硅微粉在混凝土修补料中的增强作用
摘要:本文对硅微粉对混凝土修补料性能的影响进行了研究,并与未掺硅微粉修补料做了稠度、强度、抹面性 能等方面做了对比和分析,最后得出结论,掺加一定量的硅微粉可以提高混凝土修补料的早期强度与和易性、提高可施工性、使抹面效果更美观,并在唐钢钢材堆场 和厂区主要负荷较大的道路的修补应用中得到较好的实际应用。
关键词:硅微粉;混凝土;修补料
中图分类号:TQ177.6文献标识码:A
1引言
在冶金企业当中,无论是原料场、烧结厂、炼铁厂、炼钢厂、轧钢厂、制氧厂、污水处理厂、钢材库堆场以及
冶金企业的厂区道路都有着大量的钢筋混凝土结构,在这些厂区厂房内部每天都要完成大量的原燃料的转运、吊装、存储,而这些原燃料的 转运、吊装、存储有许多是需要混凝土结构作为支撑的,这些混凝土结构每天的负荷量是很大的,同时也不可避免的造成对支撑原燃料的转运、吊装、存储的混凝土 结构的破损,钢筋混凝土结构的表面一旦遭到破损,里面的钢筋就会裸漏出来,时间一长就会氧化生锈,就会影响到整个结构,甚至会影响到整个混凝土结构的安 全,所以对混凝土破损面的修补且尽快达到使用强度就显得尤为重要,否则就会影响到冶金企业的正常生产。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早期强度,较好的耐久性,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],使用效果不好,而且不太适应目前的冶金企业的实际情况,目 前,人们对在修补料中掺加硅微粉研究的比较少,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,研究了硅微粉的加入对修补料性能的影响,通过多项实验证实硅微粉可以提高混凝土修补料的多项性能,在修补料当中掺加硅微粉可以满足对混凝 土修补料目前日益严格的使用要求。
2实验原料与实验方法
2.1实验原料
硅微粉又称凝聚硅或硅灰,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。本试验选用河北省邯郸市永年县铁合金有限公司生产的硅微粉。
表1
本实验所用硅微粉的透射电镜照片见图2,该图为分散在丙酮中的硅微粉颗粒。硅微粉平均粒径为011μm,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,硅微粉没有明显衍射斑点及衍射环,呈现为弥散环;由图1可见,硅微粉的衍射能力极差,说明其结晶度很低,接近无定形态,因而证实硅微粉属非晶态物度。
硅微粉物理性质,决定了硅微粉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。
2.2化学特性
生产不同的合金所得到的硅微粉的化学成分会有一定的差异,硅微粉的典型化学成分见表2。
表2
由表2可知,硅微粉的主要化学成分为非晶态的无定型氧化硅(SiO2),一般占90%以上。高细度的无定型SiO2
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、4、5
3实验结果与分析
稠度实验结果见表7,不加硅微粉的力学性能实验结果和加硅微粉的力学性能实验结果见表8。
表6
由表7稠度实验可以看出,加入5%硅微粉的1#实验稠度为71mm,30分钟稠度为61mm,加硅微粉的2#实验的稠度为65mm,30分 钟稠度为52mm,2#实验的稠度值比不加硅微粉的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,硅微粉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。
表7实验方案
硅微粉加入后降低修补料的稠度的原因是由于硅微粉比表面积约为20000cm2/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,而没有掺加硅微粉的1#实验由于没有硅微粉加入,其水化反应相对较慢,所以其稠度值和30分钟稠度值都比2#实验要高,硅微粉 的掺加可以用来调节修补料的稠度值和流动性。
由表5和表6、图4和图5可以看出,掺加5%硅微粉的混凝土修补料强度要比不掺加硅微粉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 界面过滤区由于多孔和有许多
图4图5
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微粉,其强度与普通混凝土(不掺硅微粉)相比,有明显 改善。有学者曾计算[3]:以15%的硅微粉取代水泥,则在水泥颗粒数量的比例为1∶2000000,即二百万个硅微粉对一个水泥颗粒,因此硅微粉对混凝 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倍的硅微粉,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,这就是硅微粉的“填充效应”[2]。
在砂浆或混凝土,填充于水泥浆体中的硅微粉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微粉,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,微小硅微粉颗粒成为CH的“晶种”,使CH晶体的尺寸更小,取向更随机。
因此,硅微粉的掺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强作用,而不仅仅是惰性的填充物[4]。
硅微粉对水泥净浆(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。硅微粉高度分散的SiO2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+SiO2+H2O→C-S-H(1)许多研究表明[5]:在有硅微粉存在的情况下,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。
Grutzeck等人[4]对硅微粉的火山灰效应提出解释:硅微粉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,这些来源于硅微粉和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:硅微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 了混凝土强度的增长。同时,硅微粉与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为未掺加硅微粉的混凝土修补 料28d水化扫描电镜图片,图7为掺加5%硅微粉的混凝土修补料的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%硅微粉的混 凝土修补料的强度要比不加硅微粉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,掺加硅微粉的修补料砂浆的抗折强度要比不掺加硅微粉的修补料 砂浆的抗折强度高出近30%,抗压强度也要高出近30%。
从抹面实验中也可以看出,在图8中由于没有掺加硅微粉,所以水泥在水化过程中没有硅微粉的火山灰效应,
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微粉,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。
4结论
(1)在混凝土修补料当中加入5%的硅微粉可以降低修补料稠度,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%的硅微粉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%;
(3)加入硅微粉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。
(4)上述掺加硅灰的混凝土修补料配方在2007年唐山钢铁公司钢材堆存场的大修和厂区负荷较大的道路的修补
当中得到了应用,效果良好,使钢材堆场的混凝土地面和主要道路地面的破损面得到了及时有效的修补,使用寿命比原来提高了近一倍。
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参考文献:
[1]姜德民.硅微粉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.硅微粉对150MPa超高强流态混凝土的强度及流动性贡献[J].混凝土与水泥制品2000,(1):12～15.
[3]朱佑国,张敏,邬书凤.硅微粉混凝土超高强机理的分析探讨
[J].淮南矿业学院学报.15(1):30～35.
[4]ElkemASAMaterils.应用微硅微粉配置高强混凝土[M].北京:中国建筑材料工业出版社. [5]姜德民.硅微粉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.
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