掺加硅灰的混凝土材料的机理分析

掺加硅灰的混凝土材料的机理分析

李欣李宝宝

山东华安检测技术有限公司山东济南250107

摘要：硅粉是铁合金厂在冶炼硅铁合金或金属硅时，从烟气净化装置中回收的工业烟尘，在袋滤器中收集。北欧各国将硅粉又称为凝聚硅粉，在北美称为硅粉，也有叫微硅粉。无论是对新拌混凝土，还是对硬化混凝土，硅粉的掺入都极大地改善混凝土的力学性能和耐久性。因此，硅粉在混凝土工程中得到广泛的应用，表1列出了硅粉混凝土的应用范围。

关键字：硅粉；混凝土；水泥砂浆

当硅粉部分取代水泥后，其对硬化水泥浆体微结构的影响主要有：(1)提高水泥水化度，并与Ca(OH)2发生二次水化反应，增加硬化水泥浆体中的C-S-H凝胶体的数量，且改善了传统C-S-H凝胶体的性能，从而提高硬化水泥浆体的性能。(2)硅粉及其二次水化产物均可以填充硬化水泥浆体中的有害孔，降低了水泥石中宏观大孔和毛细孔孔隙率，同时增加了凝胶孔和过渡孔，使孔径分布发生根本的变化，大孔减少，小孔增多，且分布均匀，从而改变硬化水泥浆体的孔结构。(3)硅粉的掺入可以消耗水泥浆体中强度较低的Ca(OH)2晶体，改善混凝土中硬化水泥浆体与骨料的界面性能。

表1硅粉混凝土的应用范围

硅粉掺合料作为混凝土的掺合料，能够显著提高和改善混凝土的力学性能和耐久性，其作用机理在于硅粉矿物掺合料在混凝土中具有填充效应、火山灰效应和孔隙溶液化学效应，具体介绍如下：

（1）填充效应

首先，在混凝土拌制过程中，为了达到施工要求的流动性，常需要多加一些水，这些多加入的水不仅使水泥浆变稀和胶结力减弱，而且多余的水分残留在混凝土中形成水泡或水道。随着混凝土的硬化，多余的水分蒸发后便留下有害的孔隙，从而降低了混凝土的密实度。其次，在混凝土中，内部泌水受骨料颗粒的阻挡而聚集在骨料颗粒下面形成多孔界面，同时在骨料界面的过渡区中聚集着大量的Ca(OH)2晶体。而Ca(OH)2晶体具有较强的平行于骨料表面的取向性，其强度低于水化硅酸钙凝胶(C-S-H)，形成混凝土内部的强度薄弱区。

当在混凝土中掺入一定量的硅粉，由于其粒径比水泥颗粒直径要小100倍，能够填充于水泥颗粒的空隙之间和水泥浆体的孔隙之间，因而降低了混凝土泌水性，防止了水分在骨料下表面聚集，增加了骨料界面过渡区的密实度，提高了混凝土的强度，这就是硅粉的“填充效应”。另外，微小的硅粉颗粒能成为Ca(OH)2的“晶种”，使Ca(OH)2晶体的尺寸更小且取向更随机，提高了普通混凝土中水泥净浆与骨料的粘结强度。虽然硅粉对水泥砂浆的强度提高影响不是很大，但却能使相同水胶比的混凝土的强度得到明显地提高，其提高幅度远远大于水泥砂浆[12]。

（2）火山灰效应

活性硅粉掺合料对水泥混凝土增强作用的化学机制源于其与水泥水化产物间的二次水化反应。约占水泥质量75%的硅酸盐熟料矿物C3S和C2S在水化后主要形成硅酸比为1.6~1.9的高碱性水化硅酸钙（C/S>1.5）和大量游离石灰，相比于低碱性水化硅酸钙凝胶（C/S<1.5）,其强度要低得多，特别是游离石灰的强度极低，稳定性很差，这样就导致水泥石和混凝土的强度不高，耐久性降低[13]。

掺入一定量的的硅粉活性矿物掺合料以后，硅粉矿物掺合料中含有大量无定性的活性玻璃态SiO2与水泥石中的Ca(OH)2和高碱性水化硅酸钙（C-S-H）产生二次反应，此所谓火山灰反应，生成低碱性水化硅酸钙凝胶（C-S-H）。其反应式如下：

（0.8~1.5）Ca(OH)2+SiO2+[n-（0.8~1.5）]H2O→(0.8~1.5)CaO·SiO2·nH2O

x(1.5~2.0)CaO·SiO2·nH2O+ySiO2→x(0.8~1.5)CaO·SiO2·nH2O

此外，游离石灰能与硅粉中的活性氧化铝反应生成水化铝酸钙，同时与氧化硅及氧化铝生成水化铝硅酸钙：

Al2O3+xCa(OH)2+mH2O→xCaO·Al2O3·nH2O

3Ca(OH)2+Al2O3+2SiO2+mH2O→3CaO·Al2O3·2SiO2·nH2O

许多学者研究表明：在水泥砂浆或混凝土中掺入硅粉情况下，虽然水泥水化早期产生大量的水化产物Ca(OH)2，但是随着龄期的增长，Ca(OH)2的数量逐渐减少，甚至最终完全测不到。Grutzeck等人曾对硅粉的火山灰效应提出如此解释：硅粉中含有大量的活性玻璃态SiO2与拌合水接触后首先形成富硅的凝胶，并吸收大量水分，并在未水化水泥颗粒之间聚集，逐渐包裹水泥颗粒，然后Ca(OH)2与该富硅凝胶的表面发生反应生成低碱性C-S-H凝胶，这些低碱性C-S-H凝胶多生成于水泥水化的高碱性C-S-H凝胶孔隙之中，大大提高了结构密实度。也就是说：硅粉的火山灰效应能将对强度不利的Ca(OH)2转化成具有较强粘结性的低碱性C-S-H凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进了混凝土强度的增长。同时，硅粉与Ca(OH)2反应使Ca(OH)2不断被消耗，加快了水泥的水化速率，提高了混凝土的早期强度[10,12]。

（3）孔隙溶液化学效应

在水泥－硅粉的水化体系中，随着硅粉与水泥的比率提高，水化产物的Ca/Si比将会降低，相应的C-S-H凝胶能够结合更多的其它离子，如铝（Al）和碱金属(Na,K)等离子，最终会使孔隙中溶液的碱金属离子浓度大幅度降低，这就是所谓的孔隙溶液化学效应。通过提高硅粉等量取代水泥的比率，孔隙溶液的pH值将会降低。其原因是由于碱金属离子和Ca(OH)2均可以与硅粉中的活性玻璃态SiO2反应,这将有效降低甚至消除碱-硅酸反应(ASR)的危害。对于含有高碱活性骨料的水泥砂浆和混凝土，硅粉能有效降低或消除孔隙碱金属离子（Ｋa+、Ｎa+）浓度的作用，对于提高其强度与耐久性是非常重要[10,12]。这主要表现在硅粉提高了混凝土的电阻率和大幅度降低Cl－的渗透速率，从而降低甚至阻止混凝土中钢筋因电化学反应而锈蚀，延长混凝土的使用寿命。

由于以上硅粉的作用机理，使得掺入硅粉后的硬化水泥浆体及混凝土的性能具有较大幅度的提高，特别显著地提高其强度和耐久性。同时也应该看到，硅粉对硬化水泥浆体和混凝土微结构的改善与许多因素有关。因此，这方面的试验研究还有许多工作需要专家学者和科研工作者去做，特别是硅粉的火山灰材料对硬化水泥浆体和混凝土微结构的影响程度的研究。

参考文献

[1]姜德明.硅粉对高性能混凝土强度的作用机理研究[J].建筑技术开发，2001，4:44-46.

[2]杨坪.硅粉在混凝土中的应用探索[J].混凝土,2002,(1):11-13.

[3]付经东，孙支合.硅粉增强混凝土耐久性的作用机理研究[J].潍坊学院学报2009,9(4)：115-117.