论文部分内容阅读
【摘要】研究指出混凝土的性能受到内外各种因素的影响，当硅灰掺入混凝土中时，混凝土的性能能够被很好地改进且使用寿命也比不掺硅灰时长，从而提高工程质量。本文综述了掺入硅灰后，混凝土力学性能与耐久性能的改变，并预测了硅灰混凝土性能的研究方向。
【关键词】绿色；硅灰；耐久性；力学性能
1、引言
硅灰作为一种混凝土的高活性的掺合料，目前已经有二十几年的发展。把硅粉掺入混凝土中，不仅能提高混凝土性能，减少水泥用量，同时能够利用工业废弃物，有利于保护环境。对推动硅粉混凝土在工程中的应用，及进一步的研究和硅灰的发展具有重要意义。硅灰又称硅粉，在温度高达1700到2000度时，于电炉中同时冶炼硅石、焦炭和生铁，硅将氧气反应生成一氧化硅，在上升过程中一氧化硅将被空气二次氧化成二氧化硅，之后冷却凝结成球形颗粒被集尘器回收，就得到硅粉。它是深灰色的粉状颗粒，平均粒径为0.1μm左右，密度为2.2g /cm3，松堆密度为0.18～0.23g /cm3，空隙率高达90% 以上，通过氮吸附法测定的比表面积大约为25～35m2/g ，比水泥的比表面积（约0.4m2/g ）大50～100倍[1]。如果硅粉掺量在一定范围内，对改善混凝土，特别是高强度混凝土的性能效果明显，而且还可以减少在混凝土水泥的量。此外，硅粉的利用可有效解决在工业生产中存在的硅粉排放污染问题。同时，它也能起到保护环境和资源利用的积极作用。因此，与硅粉混合以制备高强度混凝土具有良好的应用前景。
2、硅灰对混凝土材料性能的影响
2.1 硅灰对混凝土耐久性的影响
2.1.1硅灰对新拌混凝土性能的影响
硅灰混凝土的用水量随着硅粉含量的增加而增大。在相同的用水量下，随硅粉的掺入和掺量增加，混凝土坍落度显著降低。在一般情况下，当硅灰的含量约为5%时，其对水的需求量的影响不大。但是，如果增加硅灰的掺量，需水量可达到130%。但它可以用掺入高性能减水剂以抵消。混凝土粘聚性随着的硅粉掺入会变好且离析倾向小，泌水作用很大程度上下降，不惨硅灰混凝土比砼强度掺硅灰混凝土的凝结时间短，特别是硅灰掺量多的时候。掺入硅灰，可使水泥的早期强度和温度升高加快，但最终的水化热降低，特别是当水泥水胶比较低时最显著。
2.1.2硅灰对混凝土抗渗透性的影响
只单独掺入硅灰可以提高硅灰混凝土的抗氯离子渗透能力，并随着硅灰的掺量的增加，效果增加明显[2]。对混凝土的氯离子渗透机理分析结果表明：硅灰掺合料改善混凝土的抗氯离子渗透性能主要从两方面来说。一是孔的细化，由于产生更多的低碱度C—S—H凝胶，混凝土（物理和化学）固化能力增加，有利于降低混凝土中氯离子的渗透速度，从而混凝土的抗氯离子渗透能力得到提高；二是由于其火山灰效应使混凝土的内部氢氧化钙的数量减少，使水泥石和集料之间的界面得到了改善，让混凝土孔级配的到优化，提高了混凝土对氯离子的扩散阻碍能力。
Song通过理论分析和计算的混凝土微观结构，提出了一种很好地预测硅粉对混凝土的渗透性效果影响的方法，并通过实验的方法验证了这一想法。他们计算出水胶比为0.4条件下，8%至15%的范围内硅粉取代比率内，混凝土渗透率几乎为零，但超过15%时，混凝土的渗透率开始逐渐增长。通过在不同的水胶比下，硅灰对混凝土渗透性的影响的对比，可以发现 12%硅粉替代比为最佳替代比。
Hustad T等人对硅灰混凝土进行了试验研究，主要研究抗渗性能。研究发现，混凝土的抗渗性能在掺入硅灰前后有较显著的变化。试验证明，在混凝土中加入100千克每立方米的水泥，硅灰掺量为20%，并且同时掺入一定量的高效减水剂混合得到的混凝土，其抗渗性能与混凝土中加入250千克每立方米水泥，但不掺硅灰和高效减水剂的抗渗性能相等。
2.1.3硅灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性的影响
硅灰硅酸盐水泥混凝土提高混凝土的耐化学腐蚀性能，主要是由于硅灰硅酸盐水泥水化时产生氢氧化钙化合物。这将显著减少氢氧化钙的浸出。第二个原因是，由于硅粉的掺入导致混凝土上中砂浆相的孔结构的改变，因而降低了凝胶系统的渗透性。
根据贺行洋[3]等的研究，硅粉的掺入从而改善离子的迁移是提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的一个有效途径。在硅灰掺量小于百分之十的范围内，随着掺量的增加而抗硫酸盐侵蚀效果更明显。与此同时，根据Frearson的评价标准。由抗硫酸盐水泥配制的混凝土性能水平和掺硅灰的混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能相差甚少，故掺硅灰的混凝土属于抗硫酸盐混凝土，为节约抗硫酸盐水泥起到了指导作用。随着混凝土的抗氯离子渗透能力提高，其抗硫酸盐侵蚀能力也随之提高。
2.1.4硅灰对混凝土抗冻融性的影响
由于环境存在冻融循环交替的正负温度，许多水工混凝土结构在使用过程中会受到冻融循环的破坏作用从而被受冻破坏。特别是在寒冷地区，主要是由于缺乏必要的抗冻性，混凝土结构遭到破坏。因此，要提高混凝土的耐久性，提高混凝土材料的抗冻性能是一条重要途径。
根据刘茉莉的研究，评价混凝土抗冻性能的两个主要因素是试块的相对动弹模量和质量损失率，当试块的相对动弹模量最大和质量损失率最小时，混凝土的抗冻性最好。在冻融过程中掺硅灰的混凝土存在不同于普通混凝土的劣化规律，相比不惨硅灰的混凝土的抗冻性能有所提高。硅灰的掺量也存在一个最佳掺量。泰伦斯·C·赫兰（ Terence C. Holland） 先生提到硅灰的掺量一般最好不要超过百分之五，但混凝土的抗冻性随着硅灰掺量的增加而提高，故硅灰的最大掺量百分之五。试验研究表明，水胶比为0.30、0.35 ，硅灰掺量零到百分之五的混凝土，在冻融前后，混凝土的质量损失率变化不大，但相对动弹模量降低幅度很大，但整体上相比不惨硅灰混凝土的相对动弹模量降低幅度要小，这说明掺入硅灰能很好的提高混凝土的抗冻性能。 2.2 硅灰对混凝土力学性能的影响
混凝土一个重要的性能就是其力学性能，力学性能的高低代表了混凝土具有较高的使用性能。最近研究发现，掺入硅灰能提高混凝土的强度（抗拉强度、抗压强度、抗折强度）。
根据杨庆国[5]等的研究，发现（1）掺入硅灰后，混凝土抗压强度提高明显，当而硅灰掺量为百分之十二时，混凝土早期强度增长较少，后期强度增长明显，而硅灰掺量为百分之五时，结论正好相反；（2）劈裂抗拉强度显著提高，当硅灰掺量为百分之八时， 混凝土后期强度的增长幅度要比硅灰掺量为百分之五和百分之十二时大；（3）抗折强度显著提高，混凝土的早、后期强度在硅灰掺量为百分之十二时，比硅灰掺量为百分之八时有小幅增长，但是硅灰掺量为百分之五时的后期强度则明显低于掺量为百分之十二和百分之八时；（4）弹性模量显著增大，从应力-应变曲线可以看出，混凝土的应力-应变曲线在硅灰掺量在百分之八和百分之十二时掺硅灰百分之五和明显比基准混凝土的要陡，弹性模量明显增大。
结语：
硅灰具有良好的活性，混凝土的性能提高可以很好地依赖于掺入硅灰。但是混凝土性能的影响因素复杂，因此一个能使混凝土综合性能达到最优的最佳硅灰替代比很难确定。所以未来有可能利用多元回归分析的方法以研究在不同硅灰掺量下混凝土的综合性能，提出改进混凝土综合性能的硅灰最佳替代比将有可能成为未来的研究方向。
参考文献：
[1]程瑶，张美霞.绿色高强混凝土——硅灰混凝土[J].安全与环境工程，2002，03：33-36.
[2]李梅，温勇，张广泰等.矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述[J].材料导报，2013，27（11）：107-110.
[3]贺行洋，马保国，陈益民等.矿物外加剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究和评价[J].混凝土，2003，（4）：8-11.
[4]王立成，刘汉勇，HIWADA Kiyoshi等.硅灰对轻骨料混凝土抗海水冻融性能的影响[J].建筑材料学报，2005，8（4）：349-355.
[5]杨庆国，袁培，陈德伍等.掺硅灰对中等强度混凝土力学性能影响的试验研究[J].交通标准化，2009，（12）：88-91.
作者简介：
刘创（1999.07.05），山东人，民族：汉学历：高中在读。单位：济南市历城第二中学。
【关键词】绿色；硅灰；耐久性；力学性能
1、引言
硅灰作为一种混凝土的高活性的掺合料，目前已经有二十几年的发展。把硅粉掺入混凝土中，不仅能提高混凝土性能，减少水泥用量，同时能够利用工业废弃物，有利于保护环境。对推动硅粉混凝土在工程中的应用，及进一步的研究和硅灰的发展具有重要意义。硅灰又称硅粉，在温度高达1700到2000度时，于电炉中同时冶炼硅石、焦炭和生铁，硅将氧气反应生成一氧化硅，在上升过程中一氧化硅将被空气二次氧化成二氧化硅，之后冷却凝结成球形颗粒被集尘器回收，就得到硅粉。它是深灰色的粉状颗粒，平均粒径为0.1μm左右，密度为2.2g /cm3，松堆密度为0.18～0.23g /cm3，空隙率高达90% 以上，通过氮吸附法测定的比表面积大约为25～35m2/g ，比水泥的比表面积（约0.4m2/g ）大50～100倍[1]。如果硅粉掺量在一定范围内，对改善混凝土，特别是高强度混凝土的性能效果明显，而且还可以减少在混凝土水泥的量。此外，硅粉的利用可有效解决在工业生产中存在的硅粉排放污染问题。同时，它也能起到保护环境和资源利用的积极作用。因此，与硅粉混合以制备高强度混凝土具有良好的应用前景。
2、硅灰对混凝土材料性能的影响
2.1 硅灰对混凝土耐久性的影响
2.1.1硅灰对新拌混凝土性能的影响
硅灰混凝土的用水量随着硅粉含量的增加而增大。在相同的用水量下，随硅粉的掺入和掺量增加，混凝土坍落度显著降低。在一般情况下，当硅灰的含量约为5%时，其对水的需求量的影响不大。但是，如果增加硅灰的掺量，需水量可达到130%。但它可以用掺入高性能减水剂以抵消。混凝土粘聚性随着的硅粉掺入会变好且离析倾向小，泌水作用很大程度上下降，不惨硅灰混凝土比砼强度掺硅灰混凝土的凝结时间短，特别是硅灰掺量多的时候。掺入硅灰，可使水泥的早期强度和温度升高加快，但最终的水化热降低，特别是当水泥水胶比较低时最显著。
2.1.2硅灰对混凝土抗渗透性的影响
只单独掺入硅灰可以提高硅灰混凝土的抗氯离子渗透能力，并随着硅灰的掺量的增加，效果增加明显[2]。对混凝土的氯离子渗透机理分析结果表明：硅灰掺合料改善混凝土的抗氯离子渗透性能主要从两方面来说。一是孔的细化，由于产生更多的低碱度C—S—H凝胶，混凝土（物理和化学）固化能力增加，有利于降低混凝土中氯离子的渗透速度，从而混凝土的抗氯离子渗透能力得到提高；二是由于其火山灰效应使混凝土的内部氢氧化钙的数量减少，使水泥石和集料之间的界面得到了改善，让混凝土孔级配的到优化，提高了混凝土对氯离子的扩散阻碍能力。
Song通过理论分析和计算的混凝土微观结构，提出了一种很好地预测硅粉对混凝土的渗透性效果影响的方法，并通过实验的方法验证了这一想法。他们计算出水胶比为0.4条件下，8%至15%的范围内硅粉取代比率内，混凝土渗透率几乎为零，但超过15%时，混凝土的渗透率开始逐渐增长。通过在不同的水胶比下，硅灰对混凝土渗透性的影响的对比，可以发现 12%硅粉替代比为最佳替代比。
Hustad T等人对硅灰混凝土进行了试验研究，主要研究抗渗性能。研究发现，混凝土的抗渗性能在掺入硅灰前后有较显著的变化。试验证明，在混凝土中加入100千克每立方米的水泥，硅灰掺量为20%，并且同时掺入一定量的高效减水剂混合得到的混凝土，其抗渗性能与混凝土中加入250千克每立方米水泥，但不掺硅灰和高效减水剂的抗渗性能相等。
2.1.3硅灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性的影响
硅灰硅酸盐水泥混凝土提高混凝土的耐化学腐蚀性能，主要是由于硅灰硅酸盐水泥水化时产生氢氧化钙化合物。这将显著减少氢氧化钙的浸出。第二个原因是，由于硅粉的掺入导致混凝土上中砂浆相的孔结构的改变，因而降低了凝胶系统的渗透性。
根据贺行洋[3]等的研究，硅粉的掺入从而改善离子的迁移是提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的一个有效途径。在硅灰掺量小于百分之十的范围内，随着掺量的增加而抗硫酸盐侵蚀效果更明显。与此同时，根据Frearson的评价标准。由抗硫酸盐水泥配制的混凝土性能水平和掺硅灰的混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能相差甚少，故掺硅灰的混凝土属于抗硫酸盐混凝土，为节约抗硫酸盐水泥起到了指导作用。随着混凝土的抗氯离子渗透能力提高，其抗硫酸盐侵蚀能力也随之提高。
2.1.4硅灰对混凝土抗冻融性的影响
由于环境存在冻融循环交替的正负温度，许多水工混凝土结构在使用过程中会受到冻融循环的破坏作用从而被受冻破坏。特别是在寒冷地区，主要是由于缺乏必要的抗冻性，混凝土结构遭到破坏。因此，要提高混凝土的耐久性，提高混凝土材料的抗冻性能是一条重要途径。
根据刘茉莉的研究，评价混凝土抗冻性能的两个主要因素是试块的相对动弹模量和质量损失率，当试块的相对动弹模量最大和质量损失率最小时，混凝土的抗冻性最好。在冻融过程中掺硅灰的混凝土存在不同于普通混凝土的劣化规律，相比不惨硅灰的混凝土的抗冻性能有所提高。硅灰的掺量也存在一个最佳掺量。泰伦斯·C·赫兰（ Terence C. Holland） 先生提到硅灰的掺量一般最好不要超过百分之五，但混凝土的抗冻性随着硅灰掺量的增加而提高，故硅灰的最大掺量百分之五。试验研究表明，水胶比为0.30、0.35 ，硅灰掺量零到百分之五的混凝土，在冻融前后，混凝土的质量损失率变化不大，但相对动弹模量降低幅度很大，但整体上相比不惨硅灰混凝土的相对动弹模量降低幅度要小，这说明掺入硅灰能很好的提高混凝土的抗冻性能。 2.2 硅灰对混凝土力学性能的影响
混凝土一个重要的性能就是其力学性能，力学性能的高低代表了混凝土具有较高的使用性能。最近研究发现，掺入硅灰能提高混凝土的强度（抗拉强度、抗压强度、抗折强度）。
根据杨庆国[5]等的研究，发现（1）掺入硅灰后，混凝土抗压强度提高明显，当而硅灰掺量为百分之十二时，混凝土早期强度增长较少，后期强度增长明显，而硅灰掺量为百分之五时，结论正好相反；（2）劈裂抗拉强度显著提高，当硅灰掺量为百分之八时， 混凝土后期强度的增长幅度要比硅灰掺量为百分之五和百分之十二时大；（3）抗折强度显著提高，混凝土的早、后期强度在硅灰掺量为百分之十二时，比硅灰掺量为百分之八时有小幅增长，但是硅灰掺量为百分之五时的后期强度则明显低于掺量为百分之十二和百分之八时；（4）弹性模量显著增大，从应力-应变曲线可以看出，混凝土的应力-应变曲线在硅灰掺量在百分之八和百分之十二时掺硅灰百分之五和明显比基准混凝土的要陡，弹性模量明显增大。
结语：
硅灰具有良好的活性，混凝土的性能提高可以很好地依赖于掺入硅灰。但是混凝土性能的影响因素复杂，因此一个能使混凝土综合性能达到最优的最佳硅灰替代比很难确定。所以未来有可能利用多元回归分析的方法以研究在不同硅灰掺量下混凝土的综合性能，提出改进混凝土综合性能的硅灰最佳替代比将有可能成为未来的研究方向。
参考文献：
[1]程瑶，张美霞.绿色高强混凝土——硅灰混凝土[J].安全与环境工程，2002，03：33-36.
[2]李梅，温勇，张广泰等.矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述[J].材料导报，2013，27（11）：107-110.
[3]贺行洋，马保国，陈益民等.矿物外加剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究和评价[J].混凝土，2003，（4）：8-11.
[4]王立成，刘汉勇，HIWADA Kiyoshi等.硅灰对轻骨料混凝土抗海水冻融性能的影响[J].建筑材料学报，2005，8（4）：349-355.
[5]杨庆国，袁培，陈德伍等.掺硅灰对中等强度混凝土力学性能影响的试验研究[J].交通标准化，2009，（12）：88-91.
作者简介：
刘创（1999.07.05），山东人，民族：汉学历：高中在读。单位：济南市历城第二中学。