硅粉对无机植筋高性能混凝土材料强度影响试验

卜力平，张超

（1.福建船政交通职业学院 土木工程学院，福建 福州 350007；2.福建船政交通职业学院 交通土建智能与绿色建造应用技术协同创新中心，福建 福州 350007；3.福建省高速技术咨询有限公司，福建 福州 350001；4.福建省高速公路工程重点实验室，福建 福州 350001）

近几年，特殊性能新型混凝土得到快速发展，无机植筋高性能混凝土应用与锚固施工越来越多。以普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，掺加硅粉与调凝材料，通过试验研究不同掺配比例情况下材料强度变化规律，分析强度差别的原因，提出适用无机植筋高性能混凝土材料的最佳掺量[1-2]。

将硅粉添加到混凝土材料中，一方面硅粉具有高活性，在水泥发生水化反应中可减少混凝土的孔隙率，提高混凝土的强度[3-4]，并能减少水化反应产生的热量，防止内外温度差造成的缺陷，多方面改善提高混凝土性能与工程质量[5-6]；另一方面是对工业废料的循环再利用，有利于环境保护，具有重要的环保与社会效益。

1 硅粉掺入混凝土后的作用机理

硅粉是在硅铁和金属硅生产过程中产生的工业尘埃，它是高纯度石英与焦碳在冶炼硅、铁合金时发生还原反应生成的。硅粉的密度为2.2～2.5 g/cm3，主要成分是非晶态的二氧化硅（含量高于90%）。硅灰颗粒为圆球形（见图1），极其微细，平均粒径约为0.1μm，其比表面积为2.0×105～3.0×105cm2/g（普通水泥是3 000～4 000 cm2/g，普通粉煤灰是4 000～7 000 cm2/g），因而使得硅粉具有优异的火山灰质特性。硅粉掺入混凝土后，硅粉二氧化硅含量越高、细度越细，其对混凝土的改性效果也越好。

图1 高纯硅粉Fig.1 High purity silicon powder

1.1 微集料填充效应

硅粉的粒径比水泥颗粒小100倍，按最大密实理论，当硅粉良好地分散于混凝土中时，它填充于水泥颗粒之间的空隙，其效果如同水泥颗粒填充在细骨料空隙之间和细骨料填充在粗骨料空隙之间一样，增加混凝土的密实度。

混凝土中，水泥净浆与骨料之间过渡区的强度一般低于净浆体强度，这是因为混凝土内部泌水受到骨料颗粒的阻挡而聚集在骨料下面，形成多孔界面，其中氢氧化钙含量要多于其它区域，且氢氧化钙晶体取向性较强，故过渡区易于开裂。掺入硅粉后，降低泌水，防止水分在骨料下表面聚集，从而提高界面过渡区的密实度和减小界面过渡区的厚度；同时微小的硅粉颗粒成为氢氧化钙的晶种，使氢氧化钙晶体的尺寸更小，取向更随机，从而提高水泥净浆与骨料之间的粘结强度。

1.2 火山灰效应

在水泥水化过程中，水泥与水反应生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、氢氧化钙和钙矾石等水化产物，其中氢氧化钙的结晶度和取向性对混凝土强度不利。掺入硅粉后，硅粉颗粒分散在比其更为粗大的水泥颗粒之间，微硅粉中含有的大量玻璃态二氧化硅和水反应首先生成富硅的凝胶，接着氢氧化钙与该富硅凝胶发生如下反应：

化学反应中消耗的Ca(OH)2生成C-S-H凝胶,同时促进了C3S的水化，加速水泥水化过程。硅粉颗粒愈细，则化学反应愈快，促进混凝土强度快速提高。

2 不掺加硅粉的水泥强度变化规律

2.1 原材料

水泥选用海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，物理力学性能见表1。

表1 海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥物理力学性能Tab.1 Portland cement physical and mechanical properties of CONCH P·O 42.5

砂子选用闽江天然河砂，颗粒级配良好，细度模数2.66，属于中砂。水选用福州市区自来水。

2.2 试验方法

按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》试验，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体，如图2所示。成型24 h后拆模，并放置在水中养护，到达不同龄期进行强度试验。

图2 棱柱体试件Fig.2 prismatic specimen

2.3 试验配合比和试验结果

影响水泥强度的因素很多，主要与水泥熟料的矿物组成、水泥细度、水灰比、石膏掺量等有关。为检验普通硅酸盐水泥强度形成过程，采用0.26和0.32两种水灰比，分别配制普通硅酸盐水泥净浆和水泥砂浆进行强度试验，分析强度形成规律。试验配合比和试验结果见表2、表3。

表2 水泥净浆和水泥砂浆试验配合比Tab.2 Test mix ratio of cement paste and cement mortar

表3 水泥净浆和水泥砂浆强度试验结果Tab.3 Strength test results of cement paste and cement mortar

根据表中数据绘制水泥净浆和水泥砂浆抗压强度变化规律，如图3和图4所示。

图3 水泥净浆抗压强度变化规律Fig.3 Variation of compressive strength of cement paste

图4 水泥砂浆抗压强度变化规律Fig.4 Variation of compressive strength of cement mortar

试验数据显示：

（1）水泥净浆1 d龄期的抗压强度约能达到28 d强度的43%以上，7 d龄期则达到约90%，此后抗压强度缓慢增加，增长率远小于前7 d增长率，且水灰比越大，水泥净浆不同龄期强度值越低。

（2）水泥砂浆强度与水泥净浆强度变化规律基本相同，并且在相同水灰比的条件下，水泥砂浆抗压强度略大于水泥净浆，增加幅度约5%左右。

分析认为，在实验室搅拌成型的水泥砂浆，经过精心制作、标准养护后，大粒径骨料不会造成砂浆试件的离析和较大内部空隙，可以形成骨架作用，在一定程度上可提高材料抗压强度。

水灰比0.26的水泥净浆和砂浆抗压强度变化趋势如图5所示，水灰比0.32的水泥净浆和砂浆抗压强度变化趋势如图6所示。

图5 水灰比0.26的水泥净浆和砂浆抗压强度比较Fig.5 Comparison of compressive strength between cement paste and mortar with water cement ratio of 0.26

图6 水灰比0.32的水泥净浆和砂浆抗压强度比较Fig.6 Comparison of compressive strength between cement paste and mortar with water cement ratio of 0.32

根据水泥净浆和砂浆抗压强度比较分析可知：水灰比0.26时，龄期1、3、7、14、28 d水泥砂浆抗压强度均大于水泥净浆；但是水灰比0.32时，龄期1 d水泥砂浆抗压强度小于水泥净浆，此后龄期水泥砂浆强度又恢复到大于水泥净浆。

分析认为，当龄期1 d时，水泥净浆化学组分反应均匀，水泥中的矿物熟料发生水化反应，水化物凝聚并由于引力作用互相结合，组成水泥石结构，强度增长较快；随着龄期不断增长，水泥石与骨料界面粘结力逐渐加强，水泥砂浆中的矿物空隙和水泥内部化学组分之间的孔隙被逐渐填满，由于骨料强度和弹性模量一般比水泥石高一些，因此增强了水泥砂浆强度。

3 单一掺加硅粉试验研究

在不改变其它化学成分含量的情况下，单一硅粉的掺加比例直接影响混凝土强度。以硅粉等量取代水泥配置水泥砂浆，作为配置无机植筋高性能混凝土试验依据。

试验选用北京兴荣源科技有限公司生产的4N高纯硅粉，其化学成分见表4。

表4 硅粉化学成分Tab.4 Chemical composition of silicon powder

试验按照0～20%比例掺加硅粉，具体配合比见表5。

表5 单一掺加硅粉试验配合比Tab.5 Test mix ratio of single addition of silicon powder

在试验过程中观察到，加入硅粉以后，水泥砂浆很快变得粘稠，并且搅拌时间越长、粘度越大。此外硅粉的掺量越大，水泥砂浆粘稠的速度也越快。由此可见，硅粉能使混凝土搅拌过程中用水量增加。

试件1 d龄期的抗折强度、抗压强度和28 d龄期的抗压强度结果见表6。

表6 单一掺加硅粉混凝土强度试验结果Tab.6 Strength test results of concrete with single silica fume

根据试验结果，以硅粉掺量为横坐标，绘制混凝土1 d龄期强度变化曲线，和混凝土1 d与28 d龄期抗压强度对比曲线，如图7、图8所示。

图7 混凝土1 d龄期强度变化曲线Fig.7 1 d age of concrete strength curve

图8 混凝土1 d与28 d龄期抗压强度对比曲线Fig.8 1 d and 28 d age of concrete curve of compressive strength

试验数据分析可知：

（1）单一掺加硅粉后，混凝土1 d与28 d龄期强度均有显著提高，并且随着硅粉掺量的增加，混凝土强度呈现先高后低趋势。

（2）比较混凝土1 d与28 d龄期抗压强度变化曲线，当硅粉掺量不大于10%时，混凝土抗压强度有较快地增长，增长率达到31.6%；但是硅粉掺量超过10%时，混凝土抗压强度快速增长的趋势受到抑制，增长率大幅降低，硅粉掺量与抗压强度呈抛物线关系，存在最佳硅粉掺量。

因此，从技术性与经济性考虑，掺加10%左右的硅粉对混凝土强度的改善效果最佳。

4 调凝组分QT与硅粉复掺试验研究

为研究调凝组分QT与硅粉复掺对混凝土强度产生的影响，在不改变其它化学成分含量的情况下，按照两者不同比例进行掺配，具体配合比见表7。

表7 调凝组分QT与硅粉复掺试验配合比Tab.7 Mixing ratio of QT and Silica fume

试件1 d龄期的抗折强度和抗压强度、7 d和28 d龄期的抗压强度试验结果见表8。

表8 调凝组分QT与硅粉复掺混凝土强度试验结果Tab.8 Strength test results of concrete mixed with QTand silica fume

不同硅粉掺量1 d龄期混凝土抗折与抗压强度对比柱状图，如图9、图10所示。

图9 1 d龄期混凝土抗折强度对比柱状图Fig.9 1 d age concrete flexural strength contrast bar chart

图10 1 d龄期混凝土抗压强度对比柱状图Fig.10 1 d age concrete compressive strength comparison bar chart

通过分析表7和图9、图10的数据和趋势可以得出：

（1）单一掺加调凝组分QT可以提高混凝土的早期强度，QT掺量8%比4%时的强度略高。

（2）随着复掺硅粉的加入，混凝土1 d龄期抗折、抗压强度均有降低。

（3）同时掺加硅粉和调凝组分QT，混凝土早期强度的改善效果并没有得到叠加，反而有所削弱。

分析认为：因为调凝组分QT的活化增强作用优于硅粉，复掺后水泥矿物组分首先与QT反应，然后又与硅粉反应，两者之间存在某种“竞争”关系，互相牵制，此增彼减，减缓混凝土早期强度的形成。此外，同等体积的混凝土，由于硅粉的掺入，相应挤占水泥矿物组分的空间，是造成掺加同等数量的QT但是混凝土早期强度却减少的原因之一。

复掺硅粉和调凝组分QT的7 d与28 d龄期混凝土抗压强度对比柱状图，如图11、图12所示。

图11 7 d龄期混凝土抗压强度对比柱状图Fig.11 7 d age concrete compressive strength comparison bar chart

图12 28 d龄期混凝土抗压强度对比柱状图Fig.12 28 d age concrete compressive strength contrast bar chart

（1）通过图11可以看出，复掺硅粉的混凝土7 d龄期抗压强度比不掺硅粉的混凝土均有提高，但并不是硅粉掺量越多越好，复掺10%硅粉抗压强度值最高。

（2）通过图12可以看出，水泥中调凝组分QT掺量无论是4%，还是8%，复掺10%硅粉的混凝土28 d龄期抗压强度依然比不掺硅粉和复掺20%硅粉的混凝土强度高。

（3）调凝组分QT掺量4%时，复掺10%硅粉的混凝土28 d龄期抗压强度86.04 MPa，比不掺硅粉的抗压强度82.29 MPa，提高了4.6%；QT掺量8%时，复掺10%硅粉的混凝土28 d龄期抗压强度88.86 MPa，比不掺硅粉的抗压强度79.87 MPa，提高11.2%；并且复掺20%硅粉与不掺硅粉的混凝土28 d龄期抗压强度基本相当。

5 结语

以普通硅酸盐水泥混凝土为例分析研究硅粉对无机植筋高性能混凝土材料强度影响规律，可以得出：

（1）单一掺加硅粉对混凝土早期强度有提高促进作用，从技术性与经济性考虑，掺加10%左右的硅粉对混凝土强度影响最佳。

（2）单一掺加水泥调凝组分QT也能提高混凝土的早期强度，并且QT掺量8%比4%时的强度略高。

（3）水泥调凝组分QT掺量无论是4%还是8%，复掺10%硅粉的混凝土28d龄期抗压强度依然比不掺硅粉和复掺20%硅粉的混凝土强度高。