摘 要：闡述了硅灰的特性，研究了硅灰的摻入對混凝土抗壓強度和韌性的影響，結果表明，由于摻入適量的硅灰，使混凝土的抗壓強度和韌性大大增強。

　　關鍵詞：硅灰,抗壓強度,韌性

　　前言

　　硅灰(也叫微硅粉)(學名“硅灰”， Microsilica 或 Silica Fume )，硅粉又叫硅灰。是工業電爐在高溫熔煉工業硅及硅鐵的過程中，隨廢氣逸出的煙塵經特殊的捕集裝置收集處理而成。在逸出的煙塵中，SiO2含量約占煙塵總量的90%，顆粒度非常小，平均粒度幾乎是納米級別，故稱為硅粉。

　　硅灰的研究始于斯堪的納維亞國家，盡管20世紀50年代人們對硅灰作用就有所認識和初步的研究，但應用于實際工程中是從70年代開始的，首先是挪威和瑞典等國家在港口碼頭、北海油田及地下礦井中部分采用了硅灰混凝土，1982 年，挪威在伏諾維斯壩上正式采用了硅灰混凝土筑壩， 20世紀80 年代初加拿大在魁北克建立了硅灰混凝土，并對大體積硅灰混凝土進行試驗研究，拌制高標號混凝土1 萬立方米，1983年美國用硅灰混凝土修補了奧里夫尼河上的卡查壩消力池，效果良好。世界上其它國家也都加緊研究和應用。而我國對硅灰的研究歷史不長，僅僅10多年時間，1985年水電部東勘院科研所和水電部第十工程局首次在四川漁子溪二級電站中試用了硅灰混凝土，在廠房混凝土中摻硅灰3 %～7 %，以提高早期強度，加快模板周轉，達到預期效果，另外，在引水隧洞噴射混凝土中，摻硅灰15 %，以減少混凝土的回彈量，南科院在大伙房水庫工程、龍羊峽泄水建筑物和葛洲壩泄水閘修補等工程中都采用了硅灰混凝土，效果較好，水科院對硅灰混凝土的耐久性能及硅灰水泥水藻灌漿材料進行了一些研究，并在二灘水電站基礎固結灌漿中，潘家大壩溢流面修復工程、安康及四川秋達電站導流泄洪洞修補等工程中使用了硅灰混凝土，硅灰水泥灌漿。所有這些，說明灰灰混凝土作為一種高性能混凝土在工程中的應用日顯重要，所以對其性能特別是其強度與韌性的研究也倍受關注。

　　硅灰是一種顏色介于灰白色和深灰色之間的粉末，其粒徑極小，平均粒徑在1μm以下，僅為水泥平均粒徑的1%左右。硅灰中90%左右是球形體，部分凝聚成片狀或球狀的粒子團，表觀密度2200kg/m³，堆積密度僅為十分之一。硅灰的這些物理性質決定了硅灰具有高度的分散性以及較高的表面能。

　　硅灰一般含有90%以上的無定型二氧化硅, 其化學成分則根據合金品種不同而稍有變化。表1 列出了我國部分地區的硅灰化學成分。

　　在微觀結構上，硅灰中的SiO2屬于非晶質，是無定形結構，其物質質點處于能量不平衡位置，具有化學不穩定性，是高活性的火山灰質材料。

　　在混凝土中摻入少量硅灰，能顯著改善混凝土的性能，很多科研或工程技術人員一直在作這方面工作，希望能更好的改善混凝土的性能。硅灰作為冶煉的副產品，價格低廉，因而為能在工程中廣泛應用提供了必要條件。

　　1 硅灰對混凝土性能的影響

　　1.1 硅灰對混凝土抗壓強度的影響

　　我試驗室通過試驗及統計不同硅灰的摻量情況下，混凝土抗壓強度的變化規律。水膠比為0.4，硅灰中SiO2含量為97.09%，抗壓強度為28天抗壓強度。結果見圖1。

　　通過圖1可以看出，當硅灰摻量小于25%時，混凝土的抗壓強度隨著硅灰摻量的增加而增大，當硅灰摻量大于25%時，混凝土的抗壓強度反而下降。另外，在硅灰摻量為25%時，混凝土的抗壓強度達到最大，均提高了30%以上。另有研究表明，當硅灰摻量在5%—15%時，混凝土的28d抗壓強度提高10%—35%。

　　我試驗室也對C55混凝土中摻入不同摻量的硅灰進行抗壓強度試驗，試驗結果如表2所示。其中試驗水灰比為0.34，硅灰中SiO2含量為90.32%。

　　對比兩者的試驗結果可以發現，硅灰的最佳摻量和混凝土強度的增加值都有較大出入，這可能跟試驗中使用的硅灰的品質有關。

　　通過查閱資料，發現蘭州交通大學王海波的研究表明，不同品質的硅灰對混凝土的力學性能的影響區別很大，高品質的硅灰摻量與混凝土強度的規律性較好，中低品質的硅灰則沒有明顯的規律關系。

　　1.2硅灰對混凝土韌性的影響

　　混凝土的韌性一般是針對纖維增強混凝土而言的，比如RPC等。在中南大學老師的幫助下我試驗室用彎曲韌性試驗方法，研究了硅灰對RPC彎曲韌性的影響，試驗結果表明，在水灰比0.25條件下，外摻硅灰5%—20%能夠提高RPC的彎曲韌性15%—50%，呈正比例關系，當摻量大于20%時，RPC彎曲韌性增加不明顯。RPC中添加硅灰，可以改善水泥基材料與鋼纖維的粘結界面，提高水泥基材料與鋼纖維之間的粘結力，從而提高RPC的彎曲韌性。

　　2 機理分析

　　硅灰通過以下性質影響混凝土的性能：

　　(1)硅灰粒徑小，僅為水泥粒徑的1%左右，比表面積約為15000—20000㎡/kg;

　　(2)硅灰從蒸汽冷凝得到，具有完美的球狀形態;

　　(3)硅灰的化學成分中，有85%—95%以上的玻璃態的活性二氧化硅，是具有高活性的火山灰質材料。

　　硅灰完美的球狀形態以及其極小的粒徑，使得硅灰極易填充于水泥顆粒之間，提高混凝土的密實度，改善混凝土的內部結構。另外，硅灰中活性的二氧化硅與氫氧化鈣反應，增加了水泥石中的C-S-H凝膠的體積，改善了水泥石中的孔結構，從而提高了混凝土的抗壓強度等力學性能。

　　對于普通新拌混凝土而言，由于泌水的影響，會在水泥漿體與骨料或者鋼筋之間形成一個界面裂縫，導致骨料和鋼筋下面形成疏松層，降低水泥漿體與骨料和鋼筋之間的粘結力。硅灰具有較大的表面能，能夠約束水化漿體內部的毛細水，隨著硅灰的加入，減少了混凝土內部的泌水，另外由于硅灰與水泥之間的化學反應，改善了水泥漿體與骨料和鋼筋之間的粘結界面，從而提高混凝土的彎曲韌性。

　　3 總結

　　硅灰對于改善混凝土的抗壓強度和彎曲韌性是十分有利的，這主要是因為硅灰的活性和微集料填充的雙重作用，改善了混凝土內部孔結構，強化了水泥漿與骨料或鋼筋界面過渡區。諸多的試驗表明：同等品質的硅灰，摻量小于25%時，混凝土的強度隨著摻量的增加而增大;摻量小于20%時，混凝土的彎曲韌性隨著摻量的增加而增大。

　　參考文獻:

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