混凝土微硅粉對高性能混凝土強(qiáng)度的作用機(jī)理

　　1、填充效應(yīng)

　　混凝土在拌制混合物時，為了獲得施工要求的流動性，常需要多加一些水(超過水泥水化所需水量)，這些多加的水不僅使水泥漿變稀，膠結(jié)力減弱，而且多余的水分殘留在混凝土中形成水泡或水道，隨混凝土硬化而蒸發(fā)后便留下孔隙，從而減少混凝土實際受力面積，并且在混凝土受力時，易在孔隙周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。在混凝土中，內(nèi)部泌水受骨料顆粒的阻擋而聚集在骨料下面形成多孔界面。在骨料界面過濾區(qū)形成的Ca(OH)2要多于其它區(qū)域，而且Ca(OH)2晶體生長較大并有平行于骨料表面的較強(qiáng)取向性。平行于骨料表面的大Ca(OH)2晶體較易開裂，比水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)薄弱。水泥漿與骨料之間的界面過濾區(qū)由于多孔和有許多定向排列的大Ca(OH)2晶體，而成為混凝土內(nèi)部的強(qiáng)度薄弱區(qū)。HPC中由于摻入一定量的混凝土微硅粉，其強(qiáng)度與普通混凝土(不摻硅灰)相比，有明顯改善。洛陽合茂硅業(yè)有限公司技術(shù)人員曾計算過：以15%的硅灰取代水泥，則在水泥顆粒數(shù)量與硅灰顆粒數(shù)量的比例為1∶2000000，即二百萬個硅灰對一個水泥顆粒，因此硅灰對HPC強(qiáng)度有很大影響。在HPC中小于水泥顆粒直徑100倍的硅灰，填充于水泥漿體的孔隙間，填充于水泥顆粒的空隙間，其效果如同水泥顆粒填充在骨料空隙之間和細(xì)骨料填充在粗骨料空隙之間一樣，從微觀尺度上增加HPC的密實度，提高了HPC的強(qiáng)度，這就是硅灰的“填充效應(yīng)”。在HPC中，填充于水泥漿體中的硅灰使水泥漿體孔的數(shù)量明顯減少，勻質(zhì)性提高，而總空隙率基本保持不變。

　　水泥漿與骨料界面過渡區(qū)的硅灰，降低了HPC的泌水，防止水分在骨料下面聚集，使骨料界面過渡區(qū)與水泥凈漿的顯微結(jié)構(gòu)相似，從而提高了界面過濾區(qū)的密實度和有效減小界面過渡區(qū)的厚度。微小硅灰顆粒成為Ca(OH)2的“晶種”，使Ca(OH)2晶體的尺寸更小，取向更隨機(jī)。因此，硅灰的摻入提高了HPC中水泥凈漿與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度，消除了混凝土中不同復(fù)合組分的“弱連接”問題，使HPC具有復(fù)合材料的特性。骨粒顆粒在HPC中起著增強(qiáng)作用，而不僅僅是惰性的填充物。混凝土微硅粉對水泥凈漿(無骨料)的強(qiáng)度提高影響不是很大，但卻能使相同水膠比的混凝土的強(qiáng)度明顯高于其基體(凈漿)的強(qiáng)度。

　　2、火山灰效應(yīng)

　　在硅酸鹽水泥水化過程中，水泥水化反應(yīng)生成C-S-H、Ca(OH)2和鈣礬石等水化產(chǎn)物。其中Ca(OH)2對強(qiáng)度有不利影響。硅灰中高度分散的SiO2組分能與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，即所謂火山灰效應(yīng)。

　　Ca(OH)2+SiO2+H2O→C-S-H

　　硅灰接觸拌合水后首先形成富硅的凝膠，并吸收水分;凝膠在未水化水泥顆粒之間聚集，逐漸包裹水泥顆粒;Ca(OH)2與該富硅凝膠的表面反應(yīng)產(chǎn)生C-S-H凝膠，這些來源于硅灰和Ca(OH)2的C-S-H凝膠多生成于水泥水化的C-S-H凝膠孔隙之中，大大提高了結(jié)構(gòu)密實度。也就是說：硅灰的火山灰效應(yīng)能將對強(qiáng)度不利的Ca(OH)2轉(zhuǎn)化成C-S-H凝膠，并填充在水泥水化產(chǎn)物之間，有力地促進(jìn)了HPC強(qiáng)度的增長。同時，混凝土微硅粉與Ca(OH)2反應(yīng)，Ca(OH)2不斷被消耗，會加快水泥的水化速率，提高HPC的早期強(qiáng)度。

　　3、孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)

　　在水泥-硅灰水化體系中，微硅粉與水泥的比率增加則水化產(chǎn)物的Ca/Si比降低。Ca/Si比低，相應(yīng)的C-S-H凝膠就會結(jié)合較多的其它離子，如鋁和堿金屬離子等。這樣就會使孔隙溶液的堿金屬離子濃度大幅度降低，這就是所謂的孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)。增加硅灰取代水泥的比率，則孔隙溶液的pH值降低，這是由于堿金屬離子和Ca(OH)2與混凝土微硅粉反應(yīng)而消耗引起的。對于含有堿活性骨料的HPC，硅灰這種降低孔隙堿金屬離子(Ka+、Na+)濃度的作用非常重要，因為能夠有效地削弱甚至消除發(fā)生堿-硅酸反應(yīng)(ASR)的危害。硅灰還可提高HPC的電阻率和大幅度降低Cl-的滲透速率，防止鋼筋銹蝕，提高HPC的強(qiáng)度和耐久性。

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