硅灰摻量對水泥混凝土性能和水化機理的影響

摘要：硅灰作為重要的硅質礦物摻合料，近年來在建筑材料中應用廣泛。為研究硅灰摻量對水泥混凝土性能和水化機理的影響，本文基于室內試驗探究了5種不同硅灰摻量水泥混凝土的料漿擴散度、單軸抗壓強度、抗沖擊強度和收縮率。結果表明，料漿擴散度和收縮率隨硅灰摻量的提升先降后升，單軸抗壓強度和抗沖擊強度隨硅灰摻量的提升先升后降，當硅灰摻量為10%時，水泥混凝土的力學性能和安定性最優。適量硅灰的摻入會提升水泥混凝土的強度、抗沖擊性能和安定性，但過量硅灰的摻入會因其吸水性阻滯水化反應的持續進行，不利于水化產物和宏觀強度的形成。

關鍵詞：硅灰；水泥混凝土；力學性能；收縮率

中圖分類號：TU528.1；TQ177.6+9文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0099-04

Effect of silica fume content on the properties and hydration mechanism of cement concrete

FU Jing

（Zhejiang Changzheng Vocationalamp;Technical College，School of Architectural Engineering，Hangzhou 310023，China）

Abstract：As an important siliceous mineral admixture，silica fume has been widely used in building materials in re?cent years.In order to study the effect of silica fume content on the properties and hydration mechanism of cement concrete，the slurry diffusion，uniaxial compressive strength，impact strength and shrinkage of five cement concretes with different silica fume dosages were investigated based on laboratory experiments.The results show that the diffu?sion and shrinkage of the slurry decrease first and then increase with the increase of silica fume content，and the uni?axial compressive strength and impact strength increase first and then decrease with the increase of silica fume con?tent，and when the silica fume content is 10%，the mechanical properties and stability of cement concrete are the best.The incorporation of an appropriate amount of silica fume will improve the strength，impact resistance and sta?bility of cement concrete，but the incorporation of excessive silica fume will hinder the continuous progress of hydra?tion reaction due to its water absorption，which is not conducive to the formation of hydration products and macro?scopic strength.

Key words：silica fume；cement concrete；mechanical properties；shrinkage rate

混凝土作為現代建筑工程中的重要材料，其性能優劣直接關系到工程質量和安全[1]。隨著工程建設對材料性能要求的日益提高，傳統混凝土材料已難以滿足某些特殊工程的需求。因此需要不斷探索新的材料和技術改善混凝土的性能。硅灰作為一種高效的礦物摻合料，近年來在混凝土材料中的應用受到了廣泛關注[2]。硅灰的摻入不僅能夠改善混凝土的工作性，還能顯著提高混凝土的強度、耐久性以及抗滲性等性能，這些優勢使得硅灰在高性能混凝土、耐久性混凝土等領域展現出巨大的潛力[3]。吳炎海等[4]人基于室內試驗對不同硅灰摻量活性粉末混凝土（RPC）的流動度、抗折強度和抗壓強度進行分析，確定了在保證強度的前提下改善RPC流動度的最佳參數組合，有效降低了RPC生產成本。劉紅彬等[5]人研究了硅灰摻量對RPC力學性能的影響。許影等[6]人結合室內試驗探究了硅灰摻量對自密實高強混凝土（SCC）的工作性能和力學性能的影響，明確了適量硅灰摻加能夠減小自密實混凝土料漿的擴展時間并增大擴展度，加快拌合物流速，當硅灰摻量為6%時擴展時間最短，但摻量過多則會劣化流動性和保坍性。計興旺[7]通過將改性硅灰和粉煤灰作為復合摻合料加入水工混凝土中，探究了不同配合比條件下水工混凝土的抗鹽侵蝕性、骨料堿活性、滲透性和抗壓強度變化規律。盡管上述研究探索了硅灰在混凝土中的應用，并取得了一定的成果，但硅灰的最佳摻量、對水泥混凝土的水化作用影響機理以及與其他摻合料的相互作用等問題仍需進一步研究。因此，深入研究硅灰摻量對水泥混凝土性能和水化機理的影響對于優化混凝土配合比設計、提高混凝土性能具有重要的理論和實際意義。

本研究結合室內試驗探究不同摻量硅灰對水泥混凝土的料漿流動性、抗壓強度、抗沖擊性能和收縮率的影響，探討硅灰摻入對水化反應進程作用及機理，進一步明確硅灰在混凝土中的作用效果，為高性能混凝土的研發和應用提供參考。

1原料和試驗

本研究所用水泥為PO× 42.5級普通硅酸鹽水泥（楊春水泥有限公司），性能參數：比表面積為355 g/cm3，初凝時間為233 min，終凝時間為293 min，3 d抗折強度為5.6 MPa，28 d抗折強度為8.2 MPa，3 d抗壓強度為26.6 MPa，28 d抗壓強度為51.2 MPa。硅灰為艾肯牌硅灰，性能參數：密度為2.28 g/cm3，細度為100目，平均粒徑為0.19μm，SiO2含量為98%。骨料為ISO標準砂（艾思歐有限公司）。減水劑為聚羧酸高效減水劑（中巖科技公司）。

本研究混凝土配合比試驗設置膠砂比為1∶3，水膠比為0.5，減水劑摻量為0.6%，硅灰摻量為水泥摻量的0%、5%、10%、15%、20%，養護齡期為7 d。將所有材料配置完成后混合，使用攪拌機攪拌5 min，使料漿達到均質化狀態。將攪拌好的料漿進行擴散度測試后倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm尺寸的三聯模具中。先室溫養護24 h后，將試塊拆模放入濕度為90%、溫度為22℃的恒溫養護箱進行養護，直至達到養護齡期7 d后取出，從而得到5種不同的試驗用混凝土備料。所有試驗過程均依據標準GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行[8]。

2硅灰摻量對水泥混凝土的性能和水化機理

2.1硅灰摻量對水泥混凝土的性能影響

本研究借助坍落度探究硅灰摻量對水泥混凝土料漿流動性的影響。不同硅灰摻量的水泥混凝土料漿坍落度實驗結果見圖1。

由圖1可知，隨著硅灰摻量的增加，料漿擴散度呈現出現逐漸降低的趨勢。當硅灰摻量為20%時，料漿擴散度達到最小值390 mm。這說明硅灰的摻入會降低水泥混凝土料漿的流動性，這是因為硅灰的粒度較細，比表面積較大，因而吸水性強，這會提高料漿的粘度和稠度，因而流動性下降[9]。

本研究借助單軸抗壓強度（UCS）試驗探究硅灰摻量對水泥混凝土抗壓強度的影響。對不同硅灰摻量的水泥混凝土試塊進行UCS試驗，結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著硅灰摻量的增加，水泥混凝土UCS呈現出現增大后減小的趨勢。當硅灰摻量為10%時，水泥混凝土UCS達到最大值41.6 MPa。這說明硅灰的摻入在一定程度上可提升水泥混凝土的抗壓強度，但不斷增加硅灰摻量并不能使強度持續上升，反而會使強度下降。這是因為硅灰的加入會增加水化反應的成核位點，使更多C—S—H水化產物形成，有利于水泥混凝土微觀膠結結構和骨架結構的形成，進而提升宏觀強度[9]。但過量硅灰的摻入會吸收大量自由水，使參與水化反應的自由水數量降低，不利于水化反應的深入進行和水化產物的形成，降低了水泥混凝土微觀結構的密實度，微觀孔隙數量增多，宏觀強度下降[10]。

本研究采用落錘沖擊方法對硅灰摻量對于水泥混凝土的抗沖擊性能展開研究。落錘的質量設為2.35 kg，下落高度為900 mm，不斷對摻硅灰后的水泥混凝土試塊展開沖擊，并得到沖擊次數的平均值N，摻硅灰后的水泥混凝土試塊和沖擊的次數比值設為Cjy，沖擊強度公式如下：

式中：N為破壞的沖擊次數，P為沖擊的強度，mg為落錘的重力，單位N，H為落錘的高度，h和d分別為水泥混凝土材料的高度和直徑。

不同硅灰摻量的水泥混凝土抗沖擊強度結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著硅灰摻量的增加，水泥混凝土抗沖擊強度呈現出現增大后減小的趨勢。當硅灰摻量為10%時，水泥混凝土抗沖擊強度達到最大值16.6 MPa。這說明適量硅灰的摻入可提升水泥混凝土的抗沖擊性能，但當硅灰摻量過多時，由于水化產物生成量下降，微觀結構中孔隙數量增多，骨架結構并沒有發育完全，導致水泥混凝土抗沖擊性能下降[11]。

不同硅灰摻量的水泥混凝土收縮率測試結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著硅灰摻量的增加，水泥混凝土收縮率呈現出先減小后增大的趨勢。當硅灰摻量為10%時，水泥混凝土收縮率達到最低值1.8%。這說明適量硅灰的摻入有利于提升水泥混凝土的安定性，這是因為當硅灰摻量較低時，粒度較細的硅灰顆粒存在填充效應，可填充在水泥混凝土微觀結構中的固體顆粒之間，提升了微觀結構的密實度，有助于減少水泥收縮率[12]。當硅灰摻量過高時，硅灰的強吸水性可能會導致混凝土內部出現水分不足的情況，會減緩水泥水化反應的進行，導致水泥內部產生更多的未反應水泥顆粒和孔隙，增加了水泥混凝土的收縮率，破壞其安定性[13]。

上述試驗結果表明，硅灰的摻入雖然會降低水泥混凝土流動性，但可有效提升抗壓強度、抗沖擊性能和安定性，證明了硅灰作為活性外加劑在可部分替代水泥作為輔助膠凝材料使用。然而，過量硅灰摻入（＞10%）對水泥混凝土的抗壓強度、抗沖擊性能和安定性存在劣化作用，因此需要在實際應用和施工中確定硅灰的合理摻量[14]。

2.2硅灰摻入對水泥混凝土水化反應的影響機理

結合2.1節試驗結果和相關文獻可知，摻硅灰水泥混凝土水化反應的影響有四方面，分別為形態效應和微骨料效應、化學活性效應、改善微觀結構和干預自收縮和干燥收縮。

形態效應和微骨料效應。硅灰顆粒極細，比表面積較高，能在水泥混凝土微觀結構中填充水泥顆粒之間的孔隙，提高微觀密實度，有助于提高水化產物的均勻性和連續性，進而提高混凝土的力學性能和耐久性[15]。

化學活性效應。硅灰在水泥混凝土中起到活性摻合料的作用，可與水泥水化形成的Ca（OH）2發生火山灰反應，生成更多的C—S—H凝膠等水化產物，提升宏觀強度[16]。硅灰的活性反應還有助于消耗水泥混凝土中的游離鈣，降低混凝土的滲透性[17]。

改善微觀結構。硅灰的摻入能夠改善混凝土的微觀結構，減少有害孔隙的數量，增加無害孔隙的比例，提高混凝土的致密性。硅灰摻入后，混凝土中的總孔隙率降低，平均孔徑減小，使得混凝土更加致密[18]。

干預自收縮和干燥收縮。硅灰摻量的不同會對混凝土的自收縮和干燥收縮產生影響。適量的硅灰摻入可以降低混凝土的自收縮，但摻量過多時可能會導致收縮率增加[19]。硅灰的高比表面積導致其吸水性強，可能會在混凝土內部形成水分不足的區域，影響水泥的水化進程，進而影響混凝土的收縮性能。

3結語

本研究使用硅灰替代水泥，結合室內試驗探究了不同硅灰摻量對水泥混凝土各項性能和水化機理的影響。當硅灰摻量從0%提升至20%時，水泥混凝土抗壓強度和抗沖擊性能先升后降，收縮率先降后升，料漿流動性逐漸下降。當硅灰摻量為10%時，水泥混凝土抗壓強度、抗沖擊性能和流動性最優。硅灰的摻入可為水化反應提供更多成核位點，促進水化產物的形成，降低微觀結構孔隙數量并提升密實度，但硅灰過量摻入會吸收大量自由水，阻滯水化反應進行，進而劣化水泥混凝土的力學性能和安定性。

【參考文獻】

[1]楊志強，陳志敏，袁乾龍，等.干濕-凍融交替作用下硅灰混凝土耐久性分析[J].蘭州工業學院學報，2023，30（3）：53-57.

[2]高鵬，陳星，王維，等.粉煤灰不同摻量對高性能混凝土耐久性影響研究[J].粘接，2024，51（2）：80-83.

[3]李彪，錢曉倩，林天樂，等.雙摻粉煤灰與硅灰混凝土的強度與早期收縮試驗研究[J].混凝土，2022（12）：29-32.

[4]吳炎海，何雁斌.活性粉末混凝土（RPC200）的配制試驗研究[J].中國公路學報，2003，16（4）：44-49.

[5]劉紅彬，鞠楊，孫華飛，等.硅灰摻量對活性粉末混凝土力學性能的影響[J].工業建筑，2015，45（4）：132-135.

[6]許影，郎劍雷，陶曉峰.硅灰摻量對自密實高強混凝土性能影響研究[J].江蘇科技信息，2024，41（3）：128-132.

[7]計興旺.改性硅灰和粉煤灰對水工混凝土性能影響探究[J].黑龍江水利科技，2024，52（3）：20-22.

[8]王陽.橡膠粉、稻殼灰/硅灰改性鐵路工程用的水泥砂漿試驗[J].粘接，2022，49（5）：51-55.

[9]李寶清，袁文，趙春東，等.石灰石粉硅灰復合膠凝體系預制梁混凝土試驗研究[J].交通科技，2024（1）：114-118.

[10]宋澤鵬，陸春華，鄭玉龍，等.摻硅灰混凝土抗壓強度理論分析及計算模型[J].混凝土，2022（9）：89-92.

[11]趙軍，杜浩，趙浩陽.高寒鹽堿地區隧道摻硅灰混凝土性能試驗研究[J].陜西理工大學學報（自然科學版），2022，38（4）：23-30.

[12]李曉輝，趙曉樂，羅振鵬，等.超高性能混凝土的研究進展[J].建筑機械，2024（3）：24-32.

[13]王剛.摻稻殼灰/硅灰混凝土的性能研究[J].混凝土與水泥制品，2021（2）：101-104.

[14]黃遵鵬，高逸，高英浩，等.水養護溫度對活性粉末混凝土強度及水化硅酸鈣結構的影響研究[J].混凝土世界，2024（3）：38-42.

[15]周雪廬，何淅淅.最大骨料粒徑對納米硅灰混凝土強度影響試驗研究[J].建筑結構，2020，50（S2）：519-523.

[16]馬麗媛，李瀅，陳曦.再生微粉和礦物摻合料對水泥漿體微觀結構的影響研究[J].青海大學學報，2024，42（1）：24-31.

[17]朱德舉，趙雪薇，郭帥成.海水與礦物摻合料對水泥基材料微結構和力學性能的影響[J].硅酸鹽學報，2024，52（5）：1477-1485.

[18]王東紅，單長武，劉玉娟.硅灰混凝土早期收縮開裂研究[J].四川水泥，2016（4）：335.

[19]李大清.高海拔高速公路隧道混凝土抗凍耐久性能試驗研究[J].交通科技與管理，2024，5（6）：101-103.

[20]黃正峰，歐忠文，羅偉，等.硅灰和骨料對混凝土耐高溫性能的影響[J].混凝土，2024（1）：107-109.

（責任編輯：張玉平）