硅藻土替代硅灰在混凝土、砂漿中應用的研究

肖力光，邢紋浩

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

硅灰是含有很多納米級無定型SiO2的細小粉粒，多用于高性能、高強混凝土中。近年來，關于硅灰用作摻和料的試驗、理論及應用體系不斷完善且日益成熟[1-4]，其價格水漲船高，因此急需尋找價格低廉的替代品。

硅藻土是硅質沉積巖，主要化學成分是無定形二氧化硅(SiO2)，我國硅藻土儲量巨大居世界第二。但優質資源占比很小不到 20%，80%為低品質硅藻土。大量的低品位硅藻土被棄置嚴重浪費了資源。低品位硅藻土資源的有效利用和開發至關重要。利用低品位硅藻土替代硅灰，不但能大大緩解對混凝土高活性摻和料的需求，降低工程建設成本，又可以促進完善硅藻土產業鏈的健康發展。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

水泥，選用吉林亞泰生產的P·O 42.5級水泥；低品位硅藻土，選用吉林省長白地區低品位三級硅藻土；硅灰，生產于河南鼎諾凈化材料有限公司，主要化學成分見表1；石英砂，選用吉林本地產的70～90目；中砂，為吉林本地產的河沙，細度模數2.6；石子，為吉林本地產最大粒徑40 mm的碎石。

表1 硅灰、硅藻土的化學成分Table 1 The chemical composition of silicafume and diatomite

1.2 砂漿、混凝土配合比

2.1節中的砂漿基本配合比(kg/m3)：水泥430，石英砂1 400，水300。

2.2節中的混凝土基本配合比(kg/m3)：水泥460，石子1 250，河沙510，水190。

2.3節中的砂漿基本配合比(kg/m3)：水泥430，河沙1 400，水300。

1.3 實驗方法

將低品位硅藻土粉磨5，10，15，20 min進行機械活化，在溫度600 ℃煅燒2 h進行熱活化處理[5-7]，硅灰和預處理過的硅藻土分別取代水泥用量的0，4%，8%，12%。測試操作按照GB/T 50081《混凝土物理力學性能試驗方法標準》、JGJ/T 70《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》、力學性能試驗依據GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法》；混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。成型后立即用塑料薄膜覆蓋表面，在溫度為(20±1)℃的環境中養護24 h后拆除模具，隨后立即放入標準養護箱中護養，砂漿和凈漿的試塊尺寸為160 mm×40 mm×40 mm。

2 結果與討論

2.1 硅藻土活化處理方案的選擇

將硅藻土進行機械粉磨活化處理，粉磨后的硅藻土以及硅灰、水泥的粒徑大小見圖1。

圖1 粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution

由圖1可知，水泥顆粒大小>硅灰顆粒>硅藻土粉磨5，10，15 min>硅藻土粉磨20 min。將機械活化后的硅藻土，在溫度為600，650 ℃下煅燒2 h[8-9]進行熱活化處理，分別等量取代水泥用量的0，4%，8%，12%和16%。圖2為活化硅藻土對砂漿的28 d抗壓強度影響規律圖。

圖2 活化硅藻土對砂漿28 d抗壓強度的影響Fig.2 Each group mixed with diatomite mortar for28 d compressive strength

由圖2可知，隨著活化硅藻土摻量的增加砂漿的28 d抗壓強度均大幅度提升，摻12%機械粉磨活化15 min+600 ℃熱活化2 h的硅藻土的砂漿抗壓強度提升幅度最高，增幅達170%，因此確定15 min+600 ℃熱活化2 h為最優硅藻土活化方案。

2.2 硅藻土、硅灰對混凝土、砂漿的力學性能影響

分別將硅灰、機械粉磨活化15 min+600 ℃熱活化2 h的活化硅藻土以0，3%，6%，9%和12%的等量取代水泥，配制混凝土試塊。圖3、圖4為硅灰、活化硅藻土摻量對混凝土7，28 d齡期的抗壓強度影響規律圖。

圖3 硅藻土、硅灰對混凝土7 d抗壓強度的影響Fig.3 Effects of diatomite and silica fume oncompressive strength of concrete 7 d

圖4 硅藻土、硅灰對混凝土28 d抗壓強度的影響Fig.4 Effects of diatomite and silica fume oncompressive strength of concrete 28 d

由圖3可知，摻3%的硅藻土能極大地提高混凝土早期抗壓強度，提升幅度達251%，是硅灰的 1.54 倍。由圖4可知，各摻量硅藻土對混凝土28 d抗壓強度的提高效果均遠高于硅灰，最佳摻量為6%，提高幅度達158%，是摻硅灰的1.4倍。

分別將硅灰、活化硅藻土以0，3%，6%，9%，12%等量取代水泥，配制砂漿試塊，圖5、圖6為硅灰、活化硅藻土摻量對砂漿28 d抗折、抗壓強度影響規律。由圖可知，兩種摻和料對砂漿的抗折、抗壓強度提高的規律基本一致，活化硅藻土對砂漿抗壓強度影響與摻硅灰的基本效果一致，在摻量6%范圍內，強度的提升效果遠遠高于硅灰，但硅藻土的抗折強度的提升略低于硅灰。

圖5 硅藻土、硅灰對砂漿28 d抗折強度的影響Fig.5 Effects of diatomite and silica fume onthe 28 d flexural strength of mortar

圖6 硅藻土、硅灰對砂漿28 d抗壓強度的影響Fig.6 Effects of diatomite and silica fume on the28 d compressive strength of mortar

據圖1粒徑分布圖知，硅藻土經機械粉磨后粒徑遠遠小于硅灰，因此，兩者在相同質量下，硅藻土摻和料會擁有更大的比表面積，即更大接觸、反應面積。在火山灰 —Ca(OH)2系統中，粉狀物的表面積越大，則其與Ca(OH)2的結合量會更多，其火山灰效應更好；較小粒徑的硅藻土能更好得發揮“微集料效應”，更加緊密得填充到水泥微粒之間，使膠凝材達到了更好的級配。此外，火山灰效應能改善集料與水泥石的界面過渡層[10]，通過將大孔替換為小孔來改善孔結構、降低孔隙率，使混凝土、砂漿的微觀更加致密、均勻。這在宏觀反映出添加活化硅藻土的混凝土試塊擁有更高的抗壓性能。

3 結論

(1)機械粉磨活化15 min，600 ℃熱活化2 h的活化方式是提升硅藻土活性的最佳方案。

(2)摻3%硅藻土能極大提高混凝土早期抗壓強度，提升幅度達251%，是同摻量硅灰效果的1.54倍；摻6%硅藻土能大幅度提高混凝土28 d抗壓強度，是硅灰效果的1.4倍。

(3)低品位活化硅藻土完全可以作為高活性摻和料替代硅灰，成本低廉，為低品位硅藻土的綜合利用開拓了新的途徑，具有較高的經濟與環保價值。