摘要：硅灰作為重要的硅質(zhì)礦物摻合料，近年來(lái)在建筑材料中應(yīng)用廣泛。為研究硅灰摻量對(duì)水泥混凝土性能和水化機(jī)理的影響，本文基于室內(nèi)試驗(yàn)探究了5種不同硅灰摻量水泥混凝土的料漿擴(kuò)散度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和收縮率。結(jié)果表明，料漿擴(kuò)散度和收縮率隨硅灰摻量的提升先降后升，單軸抗壓強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度隨硅灰摻量的提升先升后降，當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí)，水泥混凝土的力學(xué)性能和安定性最優(yōu)。適量硅灰的摻入會(huì)提升水泥混凝土的強(qiáng)度、抗沖擊性能和安定性，但過(guò)量硅灰的摻入會(huì)因其吸水性阻滯水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，不利于水化產(chǎn)物和宏觀強(qiáng)度的形成。

關(guān)鍵詞：硅灰；水泥混凝土；力學(xué)性能；收縮率

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.1；TQ177.6+9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）02-0099-04

Effect of silica fume content on the properties and hydration mechanism of cement concrete

FU Jing

（Zhejiang Changzheng Vocationalamp;Technical College，School of Architectural Engineering，Hangzhou 310023，China）

Abstract：As an important siliceous mineral admixture，silica fume has been widely used in building materials in re?cent years.In order to study the effect of silica fume content on the properties and hydration mechanism of cement concrete，the slurry diffusion，uniaxial compressive strength，impact strength and shrinkage of five cement concretes with different silica fume dosages were investigated based on laboratory experiments.The results show that the diffu?sion and shrinkage of the slurry decrease first and then increase with the increase of silica fume content，and the uni?axial compressive strength and impact strength increase first and then decrease with the increase of silica fume con?tent，and when the silica fume content is 10%，the mechanical properties and stability of cement concrete are the best.The incorporation of an appropriate amount of silica fume will improve the strength，impact resistance and sta?bility of cement concrete，but the incorporation of excessive silica fume will hinder the continuous progress of hydra?tion reaction due to its water absorption，which is not conducive to the formation of hydration products and macro?scopic strength.

Key words：silica fume；cement concrete；mechanical properties；shrinkage rate

混凝土作為現(xiàn)代建筑工程中的重要材料，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到工程質(zhì)量和安全[1]。隨著工程建設(shè)對(duì)材料性能要求的日益提高，傳統(tǒng)混凝土材料已難以滿足某些特殊工程的需求。因此需要不斷探索新的材料和技術(shù)改善混凝土的性能。硅灰作為一種高效的礦物摻合料，近年來(lái)在混凝土材料中的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注[2]。硅灰的摻入不僅能夠改善混凝土的工作性，還能顯著提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性以及抗?jié)B性等性能，這些優(yōu)勢(shì)使得硅灰在高性能混凝土、耐久性混凝土等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力[3]。吳炎海等[4]人基于室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)不同硅灰摻量活性粉末混凝土（RPC）的流動(dòng)度、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，確定了在保證強(qiáng)度的前提下改善RPC流動(dòng)度的最佳參數(shù)組合，有效降低了RPC生產(chǎn)成本。劉紅彬等[5]人研究了硅灰摻量對(duì)RPC力學(xué)性能的影響。許影等[6]人結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)探究了硅灰摻量對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土（SCC）的工作性能和力學(xué)性能的影響，明確了適量硅灰摻加能夠減小自密實(shí)混凝土料漿的擴(kuò)展時(shí)間并增大擴(kuò)展度，加快拌合物流速，當(dāng)硅灰摻量為6%時(shí)擴(kuò)展時(shí)間最短，但摻量過(guò)多則會(huì)劣化流動(dòng)性和保坍性。計(jì)興旺[7]通過(guò)將改性硅灰和粉煤灰作為復(fù)合摻合料加入水工混凝土中，探究了不同配合比條件下水工混凝土的抗鹽侵蝕性、骨料堿活性、滲透性和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。盡管上述研究探索了硅灰在混凝土中的應(yīng)用，并取得了一定的成果，但硅灰的最佳摻量、對(duì)水泥混凝土的水化作用影響機(jī)理以及與其他摻合料的相互作用等問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。因此，深入研究硅灰摻量對(duì)水泥混凝土性能和水化機(jī)理的影響對(duì)于優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)、提高混凝土性能具有重要的理論和實(shí)際意義。

本研究結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)探究不同摻量硅灰對(duì)水泥混凝土的料漿流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度、抗沖擊性能和收縮率的影響，探討硅灰摻入對(duì)水化反應(yīng)進(jìn)程作用及機(jī)理，進(jìn)一步明確硅灰在混凝土中的作用效果，為高性能混凝土的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1原料和試驗(yàn)

本研究所用水泥為PO× 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥（楊春水泥有限公司），性能參數(shù)：比表面積為355 g/cm3，初凝時(shí)間為233 min，終凝時(shí)間為293 min，3 d抗折強(qiáng)度為5.6 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為8.2 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度為26.6 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為51.2 MPa。硅灰為艾肯牌硅灰，性能參數(shù)：密度為2.28 g/cm3，細(xì)度為100目，平均粒徑為0.19μm，SiO2含量為98%。骨料為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（艾思?xì)W有限公司）。減水劑為聚羧酸高效減水劑（中巖科技公司）。

本研究混凝土配合比試驗(yàn)設(shè)置膠砂比為1∶3，水膠比為0.5，減水劑摻量為0.6%，硅灰摻量為水泥摻量的0%、5%、10%、15%、20%，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d。將所有材料配置完成后混合，使用攪拌機(jī)攪拌5 min，使料漿達(dá)到均質(zhì)化狀態(tài)。將攪拌好的料漿進(jìn)行擴(kuò)散度測(cè)試后倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm尺寸的三聯(lián)模具中。先室溫養(yǎng)護(hù)24 h后，將試塊拆模放入濕度為90%、溫度為22℃的恒溫養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期7 d后取出，從而得到5種不同的試驗(yàn)用混凝土備料。所有試驗(yàn)過(guò)程均依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行[8]。

2硅灰摻量對(duì)水泥混凝土的性能和水化機(jī)理

2.1硅灰摻量對(duì)水泥混凝土的性能影響

本研究借助坍落度探究硅灰摻量對(duì)水泥混凝土料漿流動(dòng)性的影響。不同硅灰摻量的水泥混凝土料漿坍落度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，隨著硅灰摻量的增加，料漿擴(kuò)散度呈現(xiàn)出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)硅灰摻量為20%時(shí)，料漿擴(kuò)散度達(dá)到最小值390 mm。這說(shuō)明硅灰的摻入會(huì)降低水泥混凝土料漿的流動(dòng)性，這是因?yàn)楣杌业牧６容^細(xì)，比表面積較大，因而吸水性強(qiáng)，這會(huì)提高料漿的粘度和稠度，因而流動(dòng)性下降[9]。

本研究借助單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗(yàn)探究硅灰摻量對(duì)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。對(duì)不同硅灰摻量的水泥混凝土試塊進(jìn)行UCS試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著硅灰摻量的增加，水泥混凝土UCS呈現(xiàn)出現(xiàn)增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí)，水泥混凝土UCS達(dá)到最大值41.6 MPa。這說(shuō)明硅灰的摻入在一定程度上可提升水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，但不斷增加硅灰摻量并不能使強(qiáng)度持續(xù)上升，反而會(huì)使強(qiáng)度下降。這是因?yàn)楣杌业募尤霑?huì)增加水化反應(yīng)的成核位點(diǎn)，使更多C—S—H水化產(chǎn)物形成，有利于水泥混凝土微觀膠結(jié)結(jié)構(gòu)和骨架結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而提升宏觀強(qiáng)度[9]。但過(guò)量硅灰的摻入會(huì)吸收大量自由水，使參與水化反應(yīng)的自由水?dāng)?shù)量降低，不利于水化反應(yīng)的深入進(jìn)行和水化產(chǎn)物的形成，降低了水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，微觀孔隙數(shù)量增多，宏觀強(qiáng)度下降[10]。

本研究采用落錘沖擊方法對(duì)硅灰摻量對(duì)于水泥混凝土的抗沖擊性能展開(kāi)研究。落錘的質(zhì)量設(shè)為2.35 kg，下落高度為900 mm，不斷對(duì)摻硅灰后的水泥混凝土試塊展開(kāi)沖擊，并得到?jīng)_擊次數(shù)的平均值N，摻硅灰后的水泥混凝土試塊和沖擊的次數(shù)比值設(shè)為Cjy，沖擊強(qiáng)度公式如下：

式中：N為破壞的沖擊次數(shù)，P為沖擊的強(qiáng)度，mg為落錘的重力，單位N，H為落錘的高度，h和d分別為水泥混凝土材料的高度和直徑。

不同硅灰摻量的水泥混凝土抗沖擊強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著硅灰摻量的增加，水泥混凝土抗沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)出現(xiàn)增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí)，水泥混凝土抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值16.6 MPa。這說(shuō)明適量硅灰的摻入可提升水泥混凝土的抗沖擊性能，但當(dāng)硅灰摻量過(guò)多時(shí)，由于水化產(chǎn)物生成量下降，微觀結(jié)構(gòu)中孔隙數(shù)量增多，骨架結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)育完全，導(dǎo)致水泥混凝土抗沖擊性能下降[11]。

不同硅灰摻量的水泥混凝土收縮率測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著硅灰摻量的增加，水泥混凝土收縮率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí)，水泥混凝土收縮率達(dá)到最低值1.8%。這說(shuō)明適量硅灰的摻入有利于提升水泥混凝土的安定性，這是因?yàn)楫?dāng)硅灰摻量較低時(shí)，粒度較細(xì)的硅灰顆粒存在填充效應(yīng)，可填充在水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)中的固體顆粒之間，提升了微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，有助于減少水泥收縮率[12]。當(dāng)硅灰摻量過(guò)高時(shí)，硅灰的強(qiáng)吸水性可能會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)水分不足的情況，會(huì)減緩水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致水泥內(nèi)部產(chǎn)生更多的未反應(yīng)水泥顆粒和孔隙，增加了水泥混凝土的收縮率，破壞其安定性[13]。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，硅灰的摻入雖然會(huì)降低水泥混凝土流動(dòng)性，但可有效提升抗壓強(qiáng)度、抗沖擊性能和安定性，證明了硅灰作為活性外加劑在可部分替代水泥作為輔助膠凝材料使用。然而，過(guò)量硅灰摻入（＞10%）對(duì)水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗沖擊性能和安定性存在劣化作用，因此需要在實(shí)際應(yīng)用和施工中確定硅灰的合理?yè)搅縖14]。

2.2硅灰摻入對(duì)水泥混凝土水化反應(yīng)的影響機(jī)理

結(jié)合2.1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)可知，摻硅灰水泥混凝土水化反應(yīng)的影響有四方面，分別為形態(tài)效應(yīng)和微骨料效應(yīng)、化學(xué)活性效應(yīng)、改善微觀結(jié)構(gòu)和干預(yù)自收縮和干燥收縮。

形態(tài)效應(yīng)和微骨料效應(yīng)。硅灰顆粒極細(xì)，比表面積較高，能在水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)中填充水泥顆粒之間的孔隙，提高微觀密實(shí)度，有助于提高水化產(chǎn)物的均勻性和連續(xù)性，進(jìn)而提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性[15]。

化學(xué)活性效應(yīng)。硅灰在水泥混凝土中起到活性摻合料的作用，可與水泥水化形成的Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成更多的C—S—H凝膠等水化產(chǎn)物，提升宏觀強(qiáng)度[16]。硅灰的活性反應(yīng)還有助于消耗水泥混凝土中的游離鈣，降低混凝土的滲透性[17]。

改善微觀結(jié)構(gòu)。硅灰的摻入能夠改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，減少有害孔隙的數(shù)量，增加無(wú)害孔隙的比例，提高混凝土的致密性。硅灰摻入后，混凝土中的總孔隙率降低，平均孔徑減小，使得混凝土更加致密[18]。

干預(yù)自收縮和干燥收縮。硅灰摻量的不同會(huì)對(duì)混凝土的自收縮和干燥收縮產(chǎn)生影響。適量的硅灰摻入可以降低混凝土的自收縮，但摻量過(guò)多時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致收縮率增加[19]。硅灰的高比表面積導(dǎo)致其吸水性強(qiáng)，可能會(huì)在混凝土內(nèi)部形成水分不足的區(qū)域，影響水泥的水化進(jìn)程，進(jìn)而影響混凝土的收縮性能。

3結(jié)語(yǔ)

本研究使用硅灰替代水泥，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)探究了不同硅灰摻量對(duì)水泥混凝土各項(xiàng)性能和水化機(jī)理的影響。當(dāng)硅灰摻量從0%提升至20%時(shí)，水泥混凝土抗壓強(qiáng)度和抗沖擊性能先升后降，收縮率先降后升，料漿流動(dòng)性逐漸下降。當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí)，水泥混凝土抗壓強(qiáng)度、抗沖擊性能和流動(dòng)性最優(yōu)。硅灰的摻入可為水化反應(yīng)提供更多成核位點(diǎn)，促進(jìn)水化產(chǎn)物的形成，降低微觀結(jié)構(gòu)孔隙數(shù)量并提升密實(shí)度，但硅灰過(guò)量摻入會(huì)吸收大量自由水，阻滯水化反應(yīng)進(jìn)行，進(jìn)而劣化水泥混凝土的力學(xué)性能和安定性。

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（責(zé)任編輯：張玉平）