硅灰對水泥膠砂抗折抗壓強度的影響

趙新星， 扈惠敏

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

水泥作為一般混凝土的膠凝材料，因為其自身較高的抗壓強度、良好的耐久性和低廉的價格，在工程中被廣泛使用。水泥混凝土是應用最頻繁的建筑材料之一，但隨著經濟高速發展，水泥使用量逐漸增加，能源消耗增加，對環境破壞越來越嚴重，不利于持續發展。如今，混凝土中的膠凝材料已經不僅僅只有水泥，還可以摻有硅灰、粉煤灰等物質，且摻量有逐漸增加的趨勢。硅灰，本質上是一種大工業冶煉中的副產物，其主要成分為SiO2，粒徑范圍為納米級，比表面積大，活性高[1]。由于在水泥混凝土中摻入適量的硅灰，可提高混凝土的多種性能，如今越來越多的硅灰作為外摻劑被加入水泥混凝土中以提升性能。由于不同硅灰之間SiO2含量及粒徑大小有差異，其對膠凝材料體系的影響也不盡相同[2,3]。

通過水泥膠砂試驗探究硅灰對膠砂抗折抗壓強度的影響，以選擇合理的硅灰及摻量搭配，非常簡便有效。姜博等[4]通過內摻法測定摻硅灰的水泥膠砂強度，結果顯示8%硅灰摻量時試件的7 d和28 d抗折抗壓強度均最高；葉東忠[5,6]測定了3 d、7 d、28vd、180 d的水泥膠砂試件抗折抗壓強度，除3 d、7 d試件的抗折抗壓強度比不摻有所下降外，在8%摻量下28 d、180 d的抗折抗壓強度均提升且是最佳摻量。

1 試驗方法

參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30-2005)中《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(T 0506-2005)進行。本試驗選用了3種不同的硅灰作為摻合料，分別用外摻和內摻的方法得到相應的水泥膠砂試件(摻量均為8%)，另有一組不摻硅灰的標準水泥膠砂試件作為對照組進行比較，每種摻量制作3個試件。

1.1 試驗設備

膠砂攪拌機；振實臺；試模；抗折試驗機和抗折夾具；抗壓試驗機和抗壓夾具。

1.2 試驗材料

水泥：安徽長豐海螺水泥有限公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

標準砂：廈門艾斯歐標準砂有限公司按照GB/T 17671-1999生產的標準砂。

水：普通自來水。

硅灰：選用的3種硅灰的產地及顏色見表1。

表1 試驗所用硅灰顏色及產地

1.3 試件養護

試件完成24 h后脫模，隨即放入內部溫度為20 ℃、濕度為98%的標準養護箱內養護。

2 試驗結果及分析

試件成型7 d(28 d)后，用抗折抗壓試驗機測得各試件抗折抗壓強度。

2.1 試驗數據

各試件的抗折抗壓強度見表2和表3。

表2 摻不同硅灰的水泥膠砂試件抗折強度

表3 摻不同硅灰的水泥膠砂試件抗壓強度

為給出直觀的對比效果，繪出試件的28 d抗折抗壓強度折線圖，如圖1、圖2所示。

圖1 試件28 d抗折強度對比圖

圖2 試件28 d抗壓強度對比圖

2.2 結果分析

(1)內摻的情況下，所有硅灰的7 d抗折強度均小于不摻硅灰的對照組，且只有摻2#硅灰的試件28 d抗折強度能夠超過對照組；所有硅灰的7 d抗壓強度與28 d抗壓強度均大于不摻硅灰的對照組，28 d抗壓強度更是提升明顯，以2#最為顯著。這說明，用硅灰等量替代水泥不利于水泥膠砂早期強度的形成，且只有部分硅灰能夠提升28 d的抗折強度；而硅灰可以明顯改善水泥膠砂的抗壓性能，對早期抗壓強度形成也有幫助。

(2)外摻的情況下，除了3#硅灰，其余硅灰的添加均能明顯提升試件的抗折強度；所有硅灰外摻的試件抗壓強度均得到顯著提高，2#硅灰對試件28 d抗折抗壓強度的提升均是最高。因此，外摻適量硅灰能夠幫助試件提升抗折抗壓強度。

(3)綜合各硅灰內外摻抗折抗壓強度的數據，2#硅灰形成的試件強度最好，其次是1#，在生產中可考慮適量加入2#硅灰替代水泥。

3 機制分析

水泥膠砂的強度與其物相組成及孔結構特征有關。從圖1、圖2可以看出，硅灰的摻加使水泥膠砂的的抗壓強度得到極大提高，抗折強度也能得到一定提高。產生這種結果的原因主要有兩方面。

(1)水泥的水化產物中，高堿性水化硅酸鈣以及Ca(OH)2的強度較低。而硅灰中含有大量活性SiO2，在水泥膠砂中摻入硅灰能與水泥水化時析出的Ca(OH)2發成2次反應，生成的低堿性水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣具有膠凝性，所以能夠提高水泥膠砂的強度[7]，這是化學反應方面的原因。

(2)硅灰顆粒粒徑較小，普通硅酸鹽水泥的比表面積為350～400 m2/kg，而通過氮吸附試驗測得三種硅灰樣品的比表面積均在2 000 m2/kg以上，硅灰顆粒能夠對孔隙進行填充，在水泥膠砂中加入硅灰，水泥顆粒與硅灰顆粒就像混凝土中的粗細集料，能夠形成微觀層面的合適的級配體系，使整體更加密實，同時又因為硅灰具有良好的分散作用，所以加入適量的硅灰能夠改善水泥膠砂的性能。

使用鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)觀測幾種硅灰樣品，得到了放大倍數為3 000的微觀形態，如圖3所示1#、3#硅灰形態相似，呈團狀，而2#硅灰有顯著差異，分布更加分散，這種現象可能是2#硅灰性能更加良好的原因。

a.1#

b.2#

4 結 論

(1)硅灰不利于水泥膠砂早期強度的形成，對于抗折強度提升不明顯，但能明顯改善試件的抗壓性能。因此對水泥混凝土抗壓強度要求高時可以考慮摻加硅灰。

(2)在選用的幾種硅灰中，只有摻加2#硅灰的試件抗折強度不受減弱，抗壓強度提升也最為顯著，綜合來看性能最好，在工程中可以適量使用此種硅灰替代水泥來降低成本，提升強度。

(3)今后可以繼續探究硅灰對水泥膠砂的作用機理，通過一些微觀觀察與測試研究硅灰對水泥膠砂作用的規律，同時將來利用試驗結合多種數據分析方法，更全面地分析硅灰對混凝土性能的影響，尋找外摻劑的最佳比例以及相對應的水灰比等條件是未來的一個研究方向；在生產工程中，為滿足水泥混凝土強度或者成本控制的要求，探尋合適的硅灰種類和摻量對實現目標也有十分積極的意義。