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 |
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。
表7 试验所用的水泥胶砂配合比及其试件7、28 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 |
水 |
砂 |
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 |
水 |
砂 |
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。
