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硅灰对高强混凝土强度影响的试验研究

来源:未知 作者:caodcx 人气: 发布时间:2020-06-30
摘要:在高强混凝土中掺入适量的硅灰,对提高混凝土的劈裂抗拉强度有非常明显的效果,也可在一定程度上增强混凝土的抗压强度和抗折强度。掺量低于或高于适量范围,对提高混凝土的强度作用很小。在实际工程混凝土中合理掺用硅灰,不仅可以提高混凝土的强度,而且变废
硅灰(Silica Fume)又称硅粉,是在冶炼工业硅或含硅合金时由高纯度的石英与焦炭在高温电弧炉(2 000 ℃)中发生还原反应而产生的工业尘埃。它是利用收尘装置回收烟道排放的高温废气并通过专门处理而得,其颗粒超细,比表面积大,具有很高的火山灰活性。硅灰用于混凝土的研究始于20 世纪50 年代的挪威、丹麦等国,在美国、日本、法国等国得到了普遍的应用。
在我国,通常将硅灰作为掺合料用于混凝土工业中,一方面可节约水泥熟料,降低混凝土的生产成本,有效减少环境污染,保护环境;另一方面,改善混凝土的性能,延长结构的安全使用期,增加工程的使用寿命[1]。因此,开发硅粉在混凝土中的应用,对促进节能减排、废弃物的资源化利用和保护环境、发展循环经济,以及建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的现实意义,其技术、经济、社会效益显著,应用前景广阔。
目前,硅灰已成为高强混凝土的重要组分。本研究通过试验,研究了硅灰对高强混凝土强度性能的影响,供工程技术人员参考。
1 试验
1.1 试验用原材料
(1)水泥:试验使用P·O 42.5 级水泥,其化学成分与物理力学性能见表1、2.
表1 水泥的化学成分%
化学成分  
Na2O
 
 
CaO
 
 
SiO2
 
 
Al2O3
 
 
Fe2O3
 
MgO
 
 
SO3
 
 
K2O
 
 
Cl
 
 
f-CaO
 
 
Loss
 
 
含量
 
0.18
 
60.19
 
 
20.58
 
 
5.58
 
 
2.84
 
 
2.47
 
 
2.18
 
 
0.48
 
 
0.03
 
 
1.94
 
 
4.04
 
              
表2 水泥的物理力学性能
密度
/(g/cm3)
比表面积
/(m2/kg)
标准稠度用水量/%  
初凝
 
终凝
 
安定性
抗折强 /MPa
3 d
抗折强 /MPa
28 d
抗压强度/MPa
3 d
抗压强度/MPa
28 d
3.06 355 27.5 179 238 合格 5.39 8.20 25.9 48.6
 
(2)硅灰:试验所用硅灰的化学成分和物理力学性能,见表3。
表3 硅灰的化学成分和物理力学性能
 
SiO2
 
Al2O3
 
Fe2O3
 
CaO
 
MgO
 
SO3
 
Na2O
 
K2O
 
MnO
 
ZnO
 
密度/(g/cm3)
 
活性指数/%
比表面(m2/kg
90.35 1.04 2.16 0.92 0.76 0.25 0.58 0.58 0.24 0.32 2.35 86.0 15335.0
(3)粉煤灰:试验所用粉煤灰的化学成分和物理性能,见表4。
 
表4 粉煤灰的化学成分和物理性能
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O Loss 密度/(g/cm3) 细度(45 μm)/% 需水量比/%
43.44 22.47 15.23 4.09 2.04 1.45 1.79 2.68 4.12 2.48 15.6 96.0
 
(4)人工砂:试验所用人工砂取自贵州某水利工程工地,其
含石率0.57%,含石粉25.83%,细度模数为2.43(属中细砂),颗粒级配属于II 区,级配良好。其干燥状态视密度为2.715 g/cm3,吸水率2.31%,颗粒分布见表5。
 
表5 人工砂累计平均筛余量
筛孔尺寸/mm 10.0 5.0 2.5 1.25 0.63 0.315 0.16 <0.16
累计筛余量/% 0 0.57 18.90 33.97 53.91 63.92 73.29 99.12
 
(5)碎石:试验所用粗骨料为石灰岩碎石,由贵州某水利工程工地加工成5~20、20~40、40~80 mm 三种粒级,其吸水率和含粉量见表6
表6 粗骨料的吸水率和含粉量%
吸水率
(以干燥质量为基准)
吸水率
以饱和面干质量为准
含粉量
小石 中石 小石 中石 小石 中石
0.424 0.317 0.422 0.316 0.57 0.26
 
(6)外加剂:外加剂为FDN 高效减水剂。
1.2 试验标准
试验所用标准主要为GB/T 1345—2005《水泥细度检验方法》GB/T1346—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》、GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》、GB/T 18736—2002《高性能混凝土用矿物外加剂》、GB/T 14684—2001《建筑用砂》、GB/T 14685—2001《建筑用卵石、碎石》、SL 352—2006《水工混凝土试验规程》等。
2 试验结果
2.1 硅灰掺量对水泥胶砂强度的影响
根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》,采用40 mm×40 mm×160 mm 模具,试验所用配合比见表7。成型后的试件在标准养护箱养护1 d 后拆模编号,然后继续放入标准养护箱分别养护至7、28 d,测得7、28 d 的抗压强度见表7。
 
7 试验所用的水泥胶砂配合比及其试件728 d 的抗压强度及相对百分率
 
 
编号
 
水胶比
硅灰掺量
/%
水泥胶砂的材料用量/(kg/m3) 抗压强度及相对百分率/MPa
 
 
水泥
 
 
硅灰
 
 
 
 
 
减水剂
 
 
7 d
 
 
28 d
SZ0 0.3 0 904.4 0 271.3 1213.7 10.5 68.49(100%) 94.38(100.00%)
SZ3 0.3 3 877.1 27.1 271.3 1213.5 10.9 71.25(104.03%) 96.02(101.74%)
SZ6 0.3 6 849.5 54.2 271.1 1213.7 12.5 70.48(102.91%) 100.08(106.04%)
SZ9 0.3 9 821.9 81.3 271.0 1212.1 13.6 71.69(104.67%) 107.68(114.09%)
SZ12 0.3 12 794.0 108.3 270.7 1210.8 16.3 69.69(101.75%) 103.47(109.63%)
 
从表7 看出,硅灰掺量的多少对水泥胶砂试件的7 d 抗压强度影响不大。硅灰掺量在一定范围内(约为3%~9%)时,水泥胶砂试件的28 d 抗压强度呈增长趋势;而掺量大于9%后,抗压强度开始下降。可见,硅灰的掺量对早期抗压强度影响不大,但是可以提高水泥胶砂试件后期的强度。特别是硅灰掺量在6%~9%时,水泥胶砂试件的后期强度有了明显的提高。关于硅灰的掺入对抗折强度的影响,文献[2]指出,掺入硅灰后抗折强度提高显著。当硅灰掺量为12%时,混凝土的早期、后期强度比硅灰掺量为8%时有小幅的增长,而硅灰掺量为5%的后期强度则明显低于掺量为l2%和8%的。
 
 
表8 试验所用的混凝土配合比
 
 
 
编号
 
 
水胶比
 
 
 
硅粉
/%
 
 
粉煤灰
/%
混凝土各种材料用量/kg/m3  
 
坍落度
/mm
 
 
坍扩度
/mm
 
 
表观密度
/(kg/m3)
 
 
水泥
 
粉煤灰
 
 
硅粉
 
 
 
 
 
小石
 
中石
 
外加剂
S0 0.3  
0
15 420.6 74.1 0 147.0 658.4 606.4 606.4 5.938 220
 
500 2 513
S3 0.3  
3
15 405.2 74.0 14.8 146.9 657.3 605.4 605.4 6.185 210 500 2 509
S6 0.3 6 15 389.3 73.8 29.6 146.5 655.7 604.0 604.0 6.753 203 520 2 503
S9 0.3 9 15 374.4 73.8 44.3 146.3 655.2 603.5 603.5 7.388 210 530 2 501
S12 0.3 12 15 356.2 73.1 58.5 145.0 649.2 598.0 598.0 8.780 220 540 2 478
 
2.2    硅灰掺量对高强混凝土强度的影响通过调整外加剂的掺量(分别为1.20%、1.25%、1.35%、1.5%、1.8%),使混凝土拌合物具有大致相当的坍落度。试验所用混凝土的配合比见表8,试验结果见表9、10。
表9 混凝土试件7、28 d 抗压强度及相对百分率
编号 硅灰掺量/% 抗压强度及相对百分率/MPa
7 d 28 d
S0 0 57.4(100% 65.2(100%)
S3 3 58.7(102.26%) 66.0(101.23%)
S6 6 60.8(105.92% 69.5(106.60%)
S9 9 60.5(105.40% 74.3(113.96%)
S12 12 59.1(102.96%) 71.1(109.05%)
 
表10 混凝土试件7、28 d 劈裂抗拉强度增长率
 
编号
 
硅灰掺量/%
抗压强度及相对百分率/MPa
7 d 28 d
S0 0 2.74(100%) 3.49(100%)
S3 3 2.95(107.66%) 3.83(109.74%)
S6 6 3.40(124.09%) 4.05(116.05%)
S9 9 3.38(123.36%) 4.02(115.19%)
S12 12 3.28(119.71%) 3.90(111.75%)
 
从表9 可知,混凝土2 8d 的抗压强度均超过60MPa。从表8看出,虽然混凝土的水灰比仅为0.3,但新拌混凝土的坍落度和坍扩度都很大,不同硅灰掺量的混凝土的坍落度均大于200mm,坍扩度均不低于500 mm,基本达到了自密实混凝土的流动度要求。从坍扩度来看,随着硅灰掺量的增加,混凝土的坍扩度也增大,这对高强混凝土是非常有意义的。文献[3]指出:新拌浆体中的水有两部分:一部分是填充水,它填充在颗粒间的孔隙中,对浆体的流动性没有贡献;另一部分是表层水,它在颗粒表面形成水膜层,浆体的流动性取决于水膜层的厚度。在自密实混凝土中掺入粉煤灰、硅灰等超细粉体掺合料,它们较小的颗粒粒径与水泥颗粒在微观上形成级配体系,将原来填充在孔隙之中的填充水置换出来成为自由水。而高效减水剂可以减少表层水的数量,两者相结合使拌合物在低水胶比下也能获得较大的流动性。此外,由于矿物质微粉包裹在水泥颗粒表面,其隔离作用延缓了水泥水化产物相互搭接;硅灰的表面光滑致密呈圆形颗粒,它包裹在粗糙的水泥颗粒和骨料表面,起到“滚珠”润滑作用,减少内摩擦阻力而增大拌合物的流动性;比表面积大的硅灰虽然增大浆体稠度使其流动性有所降低,但因其密度较水泥小,在相同水胶比条件下使浆体体积增大,粗骨料之间润滑层增厚,因此拌合物的流动性增大。从表8、9 看出,由于硅灰的密度比较小,随着硅灰掺量的递增,混凝土拌合物的表观密度减小;硅灰的掺量在一定范围内(约为5%~9%)时,混凝土的抗压强度呈增长趋势。若同掺硅灰为零的抗压强度对比,不管是7 d 还是28 d 的抗压强度,掺入3%的硅灰,混凝土的抗压强度基本没有变化;掺量大于9%后,混凝土的抗压强度呈下降趋势。从7 d 的抗压强度来看,硅灰掺量的多少,对混凝土抗压强度的影响不大,这同硅灰对水泥胶砂7 d 抗压强度的影响规律吻合。从表10 看出,掺入硅灰后,混凝土的劈裂抗拉强度总体同样呈增长趋势。硅灰掺量为6%时,7、28 d 的劈裂抗拉强度比不掺硅灰的混凝土分别提高24%和16%。但当硅灰掺量超过6%后,不管是7 d 还是28 d 的劈裂抗拉强度,都开始呈下降趋势。可见硅灰掺量6%左右,对提高混凝土的劈裂抗拉强度是非常有利的。水泥的水化产物中,高碱性水化硅酸钙的强度不是很高,Ca(OH)2 的强度很低。因此,制备高强混凝土的一个关键问题,是设法减少高碱性水化硅酸钙,增加低碱性水化硅酸钙的含量,并减少Ca(OH)2。由于硅灰中含有大量的活性SiO2,在混凝土中掺入硅灰,在常温下能与水泥水化时析出的Ca(OH)2发生二次反应,生成具有胶凝性的低碱性水化硅酸钙和水化铝酸钙,因此可以提高混凝土的强度。另一方面,硅灰的粒径约为水泥粒径的1/50~1/10,能够在水泥胶结料中起到微孔填充作用,从而增加混凝土中胶结料的致密程度,对于混凝土强度的提高也有着积极的影响[1-2,4]。同时,由于硅灰活性的全部发挥需要大量的Ca(OH)2,而水泥水化是逐渐释放Ca(OH)2的,且其量是有限的,因此,当硅灰掺入超过一定量后,未参与二次水化的硅灰增加,因其比表面积的增大而影响强度的改善,即硅灰掺量超过某一适量范围后,水泥胶砂和混凝土强度反而降低。
3 结论
(1)在高强混凝土中掺入一定量(约为5%~9%)的硅灰,混凝土的抗压和抗折强度随硅灰掺量的增大呈增长趋势;当硅灰掺量高于9%后,其抗压强度开始下降。
(2)当硅灰掺量为3%~6%左右时,对高强混凝土的劈裂抗拉强度的增强作用非常有利;高于或低于这个掺量范围,硅灰的掺入对高强混凝土的劈裂抗拉强度的改善都不是很明显。
(3)硅灰和粉煤灰同时掺入自密实混凝土中,在低水胶比条件下,新拌混凝土的流动性仍然较理想,混凝土的泌水离析性能也得到改善,硬化后混凝土的强度提高。
责任编辑:caodcx

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