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      硅灰混凝土強度和耐久性的研究發展
      - 2019-07-14-

             隨著結構超高和復雜程度的增大,人們對結構材料的工作性能提出了更高的要求,除了高工作度外,在實際應用中還希望高性能混凝土具有高的強度和耐久性。有些摻和料, 如硅灰、高爐礦渣及粉煤灰已被用于提高新拌混凝土及硬化后混凝土的性能,同時節能利廢。硅灰是煉硅及硅鐵合金工業中用的電爐的副產物,是近20 年發展起來的一種高活性摻合料。深入研究并開發硅灰的資源,對進一步推廣硅灰混凝土在工程中廣泛應用具有重要意義。

            1、國內外研究現狀
            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715 %,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,說明硅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耐久性的研究也倍受關注。
            1. 1 、配合比
            對于硅灰混凝土的配合比設計,主要是根據設計要求, 確定硅灰的摻入方法,硅灰的最佳摻量,減水劑的最優摻量及砂石料調整,而其它則按普通混凝土設計方法進行。
            a) 硅灰的摻入方法:硅灰在混凝土中一般有兩種方法: 一是內摻,二是外摻,都要與減水劑配合使用。內摻法往往用硅灰代替水泥,又分等量代替和部分等量代替兩種,等量代替為硅灰摻量代替相等的水泥,部分代替為1 kg 硅灰代替1~3 kg 水泥,作為研究一般摻量為5 %~30 % ,水灰比一般保持不變:而外摻法指的是硅灰像外加劑那樣摻在混凝土中,而水泥用量不減少,摻量一般為5 %~10 % ,一般外摻法而得的混凝土的力學性能要高得多,但增加了混凝土中膠凝材料用量。
            b) 硅灰的最優摻量往往控制在8 %~10 %。它是根據所用硅灰、水泥種類和骨料性質而定,并考慮它對性能改善程度及施工方便與否和技術經濟指標等。
            c) 減水劑的最佳摻量:在混凝土中使用硅灰,如不摻減水劑,想保持相同的流動度,則必然要增加用水量、水灰比增加,摻硅灰的混凝土強度也不上去,這也是過去硅灰在混凝土中未推廣使用的原因。硅灰與減水劑聯合使用摻用硅灰水灰比不變,即用水量不增加,也能達到與未摻硅灰的混凝土具有相同的流動度且硅灰混凝土強度等性能得到大幅度提高,一般國內較多采用萘系高效減水劑,如建1、H、DH3、FDN、NF、N2B 等,其摻量一般為膠材用量的1 %以內,有時為了減小水灰比,拌制超高強混凝土,減水劑摻量達2 %~ 3 %。
            d) 砂石料用量調整:內摻硅灰一般對砂石用量不必調整。外摻硅灰要扣掉與硅灰體積相等的砂石體積。
            1.2 、硅灰對高性能混凝土強度的影響
            盡管應用純水泥可以制成抗壓強度高達100 MPa 的HPC ,但當使用硅灰時將容易得多。而對于制備強度超過100 MPa 的混凝土,硅灰的使用幾乎不可缺少。硅灰在混凝土中同時起填充材料和火山灰材料使用。使用硅灰后,大大降低了水化漿體中的孔隙尺寸,改善了孔隙尺寸分布,于是使強度提高,滲透性降低。例如,研究結果表明(CEB2FIP1988) , 為獲得70 MPa 的混凝土強度,應用純水泥需要水膠比0.35 , 而當加8 %的硅灰時,水膠比可以為0.50。由于硅灰顆粒非常細,它們可以在很早的幾個小時內發生火山灰反應。根據Carette 和Malhotra 1992) 的報導,硅灰對混凝土強度的貢獻主要在28d 之前。所以,就長期強度增長方面,一般認為硅灰混凝土不如純水泥混凝土或粉煤灰混凝土。Almad (1994) 引用的硅灰對NSC 強度發展的試驗結果表明,硅灰摻量增加使得早期相對強度發展降低,Sandvik 1992 在65 MPa 的混凝土中也發現了這種現象。
            然而,盡管在相同的水膠比下硅灰混凝土的早期相對強度發展比純水泥混凝土的慢,由于加入硅灰使得強度大大提高,硅灰混凝土的絕對強度則比純水泥混凝土的高。另一方面,經驗表明,HPC 的早期強度發展比NSC 的快,雖然HPC的凝結時間可能稍有推遲,其凝結之后的水化作用會由于高效減水劑和硅灰大大加快。其結果通常是凝結之后強度發展非???。

            對于某些空氣中干燥或養護的很低水膠比的硅灰混凝土試件,有抗壓強度倒縮的報導(De Larrard 和Aiticin 1993) 。這種強度降低通常發生在90 d 齡期之后,一般認為是由內部自干燥及干燥裂縫引起的。然而,許多其他研究人員的試驗室及現場研究表明,HPC 的后期強度沒有降低。例如,從6 種不同的HPC 中取得的3 個月至3 年齡期的所有鉆芯試樣試驗結果表明,其強度在不斷增長。當然,與NSC 比較, HPC 的長期強度增長潛力較小。
            1.3 、硅灰對高性能混凝土的耐久性的影響
            混凝土的耐久性包括了混凝土的抗凍性、抗滲性、抗化學侵蝕性,抗鋼筋侵蝕能力和抗沖磨性能,在此僅談談它對混凝土的抗凍性、抗滲性及抗化學侵蝕性的影響。
            a) 抗凍性:當硅灰摻量少時,硅灰混凝土的抗凍性與普通混凝土基本相同,當硅灰摻量超過15 %時,它的抗凍性較差。通過大量的試驗,這種觀點基本上被證實了,主要原因是當硅灰超過15 %時,混凝土膨脹量增大,相對動彈性模數降低,抗壓強度急劇下降,從混凝土內部方面特征看,比表面積小,間距系數大。
            b) 抗滲性:由于硅灰顆粒小,比水泥顆粒小20~100 倍, 可以充填到水泥顆粒中間的空隙中,使混凝土密實,同時硅灰的二次水化作用,新的生成物堵塞混凝土中滲透通道,故硅灰混凝土的抗滲能力很強,混凝土的滲透性隨水膠比的增加而增大,這是因為水灰比混凝土的密實性相對差些。
            c) 抗化學侵蝕性:在混凝土中摻入硅灰,能減少Ca (OH) 2 含量,增加混凝土密實性,有效提高弱酸腐蝕能力,但在強酸或高深度的弱酸中不行,因混凝土中的CSH 在酸中分解,另外,它還能抗鹽類腐蝕,尤其是對氯鹽及硫酸鹽類,它之所以能抗酸鹽侵蝕,原因是硅灰混凝土較密實,孔結構得到改善, 從而減少了有害離子傳遞速度及減少了可溶性的Ca (OH) 2 和鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4 ·32H2 ) 的生成,而增加了水化硅酸鈣晶體的結果。

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