郝鹏豪 王健 刘磊 郭林 胡琦
天津金隅混凝土有限公司 天津 300000
摘要： 为研究微珠、硅粉在胶砂试验中对水泥的最优替代量，把微珠和硅粉按照一定比例替代水泥进行胶砂试验，并且选用不同批次原料进行二次试验验证，对工程用C60高强混凝土进行优化改性。结果表明：随着微珠替代量的增加胶砂强度逐渐降低，替代量25﹪时胶砂流动度明显变小；硅粉替代量在8﹪-10﹪左右时水泥胶砂强度最大，胶砂流动度随硅粉替代量的增加逐渐变小；高强混凝土的工作性能明显得到改善，满足超高层泵送要求。
关键词： 微珠； 硅粉； 胶砂； 混凝土； 工作性能
Experimental study on the influence of beads
and silica fume on the performance of high strength concrete
HAO Peng-hao，WANG Jian，LIU Lei，GUO Lin，HU Qi
(Tianjin Jinyu Concrete Co.Ltd. Tianjin 300000,China)
Abstract: In order to study the optimal substitution of micro beads and silica fume in the test of cement mortar, Beads and Silica fume as a percentage instead of cement mortar test and selection of different batches of raw material for the second test，optimization of C60 high strength concrete in Engineering. The experimental results indicate that: mortar strength decreased with the increase of beads replace and the mortar fluidity was significantly smaller when the replacement was 25% ; The mortar strength was largest when the replacement amount of silica fume was about 8% -10%, and the fluidity of cement mortar decreased gradually with the increase of the substitution amount of silica fume;The working performance of high strength concrete has been improved obviously, which can meet the requirements of high rise pumping.
Key words: beads; silica fume; mortar; concrete; working performance
微珠是一种新型超微粉体材料，是经过独特工艺从优质粉煤灰中精选出的一种超细的粉体产品。微珠具有活性高、质轻、耐高低温、耐腐蚀、耐磨、抗压强度高、流动性好、热稳定性好、无毒等优异功能，可以作为高性能混凝土的新型活性超微集料。微珠在化学成分上与普通粉煤灰相比没有什么差别，其主要差异在于颗粒粒径和形状上。“微珠”颗粒的粒径分布主要在0.1~5m之间，且在电子显微镜下观察，呈球状。“微珠”不但可以降低混凝土的需水比，并有提高混凝土的密实性、耐久性、抗腐蚀等性能，为配制高性能混凝土提供了一种全新有效的选择[1-2]。
硅粉是HPC活性矿物掺合材料中活性最高的一种，其主要成分为活性SiO2。硅粉颗粒很小(<1μm)，具有高度分散性。硅粉对HPC强度的作用机理为：填充效应、火山灰效应、孔隙溶液化学效应。硅粉掺入HPC中，增加了HPC基体的密实度，提高了水泥浆体与骨料之间的粘结强度，减少了Ca(OH)2对HPC强度的不利影响，削弱了ASR对HPC的危害。硅粉作为一种辅助胶凝材料掺加到水泥浆体和混凝土中，不仅能够提高水泥水化度，并与Ca(OH)2发生二次水化反应，硅粉及其二次水化产物填充硬化水泥浆体中的有害孔，并改善混凝土中硬化水泥浆体与骨料的界面性能，对硬化水泥浆体和混凝土微结构将产生积极的影响，从而对其宏观力学性能特别是对它们的耐久性产生十分有利的影响[3-4]。
本文主要通过水泥胶砂实验的方法，用硅粉、微珠替代水泥进行不同比例的水泥胶砂实验，得到胶砂的抗压及抗折强度，通过观察不同比例水泥替代量下胶砂流动性的变化，以及两次实验结果的验证和对比，分别研究硅粉、微珠不同比例替代水泥对“水泥-硅粉胶凝体系”和“水泥-微珠胶凝体系”的影响，优化硅粉、微珠替代水泥比例，为多组分矿物掺和料胶砂实验和公司高性能混凝土矿物掺合料研究及工程实践提供一些数据支持。
1 实验
1.1 原材选择及技术参数
水泥，金隅振兴42.5普通硅酸盐水泥，性能指标见表1；微珠，天津筑成新材料科技有限公司产微珠，勃式比表面积1253m2/ kg；硅粉，河北睿索固废工程技术研究院产SF93微细硅粉，勃式比表面积19600m2/ kg；砂，ISO标准砂；水，饮用水。为验证实验结果的准确性及同种掺和料的结果差异，故两次实验采用同一厂家不同批次水泥和掺和料。
表1 水泥性能指标
1.2 配合比设计
实验设计思路为保持凝胶材料总量不变，微珠掺量分别为10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%，50%；硅粉掺量分别为4%，6%，8%，10%，12%，等量替代水泥后进行胶砂系统试验，通过对微珠、硅粉掺量对水泥胶砂试块抗压抗折影响的研究及拌合物状态的观察，经过两次实验结果的对比确定硅粉、微珠最优掺量及水泥胶砂抗压强度变化规律。
1.3 实验方法和数据
试验方法参照GB/T17671-1999规定的水泥胶砂强度检验方法（ISO）法，将标准中的水泥用量用微珠、硅粉代替。胶砂试块的制备、试件的成型、试件的养护和抗折、抗压强度试验均按照国标要求操作。数据如表2、表3所示。
2 结果与讨论
将微珠不同比例掺量的两次胶砂强度试验数据分别作图，如图1、图2所示：由图可以看出“微珠-水泥”胶砂7天和28天强度随微珠掺量的增加而逐渐降低，7天与28天胶砂强度差值逐渐减小且均低于不掺微珠的空白样胶砂强度，微珠在化学成分上与普通粉煤灰相比没有什么差别，其主要差异在于颗粒粒径和形状上，微珠不具有独立的水硬性，其玻璃体微珠表层活性的SiO2 及Al2O3 通过与水泥水化产物Ca(OH)2 发生二次水化反应，生成品质较好的低碱性水化产物。但由于其玻璃体微珠外层有致密的玻璃质表层，阻碍了粉煤灰的二次水化，其活性效应需在后期才能表现出来。微珠的活性主要取决于玻璃态的活性氧化硅，活性氧化铝和来自于二次水化产物的速度与数量。首先是微珠颗粒表面形成一层C-S-H凝胶外壳，然后是微珠表面的玻璃体的溶解，微珠再与Ca(OH)2发生反应形成水化产物。由于水化分两步进行，因此早期强度低，随着火山灰反应的不断进行，Ca(OH)2逐渐减少，水化产物不断增多，使得后期强度发展较快[5]。
将硅粉不同比例掺量的两次胶砂强度试验数据分别作图，如图3、图4所示：由图可以看出“硅粉-水泥”胶砂7天和28天强度随硅粉掺量的增加先变大然后变小，掺量在8﹪和10﹪左右时胶砂强度有最大值。7天“硅粉-水泥”胶砂强度低于空白样胶砂强度，28天“硅粉-水泥”胶砂强度高于空白样胶砂强度，说明掺了硅粉的胶砂强度后期增长较快。
硅粉独特的特性是其细度大，高度的无定形性质以及高的SiO2含量。小的球状硅粉填充于水泥颗粒之间，使胶凝材料具有良好的级配，加水拌和后填充于水泥浆体的孔隙间，从微观尺度上增加了水泥石的密实度，强化了水泥基材，提高了强度。在硅酸盐水泥水化过程中，水泥水化反应生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、氢氧化钙(CH)和钙矾石等水化产物，其中CH对强度有不利影响。硅粉中的SiO2与CH反应生成C-S-H凝胶，即所谓火山灰应。这种反应增加了水泥石中C-S-H凝胶的体积，降低了孔隙率，改善了孔结构。有研究表明，含硅粉的胶砂大孔体积降低，小孔增多，连通孔减少，随着硅粉的含量增加，Ca(OH)2 含量降低[1]，有利于提高水泥石化的强度。许多研究也表明：在有硅粉存在的情况下，水泥水化早期的水化产物中有大量CH，随着龄期的延长，CH的量越来越少，甚至完全测不到。说明硅粉的火山灰效应能将对强度不利的氢氧化钙转化成C-S-H凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进强度的增长，硅粉与CH反应，使CH不断被消耗会加快水泥的水化速率，提高早期强[7]。Mehta解释含硅粉水泥石中粗大的Ca(OH)2的空缺可能是由于硅粉对Ca(OH)2的沉淀起到“成核”作用，其结果许多细小的Ca(OH)2结晶比一些粗大的结晶易于形成[3]，这也是观察不到Ca(OH)2晶体的缘故。粗大薄弱的Ca(OH)2晶体的空缺，提高了水泥石化的强度。
图5为微珠、硅粉不同比例掺量下胶砂流动度图片，结果表明：“微珠-水泥”胶砂流动度随微珠掺量的增加逐渐变大；“硅粉-水泥”胶砂流动度随硅粉掺量的增加逐渐变小；且掺硅粉的胶砂流动度明显较掺微珠的胶砂流动度小。微珠颗粒大都呈圆球状，掺入胶砂中可减小内摩阻力，从而起到减水作用；另一方面微珠的细度比水泥大，由比水泥细的多的微集料组成合理的微集料间断级配，改善了水泥基材的孔结构，原来水泥空隙中的水被微珠置换出来为流动性作贡献，即微珠的“滚珠效应”和“微集料效应”均有助于提高胶砂的流动度。硅粉的活性高，与Ca(OH)2在相当短的时间里就发生反应，生成低CaO/SiO2的C-S-H凝胶，使浆体的粘度增加，流动性降低。
3 工程应用
目前公司在建的一超高层标志性工程塔楼高度已达260米并以每4天一层的速度攀升，主体塔楼采用C60自密实混凝土，泵管长度达410米（竖管260米、平管150米）。使用三一重工混凝土泵车进行泵送，目前泵送排量44~60m3/h，压力保持在低压14~17MPa，完全满足超高层泵送要求。C60自密实混凝土胶材总量580kg，在前期胶砂试验的基础上对原来的配比进行优化，主要优化调整了微珠硅粉的掺量，由表2可以看出：优化后的混凝土坍落度增加了20mm，扩展增加了40mm，倒桶时间也有明显减小，
说明优化后混凝土的工作性能有一定的提高，降低了拌合物的黏聚性。当用掺合料等量取代水泥时，所用混凝土掺合料的体积就有所增加，这样就会为高强混凝土拌合物提供更多的浆体，从而使混凝土拌合物的流动性有所改善；同时，微珠颗粒形态接近球形状态，所以颗粒堆积后相互之间的机械摩擦力就比较小，而且润湿其表面所需要的水分就较少，达到相同润湿度的用水量就少，有利于提高混凝土拌合物的工作性能[6]。由图6可以看出：优化后C60混凝土28天抗压强度接近优化前56天抗压强度，优化后56天抗压强度达到84.4MPa，微珠硅粉的颗粒粒径比水泥的颗粒粒径要小，使高强混凝土的胶凝材料体系的颗粒分布更加合理，使矿物掺合料在高强混凝土中的“功能效应”得到了进一步加强，增加了高强混凝土结构的密实度，提高了抗压强度。
图6 混凝土不同龄期抗压强度
Fig.6 Concrete compressive strength of different age
4结论
（1）与空白样相比，“微珠-水泥”胶砂7天和28天强度均低于空白样，且随微珠掺量的增加而逐渐减小。
（2）“硅粉-水泥”胶砂7天强度低于空白样7天强度，28天强度较空白样有所增加，且在掺量为8﹪和10﹪左右时强度最大。
（3）“微珠-水泥”胶砂流动度随微珠掺量的增加而变大，“硅粉-水泥”胶砂流动度随硅粉掺量增加而变小，且“硅粉-水泥”胶砂流动度明显较“微珠-水泥”胶砂流动度小。
（4）在试验基础上对C60混凝土进行优化，优化后混凝土的和易性、抗压强度等工作性能得到明显的提升，满足超高层泵送要求。
参考文献：
[1] 冯乃谦. 高性能混凝土的结构, 性能与粉体效应[J]. 天津建材, 1996 (1): 24-31.
[2] 冯乃谦, 李浩. 纳米微珠的特性与应用[J]. 混凝土与水泥制品, 2010, 5: 01-03.
[3] 肖佳, 周士琼, 徐亦冬. 粉煤灰, 硅粉对水泥胶砂性能影响的试验研究[J]. 混凝土, 2003 (8): 28-30.
[4] 姜德民. 硅粉对高性能混凝土强度的作用机理研究[J]. 建筑技术开发, 2001, 28(4): 44-46.
[5] 彭胜利, 王福来, 龚爱民, 等. 粉煤灰对水泥胶砂力学性能的试验研究[J]. 水利科技与经济, 2013 (8).
[6] 王斌, 李晓欢, 徐芬莲, 等. 矿物掺合料对 C100~ C120 超高强混凝土基本性能的影响[J]. 混凝土与水泥制品, 2012 (3): 10-13.
作者简介：
郝鹏豪（1989-），男，河南漯河，硕士，试验室主任，研究方向为材料工程。
论文作者:郝鹏豪,王健,刘磊,郭林,胡琦
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/28
标签：水泥论文; 水化论文; 强度论文; 混凝土论文; 抗压强度论文; 颗粒论文; 活性论文; 《防护工程》2018年第8期论文;