硅粉对冲耐磨混凝土性能的影响

硅粉混凝土在水化反应过程中，产生的水化产物Ca（OH）2比普通的硅酸盐混凝土少，但增加混凝土密实性的C—S—H凝胶比硅酸盐水泥混凝土要多，所以其抗压强度和抗折强度均增大；而硅粉是矿物超细掺合料，掺硅粉势必会增加用水量，影响了混凝土的抗磨性。因此，掺硅粉使混凝土的强度比普通混凝土略微增加，但是却降低了混凝土的耐磨性。

普通混凝土内部不密实，骨料有棱角，水泥可以填充相对较大的颗粒空隙，但在孔隙中水表面张力作用下，颗粒间不完全接触；加入减水剂后，消除水的表面张力作用，颗粒接触，孔隙率减少，但是集料和水泥颗粒之间的孔隙依然存在；再加入硅粉，由于硅粉颗粒小，且为球形状，硅粉颗粒可填充相对较大的水泥颗粒的孔隙，减少孔隙的体积，硅粉与Ca（OH）2反应，生成的C—S—H晶体强度高、稳定性好，且能堵塞孔道，孔隙大大减少，再加上硅粉混凝土泌水少，从而有效改善了混凝土的结构，强度得到提高。

掺用硅粉和聚丙烯纤维，可以提高混凝土性能指标，然而掺用硅粉和纤维后，增大了混凝土施工难度。采用硅粉作为掺合材料时，硅粉混凝土存在早期塑性干缩问题，并且极易产生温度裂缝，不易收平表面，增加了施工难度。

塑性干缩是指混凝土施工浇筑过程中，在混凝土凝结前，当表层水分的蒸发速度大于混凝土的泌水速度时，混凝土表面即出现干缩龟裂，甚至出现晒干发白现象。泌水速度越小，塑性干缩越严重。硅粉混凝土塑性干缩比较严重，主要原因是由于掺入硅粉后，混凝土几乎不产生泌水。硅粉混凝土早期强度发展很快，相应的混凝土的水化热放热速度很快，致使混凝土水化热温升高，在混凝土中容易产生较大的温度应力，这一应力在干缩裂缝的顶端产生应力集中，使干缩裂缝扩展延伸甚至形成贯通性的裂缝。

采用微纤维或钢纤维作为混凝土掺合料时，存在表面收平难度大，黏稠度大、坍落度减小、和易性变差、搅拌时易结团等问题。掺入纤维材料后，混合料的比表面积增大，占用了部分拌和用水，使得坍落度减小；纤维之间存在架力作用，形成拌和物内部的摩擦力，使得拌和物和易性变差。

（1）硅粉对混凝土力学性能的影响。混凝土强度的产生，主要是由于水泥硬化的结果，即水泥石产生的结果。水泥石强度的产生取决于水化硅酸钙凝胶体的形成，在水泥石中占20%～30%的氢氧化钙不产生强度。但是，掺加了适量的硅粉后，水泥水化过程中产生的游离氢氧化钙被硅粉所吸收，发生水化反应，生成水化硅酸钙，使水泥石中水化硅酸钙的比例增加，从而提高了水泥石及混凝土的强度。另外，水泥石及混凝土是由透水性的刚性结构的水化物和孔隙所组成的。减少孔隙率是提高水泥石和混凝土强度的重要途径，硅粉在这方面可以发挥双重的作用。首先，硅粉—氢氧化钙水化反应生成水化硅酸钙，填充一部分毛细孔，使水泥石的孔隙率下降；其次，由于硅粉是具有极高比表面积的材料，它的比表面积是硅酸盐水泥比表面积的50～70倍。因此，硅粉能够填充水泥颗粒之间、水泥与骨料之间的微小空隙，使水泥石的密实度增加，提高水泥石及混凝土的强度。实践表明，使用硅粉和减水剂，可以配制出抗压强度达到100MPa以上的高强混凝土。

通过溪洛渡泄洪洞龙落尾段C9060抗冲磨混凝土试验，在其他条件一致时，检测了掺加硅粉后的混凝土力学变化，现场试验用C9060抗冲磨混凝土配合比见表4.9，现场混凝土性能试验结果见表4.10。

表4.9　现场试验用C9060抗冲磨混凝土配合比表

表4.10　现场混凝土性能试验结果表(www.xing528.com)

由试验结果可知，掺加硅粉后，混凝土的和易性大大增强（坍落度），早期抗压强度、抗劈裂强度都有所增强，但后期强度不利。

（2）硅粉对混凝土耐久性能的影响。

1）抗冻性。当硅粉掺量少时，硅粉混凝土的抗冻性与普通混凝土基本相同，当硅粉掺量超过15%时，它的抗冻性较差。通过大量的试验，这种观点基本上被证实了，主要原因是当硅粉超过15%时，混凝土膨胀量增大，相对动弹性模量降低，抗压强度急剧下降，从混凝土内部方面特征看，比表面积小，间距系数大。

2）抗渗性。混凝土是一种透水材料，它的渗透性与它的孔隙率、孔隙分布及孔隙连通性有关。振捣密实的混凝土水灰比愈小，养护龄期愈长，则渗透性愈小。在混凝土中掺入引气剂也可降低渗透性。一般地水灰比小于0.50的混凝土，它的渗透系数可以达到1×10-11m/s。在海水中的混凝土它的渗透性是决定混凝土工程耐久性的最重要的因素，渗透性高的混凝土在海水中很易遭破坏。由于硅粉颗粒小，是水泥颗粒的1/100～1/20倍，可以充填到水泥颗粒中间的空隙中，使混凝土密实。同时，硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中渗透通道，故硅粉混凝土的抗渗能力很强，混凝土的渗透性随水胶比的增加而增大，这是因为水灰比混凝土的密实性相对差些。

3）抗化学侵蚀性。一般硅粉减少渗透性的效果要大于强度的增加，特别在硅粉以小掺量掺入低强混凝土时更是如此。对于掺入一定量的硅粉的高性能混凝土，水胶比通常小于0.4，且有超细微粒填充，因此，掺入硅粉的高性能混凝土具有非常好的抗渗能力。因为，加入硅粉可以明显地降低混凝土渗透性及减少游离的Ca（OH）2，从而提高了混凝土抗化学侵蚀能力。在混凝土中掺入硅粉，能减少Ca（OH）2含量，增加混凝土密实性，有效提高弱酸腐蚀能力，但在强酸或高深度的弱酸中则不行，因混凝土中的C—S—H在酸中分解，另外，它还能抗盐类腐蚀，尤其是对氯盐及硫酸盐类，它之所以能抗酸盐侵蚀，原因是硅粉混凝土较密实，孔结构得到改善，从而减少了有害离子的传递速度及可溶性的Ca（OH）2和钙矾石的生成，增加水化硅酸钙晶体的结果。

4）抗碱集料反应。混凝土中加入硅粉，因为硅粉粒子提高水泥胶结材料的密实性，减少了水分通过浆体的运动速度，使得碱集料膨胀反应所需的水分减少，也由于减少水泥浆孔隙液中碱离子的浓度，因此，减少了碱集料反应的危险。

5）抗钢筋锈蚀的能力。混凝土高碱性给普通钢筋混凝土中的钢筋提供了形成钝化膜的条件，一旦钝化膜破坏，钢筋就会发生电化学腐蚀，腐蚀速度取决于水分以及氧气进入混凝土的速度。加入硅粉可以改善密实性增加电阻率，所以，抵抗钢筋锈蚀的性能得到很大改善，硅粉改善电阻率是随着硅粉含量的增加而增加。

6）抗磨蚀性。水工结构中的高速水流泄水建筑物护面材料具有高抗冲磨与抗空蚀要求。在混凝土中加入硅粉可以改善混凝土的抗磨蚀性。加入硅粉改善了混凝土的抗磨蚀性是由于改善了浆体自身的抗磨性和硬度，以及改善水泥浆骨料界面的黏结，从而使粗骨料在受到磨损作用时难以被冲蚀。