低二氧化硅含量硅灰對混凝土力學及耐久性能的影響

摘 要：為深入研究硅灰對混凝土性能的影響，提高硅灰資源的利用率，確保建筑工程質量符合設計要求，本文以摻低二氧化硅含量硅灰的混凝土為研究對象，與不摻硅灰和摻高二氧化硅含量硅灰的混凝土做對比，通過壓力試驗和抗滲性試驗，對混凝土力學性能及耐久性能進行研究。結論表明：低二氧化硅含量硅灰，會不同程度地提升混凝土的力學性能及耐久性能，對耐久性能的提升效果尤為明顯。研究成果有助于在建筑工程中科學使用低二氧化硅含量硅灰，以期為低二氧化硅含量硅灰應用于建筑工程領域提供可靠依據。

關鍵詞：二氧化硅；硅灰；力學性能；耐久性能文章編號：2095-4085（2024）08-0182-03

0 引言

硅灰是在冶煉硅鐵合金或工業硅時，通過煙道排出的硅蒸氣氧化后，經收塵器收集得到的一種超細球型粉體材料，與粉煤灰和礦渣粉同屬于工業“三廢”中的廢渣［1］。我國煉硅產業集中在甘肅、青海以及內蒙古等地區，每年產生的硅灰達到十幾萬噸，由于受回收成本高和純化技術不成熟等因素的制約，實際生產中收集到的大量低二氧化硅含量硅灰，大多以堆置或填埋方式進行處理，大量堆置的硅灰極易擴散到空氣中，造成環境污染和資源浪費的不良后果［2］。作為摻合料，在建筑工程中使用硅灰的效果，遠勝于使用粉煤灰和礦粉的效果，目前，低二氧化硅含量硅灰未得到充分開發和應用。

下面以摻低二氧化硅含量硅灰的混凝土為研究對象，與不摻硅灰和摻高二氧化硅含量硅灰的混凝土做對比分析，配制C60強度等級的混凝土，進行壓力和抗滲性測試分析。獲取試驗數據，分析影響因素，為低二氧化硅含量硅灰的合理充分應用提供可靠依據。

1 試驗部分

1.1 原材料

采用唐山市冀東水泥股份有限公司生產的原材料，P·O42.5水泥、II區中砂天然砂、公稱粒徑5～20mm的連續級配碎石，河北合眾建材有限公司生產的高性能減水劑、自來水，產自甘肅利鑫源微硅粉有限公司的硅灰。按照二氧化硅含量對硅灰樣品進行編號，低二氧化硅含量硅灰編號硅灰D1（二氧化硅含量80.9%）、硅灰D2（二氧化硅含量81.5%）、高二氧化硅含量硅灰編號硅灰G1（二氧化硅含量94.5%）、硅灰G2（二氧化硅含量95.2%）。

1.2 配合比設計

為了更具代表性，本文將混凝土配合比設計為C60強度等級，研究低二氧化硅含量硅灰對混凝土力學性能及耐久性能的影響。為更有對比性的體現試驗數據，將配合比分為空白配比和對照配比（對照配比分為：摻低二氧化硅含量硅灰的配比和摻高二氧化硅含量硅灰的配比），空白配比編號為C60-0，對照配比編號為C60-1。配合比設計數據見表1。

1.3 試驗方法

混凝土的抗壓強度是指混凝土抵抗外力破壞的能力，是硬化混凝土抗壓強度最重要的指標，是混凝土力學性能的重要參數。以抗壓強度為參數，研究低二氧化硅含量硅灰對混凝土力學性能的影響。

混凝土的耐久性能，是混凝土抵抗物理和化學的侵蝕，長期保持良好的使用性能且外觀完整，維持混凝土結構安全、質量可靠的能力［3］。其中，物理和化學侵蝕的主要因素包括水壓、氯離子、二氧化碳氣體等。選取的主要試驗項目為抗水滲透、抗氯離子滲透和抗碳化，研究低二氧化硅含量硅灰對混凝土耐久性能的影響。

混凝土試塊的成型過程及養護條件遵循《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2016）的要求進行試驗。混凝土力學性能按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）的標準進行試驗。混凝土耐久性能按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）的標準進行試驗。

2 結果與分析

2.1 低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗壓強度的影響

根據表2數據，以硅灰二氧化硅含量作為參數進行分析，低二氧化硅含量硅灰和空白試驗進行比較，低二氧化硅含量硅灰對提高混凝土的抗壓強度效果顯著；相較于高二氧化硅含量硅灰，低二氧化硅含量硅灰對混凝土強度的提升幅度大于高二氧化硅含量硅灰。以混凝土抗壓強度齡期作為參賽進行分析，低二氧化硅含量硅灰，顯著提高了混凝土的抗壓強度，隨著齡期的延長，混凝土抗壓強度提高的幅度變小。

雖然低二氧化硅含量硅灰的品質比不上高二氧化硅的硅灰，依然具備硅灰顆粒細小、比表面積大、高火山灰活性等物理化學特性，作為礦物摻合料加入混凝土中，能很好地改善混凝土的抗壓強度［4］。低二氧化硅含量硅灰提高混凝土抗壓強度的原理，一是微集料效應：低二氧化硅含量硅灰呈超細球形粉體，能更好的對混凝土原本的顆粒體系進行填充，增加混凝土的密實度，達到提高混凝土抗壓強度的目的。二是高火山灰活性：低二氧化硅含量硅灰含有大量的不定型二氧化硅，促進混凝土中的膠凝材料進行水化反應，起到改善混凝土抗壓強度的效果。

2.2 低二氧化硅含量硅灰對混凝土耐久性能的影響

2.2.1 低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗水滲透性能影響的分析

參照表3數據，以低二氧化硅含量硅灰作為參數進行分析，低二氧化硅含量硅灰與空白試驗比較，低二氧化硅含量硅灰有利于提升混凝土抗水滲透性能；與高二氧化硅含量硅灰相互比較，低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗水滲透性能的影響，無明顯劣勢。

硅灰的顆粒直徑小于10-6m，顆粒細小、比表面積大，能有效填充到膠凝材料漿體的空隙中，改善膠凝材料顆粒間的微級配，提高混凝土的密實度，水分子更難滲透到混凝土中，達到提高混凝土抗水滲

透性能的目的。

2.2.2 低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗氯離子滲透性能影響的分析

參照表3數據，摻入硅灰的混凝土，既顯著降低了混凝土的電通量，又大幅提高了混凝土抗氯離子滲透的性能。相較于抗壓強度和抗水滲透性能，低二氧化硅含量硅灰對提高混凝土抗氯離子滲透性能的影響更顯著。

按照硅灰標準《砂漿和混凝土用硅灰》（GB/T 27690-2023）的要求，混凝土電通量之比要小于40%，摻入低二氧化硅含量硅灰的混凝土與空白混凝土電通量之比為32%，符合國家標準；低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗氯離子的滲透性能也符合國家標準的要求。硅灰的二氧化硅含量與混凝土抗氯離子滲透性能正相關，硅灰二氧化硅含量越高，混凝土抗氯離子滲透的性能越強。

低二氧化硅含量硅灰摻入混凝土后，和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，降低混凝土中氫氧化鈣的含量，硅灰的品質越高、摻量越大，混凝土經過水化反應生成的氫氧化鈣量接近于零［5］，硅灰有助于混凝土抵抗外界的化學腐蝕。

2.2.3 低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗碳化性能影響的分析

參照表3數據，與空白試驗比較，摻入硅灰混凝土的碳化深度小幅降低；與高二氧化硅含量硅灰比較，摻入兩種硅灰混凝土的碳化深

度沒有明顯差別。

硅灰顆粒細小，能填充到水泥漿體的空隙中，提高混凝土的密實度。氣體分子相較于水分子更加微小，硅灰作為水化反應的粉體，達不到密不透氣的程度，摻入硅灰的混凝土，對降低混凝土碳化深度的效果不明顯。

3 結論

低二氧化硅含量硅灰能起到提高混凝土抗壓強度的作用，尤其對早齡期抗壓強度提升的效果更為明顯。其可以有效改善混凝土抗水滲透的性能，對于混凝土抗水滲透性能提升的效果，和高二氧化硅含量硅灰一致。低二氧化硅含量硅灰既能顯著提高混凝土抗氯離子滲透的性能，又符合混凝土抗氯離子滲透性能的國家標準要求。

低二氧化硅含量硅灰和高二氧化硅含量硅灰，均小幅提升了混凝土的抗碳化性能，兩者提升混凝土抗碳化性能的效果基本一致。

4 結語

硅灰作為混凝土的摻合料，其性能明顯優于粉煤灰和礦粉。不能將低二氧化硅含量的硅灰進行簡單的“垃圾化”處理。根據低二氧化硅含量的硅灰的性能，比如，低二氧化硅含量的硅灰具有提升混凝土力學性能和耐久性能的作用，選擇性的應用于不同的建筑工程中，變廢為寶。提高硅灰資源利用率，為發展循環經濟，建設資源節約型、

環境友好型社會貢獻力量。

參考文獻：

［1］謝鵬，羅華彬，胡江中，等.二氧化硅含量硅灰對混凝土性能的影響研究［J］.混凝土世界，2021（4）：60-63.

［2］孫宏圖，張強，蔡志遠，等.粉煤灰和礦渣粉對混凝土性能的影響研究［J］.混凝土世界，2023（7）：53-56.

［3］李明勛，張宇超.不同硅灰摻量對混凝土強度和抗滲性能的影響［J］.粉煤灰綜合利用，2020，34（4）：99-102.

［4］高超，彭小燕，周永祥，等.粉煤灰與硅灰復合抑制堿骨料反應的試驗研究［J］.混凝土世界，2016（9）：76-78.

［5］劉曉林.硅灰對混凝土性能的影響［J］.建材技術與應用，2015（1）：14-16.