硅灰在混凝土修补料中的增强作用
第20卷第2期2007年03月唐山学院学报
Jo ur nal of T ang shan Colleg e Vo l. 20No. 2M ar. 2007
硅灰在混凝土修补料中的增强作用
戴 辉1, 孙加林2
(1. 唐山钢铁设计研究院有限公司项目经理部, 河北唐山063000, 2. 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京100083)
摘要:对硅灰对混凝土修补料性能的影响进行了研究, 并与未掺硅灰修补料的稠度、强度、抹面性能等方面做了对比和分析。认为掺加一定量的硅灰可以提高混凝土修补料的和易性和可施工性, 能使抹面效果更美观。
关键词:硅灰; 混凝土; 修补料
中图分类号:T Q177. 6 文献标识码:A 文章编号:1672 349X(2007) 02 0068 04
The Reinforcing Function of Silicon Ash in Concrete Repairing Materials
DAI H ui 1, SU N Jia lin 2
(1. Pr oject M anager Depar tment o f T ang shan Iro n &Steel Desig ning Institut e Co. L td. , T ang shan 063000, China; 2. Schoo l o f M ateria l Science &Engineer ing Beijing U niversity of Science &T echo no lo gy , Beijing 100083, China)
Abstract :The paper studies the effect of silicon ash on concrete repairing materials ' property, gives a co mpar ison and analy sis o f the pro perties of consistence, streng th and repairing surface of concr ete repairing m aterials w itho ut silicon and believes that the concrete repairing materials with silico n ash can enhance g entleness and constructivity of the materials and can also make repairing surface mor e beautiful.
Key Words :silicon ash; co ncrete; reparing m aterials
混凝土修补料是用在修补混凝土破损面的一种建筑材料, 作为修补材料, 客观上要求它具有较高的强度, 较好的耐久性和较好的表面光洁度。
目前在混凝土修补料当中大多采用掺加粉煤灰或高炉矿渣粉, 粉煤灰和高炉矿渣粉在混凝土修补料掺量过多时, 会降低混凝土修补料的早期强度, 并降低其耐磨性
[1]
验选用上海某铁合金厂生产的硅灰。
表1 硅灰的比表面积和粒径分布
比表面积45U 筛余量28. 4m 2/g
0. 77%
粒 度 分 布
0-0. 30. 3-0. 50. 5-0. 70. 7-1. 01-5
44. 820. 25. 25. 224. 8
。目
本实验所用硅灰的透射电镜照片见图2, 该图为分散在丙酮中的硅灰颗粒。硅灰平均粒径为0. 1 m, 其需水量比为108%。电子衍射照片见图1。由图1的电子衍射照片可以看出, 硅灰没有明显衍射斑点及衍射环, 呈现为弥散环; 由图1可见, 硅灰的衍射能力极差, 说明其结晶度很低, 接近无定形态, 因而证实硅灰属非晶态物度。
(1) 硅灰物理性质, 决定了硅灰的微小颗粒具有高度的分散性, 可以充分地填充在水化水泥颗粒之间, 提高浆体硬化后的密实度。
(2) 化学特性。生产不同的合金所得到的硅灰的化学成分会有一定的差异, 硅灰的典型化学成分见表2。
前, 人们对在修补料中掺加硅灰研究的比较少, 人们对混凝土修补料的要求越来越高, 即要求有较高的早期强度, 又要求有较好的可施工性, 还要求较好的表面效果。在本文当中, 研究了硅灰的加入对修补料性能的影响, 通过多项实验证实硅灰可以提高混凝土修补料的多项性能, 在修补料当中掺加硅灰可以满足对混凝土修补料日益严格的市场要求。
1 实验原料与实验方法
1. 1 实验原料
硅灰又称凝聚硅或硅粉, 是硅铁或金属硅在生产过程中由电弧中的高纯石英、焦炭和木屑还原生产的副产品。本试
收稿日期:2006 03 23
作者简介:戴辉(1966-) , 男, 工程师, 博士研究生, 研究方向为无机非金属材料学。
第2期戴 辉, 孙加林:硅灰在
混凝土修补料中的增强作用
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盐水泥和石英砂在加上5%的硅灰, 加相同的水量进行搅拌成型, 先进行稠度实验, 然后再进行各种强度实验, 同时进行X 射线和扫描电镜分析, 并进行现场抹面实验观察抹面效果, 进行比较分析。
表6 实验方案
试验序号试验原料双快水泥g
图1 硅灰衍射电镜照片
普硅水泥g 砂子g
硅灰(占水泥量的mass%)
硅灰g 加水量占料重的16%ml
稠度mm 30s 稠度损失mm
试验现象
1#
2#
水泥 砂子=40 60; 双快水泥 普硅水泥=1 4
154154
6151232
6151232
占水泥量0%占水泥量5%
038. 5
321
327
2 实验结果与分析
稠度实验结果见表7, 不加硅灰的力学性能实验结果和
图2 硅灰透射电镜照片表2 国内硅灰的化学成分
产地上海
SiO 293. 40
Al 2O 30. 5
Fe 2O 30. 6
M g O 0. 5
mass%CaO 0. 4
试验序号试验原料双快水泥g 普硅水泥g
砂子g
硅灰(占水泥量的mass%)
硅灰g 加水量占料重的16%ml
稠度mm 30s 后稠度损失mm
试验现象
加硅灰的力学性能实验结果见表8。
表7 实验方案
1#2#
水泥 砂子=40 60; 双快水泥 普硅水泥=1 4
154154
6151232
6151232
由表2可知, 硅灰的主要化学成分为非晶态的无定型氧化硅(SiO 2) , 一般占90%以上。高细度的无定型SiO 2具有较高的火山灰活性, 即在水泥水化产物氢氧化钙(CH ) 的碱性激发下能迅速与CH 反应, 生成水化硅酸钙凝胶(C S H ) , 提高混凝土强度改善混凝土性能[3]。
实验原料用冀东水泥厂生产的普通525#硅酸盐水泥、北极熊产525#硫铝酸盐水泥和普通石英砂。原料成分如表3, 表4, 表5所示。
表3 525#硅酸盐水泥的化学成分
CaO 65. 67
SiO 221. 10
Al 2O 35. 51
M gO 2. 05
F e 2O 33. 42
SO 31. 17
mass%L oss 0. 23mass%L oss 0. 23mass%Fe 2O 30. 42
占水泥量0%占水泥量5%
038. 5
3217161稠度正常
3276552稠度有所下降
由表7稠度实验可以看出, 加入5%硅灰的1#实验稠度为71mm, 30s 稠度为61mm, 加硅灰的2#实验的稠度为65mm, 30s 稠度为52mm, 2#实验的稠度值比不加硅灰的1#实验的稠度值要小, 因为用水量是完全一样的。1#实验的稠度值略有些偏高, 现场施工起来有些偏稀, 如果修补料使用在混凝土墙或混凝土梁底下面的修补时, 修补料就会下坠, 因为稠度值偏高就表明流动性也偏高, 所以2#实验的稠度值对修补料相对较为合适, 由此可见, 硅灰的加入可以降低稠度值, 增加砂浆的和易性, 更有利于现场施工。
硅灰加入后降低修补料的稠度的原因是由于硅灰比表面积约为20000cm 2/g, 比表面积很大, 活性很高, 遇水后与水发生剧烈反应, 生成C S H 凝胶, 而没有掺加硅灰的1#实
表4 525#硫铝酸盐水泥的化学成分
CaO
42. 23
SiO 215. 5
A l 2O 335. 32
M gO 2. 05
Fe 2O 33. 42
SO 31. 17
表5 石英砂的化学成分
SiO 298. 67
A l 2O 30. 12
M gO 0. 05
1. 2 实验方法
在本实验当中采用两种配合比, 1#实验为普通硅酸盐水泥和石英砂配成普通混凝土修补料, 2#实验为普通硅酸
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唐山学院学报第20卷
验由于没有硅灰加入, 其水化反应相对较慢, 所以其稠度值和30s 稠度值都比2#实验要高, 硅灰的掺加可以用来调节修补料的稠度值和流动性。
表8 实验力学性能
试样1#2#
抗折强度/M Pa
1d 3d 7d 14d 28d
耐压强度/M Pa
1d 3d 7d 14d 28d
界面过滤区由于多孔和有许多定向排列的大CH 晶体, 而成为混凝土内部的强度薄弱区。在砂浆或混凝土当中由于掺入一定量的硅灰, 其强度与普通混凝土(不掺硅灰) 相比, 有明显改善。有学者曾计算[3]:以15%的硅灰取代水泥, 则在水泥颗粒数量的比例为1 2000000, 即二百万个硅灰对一个水泥颗粒, 因此硅灰对混凝土强度有很大影响。在砂浆或混凝土中小于水泥颗粒直径100倍的硅灰, 填充于水泥浆体的孔隙间, 其效果如同水泥颗粒填充在骨料空隙之间的细骨料填充在粗骨料空隙之间一样, 从微观尺度上增加了混凝土的密实度, 提高了混凝土的强度, 这就是硅灰的! 填充效
[2]
应∀。
2. 14. 67. 59. 510. 410. 126. 937. 946. 352. 42. 75. 910. 812. 113. 513. 130. 341. 249. 556.
5
在砂浆或混凝土, 填充于水泥浆体中的硅灰使水泥浆体孔的数量明显减少, 匀质性提高, 而总空隙率基本保持不变。
水泥浆与骨料界面过渡区的硅灰, 降低了的泌水砂浆或混凝土, 防止水分在骨料下面聚集, 使骨料界面过渡区与水泥净浆的显微结构相似, 从而提高了界面过滤区的密实度和有效减小界面过滤区的厚度, 微小硅灰颗粒成为CH 的! 晶种∀, 使CH 晶体的尺寸更小, 取向更随机。因此, 硅灰的掺
图4 1#试样和2#试样的混凝土
修补料各龄期抗折强度曲线图
入提高了砂浆或混凝土中水泥净浆与骨料的粘结强度, 消除了混凝土中不同复合组分的! 弱连接∀问题, 使砂浆或混凝土具有复合材料的特性。骨粒颗粒在砂浆或混凝土中起着增
[4]
强作用, 而不仅仅是惰性的填充物。
硅灰对水泥净浆(无骨料) 的强度提高影响不是很大, 但却能使相同水胶比的混凝土的强度明显高于其基体(净浆) 的强度。
在硅酸盐水泥水化过程中, 水泥水化反应生成水化硅钙凝胶(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。硅灰高度分散的SiO 2组分能与CH 反应生成C S H 凝胶, 即所谓火山灰效应:
Ca(OH ) 2+SiO 2+H 2O
图5 1#试样和2#试样的混凝土
修补料各龄期抗压强度曲线图
由表5和表6, 图4和图5可以看出, 掺加5%硅灰的混凝土修补料强度要比不掺加硅灰的混凝土修补料强度高出将近20%~30%, 而实验用水量是一样的, 混凝土在拌制合物时, 为了获得施工要求的流动性, 常需要多加一些水(超过水泥水化所需水量) , 这些多加的水不仅使水泥浆变稀, 胶结力减弱, 而且多余的水分残留在混凝土中形成水泡或水道, 随混凝土硬化而蒸发后便留下孔隙。从而减少混凝土实际受力面积, 而且在混凝土受力时, 易在孔隙周围产生应力集中。在混凝土中, 内部泌水受骨料颗粒的阻挡而聚集在骨料下面形成多孔界面。在骨料界面过滤区形成的氢氧化钙(CH) 要多于其它区域。CH 晶体生长较大并有平行于骨料表面的较强取向性。平行于骨料表面的大CH 晶体较易开裂, 比水化硅酸钙凝胶(C S H ) 薄弱。水泥浆与骨料之间的
S H
(1)
许多研究表明[5]:在有硅灰存在的情况下, 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。
Gr utzeck 等人[4]对硅灰的火山灰效应提出解释:硅灰接触拌合水后首先形成富硅的凝胶, 并吸收水分; 凝胶在未化水泥颗粒之间聚集, 逐渐包裹水泥颗粒; CH 与该富硅凝胶的表面反应产生C S H 凝胶, 这些来源于硅灰和CH 的C S H 凝胶多生成于水泥水化的C S H 凝胶孔隙之中, 大大提高了结构密实度。也就是说:硅灰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, 有力地促进了混凝土强度的增长。同时, 硅灰与CH 反应, CH 不断被消耗会加快水泥的水化速率, 提高混凝土和砂浆的早期强度[4]。图6为未掺加硅灰的混凝土修补料28d 水化扫描电镜图片, 图7为掺加5%硅灰的混凝土修补料的28d 扫描电镜照片, 从图6中可以看出, 已经过了28d,
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其中还有未水化的水泥颗粒, 还有产生了少量的氢氧化钙晶体, 很少量的钙矾石晶体, 而在图7中却发现水泥水化相当好, 相当完全, 而且水泥石浆体更致密, 空隙也小, 所以掺加5%硅灰的混凝土修补料的强度要比不加硅灰的混凝土修补料的强度要高。这一点从图4和图5中可以看出来, 掺加硅灰的修补料砂浆的抗折强度要比不掺加硅灰的修补料砂浆的抗折强度高出近30%, 抗压强度也要高出近30%
。
图8 不掺加硅灰的混凝土修补料抹面照片(28
d)
图6 未掺加硅灰的混凝土修补料28d
水化扫描电镜照片
图9 掺加硅灰的混凝土修补料抹面照片(28d) 料稠度, 增加和易性, 更有利于现场施工;
(2) 在修补砂浆当中掺加占水泥重量5%的硅灰可以提高修补砂浆抗折强度约20%~30%; 可提高抗压强度约10%~30%;
图7 掺加硅灰的混凝土修补料的28d 水化扫描电镜照片 图6为未掺加硅灰的混凝土修补料28d 水化扫描电镜图片, 图7为掺加5%硅灰的混凝土修补料的28d 扫描电镜照片, 从图6中可以看出, 已经过了28d, 其中还有未水化的水泥颗粒, 还有产生了少量的氢氧化钙晶体, 很少量的钙矾石晶体, 而在图7中却发现水泥水化相当好, 相当完全, 而且水泥石浆体更致密, 空隙也小, 所以掺加5%硅灰的混凝土修补料的强度要比不加硅灰的混凝土修补料的强度要高。 从抹面实验中也可以看出, 在图8中由于没有掺加硅灰, 所以水泥在水化过程中没有硅灰的火山灰效应, 水泥水化不会很完全, 无论是砂浆体内部还是砂浆的表面都不是很致密, 反映在表面上就是表面粗糙, 不细腻, 不光滑, 从图8照片上可以看出, 它远不如图9的照片表面光洁美观, 主要是因为图8的修补料中没有掺加硅灰, 也就没有火山灰反应, 形不成C S H 凝胶, 表面必然会比较粗糙。
(3) 加入硅灰可以增加修补砂浆的和易性, 使修补砂浆的表面更光滑美观。
参考文献:
[1] 姜德民. 硅灰对高性能混凝土强度的作用机理[J]. 建
筑技术开发, 2001, 28(4) :44 46.
[2] 蒲心诚, 严吴南, 王冲. 硅灰对150M Pa 超高强流态混
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探讨[J]. 淮南矿业学院学报, 2005, 15(1) :30 35. [4] Elkem A SA M aterils. 应用微硅灰配置高强混凝土
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[5] 姜德民. 硅灰对高性能混凝土强度的作用机理. 建筑技
术开发[J]. 2001, 28(4) :44 46.
(责任编校:李聪明)
3
结论
(1) 在混凝土修补料当中加入5%的硅灰可以降低修补