硅微粉在混凝土修補料中的增強作用
摘要:本文對硅微粉對混凝土修補料性能的影響進行了研究,并與未摻硅微粉修補料做了稠度、強度、抹面性 能等方面做了對比和分析,最后得出結論,摻加一定量的硅微粉可以提高混凝土修補料的早期強度與和易性、提高可施工性、使抹面效果更美觀,并在唐鋼鋼材堆場 和廠區主要負荷較大的道路的修補應用中得到較好的實際應用。
關鍵詞:硅微粉;混凝土;修補料
中圖分類號:TQ177.6文獻標識碼:A
1引言
在冶金企業當中,無論是原料場、燒結廠、煉鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠、制氧廠、污水處理廠、鋼材庫堆場以及
冶金企業的廠區道路都有著大量的鋼筋混凝土結構,在這些廠區廠房內部每天都要完成大量的原燃料的轉運、吊裝、存儲,而這些原燃料的 轉運、吊裝、存儲有許多是需要混凝土結構作為支撐的,這些混凝土結構每天的負荷量是很大的,同時也不可避免的造成對支撐原燃料的轉運、吊裝、存儲的混凝土 結構的破損,鋼筋混凝土結構的表面一旦遭到破損,里面的鋼筋就會裸漏出來,時間一長就會氧化生銹,就會影響到整個結構,甚至會影響到整個混凝土結構的安 全,所以對混凝土破損面的修補且盡快達到使用強度就顯得尤為重要,否則就會影響到冶金企業的正常生產。混凝土修補料是用在修補混凝土破損面的一種建筑材 料,作為修補材料,客觀上要求它具有較高的早期強度,較好的耐久性,較好的表面光潔度。目前在混凝土修補料當中大多采用摻加粉煤灰或高爐礦渣粉,粉煤灰和 高爐礦渣粉在混凝土修補料摻量過多時,會降低混凝土修補料的早期強度,并降低其耐磨性[1],使用效果不好,而且不太適應目前的冶金企業的實際情況,目 前,人們對在修補料中摻加硅微粉研究的比較少,人們對混凝土修補料的要求越來越高,即要求有較高的早期強度,又要求有較好的可施工性,還要求較好的表面效 果,在本文當中,研究了硅微粉的加入對修補料性能的影響,通過多項實驗證實硅微粉可以提高混凝土修補料的多項性能,在修補料當中摻加硅微粉可以滿足對混凝 土修補料目前日益嚴格的使用要求。
2實驗原料與實驗方法
2.1實驗原料
硅微粉又稱凝聚硅或硅灰,是硅鐵或金屬硅在生產過程中由電弧中的高純石英、焦炭和木屑還原生產的副產品。本試驗選用河北省邯鄲市永年縣鐵合金有限公司生產的硅微粉。
表1
本實驗所用硅微粉的透射電鏡照片見圖2,該圖為分散在丙酮中的硅微粉顆粒。硅微粉平均粒徑為011μm,其需水量比為108%。電子衍射照片見圖1。由圖1的電子衍射照片可以看出,硅微粉沒有明顯衍射斑點及衍射環,呈現為彌散環;由圖1可見,硅微粉的衍射能力極差,說明其結晶度很低,接近無定形態,因而證實硅微粉屬非晶態物度。
硅微粉物理性質,決定了硅微粉的微小顆粒具有高度的分散性,可以充分地填充在水化水泥顆粒之間,提高漿體硬化后的密實度。
2.2化學特性
生產不同的合金所得到的硅微粉的化學成分會有一定的差異,硅微粉的典型化學成分見表2。
表2
由表2可知,硅微粉的主要化學成分為非晶態的無定型氧化硅(SiO2),一般占90%以上。高細度的無定型SiO2
具有較高的火山灰活性,即在水泥水化產物氫氧化鈣(CH)的堿性激發下能迅速與CH反應,生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H),提高 混凝土強度改善混凝土性能[3]。實驗原料用冀東水泥廠生產普通525#硅酸鹽水泥、北極熊產525#硫鋁酸鹽水泥和普通石英砂,原料成分如表3、表4、 表5所示。
表3、4、5
3實驗結果與分析
稠度實驗結果見表7,不加硅微粉的力學性能實驗結果和加硅微粉的力學性能實驗結果見表8。
表6
由表7稠度實驗可以看出,加入5%硅微粉的1#實驗稠度為71mm,30分鐘稠度為61mm,加硅微粉的2#實驗的稠度為65mm,30分 鐘稠度為52mm,2#實驗的稠度值比不加硅微粉的1#實驗的稠度值要小,因為用水量是完全一樣的。1#實驗的稠度值略有些偏高,現場施工起來有些偏稀, 如果修補料使用在混凝土墻或混凝土梁底下面的修補時,修補料就會下墜,因為稠度值偏高就表明流動性也偏高,所以2#實驗的稠度值對修補料相對較為合適,由 此可見,硅微粉的加入可以降低稠度值,增加砂漿的和易性,更有利于現場施工。
表7實驗方案
硅微粉加入后降低修補料的稠度的原因是由于硅微粉比表面積約為20000cm2/g,比表面積很大,活性很高,遇水后與水發生劇烈 反應,生成C-S-H凝膠,而沒有摻加硅微粉的1#實驗由于沒有硅微粉加入,其水化反應相對較慢,所以其稠度值和30分鐘稠度值都比2#實驗要高,硅微粉 的摻加可以用來調節修補料的稠度值和流動性。
由表5和表6、圖4和圖5可以看出,摻加5%硅微粉的混凝土修補料強度要比不摻加硅微粉的混凝土修補料強度高出將近 20%～30%,而實驗用水量是一樣的,混凝土在拌制合物時,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后便留下孔隙。從而減少混凝土實際受力面積,而且在混凝土受力 時,易在孔隙周圍產生應力集中。在混凝土中,內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。在骨料界面過濾區形成的氫氧化鈣(CH)要多于其它 區域。CH晶體生長較大并有平行于骨料表面的較強取向性。平行于骨料表面的大CH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 界面過濾區由于多孔和有許多
圖4圖5
定向排列的大CH晶體,而成為混凝土內部的強度薄弱區。在砂漿或混凝土當中由于摻入一定量的硅微粉,其強度與普通混凝土(不摻硅微粉)相比,有明顯 改善。有學者曾計算[3]:以15%的硅微粉取代水泥,則在水泥顆粒數量的比例為1∶2000000,即二百萬個硅微粉對一個水泥顆粒,因此硅微粉對混凝 土強度有很大影響。在砂漿或混凝土中小于水泥顆粒直徑100倍的硅微粉,填充于水泥漿體的孔隙間,其效果如同水泥顆粒填充在骨料空隙之間的細骨料填充在粗 骨料空隙之間一樣,從微觀尺度上增加了混凝土的密實度,提高了混凝土的強度,這就是硅微粉的“填充效應”[2]。
在砂漿或混凝土,填充于水泥漿體中的硅微粉使水泥漿體孔的數量明顯減少,勻質性提高,而總空隙率基本保持不變。
水泥漿與骨料界面過渡區的硅微粉,降低了的泌水砂漿或混凝土,防止水分在骨料下面聚集,使骨料界面過渡區與水泥凈漿的顯微結構相 似,從而提高了界面過濾區的密實度和有效減小界面過濾區的厚度,微小硅微粉顆粒成為CH的“晶種”,使CH晶體的尺寸更小,取向更隨機。
因此,硅微粉的摻入提高了砂漿或混凝土中水泥凈漿與骨料的粘結強度,消除了混凝土中不同復合組分的“弱連接”問題,使砂漿或混凝土具有復合材料的特性。骨粒顆粒在砂漿或混凝土中起著增強作用,而不僅僅是惰性的填充物[4]。
硅微粉對水泥凈漿(無骨料)的強度提高影響不是很大,但卻能使相同水膠比的混凝土的強度明顯高于其基體凈漿)的強度。
在硅酸鹽水泥水化過程中,水泥水化反應生成水化硅鈣凝膠(C-S-H)、氫氧化鈣(CH)和鈣礬石等水化產物。其中CH對強度有不利影響。硅微粉高度分散的SiO2組分能與CH反應生成C-S-H凝膠,即所謂火山灰效應:
Ca(OH)2+SiO2+H2O→C-S-H(1)許多研究表明[5]:在有硅微粉存在的情況下,水泥水化早期的水化產物中有大量CH,隨著齡期的延長,CH的量越來越少,甚至完全測不到。
Grutzeck等人[4]對硅微粉的火山灰效應提出解釋:硅微粉接觸拌合水后首先形成富硅的凝膠,并吸收水分;凝膠在未化水泥顆 粒之間聚集,逐漸包裹水泥顆粒;CH與該富硅凝膠的表面反應產生C-S-H凝膠,這些來源于硅微粉和CH的C-S-H凝膠多生成于水泥水化的C-S-H凝 膠孔隙之中,大大提高了結構密實度。也就是說:硅微粉的火山灰效應能將對強度不利的氫氧化鈣轉化成C-S-H凝膠,并填充在水泥水化產物之間,有力地促進 了混凝土強度的增長。同時,硅微粉與CH反應,CH不斷被消耗會加快水泥的水化速率,提高混凝土和砂漿的早期強度[4]。圖6為未摻加硅微粉的混凝土修補 料28d水化掃描電鏡圖片,圖7為摻加5%硅微粉的混凝土修補料的28d掃描電鏡照片,從圖6中可以看出,已經過了28d,其中還有未水化的水泥顆粒,還 有產生了少量的氫氧化鈣晶體,很少量的鈣礬石晶體,而在圖7中卻發現水泥水化相當好,相當完全,而且水泥石漿體更致密,空隙也小,所以摻加5%硅微粉的混 凝土修補料的強度要比不加硅微粉的混凝土修補料的強度要高。這一點從圖4和圖5中可以看出來,摻加硅微粉的修補料砂漿的抗折強度要比不摻加硅微粉的修補料 砂漿的抗折強度高出近30%,抗壓強度也要高出近30%。
從抹面實驗中也可以看出,在圖8中由于沒有摻加硅微粉,所以水泥在水化過程中沒有硅微粉的火山灰效應,
水泥水化不會很完全,無論是砂漿體內部還是砂漿的表面都不是很致密,反映在表面上就是表面粗糙,不細膩,不光滑,從圖8照片上可以 看出,它遠不如圖9的照片表面光潔美觀,主要是因為圖8的修補料中沒有摻加硅微粉,也就沒有火山灰反應,形不成C-S-H凝膠,表面必然會比較粗糙。
4結論
(1)在混凝土修補料當中加入5%的硅微粉可以降低修補料稠度,增加和易性,更有利于現場施工;
(2)在修補砂漿當中摻加占水泥重量5%的硅微粉可以提高修補砂漿抗折強度約20%～30%;可提高抗壓強度約10%～30%;
(3)加入硅微粉可以增加修補砂漿的和易性,使修補砂漿的表面更光滑美觀。
(4)上述摻加硅灰的混凝土修補料配方在2007年唐山鋼鐵公司鋼材堆存場的大修和廠區負荷較大的道路的修補
當中得到了應用,效果良好,使鋼材堆場的混凝土地面和主要道路地面的破損面得到了及時有效的修補,使用壽命比原來提高了近一倍。
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參考文獻:
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