低二氧化硅含量硅灰對混凝土力學(xué)及耐久性能的影響

摘 要：為深入研究硅灰對混凝土性能的影響，提高硅灰資源的利用率，確保建筑工程質(zhì)量符合設(shè)計要求，本文以摻低二氧化硅含量硅灰的混凝土為研究對象，與不摻硅灰和摻高二氧化硅含量硅灰的混凝土做對比，通過壓力試驗和抗?jié)B性試驗，對混凝土力學(xué)性能及耐久性能進(jìn)行研究。結(jié)論表明：低二氧化硅含量硅灰，會不同程度地提升混凝土的力學(xué)性能及耐久性能，對耐久性能的提升效果尤為明顯。研究成果有助于在建筑工程中科學(xué)使用低二氧化硅含量硅灰，以期為低二氧化硅含量硅灰應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：二氧化硅；硅灰；力學(xué)性能；耐久性能文章編號：2095-4085（2024）08-0182-03

0 引言

硅灰是在冶煉硅鐵合金或工業(yè)硅時，通過煙道排出的硅蒸氣氧化后，經(jīng)收塵器收集得到的一種超細(xì)球型粉體材料，與粉煤灰和礦渣粉同屬于工業(yè)“三廢”中的廢渣［1］。我國煉硅產(chǎn)業(yè)集中在甘肅、青海以及內(nèi)蒙古等地區(qū)，每年產(chǎn)生的硅灰達(dá)到十幾萬噸，由于受回收成本高和純化技術(shù)不成熟等因素的制約，實際生產(chǎn)中收集到的大量低二氧化硅含量硅灰，大多以堆置或填埋方式進(jìn)行處理，大量堆置的硅灰極易擴(kuò)散到空氣中，造成環(huán)境污染和資源浪費的不良后果［2］。作為摻合料，在建筑工程中使用硅灰的效果，遠(yuǎn)勝于使用粉煤灰和礦粉的效果，目前，低二氧化硅含量硅灰未得到充分開發(fā)和應(yīng)用。

下面以摻低二氧化硅含量硅灰的混凝土為研究對象，與不摻硅灰和摻高二氧化硅含量硅灰的混凝土做對比分析，配制C60強(qiáng)度等級的混凝土，進(jìn)行壓力和抗?jié)B性測試分析。獲取試驗數(shù)據(jù)，分析影響因素，為低二氧化硅含量硅灰的合理充分應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 原材料

采用唐山市冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)的原材料，P·O42.5水泥、II區(qū)中砂天然砂、公稱粒徑5～20mm的連續(xù)級配碎石，河北合眾建材有限公司生產(chǎn)的高性能減水劑、自來水，產(chǎn)自甘肅利鑫源微硅粉有限公司的硅灰。按照二氧化硅含量對硅灰樣品進(jìn)行編號，低二氧化硅含量硅灰編號硅灰D1（二氧化硅含量80.9%）、硅灰D2（二氧化硅含量81.5%）、高二氧化硅含量硅灰編號硅灰G1（二氧化硅含量94.5%）、硅灰G2（二氧化硅含量95.2%）。

1.2 配合比設(shè)計

為了更具代表性，本文將混凝土配合比設(shè)計為C60強(qiáng)度等級，研究低二氧化硅含量硅灰對混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響。為更有對比性的體現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)，將配合比分為空白配比和對照配比（對照配比分為：摻低二氧化硅含量硅灰的配比和摻高二氧化硅含量硅灰的配比），空白配比編號為C60-0，對照配比編號為C60-1。配合比設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

1.3 試驗方法

混凝土的抗壓強(qiáng)度是指混凝土抵抗外力破壞的能力，是硬化混凝土抗壓強(qiáng)度最重要的指標(biāo)，是混凝土力學(xué)性能的重要參數(shù)。以抗壓強(qiáng)度為參數(shù)，研究低二氧化硅含量硅灰對混凝土力學(xué)性能的影響。

混凝土的耐久性能，是混凝土抵抗物理和化學(xué)的侵蝕，長期保持良好的使用性能且外觀完整，維持混凝土結(jié)構(gòu)安全、質(zhì)量可靠的能力［3］。其中，物理和化學(xué)侵蝕的主要因素包括水壓、氯離子、二氧化碳?xì)怏w等。選取的主要試驗項目為抗水滲透、抗氯離子滲透和抗碳化，研究低二氧化硅含量硅灰對混凝土耐久性能的影響。

混凝土試塊的成型過程及養(yǎng)護(hù)條件遵循《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）的要求進(jìn)行試驗?；炷亮W(xué)性能按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗?；炷聊途眯阅馨凑铡镀胀ɑ炷灵L期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，以硅灰二氧化硅含量作為參數(shù)進(jìn)行分析，低二氧化硅含量硅灰和空白試驗進(jìn)行比較，低二氧化硅含量硅灰對提高混凝土的抗壓強(qiáng)度效果顯著；相較于高二氧化硅含量硅灰，低二氧化硅含量硅灰對混凝土強(qiáng)度的提升幅度大于高二氧化硅含量硅灰。以混凝土抗壓強(qiáng)度齡期作為參賽進(jìn)行分析，低二氧化硅含量硅灰，顯著提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，隨著齡期的延長，混凝土抗壓強(qiáng)度提高的幅度變小。

雖然低二氧化硅含量硅灰的品質(zhì)比不上高二氧化硅的硅灰，依然具備硅灰顆粒細(xì)小、比表面積大、高火山灰活性等物理化學(xué)特性，作為礦物摻合料加入混凝土中，能很好地改善混凝土的抗壓強(qiáng)度［4］。低二氧化硅含量硅灰提高混凝土抗壓強(qiáng)度的原理，一是微集料效應(yīng)：低二氧化硅含量硅灰呈超細(xì)球形粉體，能更好的對混凝土原本的顆粒體系進(jìn)行填充，增加混凝土的密實度，達(dá)到提高混凝土抗壓強(qiáng)度的目的。二是高火山灰活性：低二氧化硅含量硅灰含有大量的不定型二氧化硅，促進(jìn)混凝土中的膠凝材料進(jìn)行水化反應(yīng)，起到改善混凝土抗壓強(qiáng)度的效果。

2.2 低二氧化硅含量硅灰對混凝土耐久性能的影響

2.2.1 低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗水滲透性能影響的分析

參照表3數(shù)據(jù)，以低二氧化硅含量硅灰作為參數(shù)進(jìn)行分析，低二氧化硅含量硅灰與空白試驗比較，低二氧化硅含量硅灰有利于提升混凝土抗水滲透性能；與高二氧化硅含量硅灰相互比較，低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗水滲透性能的影響，無明顯劣勢。

硅灰的顆粒直徑小于10-6m，顆粒細(xì)小、比表面積大，能有效填充到膠凝材料漿體的空隙中，改善膠凝材料顆粒間的微級配，提高混凝土的密實度，水分子更難滲透到混凝土中，達(dá)到提高混凝土抗水滲

透性能的目的。

2.2.2 低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗氯離子滲透性能影響的分析

參照表3數(shù)據(jù)，摻入硅灰的混凝土，既顯著降低了混凝土的電通量，又大幅提高了混凝土抗氯離子滲透的性能。相較于抗壓強(qiáng)度和抗水滲透性能，低二氧化硅含量硅灰對提高混凝土抗氯離子滲透性能的影響更顯著。

按照硅灰標(biāo)準(zhǔn)《砂漿和混凝土用硅灰》（GB/T 27690-2023）的要求，混凝土電通量之比要小于40%，摻入低二氧化硅含量硅灰的混凝土與空白混凝土電通量之比為32%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)；低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗氯離子的滲透性能也符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。硅灰的二氧化硅含量與混凝土抗氯離子滲透性能正相關(guān)，硅灰二氧化硅含量越高，混凝土抗氯離子滲透的性能越強(qiáng)。

低二氧化硅含量硅灰摻入混凝土后，和水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，降低混凝土中氫氧化鈣的含量，硅灰的品質(zhì)越高、摻量越大，混凝土經(jīng)過水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣量接近于零［5］，硅灰有助于混凝土抵抗外界的化學(xué)腐蝕。

2.2.3 低二氧化硅含量硅灰對混凝土抗碳化性能影響的分析

參照表3數(shù)據(jù)，與空白試驗比較，摻入硅灰混凝土的碳化深度小幅降低；與高二氧化硅含量硅灰比較，摻入兩種硅灰混凝土的碳化深

度沒有明顯差別。

硅灰顆粒細(xì)小，能填充到水泥漿體的空隙中，提高混凝土的密實度。氣體分子相較于水分子更加微小，硅灰作為水化反應(yīng)的粉體，達(dá)不到密不透氣的程度，摻入硅灰的混凝土，對降低混凝土碳化深度的效果不明顯。

3 結(jié)論

低二氧化硅含量硅灰能起到提高混凝土抗壓強(qiáng)度的作用，尤其對早齡期抗壓強(qiáng)度提升的效果更為明顯。其可以有效改善混凝土抗水滲透的性能，對于混凝土抗水滲透性能提升的效果，和高二氧化硅含量硅灰一致。低二氧化硅含量硅灰既能顯著提高混凝土抗氯離子滲透的性能，又符合混凝土抗氯離子滲透性能的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

低二氧化硅含量硅灰和高二氧化硅含量硅灰，均小幅提升了混凝土的抗碳化性能，兩者提升混凝土抗碳化性能的效果基本一致。

4 結(jié)語

硅灰作為混凝土的摻合料，其性能明顯優(yōu)于粉煤灰和礦粉。不能將低二氧化硅含量的硅灰進(jìn)行簡單的“垃圾化”處理。根據(jù)低二氧化硅含量的硅灰的性能，比如，低二氧化硅含量的硅灰具有提升混凝土力學(xué)性能和耐久性能的作用，選擇性的應(yīng)用于不同的建筑工程中，變廢為寶。提高硅灰資源利用率，為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)資源節(jié)約型、

環(huán)境友好型社會貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)：

［1］謝鵬，羅華彬，胡江中，等.二氧化硅含量硅灰對混凝土性能的影響研究［J］.混凝土世界，2021（4）：60-63.

［2］孫宏圖，張強(qiáng)，蔡志遠(yuǎn)，等.粉煤灰和礦渣粉對混凝土性能的影響研究［J］.混凝土世界，2023（7）：53-56.

［3］李明勛，張宇超.不同硅灰摻量對混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能的影響［J］.粉煤灰綜合利用，2020，34（4）：99-102.

［4］高超，彭小燕，周永祥，等.粉煤灰與硅灰復(fù)合抑制堿骨料反應(yīng)的試驗研究［J］.混凝土世界，2016（9）：76-78.

［5］劉曉林.硅灰對混凝土性能的影響［J］.建材技術(shù)與應(yīng)用，2015（1）：14-16.