硅灰对混凝土性能的影响研究

范晓鹏

摘 要：硅灰是工厂在精炼硅或硅铁合金时，排放出的一种固体废弃物，它的活性很高。目前硅灰经常被用于水库、大坝、高层建筑、飞机场等工程中。我国对硅灰的研究，历史还不长，但我国是一个硅工业的大国，硅灰作为副产品，其潜在价值也是巨大的。

关键词：硅灰;混凝土;胶凝材料

1 加速胶凝材料系统的水化

首先采用直接法，测量掺加硅灰前后，胶凝材料的水化热的变化，从表1中可以看出，掺加10%硅灰后，胶凝材料在第3天和第7天的水化放出的热量增加。所以，对于大体积混凝土，需要控制早期水化放热，所以在选材时应注意。

2 控制离析和泌水

对于新拌合的混凝土往往会因为振捣、骨料级配、水泥质量、水灰比等原因而产生离析及泌水现象，使混凝土硬化后出现蜂窝、麻面现象，对混凝土各方面的性能产生不利影响。当在混凝土中掺入硅灰后，由于硅灰是一种比表面积很大的超微细材料，一方面，拌合物中的自由水会被硅灰粒子所约束，大大减少了泌水量;另一方面，使得混凝土的颗粒级配更为合理，拌合物的凝聚性更好，改善了混凝土的离析现象。但是掺加硅灰后，混凝土的粘滞性也会提高，塌落度损失较大。有试验表明，当混凝土中硅灰掺量为10%时，其单位用水量将增加8%左右，而且硅灰掺入的越多用水量越大。为了改善硅灰混凝土的流动性可增加水的用量，但加水就会增大水胶比，虽然能改善混凝土流动性，但是也给混凝土其它方面的性能造成影响，所以，一般通过采用高效减水剂的方式来改善混凝土的和易性。

3 抑制碱骨料反应

碱骨料反应是引起混凝土开裂的重要原因，对工程造成的破坏非常严重。发生碱骨料反应必须要具备一定的条件，首先要有参与反應的物质，即水泥或其它外加剂中要有一定数量的可溶性碱以及粗骨料中要有足够的活性物质;其次，要有合适的外部环境，碱同活性物质反应的生成物碱—硅酸凝胶只有吸收了一定的水分体积才能够膨胀，所以要有水分或湿空气供应。这两个因素只要有一个破坏就能阻止碱骨料反应。硅灰可减少混凝土的碱骨料反应，因为硅灰的分散度较大，增大了SiO2的溶解度，SiO2与水泥水化生成的Ca（OH）2反应，减少了混凝土中的Ca（OH）2含量，也使得水泥浆体中的的氢氧根离子浓度相对减少，降低了KOH和NaOH的浓度，从而抑制了混凝土中骨料的碱活性反应。硅灰还具有填充效应和界面效应，加入硅灰后的混凝土会变得更加密实，使水分在混凝土中的迁移速度减慢，碱—硅酸凝胶不能够获取足够的水分，在一定程度上也减少了碱骨料发生的几率。另外，在有硅灰掺入时能够降低水泥水化产生的水化硅酸钙的钙硅比值，钙硅比值低的水化硅酸钙具有较好的稳定性对抑制碱骨料反应也有一定的作用。有研究表明：在混凝土中添加5%～10%的硅灰，混凝土的膨胀量可减少10%～20%。一般添加10%的硅灰，即可充分控制碱骨料反应。

4 提高混凝土的强度

硅灰对混凝土强度的提高可从三个方面解释，首先，硅灰的加入使得材料的颗粒级配更加合理，可以增大混凝土的密实性提高了混凝土强度;其次，硅灰可以改善混凝土的界面结构，使过渡区的薄弱环节减少甚至消失，减少了混凝土在过渡区域破坏的几率提高了强度;再次，硅灰的加入使得水化后胶凝体中强度较弱的Ca（OH）2含量减少，较高强度的低碱性硅酸钙增多，提高了混凝土强度。

5 改善混凝土的耐久性

随着时代的发展混凝土工程应用的环境也越来越复杂、恶劣，例如在我国沿海地区的混凝工程要面临海风、海水的侵蚀，在东北地区要面对较低的温度下的冻害，很多工程因为混凝土耐久性的不足在使用期内不得不进行拆除，给社会带来了巨大的经济损失。怎样提高混凝土的耐久性能是亟需解决的问题。研究发现，掺入硅灰后混凝土的抗渗性能、抗冻性能、抗蚀性能、抗钢筋锈蚀能力、抗冲磨能力等一系列耐久性能都有一定程度的提高。

5.1 提高混凝土的抗渗性

混凝土的抗渗透性能取决于其本身的界面性能及孔隙结构（包括孔径分布、总孔隙率），混凝土有害大孔占总孔隙的体积越大，有害介质越容易渗入混凝土造成侵蚀与破坏作用，占总孔隙的体积越小越有利于提高混凝土的抗渗透性;总的孔隙率越小，混凝土越密实，抗渗透性也越好。硅灰可以改善混凝土界面性能和孔隙结构。硅灰颗粒中80%以上的都是粒径不大于0.1μm的颗粒，而普通的水泥粒子粒径很少低于10μm的，绝大多数粒径都在20～30μm之间，硅灰颗粒可以填充在水泥颗粒之间，硬化后的混凝土密实性得到增加，而且由于硅灰的火山灰效应，新的生成物会把混凝土的渗透通道堵塞，因而硅灰可以提高混凝土的抗渗透能力。

5.2 提高混凝土的抗冻性

我国众多混凝土工程都建造在北方地区，由于冬季天气寒冷，这些工程较易受到冻害的影响，这就对混凝土的抗冻性能提出了较高的要求，对于普通混凝土来说很难满足这一要求，随着混凝土技术的发展，人们发现掺入硅灰后的混凝土，其抗冻融性能可以得到很大的提高。混凝土材料的组织结构及其含水状况决定了混凝土抗冻融能力的大小。其破坏作用主要有：冰胀压力作用，水压力作用及显微析水作用。

5.3 提高混凝土的抗蚀性

由于硅灰的填充作用和二次水化作用增加了混凝土密的实性，使混凝土的抗弱酸腐蚀能力得到提高，但是硅灰并不能提高混凝土对高浓度的弱酸或强酸的抗腐蚀能力，这是因为因为水泥石中主要成分CSH（水化硅酸钙）会在高浓度弱酸或强酸中分解。另外，硅灰的掺入还能提高混凝土的抗盐类腐蚀能力，特别是对硫酸盐和氯盐，这是因为掺入的硅灰能够与水泥水化产物发生火山灰反应，从而减少了可溶性的氢氧化钙和钙矾石的数量，生成了较多的水化硅酸钙晶体，使混凝土内部变得较为密实，孔结构也得到了改善，有效地减缓了有害离子的扩散速度。

参考文献：

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