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    硅灰對高性能混凝土的影響

    隨著結 構超高和復 雜程度的增 大 ,人們對 結構材料的 工作性能提 出了更高的 要求 ,除了高 工作度外 ,在實際 應用中
    還希望高性能混凝 土具有高的強度和耐久性。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。本文主要介紹了具有火山灰活性的硅灰對混凝土耐久性的影響。
    1、硅灰的特性
    1.1物理特性
    硅灰顏色在淺灰色與深灰色之間,密度2. 2g/cm 3 左右,比水泥(3.1g/cm 3 )要輕,與粉煤灰相似,堆積密度一般在200~
    350kg/m 3 。硅灰顆粒非常微小,大多數顆粒的粒徑小于1μm,平均粒徑0.1μm 左右,僅是水泥顆粒平均直徑的1/ 100。
    硅灰的比表面積介于15000~25000m 2 /kg(采用氮吸附法即 BET 法測定)。硅灰的物理性質決定了硅灰的微小顆粒具有高
    度的分散性,可以充分地填充在水泥顆粒之間,提高漿體硬化后的密實度。
    1.2化學特性
    硅粉一般含有90%以上的 SiO 2 , 且大部分為無定型二氧化硅。 高細度的無定型 SiO 2 具有較高的火山灰活性, 即在水
    泥水化產物氫氧 化鈣 (Ca(OH) 2 )的堿性激發下, SiO 2 能迅速與 Ca(OH) 2 反應,生成水化 硅酸鈣凝膠 (C-S-H) ,提高混凝土
    強度并改善混凝土性能。
    2、硅粉在水泥漿體和混凝土中的最佳應用條件
    硅粉能夠有效地改 善硬化水泥漿體和混凝土微結構, 但硅粉的粒徑小,比表面積大,隨 著硅粉摻量的增加,需水
    量增大,自收縮增 大。因此,在混凝土中利用硅粉對 硬化水泥漿體和混凝土性能的有利 作用的同時,必須盡量減少由
    硅粉帶來的不利影響, 解決這一問題的最有效的辦法就是: 一般將硅粉的摻量限制在5%~10%之間, 并用高效減水劑來
    調節需水量,摻加硅粉的同時摻加其它火山灰材料或其它物質,讓它們取長補短以取得更好的技術經濟效果。
    3、硅粉改善硬化水泥漿體微觀結構的機理
    硅粉能夠在很大程 度上改善硬化水泥漿體和混凝土的 性能,主要是由于硅粉具有較強的 火山灰活性及其較小的粒
    徑和較大的比表面積。
    首先,硅粉具有很 強的火山灰活性。將硅粉與水泥同 時加入到水中,當水泥發生水化反 應時,硅粉立即與水泥水
    化產物之一 Ca(OH) 2 發生二次水化反應(即火山灰反應), 生成 C-S-H 凝膠體 , 這樣既消耗了水化水泥漿體里的 Ca(OH) 2 ,
    又使 C-S-H 凝膠體(火山灰反應的生成物)增多, 且硅粉還能與水化水泥漿體中另一種水化產物 C-S-H 凝膠體(又稱傳統
    C-S-H 凝膠體)反應,生成低 Ca/Si 比的新 C-S-H 凝膠體(又稱火山灰 C-S-H 凝膠體)?;鹕交?C-S-H 凝膠體與傳統 C-S-H
    凝膠體的組成和性 質均不相同,它能與氫氧根離子、 鋁離子等聚合,而且聚合后相當穩 定。新生成的 C-S-H 凝膠體不
    會在酸性溶液中分 解,這便是使用硅粉配制的硬化水 泥漿體對酸性介質有一定的抵抗能 力,對滲析、鹽霜、碳化有較
    強抵抗能力的原因。
    另外,混凝土的界面過渡區內 Ca(OH) 2 及鈣礬石具有取向性,且界面過渡區的晶體比硬化水泥漿體中的晶體粗大,
    具有更多的孔隙, 且水泥漿體相對來說泌水性大,在 水泥漿體中的水分向上遷移的過程 中會在骨料下面形成水膜,削
    弱界面的粘結, 形成界面過渡區的微裂縫。 而在混凝土中摻加硅粉后,由于反應消耗了絕大部分的 Ca(OH) 2 , 并使傳統
    C-S-H 混凝體轉變為火山灰 C-S-H 凝膠體, 與此同時, 由于硅粉比表面積極大, 可吸附大量自由水而減少泌水, 減少自
    由水在集料界面上 的聚集,使界面區結構密實,同時 Ca(OH) 2 晶體的生長也受到 限制 ,晶粒得到細化,排 列的取向度降
    低,從而使界面過 渡區的微結構改善。其次,由于硅 粉粒徑較小,平均粒徑約為 0.1μm,約為硅酸鹽水泥 顆粒粒徑的
    1/100,同時硅粉的比表面積非常大,用氮氣吸附法測定的硅粉比表面積達20m 2 /g,所以硅粉非常容易成團,故在水泥
    水化時可以作為水 泥水化所需要的晶核,從而加速水 泥水化。同時,由于硅粉顆粒細小 ,它可以填充硬化水泥漿體中
    的細小孔隙,從而 減小水泥漿體的孔隙率,進而使硬 化水泥漿體和混凝土更密實、強度 更高,同時增強硬化水泥漿體
    和混凝土抵抗外力變形的性能,從而使硬化水泥漿體和混凝土的徐變和干縮減少。4、硅灰對高性能混凝土強度的作用機理
    4.1填充效應
    混凝土在拌制合物 時,為了獲得施工要求的流動性, 常需要多加一些水 (超過水泥水化所需 水量 ),這些多加的水
    不僅使水泥漿變稀 ,膠結力減弱,而且多余的水分殘 留在混凝土中形成水泡或水道,隨 混凝土硬化而蒸發后便留下孔
    隙。從而減少混凝 土實際受力面積,而且在混凝土受 力時,易在孔隙周圍產生應力集中 。在混凝土中,內部泌水受骨
    料顆粒的阻擋而聚集在骨料下面形成多孔界面。 在骨料界面過濾區形成的 Ca(OH) 2 要多于其它區域。 Ca(OH) 2 晶體生長較
    大并有平行于骨料表面的較強取向性。平行于骨料表面的大 Ca(OH) 2 晶體較易開裂,比水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)薄弱。 水
    泥漿與骨料之間的界面過濾區由于多孔和有許多定向排列的大 Ca(OH) 2 晶體,而成為混凝土內部的強度薄弱區。HPC 中
    由于摻入一定量的硅灰,其強度與普通混凝土(不摻硅灰)相比,有明顯改善。
    水泥漿與骨料界面 過渡區的硅灰,降低了 HPC 的泌水,防止水分 在骨料下面聚集,使骨料界面過渡 區與水泥凈漿
    的顯微 結構相似, 從而提高了 界面過濾區 的密實度和 有效減小界 面過渡區的 厚度。微小 硅灰顆粒成 為 Ca(OH) 2 的 “晶
    種”, 使 Ca(OH)2晶體的尺寸更小, 取向更隨機。 因此, 硅灰的摻入提高了 HPC 中水泥凈漿與骨料的粘結強度 , 消除了
    混凝土中不同復合 組分的 “弱連接”問題,使HPC具 有復合材料的特性。骨粒顆粒在 HPC 中起著增強作用, 而不僅
    僅是惰性的填充物 。硅灰對水泥凈漿 (無骨料)的強度提高影響不 是很大,但卻能使相同水膠比的混 凝土的強度明顯高
    于其基體(凈漿)的強度。
    4.2火山灰效應
    在硅酸鹽水泥水化過程中,水泥水化反應生成水化硅鈣凝膠(C-S-H)、氫氧化鈣(Ca(OH) 2 )和鈣礬石等水化產物。其
    中 Ca(OH) 2 對強度有不利影響。硅灰中高度分散的 SiO2組分能與 Ca(OH) 2 反應生成 C-S-H 凝膠,即所謂火山灰效應:
    Ca(OH)2+SiO2+H2O→C-S-H
    許多研究表明:在 有硅灰存在的情況下,水泥水化早 期的水化產物中有大量 Ca(OH)2,隨著齡期的延長 , Ca(OH) 2
    的量越來越少,甚至完全測不到。Grutzeck 等人對硅灰的火山灰效應提出解釋:硅灰接觸拌合水后首先形成富硅的凝
    膠,并吸收水分;凝膠在未水化水泥顆粒之間聚集,逐漸包裹水泥顆粒;Ca(OH)2與該富硅凝膠的表面反應產生 C-S-H
    凝膠,這些來源于硅灰和 Ca(OH) 2 的 C-S-H 凝膠多生成于水泥水化的 C-S-H 凝膠孔隙之中,大大提高了結構密實度。 也
    就是說: 硅灰的火山灰效應能將對強度不利的 Ca(OH) 2 轉化成 C-S-H 凝膠, 并填充在水泥水化產物之間, 有力地促進了
    HPC 強度的增長。同時,硅灰與 Ca(OH) 2 反應,Ca(OH) 2 不斷被消耗,會加快水泥的水化速率,提高 HPC 的早期強度。
    4.3孔隙溶液化學效應
    在水泥-硅灰水化體系中, 硅灰與水泥的比率增加則水化產物的 Ca/Si 比降低。 Ca/Si 比低, 相應的 C-S-H 凝膠就
    會結合較多的其它 離子,如鋁和堿金屬離子等。這樣 就會使孔隙溶液的堿金屬離子濃度 大幅度降低。這就所謂孔隙溶
    液化學效應。增加 硅灰取代水泥的比率,則孔隙溶液 的 pH 值降低。這是由于 堿金屬離子和 Ca(OH) 2 與硅灰反應而消耗
    引起的。對于含有堿活性骨料的 HPC,硅灰這種降低孔隙堿金屬離子(K a+、Na+)濃度的作用非常重要,因為能夠有
    效地削弱甚至消除發生堿-硅酸反應(ASR)的危害。 硅灰還可提高 HPC 的電阻率和大幅度降低 Cl-的滲透速率, 防止鋼
    筋銹蝕,提高 HPC 的強度和耐久性。
    5、硅粉對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、抗滲性、抗化學侵蝕性、抗鋼筋銹蝕能力和抗磨蝕性能。
    5.1抗凍性
    當硅粉摻量少時, 硅粉混凝土的抗凍性與普通混凝土基本相同, 當硅粉摻量超過15%時,它的抗凍性較差。 主要原
    因是當硅粉超過15%時,混凝土膨脹量增大,相對動彈性模數降低,抗壓強度急劇下降。
    5.2抗滲性
    混凝土是一種透水材料, 它的滲透性與它的孔隙率、 孔隙分布及孔隙連通性有關。 振搗密實的混凝土水灰比愈小,
    養護齡期愈長,則滲透性愈小。在混凝土中摻入引氣劑也可降低滲透性。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,同時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
    硅粉混凝土的抗滲能力很強。
    5.3抗化學侵蝕性
    一般硅粉減少滲透 性的效果要大于強度的增加,特別 在硅粉以小摻量摻入低強混凝土時 更是如此。對于摻入一定
    量的硅粉的高性能混凝土, 水膠比通常小于0.4, 且有超細微粒填充,因此, 摻入硅粉的高性能混凝土具有非常好的抗
    滲能力。因為加入硅粉可以明顯地降低混凝土滲透性及減少游離的 Ca(OH) 2 ,從而提高了混凝土抗化學侵蝕能力。
    5.4抗堿集料反應
    堿集料反應必須具 備 3個條件:(1)混凝土中的集料具 有活性; (2)混凝土中含有一定 量可溶性堿; (3) 有一定的濕
    度。排除這三個條 件中的任何一個都可達到控制堿集 料反應的目的?;炷林屑尤牍璺?,因為硅粉粒子提高水泥膠結
    材料的密實性,減 少了水分通過漿體的運動速度,使 得堿集料膨脹反應所需的水分減少 ,也由于減少水泥漿孔隙液中堿離子的濃度,因此,減少了堿集料反應的危險。
    5.5抗鋼筋銹蝕的能力
    混凝土高堿性給普通鋼筋混凝土中的鋼筋提供了形成鈍化膜的條件, 一旦鈍化膜破壞, 鋼筋就會發生電化學腐蝕,
    腐蝕速度取決于水 分以及氧氣進入混凝土的速度。加 入硅粉可以改善密實性增加電阻率 ,所以,抵抗鋼筋銹蝕的性能
    得到很大改善,硅粉改善電阻率是隨著硅粉含量的增加而增加。
    5.6抗磨蝕性
    水工結構中的高速 水流泄水建筑物護面材料具有高抗 沖磨與抗空蝕要求。加入硅粉 可提高了混凝土的抗磨蝕 性 ,
    是由于硅灰改善了漿體自身的 抗磨性和硬度,以及 硅灰改善勒水泥漿骨料界面的 粘結,從而使粗骨料在受到磨損作 用
    時難以被沖蝕。
    6、結語
    硅灰是 HPC 活性礦物摻合材料中活性最高的一種, 其主要成分為活性 SiO 2 。 硅灰顆粒很小(<1μm), 具有高度分散
    性。硅灰對 HPC 強度的作用機理為 :填充效應、火山灰效應、孔隙溶 液化學效應。硅灰摻入 HPC 中,增加了 HPC 基體
    的密實度, 提高了水泥漿體與骨料之間的粘結強度, 減少了 Ca(OH) 2 對 HPC 強度的不利影響 , 削弱了 ASR 對 HPC 的危害。
    HPC 中硅灰一般摻量為5%~15%,最佳摻量10%左右。
    硅粉作為一種輔助膠凝材料摻加到水泥漿體和混凝土中, 不僅能夠提高水泥水化度, 并與 Ca(OH) 2 發生二次水化反
    應,且硅粉及其二 次水化產物填充硬化水泥漿體中的 有害孔,并改善混凝土中硬化水泥 漿體與骨料的界面性能,對硬
    化水泥漿體和混凝 土微結構將產生積極的影響,從而 對其宏觀力學性能特別是對它們的 耐久性產生十分有利的影響,
    而這正是水泥與混 凝土材料科學的幾個基本任務之一 ,而且利用硅粉還可以減少其對環 境的污染,減輕它對環境所造
    成的壓力。但同時 也應該看到,硅粉對硬化水泥漿體 和混凝土微結構的改善與許多因素 有關,因此必須加強這方面的
    研究,包括其它火山灰材料對硬化水泥漿體和混凝土微結構的影響的研究。

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