不同二氧化硅含量硅灰對混凝土抗壓強度的影響

（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

0 引言

硅灰是鐵合金廠在冶煉硅鐵合金或工業硅的過程中，氣態Si和SiO隨著冶金煙氣排放，遇到空氣中的O2迅速反應冷凝而形成的一種超細球型粉體材料，與粉煤灰和礦渣粉同屬工業“三廢”中的廢渣[1-2]。硅灰具有質輕、蓬松、易飛揚等特性，屬于PM2.5級的大氣污染物來源之一[3]。混凝土抗壓強度是混凝土抵抗外力破壞的能力，是硬化混凝土最重要的性質，混凝土的其他性能與其有密切關系。

硅灰以一種寶貴的無機非金屬材料的身份出現在高端材料市場，越來越得到社會和業內人士的認可和青睞。目前，我國硅灰資源并不充足，且高二氧化硅含量的硅灰產量較低，市場上大多以中、低二氧化硅含量的硅灰為主。低二氧化硅含量的硅灰因達不到國家標準規定的技術要求，只能以堆置、填埋的方式進行處理，更甚者以次充好投入工程應用，擾亂市場秩序，危害工程質量。目前針對低二氧化硅含量硅灰的開發與利用，國內外相關研究較少。

本文通過對不同二氧化硅含量硅灰摻入混凝土中進行抗壓強度試驗，分析不同二氧化硅含量硅灰對混凝土抗壓強度的影響，以期為中、低二氧化硅含量硅灰的合理利用提供借鑒。

1 試驗內容

1.1 原材料

采用中國聯合水泥集團有限公司生產的P.I42.5硅酸鹽水泥。粉煤灰采用威海港域粉煤灰科技有限公司生產的II級F類粉煤灰。砂符合GB/T 14684中II區中砂的要求，細度模數2.8，含泥量0.8%。石子符合GB/T 14685要求的公稱粒徑5～20mm的連續級配碎石，采用二級配，其中5～10mm占40%，10～20mm占60%。減水劑為山東華偉銀凱建材科技有限公司生產的標準型高效減水劑。水采用自來水。硅灰產自甘肅三遠硅材料有限公司，硅灰各項性能見表1，根據二氧化硅含量的高低將硅灰由低到高分別編號硅灰1到硅灰7。

表1 試驗用硅灰性能情況

1.2 配合比

為了研究不同二氧化硅含量硅灰對不同等級混凝土抗壓強度的影響，分別設計了C40、C60、C80三種強度等級的混凝土配合比。為了更全面對比分析試驗數據，每種級別的混凝土配合比分為兩組基準配比（配比-01和配比-02）和一組受檢配比（配比-1），配比-01和配比-02不摻加硅灰，配比-1分別內摻10%的各種類型硅灰，配比-1摻加一定量減水劑調整其與配合比-01保持相同坍落度，配比-02與配比-1摻加等量的減水劑，兩者不必保持相同坍落度。試驗用配合比數據見表2-表4。

表2 C40混凝土試驗用配合比(單位:kg/m3)

表3 C60混凝土試驗用配合比(單位:kg/m3)

表4 C80混凝土試驗用配合比(單位:kg/m3)

針對C40、C60和C80三種不同強度等級的混凝土配合比分別設計3種情況，共9個配合比。硅灰具有需水量大的特征，混凝土中摻加硅灰會明顯降低混凝土的流動度，影響混凝土的可操作性。若通過增加用水量來調整混凝土流動性，勢必影響混凝土抗壓強度等一系列性能。因此在實際工程應用中，混凝土摻加硅灰的同時一般通過添加減水劑保證其流動度不下降。然而試驗研究過程中，如果摻加硅灰的同時再添加減水劑，導致基準和受檢配比變量不唯一，得出的結果無法證明是硅灰的二氧化硅含量這一唯一變量對混凝土抗壓強度的影響。從實驗室和工程實際應用等各方面綜合考慮，本文設計了兩組基準配比（配比-01和配比-02）和一組受檢配比（配比-1）。

1.3 試驗方法

混凝土試件的制備及養護按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》規定進行。混凝土抗壓強度試驗按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規定進行。抗壓強度采用100mm×100mm×100mm立方體試件，3個試件為一組，在標準養護條件下養護至3d、7d、14d、28d后測定并換算為標準試件強度。

2 結果與分析

2.1 不同二氧化硅含量硅灰對C40混凝土抗壓強度影響

由表5、圖1和圖2可見，摻有硅灰的C40混凝土抗壓強度普遍高于基準混凝土的抗壓強度值，隨著硅灰的二氧化硅含量的提高，抗壓強度值大致呈增長趨勢。因此可得出結論，摻加硅灰可以提高C40混凝土的抗壓強度，混凝土抗壓強度值與所摻硅灰的二氧化硅含量基本成正比關系。

圖1 C40混凝土抗壓強度與硅灰二氧化硅含量曲線分析圖

圖2 不同齡期基準和受檢C40混凝土抗壓強度對比圖

表5 摻不同二氧化硅含量硅灰C40混凝土抗壓強度試驗結果

通過對試驗數據進行回歸分析，得到不同齡期抗壓強度和硅灰二氧化硅含量的相關關系式，如圖1所示，關系式中x的系數大小表示混凝土抗壓強度受硅灰二氧化硅含量影響程度的高低。隨著齡期的延長，抗壓強度趨勢線斜率（即關系式系數）逐漸增大，表示混凝土后期強度受硅灰二氧化硅含量的影響程度更大。進而得出結論，硅灰混凝土齡期越長，抗壓強度提高幅度越大。

硅灰對混凝土抗壓強度的影響可以從兩個方面解釋：1）微集料效應提升混凝土強度。硅灰顆粒微小，呈規則的球型結構，可改善膠凝材料顆粒間的微級配，填充漿體孔隙，增加混凝土密實度，從而提高混凝土抗壓強度。2）火山灰活性促進混凝土后期強度的激發。硅灰含有大量的不定型二氧化硅，具有極高的火山活性，與水泥水化產物氫氧化鈣進行二次水化反應生成水化硅酸鈣，分布到混凝土中形成一種堅硬、膠結力強的物質，使得混凝土后期強度發展較快[4-5]。

2.2 不同二氧化硅含量硅灰對C60混凝土抗壓強度影響

由表6、圖3和圖4可見，摻有硅灰的C60 混凝土抗壓強度變化趨勢與C40混凝土基本一致。摻加硅灰可以提高C60混凝土的抗壓強度，混凝土抗壓強度值與所摻硅灰的二氧化硅含量基本成正比關系，且齡期越長提高幅度越大。

圖3 C60混凝土抗壓強度與硅灰二氧化硅含量曲線分析圖

圖4 不同齡期基準和受檢C60混凝土抗壓強度對比圖

表6 摻不同二氧化硅含量硅灰C60混凝土抗壓強度試驗結果

通過對試驗數據進行回歸分析，得到不同齡期抗壓強度和硅灰二氧化硅含量的相關關系式，如圖3所示，關系式中R2為相關系數，表示抗壓強度與硅灰二氧化硅含量相關關系的可靠性，越接近于1代表可靠性越高。C60強度等級的混凝土R2較C40混凝土明顯增大，由0.6左右增加到0.8左右，說明C60混凝土抗壓強度與硅灰二氧化硅含量正比關系的可靠性增加。

隨著硅灰二氧化硅含量的升高，抗壓強度呈波浪式提升。選取試驗中的個例進行分析，低二氧化硅含量硅灰也能配制出比高二氧化硅含量硅灰強度高的混凝土；即便摻加二氧化硅含量不符合國家標準要求的硅灰，抗壓強度也比不摻加硅灰的混凝土強度高。混凝土屬于復合材料，各種原材、各種比例、各種級配互相搭配，弱化了硅灰品質單項因素對最終混凝土強度的影響，所以會出現低二氧化硅含量硅灰也能配制出比高二氧化硅含量硅灰強度高的混凝土。因此對于混凝土要求不是很高的工程，可酌情使用中、低二氧化硅含量的硅灰。

2.3 不同二氧化硅含量硅灰對C80混凝土抗壓強度影響

由表7、圖5和圖6可見，摻有硅灰的C80混凝土抗壓強度變化趨勢與C40、C60混凝土基本一致。摻加硅灰可以提高C80混凝土的抗壓強度，混凝土抗壓強度值與所摻硅灰的二氧化硅含量基本成正比關系，且齡期越長抗壓強度提高幅度越大。

表7 摻不同二氧化硅含量硅灰C80混凝土抗壓強度試驗結果

圖5 C80混凝土抗壓強度與硅灰二氧化硅含量曲線分析圖

圖6 不同齡期基準和受檢C80混凝土抗壓強度對比圖

C80強度等級的混凝土R2增大至0.9左右，相關關系已非常密切；關系式系數也比C40、C60混凝土高。可得出結論，對于高強混凝土，抗壓強度與硅灰的二氧化硅含量呈現較好的線性關系，且硅灰二氧化硅含量對C80混凝土抗壓強度影響程度最大。因此，配制高強混凝土時需優先選用高二氧化硅含量的硅灰。

3 結論

基準和受檢混凝土無論是控制同配比還是同坍落度，硅灰的摻入都會不同程度提升混凝土的抗壓強度，且對后期抗壓強度提升更為明顯。

摻有硅灰的混凝土抗壓強度與硅灰的二氧化硅含量大致呈正相關關系，即隨著硅灰二氧化硅含量的升高，抗壓強度也會提高。

抗壓強度等級越高的混凝土對硅灰品質的要求越高。配制高強混凝土時需優先選用高二氧化硅含量的硅灰。

對于中、低二氧化硅含量的硅灰，可根據配制的混凝土性能試驗的實際情況，選擇性應用于實際工程中，變廢為寶，物盡其用。