左文鑾，魏勇，范建鋒，張宏明

（南通眾潤混凝土有限公司利廢技術開發(fā)中心，江蘇 南通 226600）

硅灰對水泥石收縮的影響研究

左文鑾，魏勇，范建鋒，張宏明

（南通眾潤混凝土有限公司利廢技術開發(fā)中心，江蘇 南通 226600）

本文通過薄片制樣的方法，研究了硅灰對水泥石收縮的影響。通過不同水膠比，不同齡期的各硅灰摻量的水泥石收縮率和失重的研究分析，探索硅灰對水泥石收縮的影響規(guī)律。實驗結果表明，水灰比較低的情況下，硅灰的摻入能減小水泥石的收縮，這個減小收縮的最佳摻量值隨水化程度的提高而逐漸增大。水灰比較大時，早期硅灰的摻入也會減小收縮，后期隨著水化程度的增加，收縮增加。

硅灰；水泥石 ；收縮；失重

1 前言

隨著混凝土的發(fā)展，高性能混凝土的研究已成為一種趨勢，通過摻礦物摻合料來提高混凝土的性能，同時降低成本引起了國內(nèi)外學者的極大興趣。吳中偉教授[1]認為高性能混凝土是一種新型高技術制作的混凝土，它以耐久性作為設計的主要指標。高性能混凝土在配制上的特點是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，并除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細摻料和高效外加劑。

礦物細摻料即礦物外加劑，又稱混凝土摻合料[2]。其種類繁多，組成和性能有很大的差異,并各具特點。有研究者將礦物摻合料分為四類[3]，目前應用比較廣泛的一種即為同時具有膠凝性和火山灰性的材料，硅灰就是其中一種。硅粉顆粒呈球型，是由許多小顆粒通過靜電聚集在一起，混凝土中摻入硅灰可顯著提高混凝土強度和耐久性[4]，硅灰的適宜摻量一般為 5% ～10%。

高性能混凝土中由于礦物外加劑和化學外加劑的加入使得施工性能和物理力學性能得到提高[5]，但由于兩者的加入使得混凝土開裂的原因變得復雜。本文旨在通過研究硅灰對水泥石收縮的影響來探索礦物外加劑對混凝土收縮的影響規(guī)律，為混凝土中礦物外加劑的應用提供指導意見。

2 原材料和方法

2.1 主要原材料

2.1.1 水泥

水泥選用磊達水泥廠生產(chǎn)的磊達 P·O42.5 級的水泥，其主要性能指標和化學成分見表 1。

表 1 P·O42.5 水泥的性能指標

2.1.2 硅灰

本實驗用硅灰的主要化學成分見表 2。

表 2 硅灰的主要化學成分 %

2.2 實驗方法

本實驗中試塊成型后在 60℃ 恒溫水浴中養(yǎng)護 24h 后，拆模放入飽和 Ca(OH)2中，再放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。待測試樣是用切割機切割厚度約 1.0mm、直徑約 30mm 的圓形薄片試樣[5]，在試樣上用記號筆畫上 3 條交與圓心的直徑，間隔60°，標上順序（1，2，3）以此作為測量基線，以三組數(shù)據(jù)取平均值。失水前試樣質(zhì)量為原始質(zhì)量。試樣每次測量完后放入飽和 Ca(OH)2中，繼續(xù)標準養(yǎng)護。

3 實驗結果和分析

實驗通過不同水膠比，不同齡期的各硅灰摻量的收縮率和失重的研究分析，探索硅灰對水泥石收縮的影響規(guī)律。

由表 3 、圖 1 可以看出，水膠比為 0.3 的水泥石的收縮隨著齡期的增長而減緩，不同硅灰摻量的水泥石的收縮幅度不同，各齡期的水泥石的收縮變化不盡相同。7d 齡期和 28d齡期，在硅灰摻量為 2.5% 和 5.0% 時的水泥石收縮較小，且摻量為 5.0% 時收縮達到最大值；60d 齡期，在摻量為 5% 和10% 時收縮較小，5% 時達到最小值。對于 180d 齡期的，則在硅灰摻量為 7.5% 時達到最低值。由此我們可以認為，水泥石收縮的硅灰的最佳摻量隨著水化程度的增大而增大。

表 3 水膠比為 0.3 的水泥石不同齡期的收縮 %

出現(xiàn)上述現(xiàn)象，原因分析為：

第一，加入到水泥體系中的硅灰依靠水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2來進行火山灰二次反應，原有水泥體系中反應生成的Ca(OH)2數(shù)量及性能都會影響火山灰二次反應的發(fā)生，較低水膠比的水泥石體系中水化反應的速度相對較慢[5]。

第二，硅灰的細度和比表面積是水泥的近百倍，當加入到水泥體系中后，其需水量將明顯增大，這使得體系用于水化的自由水減少，在一定程度上降低了體系的水灰比，延緩了水泥的水化，減慢了 Ca(OH)2的生成。但隨著齡期的延長水泥的水化程度增大，體系中的 Ca(OH)2數(shù)量增多，硅灰的火山灰二次反應得以進行。

第三，硅灰的細小顆粒除了可以填充水泥漿體中的有害孔，另一方面其二次水化產(chǎn)物也可以填充硬化水泥漿體中的有害孔，起到微集料的作用，減少了較大毛細孔的數(shù)量，使得水泥漿體更加密實，失水相對更難。

圖 2 水膠比為 0.3 的水泥石不同齡期的收縮

表 4 水膠比為 0.3 的水泥石不同齡期的失重 %

結合表 4 和圖 2 可以看出，隨著齡期的增長，各個摻量下水泥石的失重都減小。而每個齡期下隨著硅灰摻量的增加，水泥石的失重變化規(guī)律不盡相同。在 7d 和 28d 時，隨著硅灰摻量的增加水泥石的失重增加；而 56d 和 180d 時，則出現(xiàn)先減后增的失重規(guī)律。這同時也驗證了上述原因的第三條。

綜合以上分析認為，摻了硅灰的水泥石的收縮是水泥水化反應，硅灰火山灰活性二次反應的綜合結果。換句話說，水泥漿體中初始水化的快慢直接影響硅灰火山灰二次反應需要的 Ca(OH)2的生成量，而硅灰較大的需水量則會降低水泥漿體的水灰比，所以在水膠比為 0.3 時，硅灰的摻入會有減縮作用。

圖 3 不同水膠比水泥石 7d 的收縮

圖 4 不同水膠比水泥石 7d 的失重

由前述實驗結果及分析，我們可以進一步推論高水灰比的水泥石的試樣在較早齡期時，硅灰的摻入也要減少收縮。圖 3 就很好地驗證了我們的推論。水膠比為 0.4 的水泥石試樣在硅灰摻量為 2.5% 時，幾乎沒有增加收縮。而水膠比為 0.5的水泥石試樣的收縮一直較小，當摻量為 5% 時，收縮達到了最小值。由圖 4 看出，早期失重都有所增加，說明大水灰比早期水化較快，產(chǎn)生的 Ca(OH)2較多，促進了硅灰的火山灰活性二次水化，微孔填充效應明顯，水泥漿體更密實失重增加，收縮較小。

表 5 水膠比 0.4 和 0.5 的水泥石的各齡期的收縮

表 6 水膠比 0.4 和 0.5 的水泥石的各齡期的失重

當水泥石的水膠比及水化程度增大時，硅灰的減縮效應便逐漸消失。表 5 中所示，當水膠比為 0.4 和 0.5 時，28d 及其以后的各齡期水泥石的收縮相對于空白試樣均有所增大，其中 28d 和 60d 的試件均隨硅灰摻量的增加收縮增加，而180d 時隨著硅灰摻量的增加收縮呈先增后減的趨勢，但均大于空白試樣。表 6 則表明對于收縮增大的水泥石試件，其重量損失隨硅灰摻量的增加而增大，水膠比 0.4 的試件在硅灰摻量增大時其重量損失增加較為明顯；水膠比 0.5 時變化則相對較為平穩(wěn)，這可能是由于較大的水膠比試件的水化程度相對較高，其內(nèi)部的孔結構得以改善，大孔較少，從而失水相對平衡，但其收縮相對較大。

4 結論

通過以上研究分析，得出以下結論：

（1）在水膠比較低的情況下（實驗中為 0.3），硅灰的摻入使得水泥石試件在不同的摻量時均出現(xiàn)減小收縮的現(xiàn)象，且這個減小收縮的最佳摻量值隨水化程度的提高而逐漸增大，7d 最佳摻量為 2.5%，28d 和 60d 的最佳摻量為 5%，180d 的最佳摻量為 7.5%。

（2）在水灰比較大的情況下，早齡期時，硅灰的摻入也會減少收縮，水膠比為 0.4 的水泥石試樣在硅灰摻量為 2.5%時，幾乎沒有增加收縮。而水膠比為 0.5 的水泥石試樣的收縮一直較小，當摻量為 5% 時，收縮達到了最小值。

（3）隨著水膠比的增大，養(yǎng)護齡期的增長，硅灰的摻入使得水泥石收縮呈增大趨勢。

[1] 吳中偉，綠色高性能混凝土—混凝土的發(fā)展方向[J]，混凝土與水泥制品，1998,l(1)：3-7.

[2] 張成志．商品混凝土北京[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2006(3)：37-39.

[3] RC Mielenz．Mineral admixtures-History and Background[J]，Concrete International，1983.8．

[4] 陳琴．高性能礦物摻合料的制備與性能研究[D]．武漢理工大學，2010．

[5] 尹全勇．混凝土外加劑對水泥石干燥收縮的影響及其機理研究[D]．重慶大學，2008．

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住房城鄉(xiāng)建設部關于發(fā)布國家標準《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范》的公告

現(xiàn)批準《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范》為國家標準，編號為 GB/T50146－2014，自 2015 年 1 月 1 日起實施。原《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范》GBJ146－90 同時廢止。

本規(guī)范由我部標準定額研究所組織中國計劃出版社出版發(fā)行。

來源：住房城鄉(xiāng)建設部

左文鑾（1987—），女，碩士，專業(yè)：無機非金屬材料。