硅粉混凝土的強(qiáng)度和耐久性的研究進(jìn)展

[摘　要] 　研究硅粉混凝土強(qiáng)度和耐久性對(duì)開(kāi)發(fā)和推廣硅粉混凝土在工程中的應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，闡述了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此方面研究的成果，提出值得進(jìn)一步開(kāi)展的工作。

[關(guān)鍵詞] 　硅粉混凝土；配合比； 強(qiáng)度影響；耐久性影響

　　隨著結(jié)構(gòu)超高和復(fù)雜程度的增大，人們對(duì)結(jié)構(gòu)材料的工作性能提出了更高的要求，除了高工作度外，在實(shí)際應(yīng)用中還希望高性能混凝土具有高的強(qiáng)度和耐久性。有些摻和料， 如硅粉、高爐礦渣及粉煤灰已被用于提高新拌混凝土及硬化后混凝土的性能，同時(shí)節(jié)能利廢。硅粉是煉硅及硅鐵合金工業(yè)中用的電爐的副產(chǎn)物，是近20 年發(fā)展起來(lái)的一種高活性摻合料。深入研究并開(kāi)發(fā)硅粉的資源，對(duì)進(jìn)一步推廣硅粉混凝土在工程中廣泛應(yīng)用具有重要意義。

1 　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    硅粉的研究始于斯堪的納維亞國(guó)家，盡管20世紀(jì)50年代人們對(duì)硅粉作用就有所認(rèn)識(shí)和初步的研究，但應(yīng)用于實(shí)際工程中是從70年代開(kāi)始的，首先是挪威和瑞典等國(guó)家在港口碼頭、北海油田及地下礦井中部分采用了硅粉混凝土，1982 年，挪威在伏諾維斯壩上正式采用了硅粉混凝土筑壩， 20世紀(jì)80 年代初加拿大在魁北克建立了硅粉混凝土，并對(duì)大體積硅粉混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究，拌制高標(biāo)號(hào)混凝土1 萬(wàn)立方米，1983年美國(guó)用硅粉混凝土修補(bǔ)了奧里夫尼河上的卡查壩消力池，效果良好。世界上其它國(guó)家也都加緊研究和應(yīng)用。而我國(guó)對(duì)硅粉的研究歷史不長(zhǎng)，僅僅10多年時(shí)間，1985年水電部東勘院科研所和水電部第十工程局首次在四川漁子溪二級(jí)電站中試用了硅粉混凝土，在廠房混凝土中摻硅粉3 %～7 %，以提高早期強(qiáng)度，加快模板周轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)期效果，另外，在引水隧洞噴射混凝土中，摻硅粉715 %，以減少混凝土的回彈量，南科院在大伙房水庫(kù)工程、龍羊峽泄水建筑物和葛洲壩泄水閘修補(bǔ)等工程中都采用了硅粉混凝土，效果較好，水科院對(duì)硅粉混凝土的耐久性能及硅粉水泥水藻灌漿材料進(jìn)行了一些研究，并在二灘水電站基礎(chǔ)固結(jié)灌漿中，潘家大壩溢流面修復(fù)工程、安康及四川秋達(dá)電站導(dǎo)流泄洪洞修補(bǔ)等工程中使用了硅粉混凝土，硅粉水泥灌漿。所有這些，說(shuō)明硅粉混凝土作為一種高性能混凝土在工程中的應(yīng)用日顯重要，所以對(duì)其性能特別是其強(qiáng)度與耐久性的研究也倍受關(guān)注。

1. 1 　配合比

    對(duì)于硅粉混凝土的配合比設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 確定硅粉的摻入方法，硅粉的最佳摻量，減水劑的最優(yōu)摻量及砂石料調(diào)整，而其它則按普通混凝土設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。

a) 硅粉的摻入方法：硅粉在混凝土中一般有兩種方法： 一是內(nèi)摻，二是外摻，都要與減水劑配合使用。內(nèi)摻法往往用硅粉代替水泥，又分等量代替和部分等量代替兩種，等量代替為硅粉摻量代替相等的水泥，部分代替為1 kg 硅粉代替1～3 kg 水泥，作為研究一般摻量為5 %～30 % ，水灰比一般保持不變：而外摻法指的是硅粉像外加劑那樣摻在混凝土中，而水泥用量不減少，摻量一般為5 %～10 % ，一般外摻法而得的混凝土的力學(xué)性能要高得多，但增加了混凝土中膠凝材料用量。

b) 硅粉的最優(yōu)摻量往往控制在8 %～10 %。它是根據(jù)所用硅粉、水泥種類(lèi)和骨料性質(zhì)而定，并考慮它對(duì)性能改善程度及施工方便與否和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。

c) 減水劑的最佳摻量：在混凝土中使用硅粉，如不摻減水劑，想保持相同的流動(dòng)度，則必然要增加用水量、水灰比增加，摻硅粉的混凝土強(qiáng)度也不上去，這也是過(guò)去硅粉在混凝土中未推廣使用的原因。硅粉與減水劑聯(lián)合使用摻用硅粉水灰比不變，即用水量不增加，也能達(dá)到與未摻硅粉的混凝土具有相同的流動(dòng)度且硅粉混凝土強(qiáng)度等性能得到大幅度提高，一般國(guó)內(nèi)較多采用萘系高效減水劑，如建1、H、DH3、FDN、NF、N2B 等，其摻量一般為膠材用量的1 %以?xún)?nèi)，有時(shí)為了減小水灰比，拌制超高強(qiáng)混凝土，減水劑摻量達(dá)2 %～ 3 %。

d) 砂石料用量調(diào)整：內(nèi)摻硅粉一般對(duì)砂石用量不必調(diào)整。外摻硅粉要扣掉與硅粉體積相等的砂石體積。

1.2 　硅粉對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度的影響

    盡管應(yīng)用純水泥可以制成抗壓強(qiáng)度高達(dá)100 MPa 的HPC ，但當(dāng)使用硅粉時(shí)將容易得多。而對(duì)于制備強(qiáng)度超過(guò)100 MPa 的混凝土，硅粉的使用幾乎不可缺少。硅粉在混凝土中同時(shí)起填充材料和火山灰材料使用。使用硅粉后，大大降低了水化漿體中的孔隙尺寸，改善了孔隙尺寸分布，于是使強(qiáng)度提高，滲透性降低。例如，研究結(jié)果表明(CEB2FIP1988) ，  為獲得70 MPa 的混凝土強(qiáng)度，應(yīng)用純水泥需要水膠比0.35 ， 而當(dāng)加8 %的硅粉時(shí)，水膠比可以為0.50。由于硅粉顆粒非常細(xì)，它們可以在很早的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生火山灰反應(yīng)。根據(jù)Carette 和Malhotra 1992) 的報(bào)導(dǎo)，硅粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要在28d 之前。所以，就長(zhǎng)期強(qiáng)度增長(zhǎng)方面，一般認(rèn)為硅粉混凝土不如純水泥混凝土或粉煤灰混凝土。Almad (1994) 引用的硅粉對(duì)NSC 強(qiáng)度發(fā)展的試驗(yàn)結(jié)果表明，硅粉摻量增加使得早期相對(duì)強(qiáng)度發(fā)展降低，Sandvik 1992 在65 MPa 的混凝土中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。

    然而，盡管在相同的水膠比下硅粉混凝土的早期相對(duì)強(qiáng)度發(fā)展比純水泥混凝土的慢，由于加入硅粉使得強(qiáng)度大大提高，硅粉混凝土的絕對(duì)強(qiáng)度則比純水泥混凝土的高。另一方面，經(jīng)驗(yàn)表明，HPC 的早期強(qiáng)度發(fā)展比NSC 的快，雖然HPC的凝結(jié)時(shí)間可能稍有推遲，其凝結(jié)之后的水化作用會(huì)由于高效減水劑和硅粉大大加快。其結(jié)果通常是凝結(jié)之后強(qiáng)度發(fā)展非?？?。

    對(duì)于某些空氣中干燥或養(yǎng)護(hù)的很低水膠比的硅粉混凝土試件，有抗壓強(qiáng)度倒縮的報(bào)導(dǎo)(De Larrard 和Aiticin 1993) 。這種強(qiáng)度降低通常發(fā)生在90 d 齡期之后，一般認(rèn)為是由內(nèi)部自干燥及干燥裂縫引起的。然而，許多其他研究人員的試驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)研究表明，HPC 的后期強(qiáng)度沒(méi)有降低。例如，從6 種不同的HPC 中取得的3 個(gè)月至3 年齡期的所有鉆芯試樣試驗(yàn)結(jié)果表明，其強(qiáng)度在不斷增長(zhǎng)。當(dāng)然，與NSC 比較， HPC 的長(zhǎng)期強(qiáng)度增長(zhǎng)潛力較小。

1.3 　硅粉對(duì)高性能混凝土的耐久性的影響

    混凝土的耐久性包括了混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、抗化學(xué)侵蝕性，抗鋼筋侵蝕能力和抗沖磨性能，在此僅談?wù)勊鼘?duì)混凝土的抗凍性、抗?jié)B性及抗化學(xué)侵蝕性的影響。

a) 抗凍性：當(dāng)硅粉摻量少時(shí)，硅粉混凝土的抗凍性與普通混凝土基本相同，當(dāng)硅粉摻量超過(guò)15 %時(shí)，它的抗凍性較差。通過(guò)大量的試驗(yàn)，這種觀點(diǎn)基本上被證實(shí)了，主要原因是當(dāng)硅粉超過(guò)15 %時(shí)，混凝土膨脹量增大，相對(duì)動(dòng)彈性模數(shù)降低，抗壓強(qiáng)度急劇下降，從混凝土內(nèi)部方面特征看，比表面積小，間距系數(shù)大。

b) 抗?jié)B性：由于硅粉顆粒小，比水泥顆粒小20～100 倍， 可以充填到水泥顆粒中間的空隙中，使混凝土密實(shí)，同時(shí)硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中滲透通道，故硅粉混凝土的抗?jié)B能力很強(qiáng)，混凝土的滲透性隨水膠比的增加而增大，這是因?yàn)樗冶然炷恋拿軐?shí)性相對(duì)差些。

c) 抗化學(xué)侵蝕性：在混凝土中摻入硅粉，能減少Ca (OH) 2 含量，增加混凝土密實(shí)性，有效提高弱酸腐蝕能力，但在強(qiáng)酸或高深度的弱酸中不行，因混凝土中的CSH 在酸中分解，另外，它還能抗鹽類(lèi)腐蝕，尤其是對(duì)氯鹽及硫酸鹽類(lèi)，它之所以能抗酸鹽侵蝕，原因是硅粉混凝土較密實(shí)，孔結(jié)構(gòu)得到改善， 從而減少了有害離子傳遞速度及減少了可溶性的Ca (OH) 2 和鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4 ·32H2 ) 的生成，而增加了水化硅酸鈣晶體的結(jié)果。

2 　存在問(wèn)題及進(jìn)一步研究方向

a) 總體來(lái)說(shuō)，硅粉的研究不夠深入，應(yīng)用起步時(shí)間不長(zhǎng)， 對(duì)硅粉的資源有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

b) 水灰比，減水劑，硅粉及水泥之間存在相互作用，但很難評(píng)論某一特定系數(shù)的實(shí)際作用，需要我們進(jìn)一步研究。

c) 進(jìn)一步研究更多因素對(duì)硅粉混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響，及多因素交互作用的結(jié)果，研究硅粉不同摻量對(duì)硅粉混凝土性能的影響。

參考文獻(xiàn)

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