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摘要：阐述了硅灰的特性，研究了硅灰的掺入对混凝土抗压强度和韧性的影响，结果表明，由于掺入适量的硅灰，使混凝土的抗压强度和韧性大大增强。
关键词：硅灰；抗压强度；韧性
Abstract: This paper describes the characteristics of silica, silica fume incorporation effect on the compressive strength and ductility of concrete, the results show that, due to the incorporation of the amount of silica fume, the concrete compressive strength and toughness greatly enhanced.Key words: silica fume; compressive strength; toughness中图分类号：U415.6 献标识码：文章编号：2095-2104（2013）1-0020-02
前言
硅灰（也叫微硅粉）（学名“硅灰”， Microsilica 或 Silica Fume ），硅粉又叫硅灰。是工业电炉在高温熔炼工业硅及硅铁的过程中，随废气逸出的烟尘经特殊的捕集装置收集处理而成。在逸出的烟尘中，SiO2含量约占烟尘总量的90%，颗粒度非常小，平均粒度几乎是纳米级别，故称为硅粉。
硅灰的研究始于斯堪的纳维亚国家，尽管20世纪50年代人们对硅灰作用就有所认识和初步的研究，但应用于实际工程中是从70年代开始的，首先是挪威和瑞典等国家在港口码头、北海油田及地下矿井中部分采用了硅灰混凝土，1982 年，挪威在伏诺维斯坝上正式采用了硅灰混凝土筑坝， 20世纪80 年代初加拿大在魁北克建立了硅灰混凝土，并对大体积硅灰混凝土进行试验研究，拌制高标号混凝土1 万立方米，1983年美国用硅灰混凝土修补了奥里夫尼河上的卡查坝消力池，效果良好。世界上其它国家也都加紧研究和应用。而我国对硅灰的研究历史不长，仅仅10多年时间，1985年水电部东勘院科研所和水电部第十工程局首次在四川渔子溪二级电站中试用了硅灰混凝土，在厂房混凝土中掺硅灰3 %～7 %，以提高早期强度，加快模板周转，达到预期效果，另外，在引水隧洞喷射混凝土中，掺硅灰15 %，以减少混凝土的回弹量，南科院在大伙房水库工程、龙羊峡泄水建筑物和葛洲坝泄水闸修补等工程中都采用了硅灰混凝土，效果较好，水科院对硅灰混凝土的耐久性能及硅灰水泥水藻灌浆材料进行了一些研究，并在二滩水电站基础固结灌浆中，潘家大坝溢流面修复工程、安康及四川秋达电站导流泄洪洞修补等工程中使用了硅灰混凝土，硅灰水泥灌浆。所有这些，说明灰灰混凝土作为一种高性能混凝土在工程中的应用日显重要，所以对其性能特别是其强度与韧性的研究也倍受关注。
硅灰是一种颜色介于灰白色和深灰色之间的粉末，其粒径极小，平均粒径在1μm以下，仅为水泥平均粒径的1%左右。硅灰中90%左右是球形体，部分凝聚成片状或球状的粒子团，表观密度2200kg/m³，堆积密度仅为十分之一。硅灰的这些物理性质决定了硅灰具有高度的分散性以及较高的表面能。
硅灰一般含有90%以上的无定型二氧化硅, 其化学成分则根据合金品种不同而稍有变化。表1 列出了我国部分地区的硅灰化学成分。
表1我国部分地区的硅灰化學成分
在微观结构上，硅灰中的SiO2属于非晶质，是无定形结构，其物质质点处于能量不平衡位置，具有化学不稳定性，是高活性的火山灰质材料。
在混凝土中掺入少量硅灰，能显著改善混凝土的性能，很多科研或工程技术人员一直在作这方面工作，希望能更好的改善混凝土的性能。硅灰作为冶炼的副产品，价格低廉，因而为能在工程中广泛应用提供了必要条件。
1硅灰对混凝土性能的影响
1.1 硅灰对混凝土抗压强度的影响
我试验室通过试验及统计不同硅灰的掺量情况下，混凝土抗压强度的变化规律。水胶比为0.4，硅灰中SiO2含量为97.09%，抗压强度为28天抗压强度。结果见图1。
图1水胶比0.4时混凝土抗压强度随硅灰掺量的变化规律
通过图1可以看出，当硅灰掺量小于25%时，混凝土的抗压强度随着硅灰掺量的增加而增大，当硅灰掺量大于25%时，混凝土的抗压强度反而下降。另外，在硅灰掺量为25%时，混凝土的抗压强度达到最大，均提高了30%以上。另有研究表明，当硅灰掺量在5%—15%时，混凝土的28d抗压强度提高10%—35%。
我试验室也对C55混凝土中掺入不同掺量的硅灰进行抗压强度试验，试验结果如表2所示。其中试验水灰比为0.34，硅灰中SiO2含量为90.32%。
表2 混凝土试件7、28d抗压强度及相对百分率
对比两者的试验结果可以发现，硅灰的最佳掺量和混凝土强度的增加值都有较大出入，这可能跟试验中使用的硅灰的品质有关。
通过查阅资料，发现兰州交通大学王海波的研究表明，不同品质的硅灰对混凝土的力学性能的影响区别很大，高品质的硅灰掺量与混凝土强度的规律性较好，中低品质的硅灰则没有明显的规律关系。
1.2硅灰对混凝土韧性的影响
混凝土的韧性一般是针对纤维增强混凝土而言的，比如RPC等。在中南大学老师的帮助下我试验室用弯曲韧性试验方法，研究了硅灰对RPC弯曲韧性的影响，试验结果表明，在水灰比0.25条件下，外掺硅灰5%—20%能够提高RPC的弯曲韧性15%—50%，呈正比例关系，当掺量大于20%时，RPC弯曲韧性增加不明显。RPC中添加硅灰，可以改善水泥基材料与钢纤维的粘结界面，提高水泥基材料与钢纤维之间的粘结力，从而提高RPC的弯曲韧性。
2机理分析
硅灰通过以下性质影响混凝土的性能：
（1）硅灰粒径小，仅为水泥粒径的1%左右，比表面积约为15000—20000㎡/kg；
（2）硅灰从蒸汽冷凝得到，具有完美的球状形态；
（3）硅灰的化学成分中，有85%—95%以上的玻璃态的活性二氧化硅，是具有高活性的火山灰质材料。
硅灰完美的球状形态以及其极小的粒径，使得硅灰极易填充于水泥颗粒之间，提高混凝土的密实度，改善混凝土的内部结构。另外，硅灰中活性的二氧化硅与氢氧化钙反应，增加了水泥石中的C-S-H凝胶的体积，改善了水泥石中的孔结构，从而提高了混凝土的抗压强度等力学性能。
对于普通新拌混凝土而言，由于泌水的影响，会在水泥浆体与骨料或者钢筋之间形成一个界面裂缝，导致骨料和钢筋下面形成疏松层，降低水泥浆体与骨料和钢筋之间的粘结力。硅灰具有较大的表面能，能够约束水化浆体内部的毛细水，随着硅灰的加入，减少了混凝土内部的泌水，另外由于硅灰与水泥之间的化学反应，改善了水泥浆体与骨料和钢筋之间的粘结界面，从而提高混凝土的弯曲韧性。
3总结
硅灰对于改善混凝土的抗压强度和弯曲韧性是十分有利的，这主要是因为硅灰的活性和微集料填充的双重作用，改善了混凝土内部孔结构，强化了水泥浆与骨料或钢筋界面过渡区。诸多的试验表明：同等品质的硅灰，掺量小于25%时，混凝土的强度随着掺量的增加而增大；掺量小于20%时，混凝土的弯曲韧性随着掺量的增加而增大。
参考文献:
[1] 周士琼.土木工程材料[M].第一版.中国铁道出版社,2004.
[2] 白燕,褚俊英.硅灰对硬化水泥混凝土性能影响探析[J].现代商贸工业,2011(8).
[3] 葛新亚.硅粉在混凝土中的应用[J].辽宁建材,2004(2).
[4] 王立海.硅粉混凝土的抗压强度的试验研究[J].黑龙江大学自然科学学报,2007,24(3).
关键词：硅灰；抗压强度；韧性
Abstract: This paper describes the characteristics of silica, silica fume incorporation effect on the compressive strength and ductility of concrete, the results show that, due to the incorporation of the amount of silica fume, the concrete compressive strength and toughness greatly enhanced.Key words: silica fume; compressive strength; toughness中图分类号：U415.6 献标识码：文章编号：2095-2104（2013）1-0020-02
前言
硅灰（也叫微硅粉）（学名“硅灰”， Microsilica 或 Silica Fume ），硅粉又叫硅灰。是工业电炉在高温熔炼工业硅及硅铁的过程中，随废气逸出的烟尘经特殊的捕集装置收集处理而成。在逸出的烟尘中，SiO2含量约占烟尘总量的90%，颗粒度非常小，平均粒度几乎是纳米级别，故称为硅粉。
硅灰的研究始于斯堪的纳维亚国家，尽管20世纪50年代人们对硅灰作用就有所认识和初步的研究，但应用于实际工程中是从70年代开始的，首先是挪威和瑞典等国家在港口码头、北海油田及地下矿井中部分采用了硅灰混凝土，1982 年，挪威在伏诺维斯坝上正式采用了硅灰混凝土筑坝， 20世纪80 年代初加拿大在魁北克建立了硅灰混凝土，并对大体积硅灰混凝土进行试验研究，拌制高标号混凝土1 万立方米，1983年美国用硅灰混凝土修补了奥里夫尼河上的卡查坝消力池，效果良好。世界上其它国家也都加紧研究和应用。而我国对硅灰的研究历史不长，仅仅10多年时间，1985年水电部东勘院科研所和水电部第十工程局首次在四川渔子溪二级电站中试用了硅灰混凝土，在厂房混凝土中掺硅灰3 %～7 %，以提高早期强度，加快模板周转，达到预期效果，另外，在引水隧洞喷射混凝土中，掺硅灰15 %，以减少混凝土的回弹量，南科院在大伙房水库工程、龙羊峡泄水建筑物和葛洲坝泄水闸修补等工程中都采用了硅灰混凝土，效果较好，水科院对硅灰混凝土的耐久性能及硅灰水泥水藻灌浆材料进行了一些研究，并在二滩水电站基础固结灌浆中，潘家大坝溢流面修复工程、安康及四川秋达电站导流泄洪洞修补等工程中使用了硅灰混凝土，硅灰水泥灌浆。所有这些，说明灰灰混凝土作为一种高性能混凝土在工程中的应用日显重要，所以对其性能特别是其强度与韧性的研究也倍受关注。
硅灰是一种颜色介于灰白色和深灰色之间的粉末，其粒径极小，平均粒径在1μm以下，仅为水泥平均粒径的1%左右。硅灰中90%左右是球形体，部分凝聚成片状或球状的粒子团，表观密度2200kg/m³，堆积密度仅为十分之一。硅灰的这些物理性质决定了硅灰具有高度的分散性以及较高的表面能。
硅灰一般含有90%以上的无定型二氧化硅, 其化学成分则根据合金品种不同而稍有变化。表1 列出了我国部分地区的硅灰化学成分。
表1我国部分地区的硅灰化學成分
在微观结构上，硅灰中的SiO2属于非晶质，是无定形结构，其物质质点处于能量不平衡位置，具有化学不稳定性，是高活性的火山灰质材料。
在混凝土中掺入少量硅灰，能显著改善混凝土的性能，很多科研或工程技术人员一直在作这方面工作，希望能更好的改善混凝土的性能。硅灰作为冶炼的副产品，价格低廉，因而为能在工程中广泛应用提供了必要条件。
1硅灰对混凝土性能的影响
1.1 硅灰对混凝土抗压强度的影响
我试验室通过试验及统计不同硅灰的掺量情况下，混凝土抗压强度的变化规律。水胶比为0.4，硅灰中SiO2含量为97.09%，抗压强度为28天抗压强度。结果见图1。
图1水胶比0.4时混凝土抗压强度随硅灰掺量的变化规律
通过图1可以看出，当硅灰掺量小于25%时，混凝土的抗压强度随着硅灰掺量的增加而增大，当硅灰掺量大于25%时，混凝土的抗压强度反而下降。另外，在硅灰掺量为25%时，混凝土的抗压强度达到最大，均提高了30%以上。另有研究表明，当硅灰掺量在5%—15%时，混凝土的28d抗压强度提高10%—35%。
我试验室也对C55混凝土中掺入不同掺量的硅灰进行抗压强度试验，试验结果如表2所示。其中试验水灰比为0.34，硅灰中SiO2含量为90.32%。
表2 混凝土试件7、28d抗压强度及相对百分率
对比两者的试验结果可以发现，硅灰的最佳掺量和混凝土强度的增加值都有较大出入，这可能跟试验中使用的硅灰的品质有关。
通过查阅资料，发现兰州交通大学王海波的研究表明，不同品质的硅灰对混凝土的力学性能的影响区别很大，高品质的硅灰掺量与混凝土强度的规律性较好，中低品质的硅灰则没有明显的规律关系。
1.2硅灰对混凝土韧性的影响
混凝土的韧性一般是针对纤维增强混凝土而言的，比如RPC等。在中南大学老师的帮助下我试验室用弯曲韧性试验方法，研究了硅灰对RPC弯曲韧性的影响，试验结果表明，在水灰比0.25条件下，外掺硅灰5%—20%能够提高RPC的弯曲韧性15%—50%，呈正比例关系，当掺量大于20%时，RPC弯曲韧性增加不明显。RPC中添加硅灰，可以改善水泥基材料与钢纤维的粘结界面，提高水泥基材料与钢纤维之间的粘结力，从而提高RPC的弯曲韧性。
2机理分析
硅灰通过以下性质影响混凝土的性能：
（1）硅灰粒径小，仅为水泥粒径的1%左右，比表面积约为15000—20000㎡/kg；
（2）硅灰从蒸汽冷凝得到，具有完美的球状形态；
（3）硅灰的化学成分中，有85%—95%以上的玻璃态的活性二氧化硅，是具有高活性的火山灰质材料。
硅灰完美的球状形态以及其极小的粒径，使得硅灰极易填充于水泥颗粒之间，提高混凝土的密实度，改善混凝土的内部结构。另外，硅灰中活性的二氧化硅与氢氧化钙反应，增加了水泥石中的C-S-H凝胶的体积，改善了水泥石中的孔结构，从而提高了混凝土的抗压强度等力学性能。
对于普通新拌混凝土而言，由于泌水的影响，会在水泥浆体与骨料或者钢筋之间形成一个界面裂缝，导致骨料和钢筋下面形成疏松层，降低水泥浆体与骨料和钢筋之间的粘结力。硅灰具有较大的表面能，能够约束水化浆体内部的毛细水，随着硅灰的加入，减少了混凝土内部的泌水，另外由于硅灰与水泥之间的化学反应，改善了水泥浆体与骨料和钢筋之间的粘结界面，从而提高混凝土的弯曲韧性。
3总结
硅灰对于改善混凝土的抗压强度和弯曲韧性是十分有利的，这主要是因为硅灰的活性和微集料填充的双重作用，改善了混凝土内部孔结构，强化了水泥浆与骨料或钢筋界面过渡区。诸多的试验表明：同等品质的硅灰，掺量小于25%时，混凝土的强度随着掺量的增加而增大；掺量小于20%时，混凝土的弯曲韧性随着掺量的增加而增大。
参考文献:
[1] 周士琼.土木工程材料[M].第一版.中国铁道出版社,2004.
[2] 白燕,褚俊英.硅灰对硬化水泥混凝土性能影响探析[J].现代商贸工业,2011(8).
[3] 葛新亚.硅粉在混凝土中的应用[J].辽宁建材,2004(2).
[4] 王立海.硅粉混凝土的抗压强度的试验研究[J].黑龙江大学自然科学学报,2007,24(3).