王文卓 蔣玉川 岳漢威

（中國建材檢驗認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

0 引言

硅灰是冶煉硅鐵、工業(yè)硅時從煙氣凈化裝置中回收的工業(yè)煙塵[1]，硅灰的化學(xué)成分中85%以上為非晶態(tài)的無定型二氧化硅，具有很高的火山活性，因此硅灰具有作為混凝土礦物摻合料的潛在特性。目前，針對硅灰的研究多見于改善混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性等方面，混凝土中摻加硅灰可以明顯改善混凝土拌合物的和易性及流變性，提高抗壓強度和抗凍性能，硅灰已在高強高性能混凝土工程中有廣泛的應(yīng)用[2-3]。但硅灰對硬化混凝土氣泡結(jié)構(gòu)影響的研究較少，對于硅灰摻量與混凝土含氣量、氣泡間距系數(shù)和氣泡平均直徑之間相關(guān)性的分析幾乎沒有。

表征混凝土氣泡特征的參數(shù)通常有含氣量、氣泡間距系數(shù)、氣泡平均直徑、比表面積、平均氣泡面積、單位面積氣泡數(shù)等，其中，含氣量、氣泡間距系數(shù)、氣泡平均直徑為主要評價參數(shù)[4]。這些參數(shù)具有一定的相關(guān)性，一般而言，含氣量一定時，氣泡越小，氣泡間距就越小，氣泡數(shù)量越多，氣泡比表面積就越大。混凝土中氣泡的大小、形態(tài)、數(shù)量、分布直接影響混凝土的拌合物性能、物理力學(xué)性能及耐久性能，研究較多的包括流動度、抗壓強度、抗凍性等[5-7]。因此，探究硅灰對混凝土氣泡特征參數(shù)的影響有重要的現(xiàn)實意義。

本文著重就硅灰對混凝土抗壓強度、含氣量、硬化混凝土氣泡特征的影響展開試驗研究，以期對硅灰在混凝土中的應(yīng)用有所裨益，使得硅灰可以變廢為寶，物盡其用。

1 試驗內(nèi)容

1.1 原材料

采用中國聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P.I42.5硅酸鹽水泥。砂符合GB/T 14684中II區(qū)中砂的要求，細(xì)度模數(shù)為2.8，含泥量為0.8%。石子符合GB/T 14685要求的公稱粒徑為5mm～20mm的連續(xù)級配碎石，采用二級配，其中5mm～10mm占40%，10mm～20mm占60%。硅灰產(chǎn)自甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司，各項性能見表1。減水劑為山東華偉銀凱建材科技有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸高性能減水劑。引氣劑由山東華偉銀凱建材科技有限公司提供。水采用自來水。

1.2 配合比

為了研究硅灰摻量對混凝土氣泡特征參數(shù)的影響規(guī)律，降低其他因素的影響，本試驗用混凝土配合比設(shè)計為等量膠凝材料、等水灰比、同砂率、等摻量減水劑和引氣劑，只改變硅灰摻量，分別為內(nèi)摻0、3%、6%、9%、12%。采用等摻量引氣劑的目的是為了引入混凝土中一定數(shù)量的氣體，突出混凝土的氣泡結(jié)構(gòu)特征，更明顯地對比摻入硅灰后混凝土氣泡結(jié)構(gòu)的變化。試驗用配合比數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗用配合比（單位：kg/m3）

1.3 試件制作

混凝土采用公稱容量為60L的單臥軸式強制攪拌機(jī)在溫度為（20±5）℃的實驗室條件下進(jìn)行拌制，每組混凝土配合比成型邊長100mm的立方體試塊3組，每組3塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件（20℃±2℃，≥95%RH）下養(yǎng)護(hù)，一組養(yǎng)護(hù)至7d，進(jìn)行抗壓強度試驗，其余兩組養(yǎng)護(hù)至28d，分別進(jìn)行抗壓強度和氣泡參數(shù)的測定。

1.4 混凝土氣泡特征參數(shù)試驗方法

新拌混凝土含氣量依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法》（GB/T 50080-2016）進(jìn)行試驗，采用日本進(jìn)口氣壓式直讀式含氣量儀。

硬化混凝土含氣量、氣泡間距系數(shù)和氣泡平均直徑依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5150-2017）進(jìn)行試驗，采用顯微鏡分辨率≤2μm、放大倍數(shù)100～200倍的硬化混凝土氣泡間距系數(shù)分析儀。將100mm×100mm×100mm的試塊切割成100mm×100mm×20mm的試件，經(jīng)打磨、拋光、清潔，提高孔與孔壁對比度，待試件干燥后將其固定在移動平臺上，打開軟件輸入漿體含量、閾值等參數(shù)，開始試驗，設(shè)備采用專業(yè)的數(shù)字工業(yè)相機(jī)采集圖像，通過USB接口輸入計算機(jī)，通過計算機(jī)對采集到的圖像進(jìn)行統(tǒng)一處理和分析，得到氣泡個數(shù)及面積分布情況，并計算相應(yīng)的氣泡參數(shù)。

2 結(jié)果及分析

2.1 硅灰對混凝土抗壓強度的影響

抗壓強度是混凝土硬化后最基本、最重要的性能表征參數(shù)，硅灰對混凝土抗壓強度有明顯的影響，隨著硅灰摻量的增加，混凝土7d和28d抗壓強度均呈現(xiàn)增長趨勢，見圖1。硅灰摻量為3%、6%、9%、12%的混凝土7d和28d抗壓強度比未摻硅灰的混凝土分別提高了3.1%、8.2%、11.3%、12.4%和5.3%、13.6%、20.4%、21.9%，但隨著硅灰摻量的增加，混凝土抗壓強度增加幅度越來越小，尤其是硅灰摻量超過9%時，混凝土抗壓強度增加幅度已不明顯，因此，混凝土中硅灰的摻量宜控制在9%以下。硅灰摻量在3%～9%時的混凝土28d抗壓強度較7d抗壓強度增加幅度更大，硅灰對混凝土長齡期抗壓強度的影響較短齡期更為顯著（見表3）。

硅灰對混凝土抗壓強度的影響可以從以下三個方面解釋：1）微集料效應(yīng)提升混凝土強度。硅灰顆粒微小，呈規(guī)則的圓球狀，可改善膠凝材料顆粒間的微級配，填充漿體孔隙，減少有害孔洞，增加密實度，進(jìn)而達(dá)到提高混凝土抗壓強度的效果。2）火山灰活性促進(jìn)混凝土后期強度的激發(fā)。硅灰含有超過85%的不定型二氧化硅，具有極高的火山活性，與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣進(jìn)行二次水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣，分布到混凝土中形成一種堅硬、膠結(jié)力強的物質(zhì)，使得混凝土后期強度發(fā)展較快[8-9]。3）硅灰摻量具有最佳范圍，不宜過高。硅灰摻量過高，會使得硅灰的微集料效應(yīng)和火山灰活性沒有繼續(xù)充分發(fā)揮的余地，反而由于硅灰摻量的增大，使其分散不均出現(xiàn)成團(tuán)的現(xiàn)象，團(tuán)簇的硅灰內(nèi)部未發(fā)生水化反應(yīng)，成為漿體的薄弱區(qū)域，造成混凝土抗壓強度增加幅度越來越小。

表3 硅灰對混凝土抗壓強度的影響

圖1 硅灰對混凝土抗壓強度的影響

2.2 硅灰對混凝土含氣量的影響

按試驗配比進(jìn)行混凝土配制，減水劑和引氣劑摻量不變，僅改變硅灰摻量，運用控制變量法進(jìn)行對比試驗探究，硅灰對新拌混凝土含氣量和硬化混凝土含氣量的影響試驗結(jié)果見圖2。隨著硅灰摻量的增加，新拌混凝土含氣量和硬化混凝土含氣量均有不同程度的降低，降低幅度逐漸減小，且硬化混凝土含氣量普遍低于新拌混凝土含氣量，新拌混凝土含氣量越高，硬化混凝土含氣量損失值越大。

表4 硅灰對混凝土含氣量的影響

圖2 混凝土含氣量與硅灰摻量的關(guān)系

硅灰摻量的增加致使新拌及硬化混凝土含氣量降低，可從以下兩個方面進(jìn)行解釋：1）硅灰平均粒徑小于0.1μm，表面光滑致密，呈球形顆粒，粒徑遠(yuǎn)小于水泥，具有填充效應(yīng)，可以填充水泥間的孔隙，減少混凝土含氣量。2）硅灰是冶煉硅鐵、工業(yè)硅時從煙氣凈化裝置中回收的工業(yè)煙塵，殘余的一定量未燒盡的碳含量（以燒失量表示），而摻入的引氣劑多為改性松香熱聚物，易被硅灰中的碳輕度吸附，影響引氣劑的作用效果[10]。硬化混凝土含氣量普遍低于新拌混凝土含氣量，原因主要在于：混凝土振搗及硬化過程中，混凝土中部分非穩(wěn)定、連通、開口的有害氣孔逸出或被填充。

2.3 硅灰對硬化混凝土氣泡特征參數(shù)的影響

表5 硅灰對硬化混凝土氣泡特征參數(shù)的影響

圖3 氣泡間距系數(shù)儀掃描的待測面圖像

在一定硅灰摻量范圍內(nèi)，隨著硅灰摻量的增加，氣泡間距系數(shù)逐漸變小，比表面積增大，平均氣泡直徑及面積變小，單位面積氣泡數(shù)增多，硅灰摻量為12%的混凝土氣泡間距系數(shù)較硅灰摻量9%的混凝土有微增趨勢，說明硅灰摻量不宜超過9%。

一般規(guī)律是，氣泡間距系數(shù)會隨著混凝土含氣量的降低而增大，但表5得出的結(jié)果卻相反，這說明硅灰的摻入雖然致使混凝土含氣量降低，但并沒有減少氣孔的數(shù)量，反而使混凝土中的氣泡直徑得到了重新排布，孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化，一個大的有害孔變成多個微小的無害孔，同時使開口孔變成有利的閉口孔。如圖3所示，尺寸大的氣泡數(shù)量變少，微小氣泡的數(shù)量增加。通過硅灰的摻入，使得混凝土中保留的氣泡是直徑較小的穩(wěn)定氣泡。從混凝土微觀氣孔結(jié)構(gòu)角度說明了硅灰雖然表面上降低了混凝土的含氣量，但氣泡結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，有利于提高混凝土的性能。

3 結(jié)論

硅灰可以提高混凝土的抗壓強度。隨著硅灰摻量的增加，混凝土抗壓強度呈增長趨勢，但增加幅度越來越小，混凝土中硅灰的摻量宜控制在9%以下；硅灰對混凝土長齡期抗壓強度的影響較短齡期更為顯著。

隨著硅灰摻量的增加，新拌及硬化引氣混凝土含氣量均有不同程度的降低，且硬化混凝土含氣量普遍低于新拌混凝土含氣量。摻入硅灰的引氣混凝土如若要保留較大的含氣量，需要適當(dāng)增加引氣劑的摻量。

隨著硅灰摻量的增加，氣泡間距系數(shù)逐漸變小，平均氣泡直徑變小。硅灰的摻入使混凝土具有更均勻的氣泡分布，微觀結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，但硅灰摻量過高時，氣泡間距系數(shù)出現(xiàn)微增趨勢，因此不可為追求最優(yōu)混凝土性能一味地增加硅灰摻量。