟天 。陈 昌礼 ( 贵 II N范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 5 5 0 0 5 9 ) 摘要： 在高强混凝土中掺入适量的硅灰， 对提高混凝土的劈裂抗拉强度有非常明显的效果， 也可在一定程度上增强混凝土的抗压强度 和抗折强度。 掺量低于或高于适量范围， 对提高混凝土的强度作用很小。 在实际工程混凝土中合理掺用硅灰， 不仅可以提高混凝土的强度， 而且变废为宝， 改善环境， 技术、 经济和社会效益显著。 关键词： 高强混凝土；掺合料；硅灰；强度 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 7 0 0 7 4 0 3 Expe r i m e nt a l r e s ea r c h on t he e ffe c t o f s i l i c a f ume t o t h e s t r e ngt h of hi gh- s t r eng t h con c r e t e WANG Ho n g， CHEN We i t i a n， C HEN Ch a n g- l i ( S c h o o l o f Ma t e ri a l s a n dA r c h it e c t u ral E n g i n e e r i n g ， Gu i z h o uNo r ma l Un i v e r s it y ， G u i y a n g 5 5 0 0 5 9 ， C h i n a ) Ab s t r a ct： I t h a s o b v i o u s e f f e c t o f mi x in g a p p r o p ri a t e q u a n t i t y o f s i l i c a f u me i n h i 曲一 s t r e n g t h c o n c r e t e t o e n h a n c e i t s s p l it t i n g t e n s i l e s t r e n g t h ， a n d c o u l d i n c r e a s e i t s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d fle x u r a l s t r e ng t h t o a c e r t a i n e x t e n t Ho we v e r ， i t c o u l d be u s e l e s s f o r s t r e n g t h e n h a n c i n g i ft h e mi x - i n g q u ant i ty i s l o we r o r h i g h e r than t h e a p p r o p ri a t e q u an t i t y R e a s o n a b l e mi x in g s i l i c a f u me i n e n g i n e e ri n g c o n c r e n o t o n l y i n c r e a s e t h e s t r e n g t h b u t a l s o r e c yc l e wa s t e ma t e ria l a n d i mp r o v e e n v i r o n me n t and t e c h n i q ue whi c h h a s r e ma r k a bl e e c o n o mi c an d s o c i a l b e n e fit s Ke y wo r d s ： h i 曲一 s t r e n g t h c o n c r e t e ； mi n e r a l a d mi x tu r e ； s i l i c a fi n n e ； s e n g t h 0 引言 硅灰( S i l i c a F u m e ) 又称硅粉， 是在冶炼工业硅或含硅合金 时由高纯度的石英与焦炭在高温电弧炉( 2 0 0 0) 中发生还原 反应而产生的工业尘埃。 它是利用收尘装置回收烟道排放的高 温废气并通过专门处理而得， 其颗粒超细， 比表面积大， 具有很 高的火山灰活性。 硅灰用于混凝土的研究始于 2 O 世纪 5 O年代 的挪威 、 丹麦等国， 在美国、 日本、 法国等国得到了普遍的应用。 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， 改善混凝土的性能 ， 延长结构的安全使用 期 ， 增加工程的使用寿命 1 。因此， 开发硅粉在混凝土中的应用 ， 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、 社会效益显著， 应用前景广阔。 目前， 硅灰已成为高强混凝土的重要组分。 本研究通过试验， 研究了硅灰对高强混凝土强度性能的影响， 供工程技术人员参考。 1试 验 1 1 试验用原材料 ( 1 ) 水泥： 试验使用 P O4 2 5 级水泥， 其化学成分与物理力 学性能见表 1 、 2 。 ( 2 ) 硅灰： 试验所用硅灰的化学成分和物理力学性能， 见表 3 。 ( 3 ) 粉煤灰： 试验所用粉煤灰的化学成分和物理性能， 见表4 。 表 1 水 泥的化 学成分 收稿 日期 ：2 0 1 l - o l - 2 5 基金项 目：贵州师范大学学生科研基金资助项 目 7 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 粉煤灰的化 学成分 和物理性 能 ( 4 ) 人工砂 ： 试验所用人工砂取自贵州某水利工程工地 ， 其 含石率 0 5 7 ， 含石粉 2 5 8 3 ， 细度模数为 2 4 3 ( 属中细砂) ， 颗 粒级配属于I I 区， 级配良好。 其干燥状态视密度为 2 7 1 5 g c m ， 吸水率 2 3 1 ， 颗粒分布见表 5 。 表5 人工砂累计平均筛余量 ( 5 ) 碎石： 试验所用粗骨料为石灰岩碎石， 由贵州某水利工 程工地加工成 5 2 0 、 2 0 4 0 、 4 0 8 0 n l l T l 三种粒级， 其吸水率和含 粉量见表 6 。 ( 6 ) 外加剂： 外加剂为 F D N高效减水剂。 1 2 试 验 标准 试验所用标准主要为GB T 1 3 4 5 - -2 0 0 5 Z 1 泥细度检验方法 、 G B T 1 3 4 6 - - 2 0 0 1 ( 7 J 泥标准稠度用水量、 凝结时间、 安定性检验方 法 、 G B T 1 7 6 7 l l 9 9 9 7 1 泥胶砂强度检验方法 、 G B T 1 8 7 3 6 2 0 0 2 高性能混凝土用矿物外加剂 、 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 建筑 用砂 、 G B T 1 4 6 8 5 -2 0 0 1 建筑用卵石 、 碎石 、 S L 3 5 2 -2 0 0 6 水工混凝土试验规程 等。 2 试验结果 表6 粗骨料的吸水率和含粉量 2 1 硅灰掺量对水泥胶砂强度的影响 根据 GB T 1 7 6 7 1 - 1 9 9 9 水泥胶砂强度检验方法 ， 采用 4 0 mmx 4 0 mm x l 6 0 m a n 模具 ， 试验所用配合比见表 7 。 成型后的 试件在标准养护箱养护 1 d后拆模编号， 然后继续放人标准养护 箱分别养护至 7 、 2 8 d ， 测得 7 、 2 8 d的抗压强度见表 7 。 表 7 试验所用的水泥胶砂配合比及其试 件 7 、 2 8 d的抗压 强度及相对百分率 从表 7 看出， 硅灰掺量的多少对水泥胶砂试件的7 d抗压强 度影响不大。 硅灰掺量在一定范围内( 约为 3 9 ) 时， 水泥胶 砂试件的 2 8 d抗压强度呈增长趋势； 而掺量大于 9 后 ， 抗压强 度开始下降。 可见， 硅灰的掺量对早期抗压强度影响不大， 但是 可以提高水泥胶砂试件后期的强度。 特别是硅灰掺量在 6 9 时， 水泥胶砂试件的后期强度有了明显的提高。 关于硅灰的掺人对抗折强度的影响， 文献 2 指出， 掺入硅 灰后抗折强度提高显著。 当硅灰掺量为 1 2 时， 混凝土的早期、 后期强度比硅灰掺量为 8 时有小幅的增长 ， 而硅灰掺量为 5 的后期强度则明显低于掺量为 1 2 和 8 的 2 2 硅灰掺量对高强混凝土强度的影响 通过调整外加剂的掺量( 分别为 1 2 0 、 1 2 5 、 1 3 5 、 1 5 、 1 8 ) ， 使混凝土拌合物具有大致相当的坍落度。 试验所用混凝 土的配合比见表 8 ， 试验结果见表 9 、 1 0 。 表 8 试验所用的混凝土配合比 表 9混凝土试件 7 、 2 8 d抗压强度及相对百分率 从表 9可知， 混凝土2 8 d的抗压强度均超过 6 0 MP a 。 从表 8 看出， 虽然混凝土的水灰比仅为 0 3 ， 但新拌混凝土的坍落度和 表 1 O 混凝土试件 7 、 2 8 d劈裂抗拉强度增长率 坍扩度都很大， 不同硅灰掺量的混凝土的坍落度均大于2 0 0 mm， 坍扩度均不低于 5 0 0 mn l ， 基本达到了自密实混凝土的流动度要 75 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 求。 从坍扩度来看， 随着硅灰掺量的增加， 混凝土的坍扩度也增 大， 这对高强混凝土是非常有意义的。 文献 3 指出： 新拌浆体中 的水有两部分 ： 一部分是填充水， 它填充在颗粒间的孔隙中， 对 浆体的流动性没有贡献 ； 另一部分是表层水， 它在颗粒表面形 成水膜层 ， 浆体的流动I生取决于水膜层的厚度。 在自密实混凝土 中掺入粉煤灰 、 硅灰等超细粉体掺合料 ， 它们较小的颗粒粒径 与水泥颗粒在微观上形成级配体系， 将原来填充在孔隙之中的 填充水置换出来成为自由水。 而高效减水剂可以减少表层水的 数量 ， 两者相结合使拌合物在低水胶 比下也能获得较大的流动 性。 此外 ， 由于矿物质微粉包裹在水泥颗粒表面， 其隔离作用延 缓了水泥水化产物相互搭接； 硅灰的表面光滑致密呈圆形颗粒， 它包裹在粗糙的水泥颗粒和骨料表面， 起到“ 滚珠” 润滑作用 ， 减少内摩擦阻力而增大拌合物的流动性； 比表面积大的硅灰虽 然增大浆体稠度使其流动陛有所降低 ， 但因其密度较水泥小， 在 相同水胶 比条件下使浆体体积增大 ， 粗骨料之间润滑层增厚 ， 因此拌合物的流动性增大。 从表 8 、 9看出， 由于硅灰的密度 比较小 ， 随着硅灰掺量的 递增 ， 混凝土拌合物的表观密度减小； 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。 若同掺硅 灰为零的抗压强度对比， 不管是 7 d 还是 2 8 d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。 从 7 d的抗压强度来看 ， 硅灰掺 量的多少 ， 对混凝土抗压强度的影响不大， 这同硅灰对水泥胶 砂 7 d抗压强度的影响规律吻合。 从表 1 0看出， 掺人硅灰后， 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， 7 、 2 8 d的劈裂抗拉强度比不 掺硅灰的混凝土分别提高 2 4 和 1 6 。 但当硅灰掺量超过 6 后， 不管是 7 d 还是 2 8 d的劈裂抗拉强度， 都开始呈下降趋势。 可见硅灰掺量 6 左右， 对提高混凝土的劈裂抗拉强度是非常有 利的。 水泥的水化产物中， 高碱性水化硅酸钙的强度不是很高 ， C a ( OH) 的强度很低。 因此 ， 制备高强混凝土的一个关键问题 ， 是设法减少高碱性水化硅酸钙 ， 增加低碱性水化硅酸钙的含量 ， 并减少 C a ( O H) 。 由于硅灰中含有大量的活性 S i O ： ， 在混凝土 中掺入硅灰， 在常温下能与水泥水化时析出的 c a ( OH) 发生二 上接第 7 3页 【 l O S i r n o n e K n a u s ， B i r g i t B a n e r He i mS y n t h e s i s a n d p r o p e r t i e s o f a n i o n i c c e l l u l o s e e t h e r s ： i n fl u e n c e o f f u n c t i o n a l g r o u p s a n d mo l e c u l a r we i g h t o n fl o w a b i l i t y o f c o n c r e t e c a r b o h y d r a t e P 0 l y me I s ， 2 0 0 3 ( 5 3 ) ： 3 8 3 3 9 4 1 1 V I E I RA M C， K L E MM D， E I NF E L D T L ， e t a 1 D i s p e r s i n g a g e n t s f o r c e me n t b a s e d o n mo d i fi e d p o l y s a c c h a r i d e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 5 ) ： 8 8 3 8 9 0 【 1 2 】 刘伟区， 罗广建 从棉绒纤维素制取混凝土外加剂( 2 ) J 】 _ 化学建材， 1 9 9 6 ( 3 ) ： 1 1 8 1 2 0 【 1 3 Z H AN G D o n g f a n g ， J U B e n z h i ， Z HA N G S h u f e n ， e t a 1 D i s p e r s i n g m e c h ani s m o f c a r b o x y me t h y l s t arc h a s w a t e r - r e d u c i n g a g e n t J J o u r n a l o f A p p l i e d P o l y m e r S c i e n c e ， 2 0 0 7 ( 1 0 5 ) ： 4 8 6 4 9 1 【 l 4 】 哈丽丹 买买提 ， 努尔买买提， 吾满江 艾力植物纤维素聚合度的测 定【 J 】 合成纤维工业， 2 0 0 6 ， 2 9 ( 1 ) 4 0 4 2 【 l 5 朱诚身聚合物结构分析 M 】 北京： 科学出版社， 2 0 0 4 1 6 NE HL S I ， WA G E NK N E C H T W， P HI L I P P B， e t a 1 C h ara c t e r i z a t i o n of 7 6 次反应 ， 生成具有胶凝性的低碱性水化硅酸钙和水化铝酸钙， 因 此可以提高混凝土的强度。 另一方面， 硅灰的粒径约为水泥粒径 的 1 5 0 1 1 0 ， 能够在水泥胶结料中起到微孔填充作用 ， 从而增 加混凝土中胶结料的致密程度 ， 对于混凝土强度的提高也有着 积极的影iItl - 2 ,4 。 同时 ， 由于硅灰活性 的全部发挥需要大量的 C a ( 0 H) ： ， 而水泥水化是逐渐释放 C a ( O H) 的， 且其量是有限 的， 因此， 当硅灰掺入超过一定量后， 未参与二次水化的硅灰增 加 ， 因其 比表面积的增大而影响强度的改善， 即硅灰掺量超过 某一适量范围后， 水泥胶砂和混凝土强度反而降低。 3结 论 ( 1 ) 在高强混凝土中掺入一定量( 约为 5 9 ) 的硅灰， 混 凝土的抗压和抗折强度随硅灰掺量的增大呈增长趋势； 当硅灰 掺量高于 9 后， 其抗压强度开始下降。 ( 2 ) 当硅灰掺量为 3 6 左右时， 对高强混凝土的劈裂抗 拉强度的增强作用非常有利 ； 高于或低于这个掺量范围， 硅灰 的掺入对高强混凝土的劈裂抗拉强度的改善都不是很明显。 + ( 3 ) 硅灰和粉煤灰同时掺入 自密实混凝土中， 在低水胶比 条件下， 新拌 昆 凝土的流动性仍然较理想 ， 混凝土的泌水离析 性能也得到改善， 硬化后混凝土的强度提高。 致谢 ： 本研究承蒙武汉大学水利水电学院方坤河教授的悉 心指导， 特此致谢 ! 参考文献： 1 】 陈昌礼， 屠庆模， 凌友志硅粉混凝土的基本性能与工程应用 J 新型 建筑材料， 2 0 0 8 ， 3 5 ( 4 ) ： 4 3 4 6 2 杨庆国， 袁培， 陈德伍、 等 掺硅灰对中等强度混凝土力学性能影响 的试验研究 J 】 交通标准化 ， 2 0 0 9 ， 2 1 0 ( 2 3 ) ： 8 8 9 1 【 3 】 鲁文斌 复掺粉煤灰和硅灰在自密实混凝土中的应用f J 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 8 2 8 4 4 丁琳雁粉混凝土配合比优化的研究 D 】 哈尔滨： 东北林业大学， 2 0 0 7 作者简介 联 系地 址 联 系电话 王洪( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 本科。 贵州省贵阳市白云区白云北路 3 5 号 贵州师范大学材料 与建筑工程学院( 5 5 o o 5 9 ) 1 5 0 8 5 9 5 6 3 5 4 c e l l u l o s e a n d c e l l u l o s e d e r i v a t i v e s i n s o l u t i o n b y h i g h r e s o l u t i o n CNMR s p e c t r o s c o p y J P r o g P o l y m S c i ， 1 9 9 4 ( 1 9 ) ： 2 9 7 8 1 7 P H O L I P P B， N E H T S I ， WA G E NK N E C H T W) 3 C N MR s p e c t r o s c o p i c s t u d y of t h e h o mo g e n e o u s s u l p h a t i o n of c e l l u l o s e a n d x y l an i n t h e N2 0 4 - D MF s y s t e m J C a r b o h y d r R e s ， 1 9 8 7 ( 1 6 4 ) ： 1 0 9 - 1 1 6 【 1 8 徐永模， 彭杰， 赵听南评价减水剂性能的新方法一 砂浆坍落扩展度明 硅酸盐学报 ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 增T O ) ： 1 2 4 1 3 0 【 1 9 B UC H HO L Z， R I C H A RD F， e t a 1 S o me p r o p e r t i e s of p a u c i d i s p e r s e g y mn o s p e r m l i g n i n s u l f o n a t e s of d i f f e r e n t mo l e c u l ar we i g h t s J Wo o d C h e m T e c h n o l ， 1 9 9 2 ， 1 2 ( 4 ) ： 4 4 7 4 6 9 作者简介 联 系地址 ： 联 系电话 ： 库尔班江 肉孜( 1 9 6 9 一 ) ， 男， 硕士 ， 讲师， 主要研究方向为 高分子材料。 乌鲁木齐市胜利路 1 4 号 新疆大学化学化工学院( 8 3 0 o 4 6 ) 1 3 9 9 9 9 05 03 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m