梁榮創(chuàng)，孫海燕，董新越，趙 楊，葛云龍

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,云南 昆明 650201)

關(guān)鍵字：硅灰；水泥膠砂；力學(xué)性能；干燥收縮

硅灰因具有極高的火山灰活性，在實際的工程運用中發(fā)揮著良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。目前中國對硅灰的應(yīng)用主要集中在混凝土和建材領(lǐng)域，然而因其應(yīng)用起步晚，總體利用水平仍處于中低階段[1]，這成為限制硅灰產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素。近年來，業(yè)界學(xué)者就硅灰對水泥混凝土性能的影響開展較多的研究。

李曉琴等[2]研究結(jié)果表明摻加硅灰可改善高水灰比ECC的工作性能，最優(yōu)摻量為10%～15%。何鼎輝等[3]研究了礦物摻合料對水泥砂漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)在4%～10%摻量內(nèi)，隨著硅灰摻量的增加能夠改善砂漿的流動性能。對此，陳超等[4]則認為，硅灰摻量大于8%時，水泥漿體的流動性能會變差且無法攪拌均勻。丁向群等[5]通過對硅酸鹽膠凝材料摻加硅灰并研究其早期抗壓強度得出，0%～15%的硅灰摻量在水泥28 d齡期前對抗壓強度都有提升，這與文獻[3]所示的硅灰摻量提高對水泥7d力學(xué)性能有負面影響不一致。祝苗苗等[6]試驗結(jié)果顯示，在短齡期內(nèi)，硅灰具有提升混凝土抗壓強度的作用，相對低摻量的試驗組，最高能提升30.4%。姚源等[7]研究顯示，隨著硅灰摻量的增加，混凝土的干縮值呈增加趨勢，且較基準組的干縮值增加更為顯著。相比之下，張昺榴等[8]研究表明硅灰對水泥砂漿的干燥收縮具有雙重效應(yīng)，低摻量能改善收縮，高摻量會提高收縮。

由此可見，有關(guān)硅灰對水泥混凝土性能的影響目前尚存有不同的觀點：①硅灰的摻入是否能改善水泥漿體流動性；②硅灰的摻入是否能提升水泥基材料早齡期的強度；③硅灰的摻入對水泥基材料的干燥收縮起著怎樣的作用。在上述問題基礎(chǔ)上，對于不同水膠比，硅灰對水泥膠砂性能影響還鮮有報道。本文在2種水膠比(0.40、0.45)下，研究摻入不同摻量的硅灰(0%、5%、8%、10%、15%)對水泥膠砂流動性、力學(xué)性能和干縮性能的影響，以期為硅灰在水泥混凝土更廣泛應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

a)膠凝材料。水泥采用云南華新東駿水泥有限公司生產(chǎn)的“石林牌”P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥細度為1.02%，3 d實測抗壓強度為23.28 MPa，抗折強度為4.78 MPa；28 d實測抗壓強度為45 MPa，抗折強度為7.91 MPa，比表面積為347 m2/kg。硅灰采用云南石晶硅業(yè)有限公司生產(chǎn)的硅灰，比表面積為21 000 m2/kg。硅灰的主要化學(xué)組成見表1。細骨料采用料場堆放人工砂，細度模數(shù)2.7，含水率0.12%，松散堆積密度1 690 kg/m3，緊密堆積密度1 934 kg/m3。

表1 硅灰化學(xué)組成 %

b)外加劑。采用高性能聚羧酸減水劑，液體呈黃褐色且無沉淀。

c)拌和水。試驗拌和用水為自來水。

1.2 試驗配比

試驗分別設(shè)計0.40(組別編號為A)與0.45(組別編號為B)2種水膠比，固定膠砂比為1.0∶2.5，硅灰摻量分別為0%、5%、8%、10%和15%，試驗共設(shè)計10組，具體配合比見表2。

表2 水泥膠砂試驗配合比

1.3 試驗方案

根據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行水泥膠砂跳桌流動度的測試。根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》，采用40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模成型試件，在標準條件下養(yǎng)護至7、28、60 d后測定試件的抗壓強度和抗折強度。

根據(jù)JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》，采用40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模成型試件。采用比長儀分別測定水泥膠砂1～7、14、28、60 d的干縮率。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 硅灰摻量對水泥膠砂流動度的影響

2種水膠比下不同硅灰摻量對水泥膠砂流動度影響的試驗結(jié)果見圖1。

圖1 不同摻量硅灰對水泥膠砂流動度的影響

由圖1可知，隨著硅灰摻量的增加，2種水膠比下水泥膠砂的流動度均呈下降趨勢，且硅灰摻量低于5%時其下降趨勢較為平緩；而硅灰摻量超過5%時下降趨勢較為明顯。分析認為：當硅灰摻量低于5%時，由于硅灰的平均粒徑很小，能夠在膠凝體系中充分發(fā)揮其“填充作用”和“減水效應(yīng)”[9]；其次，硅灰的比表面積很大，對水分吸附作用明顯，導(dǎo)致膠凝體系中大量自由水分被硅灰吸附，從而使水泥膠砂流動度的下降[4，10-13]。當硅灰摻量超過5%時，由于硅灰的水化活性極高，需水量明顯增加，在膠凝體系中吸收水分的作用遠遠大于其作為填充孔隙而起到的作用，故水泥膠砂的流動度明顯下降；此外，球形外觀的硅灰在與水反應(yīng)時容易形成絮凝結(jié)構(gòu)，也在一定程度上阻礙了水泥漿體的流動，故隨著硅灰摻量的增加，水泥膠砂的流動度不斷下降[14]。

2.2 硅灰摻量對水泥膠砂力學(xué)性能的影響

為研究硅灰摻量、水膠比以及養(yǎng)護齡期對水泥膠砂力學(xué)性能的影響，試驗分別對7、28、60 d齡期下水泥膠砂抗壓和抗折強度進行測定，試驗結(jié)果見圖2、3。由圖2可知，水膠比為0.40時，各組水泥膠砂的抗壓和抗折強度均隨養(yǎng)護齡期的延長而逐漸增大。在各養(yǎng)護齡期內(nèi)，水泥膠砂強度隨著硅灰摻量的增加均呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，當硅灰摻量為10%時，強度提升達到峰值，對比空白組，其28 d抗壓強度提升17.7%，抗折強度提升11%。

a)抗壓

由圖3可知，水膠比為0.45時，各組水泥膠砂的抗壓和抗折強度均隨養(yǎng)護齡期延長而增大。在各養(yǎng)護齡期內(nèi)，水泥膠砂強度則隨著硅灰摻量增加而逐漸增加，當硅灰摻量為15%時強度提升達到峰值，對比空白組，其28 d抗壓強度提升22%，抗折強度提升13%。

a)抗壓

b)抗折

在相同齡期內(nèi)摻入硅灰使水泥膠砂強度得到提升，分析認為硅灰在膠凝體系中能夠充當微集料填充水泥顆粒之間的間隙，使得膠凝體系結(jié)構(gòu)變得密實，孔隙率下降，從而提升強度。另一方面，在不同養(yǎng)護齡期下，7～28 d齡期內(nèi)強度增長率明顯，28～60 d齡期內(nèi)強度增長率開始下降，是由于硅灰含有大量無定型的SiO2，使其具有很高的火山灰活性，并且有著較大的比表面積和分散度，故在早齡期就能發(fā)揮作用，且隨著養(yǎng)護齡期延長，硅灰發(fā)生“二次水化”與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠填充孔隙，提升水泥膠砂強度[15]。

由圖2、3難以得出硅灰的最優(yōu)摻量，故比較2種水膠比下10%和15%硅灰摻量的各齡期水泥膠砂強度變化以得出最優(yōu)摻量，試驗結(jié)果見圖4。

a)抗壓

由圖4可知，各組水泥膠砂強度增幅趨勢大致相同。同一水膠比下，A15在各養(yǎng)護齡期對水泥膠砂抗壓和抗折強度的提升均低于A10，而B15則高于B10；不同水膠比下，水泥膠砂抗壓和抗折強度均隨養(yǎng)護齡期延長而增大，且水膠比越低，強度提升越大。分析認為，在0.40水膠比下，A15對比A10在各水化齡期出現(xiàn)強度下降的現(xiàn)象是由于硅灰的過量替代水泥所導(dǎo)致的，在水化前期硅灰就消耗膠凝體系大部分自由水，到達水化后期，沒有足夠的水分參與反應(yīng)導(dǎo)致水化不充分，沒能充分反應(yīng)的硅灰更多是充當微集料填充孔隙，故0.40水膠比下硅灰最佳摻量為10%。而在0.45水膠比下，B15盡管摻入過量的硅灰，但因其水膠比大于A15，即使在水化前期硅灰的高活性吸收消耗大部分的自由水，膠凝體系中仍有足夠的水分進行水化反應(yīng)以保證水化后期的強度提升；而B15對比B10雖然抗壓和抗折強度在各水化齡期均有提升，但提升幅度很小甚至持平，出于經(jīng)濟性的考慮，認為0.45水膠比下硅灰的最佳摻量為10%。

2.3 硅灰摻量對水泥膠砂干縮性能的影響

為研究硅灰摻量、水膠比以及齡期對水泥膠砂干縮性能的影響，試驗分別對1～7、14、28、60 d齡期下水泥膠砂干縮率進行測定，具體的試驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同水膠比下硅灰摻量對水泥膠砂干縮率的影響

由圖5可知，2種水膠比下，隨干縮試驗齡期的延長，水泥膠砂干縮率增長趨勢大致相同，在7 d內(nèi)快速增長，7～60 d平穩(wěn)增長，各組摻硅灰的水泥膠砂7 d干縮率約占60 d干縮率的87%～91%；隨著硅灰摻量的增加，對比基準組，各組水泥膠砂干縮率逐漸增加，2種水膠比的水泥膠砂均在15%硅灰摻量時干縮率提升最大。由圖6還可以看出，同一摻量下，0.40水膠比的水泥膠砂較0.45水膠比的各組膠砂干縮率更大，以15%硅灰摻量為例，A15的60 d干縮值為1 796 μm/m，而B15的60 d干縮值為1 303 μm/m；0.45水膠比的各組膠砂60 d的干縮率較基準組提升幅度比0.40水膠比的更大，其中A15和B15的60 d干縮率較基準組分別提升32.8%、43.8%。

分析認為，隨干縮試驗齡期的延長，由于硅灰的“二次水化”效應(yīng)，在早齡期它會消耗膠砂內(nèi)部大量的自由水，使膠砂的干縮率快速增長；到達后期，由于硅灰的摻入使膠砂結(jié)構(gòu)更為密實，水分不易散失，干縮率增長趨于平穩(wěn)。另一方面，隨著硅灰摻量的增加，硅灰的填充作用減少了總孔隙率但毛細孔增多，使毛細管張力增加，造成干縮率增大[16]。在同一摻量下，水膠比低的膠砂由于體系中自由水相對較少，而硅灰需水量極大，造成膠砂內(nèi)部水分蒸發(fā)加快，從而干縮率相對更大；水膠比高的膠砂中自由水相對較多，為硅灰提供了較好的水化環(huán)境，能與Ca(OH)2反應(yīng)生成更多的C-S-H凝膠且具有較多的細孔[17]，導(dǎo)致內(nèi)部水分有更多孔通道向外界散失，造成干縮率較基準組提升更為明顯。

3 結(jié)論與展望

a)隨硅灰摻量的增加，2種水膠比下水泥膠砂的跳桌流動度均呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢，其中硅灰摻量為5%時，流動度下降趨勢較為平緩；當其摻量超過5%后，流動度降低幅度開始變得明顯。

b)在2種水膠比下，不同水化齡期摻有硅灰的水泥膠砂抗壓和抗折強度均比基準組高，且硅灰的摻入能在水化早期充分發(fā)揮作用，提升強度；出于增效性能和經(jīng)濟性的綜合考慮，認為硅灰的最佳摻量為10%。

c)水泥膠砂干縮率在7 d內(nèi)增長速度較快，而在7～60 d時增幅開始趨于平緩。隨著硅灰摻量增加，膠砂的干縮率逐漸增大；2種水膠比下，水膠比較小的膠砂干縮率更大，而水膠比較大的膠砂，60 d的干縮率較基準組提升更為明顯。

d)硅灰在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用能響應(yīng)國家綠色環(huán)保的倡導(dǎo)，實現(xiàn)變“廢”為寶、資源循環(huán)利用；而本次試驗中硅灰對膠砂水化早期強度有較大的提升，可為硅灰在速凝混凝土的應(yīng)用提供一定的設(shè)計依據(jù)，而具體試驗結(jié)果仍有待論證。