王文卓 蒋玉川 岳汉威

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

0 引言

硅灰是冶炼硅铁、工业硅时从烟气净化装置中回收的工业烟尘[1]，硅灰的化学成分中85%以上为非晶态的无定型二氧化硅，具有很高的火山活性，因此硅灰具有作为混凝土矿物掺合料的潜在特性。目前，针对硅灰的研究多见于改善混凝土工作性能、力学性能及耐久性等方面，混凝土中掺加硅灰可以明显改善混凝土拌合物的和易性及流变性，提高抗压强度和抗冻性能，硅灰已在高强高性能混凝土工程中有广泛的应用[2-3]。但硅灰对硬化混凝土气泡结构影响的研究较少，对于硅灰掺量与混凝土含气量、气泡间距系数和气泡平均直径之间相关性的分析几乎没有。

表征混凝土气泡特征的参数通常有含气量、气泡间距系数、气泡平均直径、比表面积、平均气泡面积、单位面积气泡数等，其中，含气量、气泡间距系数、气泡平均直径为主要评价参数[4]。这些参数具有一定的相关性，一般而言，含气量一定时，气泡越小，气泡间距就越小，气泡数量越多，气泡比表面积就越大。混凝土中气泡的大小、形态、数量、分布直接影响混凝土的拌合物性能、物理力学性能及耐久性能，研究较多的包括流动度、抗压强度、抗冻性等[5-7]。因此，探究硅灰对混凝土气泡特征参数的影响有重要的现实意义。

本文着重就硅灰对混凝土抗压强度、含气量、硬化混凝土气泡特征的影响展开试验研究，以期对硅灰在混凝土中的应用有所裨益，使得硅灰可以变废为宝，物尽其用。

1 试验内容

1.1 原材料

采用中国联合水泥集团有限公司生产的P.I42.5硅酸盐水泥。砂符合GB/T 14684中II区中砂的要求，细度模数为2.8，含泥量为0.8%。石子符合GB/T 14685要求的公称粒径为5mm～20mm的连续级配碎石，采用二级配，其中5mm～10mm占40%，10mm～20mm占60%。硅灰产自甘肃三远硅材料有限公司，各项性能见表1。减水剂为山东华伟银凯建材科技有限公司生产的标准型聚羧酸高性能减水剂。引气剂由山东华伟银凯建材科技有限公司提供。水采用自来水。

1.2 配合比

为了研究硅灰掺量对混凝土气泡特征参数的影响规律，降低其他因素的影响，本试验用混凝土配合比设计为等量胶凝材料、等水灰比、同砂率、等掺量减水剂和引气剂，只改变硅灰掺量，分别为内掺0、3%、6%、9%、12%。采用等掺量引气剂的目的是为了引入混凝土中一定数量的气体，突出混凝土的气泡结构特征，更明显地对比掺入硅灰后混凝土气泡结构的变化。试验用配合比数据见表2。

表2 试验用配合比（单位：kg/m3）

1.3 试件制作

混凝土采用公称容量为60L的单卧轴式强制搅拌机在温度为（20±5）℃的实验室条件下进行拌制，每组混凝土配合比成型边长100mm的立方体试块3组，每组3块，在标准条件（20℃±2℃，≥95%RH）下养护，一组养护至7d，进行抗压强度试验，其余两组养护至28d，分别进行抗压强度和气泡参数的测定。

1.4 混凝土气泡特征参数试验方法

新拌混凝土含气量依据《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GB/T 50080-2016）进行试验，采用日本进口气压式直读式含气量仪。

硬化混凝土含气量、气泡间距系数和气泡平均直径依据《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150-2017）进行试验，采用显微镜分辨率≤2μm、放大倍数100～200倍的硬化混凝土气泡间距系数分析仪。将100mm×100mm×100mm的试块切割成100mm×100mm×20mm的试件，经打磨、抛光、清洁，提高孔与孔壁对比度，待试件干燥后将其固定在移动平台上，打开软件输入浆体含量、阈值等参数，开始试验，设备采用专业的数字工业相机采集图像，通过USB接口输入计算机，通过计算机对采集到的图像进行统一处理和分析，得到气泡个数及面积分布情况，并计算相应的气泡参数。

2 结果及分析

2.1 硅灰对混凝土抗压强度的影响

抗压强度是混凝土硬化后最基本、最重要的性能表征参数，硅灰对混凝土抗压强度有明显的影响，随着硅灰掺量的增加，混凝土7d和28d抗压强度均呈现增长趋势，见图1。硅灰掺量为3%、6%、9%、12%的混凝土7d和28d抗压强度比未掺硅灰的混凝土分别提高了3.1%、8.2%、11.3%、12.4%和5.3%、13.6%、20.4%、21.9%，但随着硅灰掺量的增加，混凝土抗压强度增加幅度越来越小，尤其是硅灰掺量超过9%时，混凝土抗压强度增加幅度已不明显，因此，混凝土中硅灰的掺量宜控制在9%以下。硅灰掺量在3%～9%时的混凝土28d抗压强度较7d抗压强度增加幅度更大，硅灰对混凝土长龄期抗压强度的影响较短龄期更为显著（见表3）。

硅灰对混凝土抗压强度的影响可以从以下三个方面解释：1）微集料效应提升混凝土强度。硅灰颗粒微小，呈规则的圆球状，可改善胶凝材料颗粒间的微级配，填充浆体孔隙，减少有害孔洞，增加密实度，进而达到提高混凝土抗压强度的效果。2）火山灰活性促进混凝土后期强度的激发。硅灰含有超过85%的不定型二氧化硅，具有极高的火山活性，与水泥水化产物氢氧化钙进行二次水化反应生成水化硅酸钙，分布到混凝土中形成一种坚硬、胶结力强的物质，使得混凝土后期强度发展较快[8-9]。3）硅灰掺量具有最佳范围，不宜过高。硅灰掺量过高，会使得硅灰的微集料效应和火山灰活性没有继续充分发挥的余地，反而由于硅灰掺量的增大，使其分散不均出现成团的现象，团簇的硅灰内部未发生水化反应，成为浆体的薄弱区域，造成混凝土抗压强度增加幅度越来越小。

表3 硅灰对混凝土抗压强度的影响

图1 硅灰对混凝土抗压强度的影响

2.2 硅灰对混凝土含气量的影响

按试验配比进行混凝土配制，减水剂和引气剂掺量不变，仅改变硅灰掺量，运用控制变量法进行对比试验探究，硅灰对新拌混凝土含气量和硬化混凝土含气量的影响试验结果见图2。随着硅灰掺量的增加，新拌混凝土含气量和硬化混凝土含气量均有不同程度的降低，降低幅度逐渐减小，且硬化混凝土含气量普遍低于新拌混凝土含气量，新拌混凝土含气量越高，硬化混凝土含气量损失值越大。

表4 硅灰对混凝土含气量的影响

图2 混凝土含气量与硅灰掺量的关系

硅灰掺量的增加致使新拌及硬化混凝土含气量降低，可从以下两个方面进行解释：1）硅灰平均粒径小于0.1μm，表面光滑致密，呈球形颗粒，粒径远小于水泥，具有填充效应，可以填充水泥间的孔隙，减少混凝土含气量。2）硅灰是冶炼硅铁、工业硅时从烟气净化装置中回收的工业烟尘，残余的一定量未烧尽的碳含量（以烧失量表示），而掺入的引气剂多为改性松香热聚物，易被硅灰中的碳轻度吸附，影响引气剂的作用效果[10]。硬化混凝土含气量普遍低于新拌混凝土含气量，原因主要在于：混凝土振捣及硬化过程中，混凝土中部分非稳定、连通、开口的有害气孔逸出或被填充。

2.3 硅灰对硬化混凝土气泡特征参数的影响

表5 硅灰对硬化混凝土气泡特征参数的影响

图3 气泡间距系数仪扫描的待测面图像

在一定硅灰掺量范围内，随着硅灰掺量的增加，气泡间距系数逐渐变小，比表面积增大，平均气泡直径及面积变小，单位面积气泡数增多，硅灰掺量为12%的混凝土气泡间距系数较硅灰掺量9%的混凝土有微增趋势，说明硅灰掺量不宜超过9%。

一般规律是，气泡间距系数会随着混凝土含气量的降低而增大，但表5得出的结果却相反，这说明硅灰的掺入虽然致使混凝土含气量降低，但并没有减少气孔的数量，反而使混凝土中的气泡直径得到了重新排布，孔结构进一步细化，一个大的有害孔变成多个微小的无害孔，同时使开口孔变成有利的闭口孔。如图3所示，尺寸大的气泡数量变少，微小气泡的数量增加。通过硅灰的掺入，使得混凝土中保留的气泡是直径较小的稳定气泡。从混凝土微观气孔结构角度说明了硅灰虽然表面上降低了混凝土的含气量，但气泡结构得到了优化，有利于提高混凝土的性能。

3 结论

硅灰可以提高混凝土的抗压强度。随着硅灰掺量的增加，混凝土抗压强度呈增长趋势，但增加幅度越来越小，混凝土中硅灰的掺量宜控制在9%以下；硅灰对混凝土长龄期抗压强度的影响较短龄期更为显著。

随着硅灰掺量的增加，新拌及硬化引气混凝土含气量均有不同程度的降低，且硬化混凝土含气量普遍低于新拌混凝土含气量。掺入硅灰的引气混凝土如若要保留较大的含气量，需要适当增加引气剂的掺量。

随着硅灰掺量的增加，气泡间距系数逐渐变小，平均气泡直径变小。硅灰的掺入使混凝土具有更均匀的气泡分布，微观结构得到优化，但硅灰掺量过高时，气泡间距系数出现微增趋势，因此不可为追求最优混凝土性能一味地增加硅灰掺量。