硅灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和韌性研究期刊論文發(fā)表

　　摘 要：闡述了硅灰的特性，研究了硅灰的摻入對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和韌性的影響，結(jié)果表明，由于摻入適量的硅灰，使混凝土的抗壓強(qiáng)度和韌性大大增強(qiáng)。

　　關(guān)鍵詞：硅灰,抗壓強(qiáng)度,韌性

　　前言

　　硅灰(也叫微硅粉)(學(xué)名“硅灰”， Microsilica 或 Silica Fume )，硅粉又叫硅灰。是工業(yè)電爐在高溫熔煉工業(yè)硅及硅鐵的過程中，隨廢氣逸出的煙塵經(jīng)特殊的捕集裝置收集處理而成。在逸出的煙塵中，SiO2含量約占煙塵總量的90%，顆粒度非常小，平均粒度幾乎是納米級(jí)別，故稱為硅粉。

　　硅灰的研究始于斯堪的納維亞國家，盡管20世紀(jì)50年代人們對(duì)硅灰作用就有所認(rèn)識(shí)和初步的研究，但應(yīng)用于實(shí)際工程中是從70年代開始的，首先是挪威和瑞典等國家在港口碼頭、北海油田及地下礦井中部分采用了硅灰混凝土，1982 年，挪威在伏諾維斯壩上正式采用了硅灰混凝土筑壩， 20世紀(jì)80 年代初加拿大在魁北克建立了硅灰混凝土，并對(duì)大體積硅灰混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究，拌制高標(biāo)號(hào)混凝土1 萬立方米，1983年美國用硅灰混凝土修補(bǔ)了奧里夫尼河上的卡查壩消力池，效果良好。世界上其它國家也都加緊研究和應(yīng)用。而我國對(duì)硅灰的研究歷史不長，僅僅10多年時(shí)間，1985年水電部東勘院科研所和水電部第十工程局首次在四川漁子溪二級(jí)電站中試用了硅灰混凝土，在廠房混凝土中摻硅灰3 %～7 %，以提高早期強(qiáng)度，加快模板周轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)期效果，另外，在引水隧洞噴射混凝土中，摻硅灰15 %，以減少混凝土的回彈量，南科院在大伙房水庫工程、龍羊峽泄水建筑物和葛洲壩泄水閘修補(bǔ)等工程中都采用了硅灰混凝土，效果較好，水科院對(duì)硅灰混凝土的耐久性能及硅灰水泥水藻灌漿材料進(jìn)行了一些研究，并在二灘水電站基礎(chǔ)固結(jié)灌漿中，潘家大壩溢流面修復(fù)工程、安康及四川秋達(dá)電站導(dǎo)流泄洪洞修補(bǔ)等工程中使用了硅灰混凝土，硅灰水泥灌漿。所有這些，說明灰灰混凝土作為一種高性能混凝土在工程中的應(yīng)用日顯重要，所以對(duì)其性能特別是其強(qiáng)度與韌性的研究也倍受關(guān)注。

　　硅灰是一種顏色介于灰白色和深灰色之間的粉末，其粒徑極小，平均粒徑在1μm以下，僅為水泥平均粒徑的1%左右。硅灰中90%左右是球形體，部分凝聚成片狀或球狀的粒子團(tuán)，表觀密度2200kg/m³，堆積密度僅為十分之一。硅灰的這些物理性質(zhì)決定了硅灰具有高度的分散性以及較高的表面能。

　　硅灰一般含有90%以上的無定型二氧化硅, 其化學(xué)成分則根據(jù)合金品種不同而稍有變化。表1 列出了我國部分地區(qū)的硅灰化學(xué)成分。

　　在微觀結(jié)構(gòu)上，硅灰中的SiO2屬于非晶質(zhì)，是無定形結(jié)構(gòu)，其物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)處于能量不平衡位置，具有化學(xué)不穩(wěn)定性，是高活性的火山灰質(zhì)材料。

　　在混凝土中摻入少量硅灰，能顯著改善混凝土的性能，很多科研或工程技術(shù)人員一直在作這方面工作，希望能更好的改善混凝土的性能。硅灰作為冶煉的副產(chǎn)品，價(jià)格低廉，因而為能在工程中廣泛應(yīng)用提供了必要條件。

　　1 硅灰對(duì)混凝土性能的影響

　　1.1 硅灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

　　我試驗(yàn)室通過試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)不同硅灰的摻量情況下，混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。水膠比為0.4，硅灰中SiO2含量為97.09%，抗壓強(qiáng)度為28天抗壓強(qiáng)度。結(jié)果見圖1。

　　通過圖1可以看出，當(dāng)硅灰摻量小于25%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著硅灰摻量的增加而增大，當(dāng)硅灰摻量大于25%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度反而下降。另外，在硅灰摻量為25%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，均提高了30%以上。另有研究表明，當(dāng)硅灰摻量在5%—15%時(shí)，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度提高10%—35%。

　　我試驗(yàn)室也對(duì)C55混凝土中摻入不同摻量的硅灰進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中試驗(yàn)水灰比為0.34，硅灰中SiO2含量為90.32%。

　　對(duì)比兩者的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，硅灰的最佳摻量和混凝土強(qiáng)度的增加值都有較大出入，這可能跟試驗(yàn)中使用的硅灰的品質(zhì)有關(guān)。

　　通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)蘭州交通大學(xué)王海波的研究表明，不同品質(zhì)的硅灰對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響區(qū)別很大，高品質(zhì)的硅灰摻量與混凝土強(qiáng)度的規(guī)律性較好，中低品質(zhì)的硅灰則沒有明顯的規(guī)律關(guān)系。

　　1.2硅灰對(duì)混凝土韌性的影響

　　混凝土的韌性一般是針對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土而言的，比如RPC等。在中南大學(xué)老師的幫助下我試驗(yàn)室用彎曲韌性試驗(yàn)方法，研究了硅灰對(duì)RPC彎曲韌性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，在水灰比0.25條件下，外摻硅灰5%—20%能夠提高RPC的彎曲韌性15%—50%，呈正比例關(guān)系，當(dāng)摻量大于20%時(shí)，RPC彎曲韌性增加不明顯。RPC中添加硅灰，可以改善水泥基材料與鋼纖維的粘結(jié)界面，提高水泥基材料與鋼纖維之間的粘結(jié)力，從而提高RPC的彎曲韌性。

　　2 機(jī)理分析

　　硅灰通過以下性質(zhì)影響混凝土的性能：

　　(1)硅灰粒徑小，僅為水泥粒徑的1%左右，比表面積約為15000—20000㎡/kg;

　　(2)硅灰從蒸汽冷凝得到，具有完美的球狀形態(tài);

　　(3)硅灰的化學(xué)成分中，有85%—95%以上的玻璃態(tài)的活性二氧化硅，是具有高活性的火山灰質(zhì)材料。

　　硅灰完美的球狀形態(tài)以及其極小的粒徑，使得硅灰極易填充于水泥顆粒之間，提高混凝土的密實(shí)度，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另外，硅灰中活性的二氧化硅與氫氧化鈣反應(yīng)，增加了水泥石中的C-S-H凝膠的體積，改善了水泥石中的孔結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能。

　　對(duì)于普通新拌混凝土而言，由于泌水的影響，會(huì)在水泥漿體與骨料或者鋼筋之間形成一個(gè)界面裂縫，導(dǎo)致骨料和鋼筋下面形成疏松層，降低水泥漿體與骨料和鋼筋之間的粘結(jié)力。硅灰具有較大的表面能，能夠約束水化漿體內(nèi)部的毛細(xì)水，隨著硅灰的加入，減少了混凝土內(nèi)部的泌水，另外由于硅灰與水泥之間的化學(xué)反應(yīng)，改善了水泥漿體與骨料和鋼筋之間的粘結(jié)界面，從而提高混凝土的彎曲韌性。

　　3 總結(jié)

　　硅灰對(duì)于改善混凝土的抗壓強(qiáng)度和彎曲韌性是十分有利的，這主要是因?yàn)楣杌业幕钚院臀⒓咸畛涞碾p重作用，改善了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了水泥漿與骨料或鋼筋界面過渡區(qū)。諸多的試驗(yàn)表明：同等品質(zhì)的硅灰，摻量小于25%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度隨著摻量的增加而增大;摻量小于20%時(shí)，混凝土的彎曲韌性隨著摻量的增加而增大。

　　參考文獻(xiàn):

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