掺粉煤灰和硅粉混凝土的特性

张春娟

摘要：近年来，随着我国高原或高寒地区土建、交通、水利工程的快速发展，对混凝土材料的高抗冻性等性能指标的要求越来越迫切。与此同时，随着我国火力发电的快速发展，粉煤灰、矿粉等矿物掺合料的排放迅速增加，导致环境污染日益严重。因此，不仅要提高混凝土的耐久性，而且要实现环境保护和国民经济的可持续发展。

关键词：粉煤灰；硅粉；混凝土；工作性能；强度；

混凝土是指由胶凝材料将骨料胶结成整体的工程复合材料的统称，而自混凝土应用到土木工程中，人们就不断尝试通过各个途径提高混凝土的强度和耐久性，在此通过在混凝土中加入粉煤灰和硅粉来替代部分水泥。通过对照试验，采用控制变量的方法，对照粉煤灰、硅粉的掺量，并通过对照试验和控制变量分析出各个掺量的粉煤灰、硅粉对混凝土的工作性、抗压强度、劈拉强度、抗弯拉强度等的影响。

一、概述

粉煤灰由于产源丰富、价格低廉,得到了普遍的应用。但是粉煤灰活性比较差,在水泥水化初期反应缓慢,致使混凝土的早期强度低,在具有早强及高强要求的混凝土中的应用受到限制,而硅粉由于活性S_iO₂含量高,属超微细颗粒(平均粒径约为0.1μm),掺入混凝土可大大提高混凝土的强度、改善耐久等性能,若与粉煤灰合理双掺,便能充分利用二者的特点,能进一步改善混凝土的结构和性能。混凝土中双掺硅粉和粉煤灰,与减水剂共同使用,将使混凝土的这些组分充分综合地发挥效应,现就这两种掺合料的最佳组合进行了研究且进行合理配制。

二、混凝土冻融破坏机理及影响因素

1.混凝土冻融破坏机理分析。混凝土抗冻性是指在吸水饱和的状态下经历多次冻融循环，保持其原有性质或不显著降低原有性质的能力。混凝土的抗冻性与其抗渗性密切相关，抗渗性越差，水越容易进入混凝土，冬季混凝土遭受冻害的可能性更大。一般情况下，混凝土受到冻融循环作用后常出现两种破坏形式:即混凝土内部出现裂缝和混凝土表层剥落。最常见的形式是混凝土表层剥落，这是因为水泥浆体受冻后结晶逐渐膨胀产生膨胀压力致使混凝土开裂和剥落。通常情况下，这种混凝土剥落或起皮不会造成混凝土粗骨料的外露，但严重时会引起混凝土粗骨料外露，进而造成混凝土动弹性模量和质量下降致使混凝土破坏。混凝土是由水泥砂浆与骨料组成的毛细孔多孔体，为了满足混凝土拌制所需的和易性要求，加入的拌和水要多于水泥水化所需的水化水，因而导致多余的水以游离水的形式存在于混凝土中，并形成连通的毛细孔，并在混凝土中占据一定的体积。由于水遇冷结冰会体积膨胀，可能引起混凝土内部发生破坏。由于水泥水化形成的胶凝孔和其他非毛细孔的存在，这些孔隙中常被空气填充，为毛细孔中的水结冰膨胀提供了一定的缓冲空间，因此通常情况下，毛细孔中的水结冰不会导致混凝土内部严重破坏。但是当混凝土处于饱和水状态时，胶凝孔和其他非毛细孔中均充满水时，混凝土孔隙中水的冰点将随孔径的减小而降低，胶凝孔中的水处于过冷状态，其中形成的冰核的温度在－18℃以下。因此，胶凝孔中处于过冷状态的水分子因其蒸汽压高于同温度下毛细孔中冰的蒸汽压，而向冰的界面处渗透，导致毛细孔壁既承受冰的膨胀压又承受渗透压。由此当在混凝土中产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复的冻融循环下，混凝土中的裂缝增多、扩展和贯通，混凝土的强度相应降低，甚至于完全丧失。冻融过程中孔隙水的反复结冰会导致混凝土的劣化。已有的冻融破坏理论较多，其中静水压假说和渗透压假说最具代表性。静水压假说认为成型混凝土中存在相互连通的孔隙，浸水后，毛细孔先吸满水，空气泡内壁继续吸附水分，但常压下很难达到饱和。毛细水结冰后体积膨胀9%，引起剩余水被压缩。当水能够外逸至自由空间，则可消除压力;如果水外逸至边缘的距离太远，则毛细管膨胀，一旦超过水泥浆体极限应变，则产生裂缝。由此可见，影响混凝土抗冻性的关键因素是它的孔结构。

2.影响混凝土抗冻性能的因素。从上述混凝土冻融破坏机理可见，混凝土内部孔隙结构是影响其抗冻性能的主要因素。而混凝土内部孔隙结构又与以下因素密切相关。（1）水胶比。水灰比的大小直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。混凝土抗冻性能随水灰比增大而明显降低。因此，通过添加减水剂来降低水灰比从而降低混凝土中的孔隙率，可能是提高混凝土抗冻性的有效措施之一。（2）活性矿物掺和料。研究表明:矿物掺料的物理填充、化学作用影响了浆体或混凝土微结构的整体发展过程。矿物掺料的活性效应、微集料填充效应、形态效应和吸附效应，能够改善新拌混凝土的工作性能，提高混凝土强度和耐久性。例如硅粉能够提高混凝土的密实度，从而提高抗冻性和抗渗性，同时还能提高混凝土的早期强度;粉煤灰在混凝土中具有降低成本，降低混凝土的水化热提高抗裂性能，还具有细化孔隙，改善界面结构，抑制碱－骨料反应;且具有自硬化、需水量比低的特点。

3.配制。以硅粉掺量、粉煤灰掺量及掺量比例(等量取代水泥和超量取代水泥)、基准水胶比四个主要因素进行研究,第一因素取三个水平。因极差分析可知,在试验因素水平变化范围内,影响抗压强度的主要因素是水胶比,其次是硅粉掺量和粉煤灰超量取代水泥系数(即粉煤灰水胶比效应)。粉煤灰取代水泥掺量在10%—20%范围内对抗压强度影响较小,对于抗冲磨强度指标的影响也是以水胶比最大,其次是硅粉掺量和粉煤灰取代水泥掺量的比例。由直观分析图看出,试验因素水平的最优组合条件是硅粉掺量10%,粉煤灰代水泥掺量10%,粉煤灰超代系数1.5,水胶比0.32,此时混凝土抗压强度和抗冲磨强度都有较高的指标,如从经济效益考虑,粉煤灰掺量放大到20%仅对抗冲磨强度有较小的影响,如只要求抗压强度,则硅粉掺量再加大,仍能使抗压强度显著增加。

4.混凝土性能。（1）抗压强度和抗冲磨强度。28d龄期时,双掺混凝土较单掺粉煤灰混凝土的抗压强度提高32%,这就是硅粉的高活性效果,在28d以前就充分发挥作用,使混凝土的强度明显提高,单掺硅粉的混凝土90d龄期的抗压强度较28d提高仅4%,而掺有粉煤灰的混凝土则提高很多,说明粉煤矿灰在后期的作用较显著。若将两者双掺则不仅大大降低了混凝土的水泥用量,而强度却均比单掺为高,表明双掺硅粉与粉煤矿灰的混凝土不仅经济,而且硅粉和粉煤灰确有极好的配伍效应,也对提高抗冲磨强度十分有利。（2）混凝土内部结构。 从双掺硅粉、粉煤灰砂浆的孔结构来看,变化更大,表中数据表明,双掺砂浆中大于250A的孔均比基准和单掺粉煤灰砂浆明显减少,比单掺硅粉砂浆的孔结构也有所改善,因此双掺可比单掺有更好的细化孔径作用。扫描电子显微镜试验表明,单掺粉煤灰水泥浆体中含有较多Ⅱ、Ⅲ型C-S-H,它的存在使水化产物交错连生,从显微镜上还看到有Ca(OH)₂晶片以及未完全水化的粉煤灰颗粒,从整体结构观察,虽然固相物质的连接与填充相当好,但没有表现出理想的紧密连续结构,由于粉煤灰微珠需要钙离子不断侵蚀扩散方能逐渐水化,因此粉煤灰在90d龄期的反应程度还不彻底,水泥熟料的后期水化及残留Ca(OH)₂必将使粉煤灰潜在的活性进一步发挥。从单掺硅粉的SEM照片中看到有相当密实的水泥石结构及较多不规则粒形水化硅酸钙凝胶,而双掺的浆体结构也非常密实,各种水化产物相互覆盖连生,但不象粉煤灰混凝土那样有较明显的网络状结构。值得注意的是,从高倍照片中观察到许多细小的球形颗粒和蠕虫状的水化产物均匀地分布于断面上,球形粒子的直径很小,可能是浆体的部分生成的水化硅酸钙,由于浆体的密实而呈细粒状出现,这些尺寸细小的产物将会进一步填充硬化混凝土内的微小孔隙。

三、冻融循环试验

试验掺料简介。硅粉是一种灰白色超轻粉末，细度极大，平均粒径只有水泥的百分之一，活性氧化硅含量很高，是目前已知活性最高掺料。粉煤灰也称飞灰，是由燃煤电厂烟囱收集的灰尘，外观类似水泥，为微米级细小的粉状物，其活性主要取决于玻璃体的含量。减水剂是一种表面活性很大的材料，它能定向的依附于颗粒表面进而使颗粒带电，利用同性相斥的原理使水泥颗粒分散，从而起到使被絮状物质包裹的拌和水释放的作用。因此，减水剂能够最大限度地减少混凝土的水胶比，提高混凝土的密实度。由于硅粉细度小，比容很大，需水量很大，因此要与高效减水剂共同掺用，以保证混凝土较好的和易性。同时，硅粉具有自干性，硅粉混凝土易出现干缩和自收缩施工裂缝。而研究资料表明:掺粉煤灰和硅粉对混凝土的自生体积变形、早期膨胀无不利影响。用于防止单掺硅粉混凝土，在施工中表面易出现裂缝的问题。所以，硅粉宜与粉煤灰共同使用，以补偿其自身收缩。因此，双掺粉煤灰和硅粉的混凝土非常适用于大体积混凝土，并在抗裂、抗渗等耐久性方面较之于普通混凝土具有很大的优势。在混凝土中加入粉煤灰后，由于粉煤灰的存在，将使未冻水迁移产生渗透压，而引起周围浆体的开裂。所以，粉煤灰混凝土是不利于抗冻的。对于双掺粉煤灰和硅粉的混凝土，其抗冻性能是否满足要求，将直接关系到北方严寒地区能否使用这种高效、环保的双掺混凝土。基于上述原因，本试验在混凝土中加入硅粉和粉煤灰，并掺入高效减水剂，按规范要求进行冻融循环试验，与基准混凝土(即普通混凝土)相比较，来探讨双掺混凝土的抗冻性能。

四、工程案例试验

1.试验方案。 在 C50 高性能混凝土的基准配合比上， 选取粉煤灰掺量为10%，15%，20%，硅粉掺量为 5%，10%，15%，通过粉煤灰硅粉不同掺量固定搭配的试验组，进行试验。该试验方案中粉煤灰和硅粉用量为等量取代水泥用量。

2 试验进程。立方体试件的浇筑、养护和抗压强度试验按照 《JTG E30—2005 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行试件尺寸150 mm × 150 mm × 150 mm 试件浇筑完成后 24 h 内脱模，进行标准养护，到试验龄期时，从标准养护室取出试件，进行抗压强度试验。

3.试验结果。实验结果见表1。

表1 C50 高性能混凝土试验结果

由表 1 可知， 高性能混凝土加入粉煤灰和硅粉后， 对于基准组 A1， 坍落度有明显增加， 而扩展度呈现在加入少量粉煤灰和硅粉后( 10% 粉煤灰和 5% 硅粉) 增大， 随着掺量的增大， 扩展度在减少。观察表中的 B1， C1 和 D1 分析后得， 当粉煤灰单独掺入时， 扩展度先增大后减小; 观察表中的 B2， C2 和 D2 分析后得， 当硅粉单独掺入时， 扩展度随着硅粉掺量的增加而减小; 观察表中 B3， C3和 D3 分析可得， 当粉煤灰和硅粉同时掺入时， 随着掺量的增加呈现减小的趋势。综上所述单掺粉煤灰可以提高混凝土的和易性， 单掺硅粉在一定掺量过量后会降低混凝土的流动性能， 双掺粉煤灰和硅粉的混凝土工作性能要优于单掺硅粉和单掺粉煤灰的混凝土。

1) 单掺粉煤灰对高性能混凝土抗压强度的影响。由表1 部分数据得图 1。由图 1 观察得到， 随着养护时间的增加， 强度不断增大。3 d 和 7 d， 混凝土强度大致变化趋势就是随着粉煤灰单掺量的增大， 强度在减少。而对比于 3 d 和 7 d 与 28 d 和 90 d， 它们都是随单掺量增加， 强度先增大后减小的。两个养护周期混凝土强度的对比， 说明了掺入大量的粉煤灰， 减少了水泥用量， 使混凝土前期水泥的水化速度变慢， 所以使得其前期强度较低， 随后期粉煤灰的抗压强度增长幅度变大， 其抗压强度都超过不掺的。综上所述， 粉煤灰主要对混凝土后期强度作用较大。但是， 再看 28 d和 90 d， 强度先增加后减小， 可得粉煤灰也需适量才能对强度贡献更大， 显然表中的掺量 10% 贡献较大。

图 1 单掺粉煤灰时高性能混凝土强度变化

2) 单掺硅粉对高性能混凝土抗压强度的影响。由图 2 观察到， 随着硅粉掺量的增加， 强度大致是提高的。随着养护时间的增加， 强度依然是不断增大。3 d 混凝土强度的变化趋势是随着硅粉单掺量的增大， 强度先减小后增大。而 7 d，28 d 和 90 d 都是随单掺量的增大而增大。而从图 2 和图 1 的对比中， 分析可得， 硅粉对高性能混凝土的抗压强度的影响， 无论是3 d 和 7 d 的前期还是 28 d 和 90 d 的后期， 增大效果都要高于单掺粉煤灰。

图 2 单掺硅粉时高性能混凝土强度变化

分别对比三种组合掺量的强度。

（1） 将单掺 10% 粉煤灰、单掺 5% 硅粉和双掺 10% 粉煤灰 +5% 硅粉的强度对比见图 3。

图 3 单掺 10%粉煤灰、单掺 5%硅粉和双掺 10%粉煤灰+5%硅粉的强度对比

（2） 将单掺 20% 粉煤灰、单掺 10% 硅粉和双掺 20% 粉煤灰 +10% 硅粉的强度对比见图 4。

图 4 单掺 20%粉煤灰、单掺 10%硅粉和双掺 20%粉煤灰+10%硅粉的强度对比

（3） 将单掺 30% 粉煤灰、 单掺 15%硅粉和双掺 30% 粉煤灰 +15% 硅粉的强度对比见图 5。

图 5 单掺 30%粉煤灰、单掺 15%硅粉和双掺 30%粉煤灰+15%硅粉的强度对比

由图 3 ～ 图 5 观察可得，早期的 3 d 和 7 d 单掺硅粉的强度要高于单掺粉煤灰和双掺。在图 1 中我们曾得到在 10% ， 20% ，30% 粉煤灰掺量中得到效果较好的 10% 掺量， 所以只有 10% 粉煤灰的掺量才在养护时间达到中后期的 28 d 时超过了单掺硅粉的强度。20% 和 30% 掺量的粉煤灰在 28 d 时强度都低于单掺硅粉的强度。从图中对比单掺和双掺的强度， 处于前期的 3 d 和 7 d时单掺硅粉高于单掺粉煤灰和双掺， 然而到后期的 28 d 和 90 d时双掺的强度就高于单掺硅粉和粉煤灰的强度。并且粉煤灰、硅粉在混凝土中做双掺时， 其双掺的工作性能比单掺硅粉的工作性能要好。

总之，在高性能混凝土中添加一定量的粉煤灰和硅粉来代替部分水泥都能提高其强度和工作性能。单掺硅粉代替部分水泥，在我们检测的掺量范围内同一养护时间是随掺量增多，强度增大。当掺量相同时，强度的变化趋势大致是随着养护时间和强度呈正相关。随着养护时间的增加，越来越多的硅粉逐渐发生水泥水化二次反应，使浆体孔径变小，整体更密实，提高了抗压强度。单掺粉煤灰时，由于粉煤灰的微珠效应，混凝土拌和物能随着掺量在一定范围能增大而变好，但混凝土早期强度增长有所降低，随着养护龄期增加，后期强度有所增加。而双掺硅粉和粉煤灰虽然在前期稍逊于单掺硅粉的强度，但随着时间的增加强度增大，在长时间的养护后，双掺的混凝土强度都高于单掺的强度。说明同时加入粉煤灰和硅粉更充分发挥了矿物掺合料的火山灰效应，提高了混凝土的抗压强度。

参考文献：

[1]李光明.浅谈掺粉煤灰和硅粉混凝土的特性［M］ ． 北京: 中国建筑工业出版社.2017.

[2]冯海洋，探讨掺粉煤灰和硅粉混凝土的特性［J］ ． 材料研究与应用， 2018( 8) : 11.