SiO₂粉體對硅酸鹽混凝土改性的研究

程軍 祝保林

摘 ?????要：硅酸鹽混凝土是建筑工程領(lǐng)域廣泛運用的建筑材料，但是隨著建筑施工的要求的進一步提升，硅酸鹽混凝土的自身缺陷日益明顯，這導致其應用范圍推廣受限。采用添加SiO2粉體對硅酸鹽混凝土凝結(jié)時間性、安固性和抗折性的實驗研究，以期在試驗后硅酸鹽水泥凈漿、水泥膠砂、混凝土，以及漿體流動性，各項力學性都能有所提升。

關(guān) ?鍵 ?詞：SiO2粉體;硅酸鹽混凝土;混凝土改性

中圖分類號：TQ 172 ?????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）03-0474-04

Abstract： Cement concrete is a building material widely used in the field of construction engineering. However， with the further increase of the requirements for building construction， the self-defect of cement concrete has become increasingly obvious， which has limited its application and promotion. In this experiment， SiO2 powders were used to modify the cement concrete， in order to improve the performance of portland cement paste， cement mortar and concrete， such as setting time， mechanical performance， slurry fluidity and so on.

Key words：SiO2 powder;Silicate concrete;Concrete modification

硅酸鹽混凝土材料主要是由水泥、外摻的細骨料、礦物摻合料、水以及其他化學外加劑按一定的比例配料，經(jīng)過攪拌、成型、凝固、養(yǎng)護而成的具有實際要求規(guī)格的復合材料，具有高強度、高工作性、抗壓、穩(wěn)定、耐久、成本低廉等優(yōu)點[1，2]，已經(jīng)成為水利建設(shè)、土木工程、交通設(shè)施等現(xiàn)代工程建設(shè)的重要建筑材料。隨著工程工藝和科學技術(shù)的發(fā)展，水泥混凝土不僅要保證高強度、高性能、耐壓、耐久等性質(zhì)進一步提升，還要能滿足一些極端的施工條件，例如潮濕環(huán)境甚至水下施工時，需要凝結(jié)時間短、性能優(yōu)異的混凝土。近年來通常是向混凝土中添加化學外加劑逐漸成為增強混凝土各方面性能的有效手段，隨著加工工藝的不斷完善，化學外加劑的研制已取得了顯著的成果，混凝土外加劑種類也不斷更新，而SiO2粉體對新型混凝土性能品質(zhì)提升的研究十分稀少。本文研究SiO2粉體對硅酸鹽水泥、膠砂、混凝土特性的影響。

1 ?SiO2粉體

SiO2粉體是一種白色、無毒、無味、無定型，呈粉末狀，無機非金屬固態(tài)物質(zhì)。SiO2粉體的表面還帶有吸水性羥基基團，具備化學吸附性，俗稱“白炭黑”，顯微結(jié)構(gòu)為球型[3]，呈現(xiàn)網(wǎng)狀和絮狀結(jié)構(gòu)，與大顆粒SiO2相比，SiO2粉體一般具有諸多其他結(jié)構(gòu)材料無法媲美的特點，例如，表面積大、粒徑尺寸小、密度小、易分散性、軟磁性和SiO2本身所具備的優(yōu)異的耐高溫性和化學穩(wěn)定性[4]。依據(jù)SiO2這些特性在材料制造中的應用可以制造出吸附化學元素、色素離子和降低色素衰減的特殊材料以及提升材料的強度和耐久度等。

2 ?試驗內(nèi)容

2.1 ?主要原料，化學外加劑

原料： 堯柏牌水泥，渭南，富平，陜西實豐水泥股份有限公司;標準河沙;蒸餾水，拌和用水（本實驗采用蒸餾水作為水泥固體養(yǎng)護用水，實驗室用自來水作為拌和用水）;外加劑：SiO2粉體（分析純），上海泡化堿廠。

2.2 ?試驗使用主要儀器設(shè)備

行星式膠砂攪拌機：JJ-5型，無錫市邁方儀器設(shè)備有限公司;水泥膠砂流動度測定儀：NLD-3型，常州安爾泰儀器設(shè)備制造有限公司;標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱：YH-40B型，常州安爾泰儀器設(shè)備制造有限公司;數(shù)顯砂漿凝結(jié)時間測定儀：SN-100型，常州安爾泰儀器設(shè)備制造有限公司;電動抗折試驗機：DKZ-6000型，天津市中交路業(yè)工程儀器有限公司。

2.3 ?試驗方法與步驟

2.3.1 ?水泥凈漿、水泥膠砂、混凝土制備方法

（1）水泥凈漿的制備

使用水泥凈漿攪拌機攪拌時，稱取水灰質(zhì)量比為0.5的水泥和適量的拌和用水，以及相應百分比的外加劑，攪拌開始前先用濕抹布將攪拌葉片和攪拌鍋擦濕，為防止濺出將水泥和拌和用水緩慢倒入攪拌鍋中;再將攪拌鍋在鍋座上固定好并上升至指定位置，打開電源，啟動攪拌機先調(diào)至低速檔位攪拌2 min，暫停15 s，暫停期間將葉片與鍋壁上的水泥漿刮下，再調(diào)至高速檔位攪拌2 min完成，完成攪拌并關(guān)閉電源;最后將攪拌完成的水泥凈漿加入到試模中，使用刮刀插搗數(shù)次、在振實臺上振動25次，使水泥凈漿充分填滿試模，抹平。

（2）水泥膠砂的制備

試驗依據(jù)GB/T7671-1999《膠砂的制備》，水泥、標準沙、水的比例為（單位：g）450±2：1 350±5：225±1。試驗時，先稱取規(guī)定重量的標準河沙、水泥、二氧化硅倒入容器中，再把稱好的藥品與原料進行均勻干混，最后將稱取試驗所用的拌和自來水倒入容器中，再次攪拌均勻，倒入模具中插搗數(shù)次，放至振實臺上振動25次，抹平。

（3）水泥混凝土的制備

試驗混凝土的制備：水泥、標準沙、石子、水的比例為：1：1.37：2.78：0.46。試驗中所用石子的直徑大小均為0～1 cm之間。稱取一定質(zhì)量的水泥、標準河沙和石子，再稱取相應質(zhì)量的外加劑一并放入容器中，用刮刀攪拌均勻，最后稱取、加入試驗用水，攪拌均勻。將制得的水泥混凝土分2次加入到模具中，首先加入到2/3處，用搗棒敦實，再加第2次，同樣用搗棒敦實，最后將其放到振實臺上震動25次，抹平。

（4）模塊成型及養(yǎng)護

將制得的模型放置在溫度（21±1）℃，濕度50～60的環(huán)境中靜置（24±2）h，將成型試件從模具中取出，放入裝有（21±1）℃水的水箱中養(yǎng)護（24±2）h，最后將試件從水箱中取出放在（20±1）℃，濕度84%RH以上的恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d。

2.3.2 ?標準稠度用水量測定及水泥凈漿流動度、凝結(jié)時間測定

（1）標準稠度用水量測定

稱取500 g水泥與一定量的水，測試試模制備與上述制備方法相同，在攪拌完成后，立即將拌制完成的水泥凈漿裝入放置好的實驗模具中，進行數(shù)次輕微搗實和震動 ，并刮去多余水泥凈漿，使用水泥標準稠度及凝結(jié)時間測定儀（維卡儀）進行實驗測定，具體實驗方法及步驟參照國家標準JTG E30-2005，T 0505-2005 《水泥標準稠度用水量，凝結(jié)時間，安定性檢驗方法》，試模制成后將試模連同玻璃板一起放到調(diào)好的維卡儀臺架上，調(diào)零步驟完成，調(diào)節(jié)指針與水泥凈漿表面接觸后，擰緊螺絲，然后迅速松開螺絲，使滑桿自由下落，當滑桿停止下落或松開螺絲30 s后，讀取指數(shù)。當指數(shù)為（6±1）mm時，使用維卡儀測定可知，本次實驗中水泥標準稠度用水量應為：水泥500 g時， 拌和用水175 g;水泥凈漿流動度，凝結(jié)時間的測定也依據(jù)此國家標準，即在水灰比為0.35的條件下完成上述實驗。

（2）水泥凈漿凝結(jié)時間、流動度的測定

水泥凈漿凝結(jié)時間的測定方法標準與上述標準稠度用水量測定方法相同，流動度的測定方法則按照GB/T8077-2000《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗方法》標準進行實驗操作。

2.3.3 ?試件測試方法

（1）水泥凈漿、膠砂、混凝土抗折性能試驗

進行實驗測試所用的試件標準是40 mm×40 mm×160 mm的立方體塊，測試儀器為DKZ-6000型電動抗折試驗機。依據(jù)公式：

Rf=1.5FfL/b3

式中： Rf—抗折強度，MPa/mm2;

Ff—折斷時的載荷，N;

L—支撐圓柱之間的距離，mm;

b—試件斷裂面垂直方向截面邊長，mm。

（2）安定性的測定

根據(jù)T505-2005規(guī)定，探討不同百分比SiO2粉體對水泥凈漿安定性的影響。試驗儀器為LD-50型雷氏夾測定儀。

2.3.4 ?實驗結(jié)果討論分析

（1）水泥凈漿流動度，凝結(jié)時間測定

本實驗制備的高性能水泥凈漿、砂漿、混凝土作為膠凝材料使用，SiO2粉體按照占硅酸鹽水泥質(zhì)量百分比的0.3%、0.5%、0.7%、1%分別添加，適當調(diào)節(jié)用水量控制水灰比。

數(shù)據(jù)分析：由表1能夠清楚的看出，隨著SiO2粉體的含量增加，水泥凈漿的流動度減小。由于SiO2粉體表面活性，以及SiO2比表面積大、粒徑尺寸小的特性，加速了水泥水化反應，同時細小的SiO2粉體能夠起到填充效應，這使得水泥顆粒之間接觸緊密，粘結(jié)力高，故流動度降低。隨著SiO2粉體加入量的增大水泥凈漿流動度明顯減小。

數(shù)據(jù)分析：通過表2可以知道，SiO2粉體的含量增大時，水泥凈漿的初凝時間降低，這是由于SiO2粉體的早強劑作用，加快了水泥的硬化速度。當摻量達到1%后，其初凝時間基本保持不變，終凝時間也相應減少，但是相比于初始水泥凝結(jié)時間仍有所延長，這是因為過多的加入SiO2粉體激發(fā)了水泥礦物摻合料的活性，并與活性氧化物發(fā)生了二次水化反應生成了新的水化產(chǎn)物，起到了緩凝劑作用，導致凝結(jié)時間變長。

（2）水泥膠砂的流動度，凝結(jié)時間測定

由表3可以看出隨著SiO2粉體加入量的增大膠砂流動度明顯減小，主要原因是SiO2粉體的加入促進和加速了水泥的水化反應，產(chǎn)生大量膠體物質(zhì)。并且SiO2粉體與CH產(chǎn)生反應生成了C-S-H膠體使水泥膠砂流動性變差，SiO2粉體的加入起到了早強劑作用，其現(xiàn)象表征與水泥凈漿保持一致。

數(shù)據(jù)分析：依據(jù)圖1所示SiO2粉體加入后膠砂凝結(jié)時間有了明顯縮短，并且隨著加入量的增大凝結(jié)時間逐漸縮短，這是由于SiO2粉體的參入使C-S-H膠體粒子的集結(jié)速度加快，細小的SiO2粉體顆粒不僅可以填充水泥顆粒與水泥顆粒之間的空隙，還能為水泥的水化反應提供晶核，增加了反應面積，所以水化反應速度加快，起到促進凝結(jié)的作用，凝結(jié)時間因此縮短，SiO2的引入起到了早強劑的作用[5]。

（3）安定性測定

水泥安定性是指水泥在硬化過程中體積的變化情況，如果水泥在硬化后出現(xiàn)體積的收縮或膨脹，則水泥的安定性不穩(wěn)定，會造成混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂痕，尤其是有基礎(chǔ)約束、體積較大的混凝土，其影響著建筑物質(zhì)量安全，造成危害。根據(jù)T505-2005進行測定。

數(shù)據(jù)分析：由表4所示水泥凈漿在加入百分比逐漸增大的SiO2粉體后安定性依然良好，不會在實際應用中造成工程質(zhì)量損害。

（4）抗折強度測定

測定砂漿的抗折強度時釆用棱柱體試塊，將試驗齡期滿的試件塊按照預先標識的編號按次序從標準養(yǎng)護箱中取出，用干抹布擦干表面水分，進行抗折強度測試，當儀器將其拉成兩小段后，記錄數(shù)據(jù)并取其平均值。本實驗中的抗折強度試驗機采用DZK-6000型水泥電動抗折試驗機進行試驗。

數(shù)據(jù)分析：SiO2粉體的加入對水泥凈漿、膠砂、混凝土的抗折強度影響不大，當SiO2粉體加入量為0.3%時，水泥凈漿、膠砂和混凝土與標準樣相比的抗折強度均有所提升，但變化量不大;當SiO2粉體加入量繼續(xù)增大到0.5%、0.7%和1%時水泥凈漿和混凝土的抗折強度減小，雖然膠砂的抗折強度有所增強，但總的強度變化量仍然不大。由此可見，SiO2粉體在本次實驗中主要起早強劑的作用，在水泥凈漿、膠砂和混凝土的早期強度中起重要作用，在后期強度上影響不大。

3 ?結(jié) 論

通過實驗表明，SiO2粉體改性硅酸鹽混凝土流動性、凝結(jié)時間和基本力學性能（抗折性能）顯著。

在膠凝材料、細骨料等組分比例不變的前提條件下，摻入0.3%～1%的SiO2粉體，并把水灰比控制在0.5時，砂漿組綜合性能表現(xiàn)最為優(yōu)異，可滿足實際建筑施工工程的需要。

參考文獻：

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