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微硅粉对混凝土中经久性的影响

时候:2018-09-21 14:53??│??作者:sygcl来历:未知字体巨细:????

自北欧国度冰岛、挪威和瑞典1976年起头在工程上操纵硅粉以来,人们起头对硅粉停止了不时的研讨。因为硅粉具备与硅酸盐水泥怪异的互补机能,此刻已被肯定为一种新型的帮助胶结资料而被很多国度普遍研讨和操纵。跟着布局超高和庞杂水平的增大,人们对布局资料的使命机能提出了更高的请求,除高使命度外,在现实操纵中还但愿高机能混凝土具备高的强度和经久性。有些搀和料,如硅粉、高炉矿渣及粉煤灰已被用于进步新拌混凝土及软化后混凝土的机能。本文首要先容了具备火山灰活性的硅灰对混凝土经久性的影响。  
  1、硅灰(微硅粉)的特点
  1.1物理特点
  硅灰(微硅粉)色彩在浅灰色与深灰色之间,密度2. 2g/cm3摆布,比水泥(3.1g/cm3)要轻,与粉煤灰类似,聚积密度通俗在200~350kg/m3。硅灰颗粒很是藐小,大大都颗粒的粒径小于1μm,平均粒径0.1μm摆布,仅是水泥颗粒平均直径的1/ 100。硅灰的比外表积介于15000~25000m2/kg(接纳氮吸附法即BET法测定)。硅灰的物感性子决议了硅灰的藐小颗粒具备高度的分离性,能够或许或许或许或许充实地添补在水泥颗粒之间,进步浆体软化后的密实度。
  1.2化学特点
  硅粉(微硅粉)是硅合金与硅铁合金制作进程中高纯石英、焦炭和木屑复原发生的副产品,是从电弧炉烟气中搜集到的无定型二氧化硅含量很高的微细球形颗粒。硅粉通俗含有90%以上的SiO2,且大局部为无定型二氧化硅,其成份则按照合金种类差别而有变更。我国西宁、唐山、遵义等地硅粉的化学成份见表1:
  表1 我国局部地域硅粉的化学成份
成份 SiO2(%) Al2O3(%) Fe2O3(%) CaO(%) MgO(%) C(%) R2O(%) 烧失量% 
遵义 92.40      0.80        1.10        0.50      1.10      1.0     0.30       2.2 
西宁 90.09      0.99        2.01        0.81      1.17      1.0     0.45       2.95 
唐山 92.16      0.44        0.27        0.94      1.37      1.0     0.99       1.63
 由表1可知,硅灰的首要化学成份为非晶态的无定型二氧化硅(SiO2),通俗占90%以上(凡是用于高机能混凝土中的硅灰的SiO2最低请求含量是85%)。高细度的无定型SiO2具备较高的火山灰活性,即在水泥水化产品氢氧化钙(Ca(OH)2)的碱性激起下,SiO2能敏捷与Ca(OH)2反映,天生水化硅酸钙凝胶(C-S-H),进步混凝土强度并改良混凝土机能。
  硅粉(微硅粉)之以是能够或许或许或许或许作为一种帮助性胶凝资料改良软化水泥浆体的微布局,起首是因为硅粉具备很高的火山灰活性。固然硅粉本身根基上与水不发生水化感化,但它能够或许或许或许或许在水泥水化产品Ca(OH)2及别的一些化合物的激起感化下发生二次水化反映天生具备胶凝性的产品;其次是因为硅粉的微集料特点,它不只本身能够或许或许或许或许添补软化水泥浆体中的无害孔,其二次水化产品也能够或许或许或许或许添补软化水泥浆体中的无害孔,从而改良软化水泥浆体的微观布局。
  2、硅灰(微硅粉)在水泥浆体和混凝土中的最好操纵前提  
  为了更有用地操纵硅粉对软化水泥浆体微布局的改良感化,国际外很多研讨者对硅粉在水泥浆体和混凝土中的最好操纵前提停止比拟具体的研讨,这方面的研讨首要包含水胶比、硅粉掺量、外加剂和别的火山灰掺合料的挑选及其用量等。硅粉在水泥浆体和混凝土中操纵时存在一个最优水胶比规模,通俗跨越该规模,硅粉对软化水泥浆体和混凝土微布局的改良感化就会降落。如Gapparao指出,在水泥沙浆3d或7d龄期时,水胶比小于0.45(水胶比为0.35,0.40)的含硅粉的沙浆试件强度降落,而水胶比即是0.45或0.50的含硅粉的沙浆试件强度回升;但在水泥沙浆28d或90d龄期时,水胶比小于0.35,0.40,0.50的含硅粉的沙浆试件强度大抵不异;而水胶比即是0.45的含硅粉(不管硅粉含量几多)的沙浆试件强度较低;当水胶比即是0.50,硅粉掺量大于27.5%时,硅粉对沙浆前期强度成长有较着影响。
  硅灰(微硅粉)固然能够或许或许或许或许有用地改良软化水泥浆体和混凝土微布局,可是因为硅粉的粒径小,比外表积大,以是水泥浆体和混凝土掺入硅粉后,跟着硅粉掺量的增添,需水量增大,自缩短也增大。是以,通俗将硅粉的掺量限定在5%~10%之间,并用高效减水剂来调理需水量,同时,水泥、硅粉、外加剂之间存在一个相容性题目,是以,在操纵硅粉时必须注重其操纵前提。因为混凝土中掺加硅粉后,能够或许或许或许致使混凝土的自缩短,而掺加硅粉的混凝土通俗是有出格请求的混凝土,是以,在混凝土中操纵硅粉对软化水泥浆体和混凝土机能的有益感化的同时,必须尽可能削减由硅粉带来的倒霉影响,处置这一题目标最有用的方法便是掺加硅粉的同时掺加别的火山灰资料或别的物资,让它们扬长避短以取得更好的手艺经济成果。今朝,研讨较多的是接纳超细矿渣与硅粉复掺,或接纳粉煤灰与硅粉复掺。别的一个对硅粉操纵前提研讨较多的范畴是接纳硅烷对硅粉外表停止预处置后掺加到水泥浆体或混凝土中或间接将硅烷与硅粉同时掺加到水泥浆体或混凝土中,它们都能改良新拌水泥浆体和混凝土的使命性,从而改良软化水泥浆体和混凝土的微布局。
  3、硅灰(微硅粉)改良软化水泥浆体微观布局的机理  
  硅灰(微硅粉)能够或许或许或许或许在很大水平上改良软化水泥浆体和混凝土的机能,首要是因为硅灰(微硅粉)具备较强的火山灰活性及其较小的粒径和较大的比外表积。
  起首,硅灰(微硅粉)具备很强的火山灰活性。固然硅粉间接加到水中时并不与水发生水化反映,但将硅灰(微硅粉)与水泥同时插手到水中,当水泥发生水化反映时,硅灰(微硅粉)当即与水泥水化产品之一Ca(OH)2发生二次水化反映(即火山灰反映),天生C-S-H凝胶体,如许既耗损了水化水泥浆体里的Ca(OH)2,又使C-S-H凝胶体(火山灰反映的天生物)增添,且硅粉还能与水化水泥浆体中别的一种水化产品C-S-H凝胶体(又称传统C-S-H凝胶体)反映,天生低Ca/Si比的新C-S-H凝胶体(又称火山灰C-S-H凝胶体)。火山灰C-S-H凝胶体与传统C-S-H凝胶体的构成和性子均不不异,它能与氢氧根离子、铝离子等聚合,并且聚合后相称稳定。新天生的C-S-H凝胶体不会在酸性溶液平分解,这便是操纵硅粉配制的软化水泥浆体对酸性介质有必然的抵当才能,对渗析、盐霜、碳化有较强抵当才能的缘由。
 
  别的,混凝土的界面过渡区内Ca(OH)2及钙矾石具备取向性,且界面过渡区的晶体比软化水泥浆体中的晶体粗大,具备更多的孔隙,且水泥浆体绝对来讲泌水性大,在水泥浆体中的水份向上迁徙的进程中会在骨料上面构成水膜,减弱界面的粘结,构成界面过渡区的微裂痕。而在凝胶土中掺加硅粉后,因为反映耗损了绝大局部的Ca(OH)2,并使传统C-S-H混凝体转变为火山灰C-S-H凝胶体,与此同时,因为硅粉比外表主动大,可吸附大批自在水而削减泌水,削减自在水在集料界面上的堆积,使界面区布局密实,同时Ca(OH)2晶体的发展也遭到限定,晶粒取得细化,摆列的取向度降落,从而使界面过渡区的微布局改良。其次,因为硅粉粒径较小,平均粒径约为0.1μm,约为硅酸盐水泥颗粒粒径的1/100,同时硅粉的比外表积很是大,用氮气吸附法测定的硅粉比外表积达20m2/g,以是硅粉很是轻易成团,故在水泥水化时能够或许或许或许或许作为水泥水化所须要的晶核,从而加速水泥水化。同时,因为硅粉颗粒藐小,它能够或许或许或许或许添补软化水泥浆体中的藐小孔隙,从而减小水泥浆体的孔隙率,进而使软化水泥浆体和混凝土更密实、强度更高,同时增强软化水泥浆体和混凝土抵当外力变形的机能,从而使软化水泥浆体和混凝土的徐变和干缩削减。
  硅灰(微硅粉)对软化水泥浆体微布局的影响机理首要体此刻以下几个方面:
  (1)进步水泥水化度,并与Ca(OH)2发生二次水化反映,增添软化水泥浆体中的C-S-H凝胶体的数目,且改良了传统C-S-H凝胶体的机能,从而进步软化水泥浆体的机能。
  (2)硅灰(微硅粉)及其二次水化产品添补软化水泥浆体中的无害孔,水泥石中微观大孔和毛细孔孔隙率降落,同时增添了凝胶孔和过渡孔,使孔径散布发生很大变更,大孔削减,小孔增添,且散布平均,从而转变软化水泥浆体的孔布局。
  (3)硅灰(微硅粉)的掺入能够或许或许或许或许耗损水泥浆体中的Ca(OH)2,改良混凝土中软化水泥浆体与骨料的界面机能。
  因为以上缘由,使得软化水泥浆体及混凝土中掺入硅粉后的机能,出格是其经久性取得很大改良。固然硅粉对软化水泥浆体微布局的影响的机理也还不完整弄清晰,如硅粉对混凝土碱硅酸反映的按捺就有2种截然相反的概念。是以,这方面另有很多使命须要做。
  4、硅灰(微硅粉)对高机能混凝土强度的感化机理
  4.1添补效应
  混凝土在拌制合物时,为了取得施工请求的活动性,常须要多加一些水(跨越水泥水化所需水量),这些多加的水不只使水泥浆变稀,胶结力减弱,并且过剩的水份残留在混凝土中构成水泡或水道,随混凝土软化而蒸发后便留下孔隙。从而削减混凝土现实受力面积,并且在混凝土受力时,易在孔隙四周发生应力集合。在混凝土中,外部泌水受骨料颗粒的反对而堆积在骨料上面构成多孔界面。在骨料界面过滤区构成的Ca(OH)2要多于别的地区。Ca(OH)2晶体发展较大并有平行于骨料外表的较强取向性。平行于骨料外表的大Ca(OH)2晶体较易开裂,比水化硅酸钙凝胶(C-S-H)软弱。水泥浆与骨料之间的界面过滤区因为多孔和有很多定向摆列的大Ca(OH)2晶体,而成为混凝土外部的强度软弱区。HPC中因为掺入必然量的硅灰,其强度与通俗混凝土(不掺硅灰)比拟,有较着改良。有学者曾计较:以15%的硅灰代替水泥,则在水泥颗粒数目与硅灰颗粒数目标比例为1∶2000000,即二百万个硅灰对一个水泥颗粒,是以硅灰对HPC强度有很大影响。在HPC中小于水泥颗粒直径100倍的硅灰,添补于水泥浆体的孔隙间,添补于水泥颗粒的空地间,其成果犹如水泥颗粒添补在骨料空地之间和细骨料添补在粗骨料空地之间一样,从微观标准上增添HPC的密实度,进步了HPC的强度,这便是硅灰的“添补效应”。在HPC中,添补于水泥浆体中的硅灰使水泥浆体孔的数目较着削减,匀质性进步,而总空地率根基坚持稳定。
 
  水泥浆与骨料界面过渡区的硅灰,降落了HPC的泌水,避免水份在骨料上面堆积,使骨料界面过渡区与水泥净浆的显微布局类似,从而进步了界面过滤区的密实度和有用减小界面过渡区的厚度。藐小硅灰颗粒成为Ca(OH)2的“晶种”,使Ca(OH)2晶体的尺寸更小,取向更随机。是以,硅灰的掺入进步了HPC中水泥净浆与骨料的粘结强度,消弭混凝土中差别复合组分的“弱毗连”题目,使HPC具备复合资料的特点。骨粒颗粒在HPC中起着增强感化,而不只仅是惰性的添补物。硅灰对水泥净浆(无骨料)的强度进步影响不是很大,但却能使不异水胶比的混凝土的强度较着高于其基体(净浆)的强度。
  4.2火山灰效应
  在硅酸盐水泥水化进程中,水泥水化反映天生水化硅钙凝胶(C-S-H)、氢氧化钙(Ca(OH)2)和钙矾石等水化产品。此中Ca(OH)2对强度有倒霉影响。硅灰中高度分离的SiO2组分能与Ca(OH)2反映天生C-S-H凝胶,即所谓火山灰效应:
  Ca(OH)2+SiO2+H2O→C-S-H
  很多研讨标明:在有硅灰存在的情况下,水泥水化初期的水化产品中有大批Ca(OH)2,跟着龄期的耽误,Ca(OH)2的量愈来愈少,乃至完整测不到。Grutzeck等人对硅灰的火山灰效应提出诠释:硅灰打仗拌合水后起首构成富硅的凝胶,并接收水份;凝胶在未水化水泥颗粒之间堆积,逐步包裹水泥颗粒;Ca(OH)2与该富硅凝胶的外表反映发生C-S-H凝胶,这些来历于硅灰和Ca(OH)2的C-S-H凝胶多天生于水泥水化的C-S-H凝胶孔隙当中,大大进步了布局密实度。也便是说:硅灰的火山灰效应能将对强度倒霉的Ca(OH)2转化成C-S-H凝胶,并添补在水泥水化产品之间,无力地增进了HPC强度的增添。同时,硅灰与Ca(OH)2反映,Ca(OH)2不时被耗损,会加速水泥的水化速率,进步HPC的初期强度。
  4.3孔隙溶液化学效应
  在水泥-硅灰水化系统中,硅灰与水泥的比率增添则水化产品的Ca/Si比降落。Ca/Si比低,响应的C-S-H凝胶就会连系较多的别的离子,如铝和碱金属离子等。如许就会使孔隙溶液的碱金属离子浓度大幅度降落。这就所谓孔隙溶液化学效应。增添硅灰代替水泥的比率,则孔隙溶液的pH值降落。这是因为碱金属离子和Ca(OH)2与硅灰反映而耗损引发的。对含有碱活性骨料的HPC,硅灰这类降落孔隙碱金属离子(Ka+、Na+)浓度的感化很是首要,因为能够或许或许或许或许有用地减弱乃至消弭发生碱-硅酸反映(ASR)的风险。硅灰还可进步HPC的电阻率和大幅度降落Cl-的渗入速率,避免钢筋锈蚀,进步HPC的强度和经久性。
  5、硅灰(微硅粉)对高机能混凝土的经久性的影响
 
  混凝土的经久性包含了混凝土的抗冻性、抗渗性、抗化学侵蚀性、抗钢筋锈蚀才能和抗冲磨机能。
  5.1抗冻性
  当硅灰(微硅粉)掺量少时,硅粉混凝土的抗冻性与通俗混凝土根基不异,当硅粉掺量跨越15%时,它的抗冻性较差。经由过程大批的实验,这类概念根基上被证明了,首要缘由是当硅粉跨越15%时,混凝土收缩量增大,绝对转动性模数降落,抗压强度急剧降落,从混凝土外部方面特点看,比外表积小,间距系数大。
  5.2抗渗性
  混凝土是一种透水资料,它的渗入性与它的孔隙率、孔隙散布及孔隙连通性有关。振捣密实的混凝土水灰比愈小,养护龄期愈长,则渗入性愈小。在混凝土中掺入引气剂也可降落渗入性。通俗地水灰比小于0.50的混凝土,它的渗入系数能够或许或许或许或许到达1×10-11m/s。在海水中的混凝土它的渗入性是决议混凝土工程经久性的最首要的身分,渗入性高的混凝土在海水中很易遭粉碎。因为硅粉颗粒小,比水泥颗粒小20~100倍,能够或许或许或许或许充填到水泥颗粒中心的空地中,使混凝土密实,同时硅粉的二次水化感化,新的天生物梗塞混凝土中渗入通道,故硅粉混凝土的抗渗才能很强,混凝土的渗入性随水胶比的增添而增大,这是因为水灰比混凝土的密实性绝对差些。
  5.3抗化学侵蚀性
  通俗硅粉削减渗入性的成果要大于强度的增添,出格在硅粉以小掺量掺入低强混凝土时更是如斯。对掺入必然量的硅粉的高机能混凝土,水胶比凡是小于0.4,且有超纤细粒添补,是以,掺入硅粉的高机能混凝土具备很是好的抗渗才能。因为插手硅粉能够或许或许或许或许较着地降落混凝土渗入性及削减游离的Ca(OH)2,从而进步了混凝土抗化学侵蚀才能。在混凝土中掺入硅粉,能削减Ca(OH)2含量,增添混凝土密实性,有用进步弱酸侵蚀才能,但在强酸或精深度的弱酸中不行,因混凝土中的C-S-H在酸平分解,别的,它还能抗盐类侵蚀,出格是对氯盐及硫酸盐类,它之以是能抗酸盐侵蚀,缘由是硅粉混凝土较密实,孔布局取得改良,从而削减了无害离子通报速率及削减了可溶性的Ca(OH)2和钙矾石的天生,而增添水化硅酸钙晶体的成果。
  5.4抗碱集料反映
  碱集料反映必须具备3个前提:(1)混凝土中的集料具备活性;(2)混凝土中含有必然量可溶性碱;(3)有必然的湿度。解除这三个前提中的任何一个都可到达节制碱集料反映的目标。混凝土中插手硅粉,因为硅粉粒子进步水泥胶结资料的密实性,削减了水份经由过程浆体的活动速率,使得碱集料收缩反映所需的水份削减,也因为削减水泥浆孔隙液中碱离子的浓度,是以,削减了碱集料反映的风险。
  5.5抗钢筋锈蚀的才能
  混凝土高碱性给通俗钢筋混凝土中的钢筋供给了构成钝化膜的前提,一旦钝化膜粉碎,钢筋就会发生电化学侵蚀,侵蚀速率取决于水份和氧气进入混凝土的速率。插手硅粉能够或许或许或许或许改良密实性增添电阻率,以是,抵当钢筋锈蚀的机能取得很大改良,硅粉改良电阻率是跟着硅粉含量的增添而增添。
  5.6抗磨蚀性
  水工布局中的高速水流泄水修建物护面资料具备高抗冲磨与抗空蚀请求。在混凝土中插手硅粉能够或许或许或许或许改良混凝土的抗磨蚀性。插手硅粉改良了混凝土的抗磨蚀性是因为改良了浆体本身的抗磨性和硬度,和改良水泥浆骨料界面的粘结,从而使粗骨料在遭到磨损感化时难以被冲蚀。
  6、结语
  硅灰(微硅粉)是HPC活性矿物掺合资料中活性最高的一种,其首要成份为活性SiO2。硅灰颗粒很小(<1μm),具备高度分离性。硅灰对HPC强度的感化机理为:添补效应、火山灰效应、孔隙溶液化学效应。硅灰掺入HPC中,增添了HPC基体的密实度,进步了水泥浆体与骨料之间的粘结强度,削减了Ca(OH)2对HPC强度的倒霉影响,减弱了ASR对HPC的风险。HPC中硅灰通俗掺量为5%~15%,最好掺量10%摆布。 
  硅粉作为一种帮助胶凝资料掺加到水泥浆体和混凝土中,不只能够或许或许或许或许进步水泥水化度,并与Ca(OH)2发生二次水化反映,且硅粉及其二次水化产品添补软化水泥浆体中的无害孔,并改良混凝土中软化水泥浆体与骨料的界面机能,对软化水泥浆体和混凝土微布局将发生主动的影响,从而对其微观力学机能出格是对它们的经久性发生非常有益的影响,而这恰是水泥与混凝土资料迷信的几个根基使命之一,并且操纵硅粉还能够或许或许或许或许削减其对情况的净化,加重它对情况所形成的压力。但同时也应当看到,硅粉对软化水泥浆体和混凝土微布局的改良与很多身分有关,是以必须增强这方面的研讨,包含别的火山灰资料对软化水泥浆体和混凝土微布局的影响的研讨。
 
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