浅谈硅灰对混凝土性能的影响论文
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引言
硅灰是冶金工业和工业硅生产过程中形成的一种粒径极小的混凝土外掺料。硅灰中具有大量的不定形二氧化硅，并且粒径极小，具有极强的胶结力，因此适用于混凝土行业。1950 年，挪威成为第一个研究硅灰在混凝土中的作用机理的国家，并且使用硅灰建造了Blindtarmen 隧道。1976 年，挪威颁布了第一部关于硅灰的应用技术标准。1978 年，挪威在标准中规定硅灰作为一种混凝土外掺料应用于混凝土中。这不仅因为硅灰是一种工业废料，而且将硅灰应用到混凝土中可以提高混凝土的强度和抗渗性能，石灰和二氧化硅可以在极短的时间内发生反应生成一种高强度物质，提高混凝土的早期强度。硅灰的应用方法一般分为两种: 一种是将硅灰作为混合料应用于水泥中; 另一种是将硅灰加入到混凝土中。两种应用方法的作用机理一样，产生的增强效果也基本相同。
1、硅灰对混凝土工作性的影响
在混凝土中掺入硅灰可以提高混凝土的“稳定性能”，即可以减小混凝土的离析和泌水度。混凝土所用砂和石由于尺寸较大，混凝土中的拌和水可以通过这些骨料间的孔隙流动，而硅灰由于粒径小可以封堵这些孔隙，切断泌水过程的流动通道。并且加入硅灰后可以增加固体与固体的接触点，增大混凝土内部的粘聚力。但是，当混凝土中硅灰的掺量> 20%时，混凝土的黏稠度大幅度增加，会增大施工难度; 而当硅灰的掺量< 10%时，可以保证不增加用水量和减水剂用量而保持混凝土具有较好的流动性。当混凝土的坍落度一定时，混凝土用水量与硅灰的掺量呈正比例增长关系。出现这种情况时，可以加入适量高效减水剂，以降低混凝土用水量。当混凝土中硅灰的掺量为10% ～ 20% 时，为保证混凝土的坍落度和流动性，在水灰比不变的情况下，应加大减水剂的用量，以提高混凝土的强度和耐久性能。
2、硅灰对混凝土凝结时间的影响
很多研究表明，在混凝土中加入一定掺量的硅灰对混凝土的凝结时间没有显著的影响。例如Pistilli M F 等的研究表明，当普通硅酸盐水泥的用量为237 kg /m3，而硅灰的用量为24 kg /m3 时，混凝土的初凝时间和终凝时间分别延长26 min 和29 min，可以起到缓凝的效果。
3、硅灰对混凝土强度的影响
硅灰对混凝土强度的影响主要体现在其在混凝土中的使用方式，即硅灰应用到混凝土中是以混凝土材料的方式应用，还是以取代混凝土中水泥用量的方式。通常是在掺入硅灰的混凝土中加入一定量的减水剂，以保持混凝土的水灰比不变，这时分析硅灰对混凝土强度的影响才有意义，尤其是硅灰的掺量为5%左右最为有用。
一般是将硅灰应用到混凝土中，对混凝土的1 d至3 d 强度并无较大影响，而对混凝土的3 d 至28 d强度影响较大，可以使混凝土的强度显著提高，对混凝土的28 d 至90 d 强度影响不大。Pistilli M F等[2]通过试验得出，当混凝土中的水泥用量为297 kg /m3，硅灰的掺入量为24 kg /m3 时，混凝土的7 d 和28 d 强度分别增长10%和20%，而混凝土的早期强度( 1 d 和2 d) 并无较大变化。
4、硅灰对混凝土抗渗性的影响
混凝土抗侵蚀水的耐久性一般取决于混凝土的抗渗性能。由于硅灰粒径较小，可以改善混凝土中孔隙的大小和数量，当混凝土中硅灰的掺量为10%时，混凝土在7 d 和28 d 龄期下基本保持不渗透，可以有效减小混凝土中的孔隙孔径。
Hustad T 等对掺入硅灰的混凝土进行了抗渗性能的试验研究。研究发现，硅灰对混凝土的抗渗性能有较显著的影响。试验证明，在混凝土中加入100 kg /m3 水泥，硅灰掺量为20%，并且加入一定量的高效减水剂得到的混凝土，其抗渗性能与混凝土中加入250 kg /m3 水泥，但不掺硅灰和高效减水剂的抗渗性能相同。
5、硅灰对混凝土耐磨性的影响
一般情况下，混凝土的耐磨性能与混凝土强度有直接关系。当混凝土的密实度较高，并且混凝土所用骨料质地坚硬的前提下，混凝土才能具有较高的强度，同时也具有较高的耐磨性能。Wolsiefer J采用ASTM C 779《混凝土水平面耐磨性的标准试验方法》进行了混凝土耐磨性试验。研究表明，在混凝土中掺入一定量的硅灰后，混凝土的磨损深度非常小，当混凝土强度达到76 MPa 时，混凝土在60 min内磨损1. 4 mm。同样，Holland T C 等也证实在混凝土中加入硅灰和高效减水剂后，其耐磨性远远高于基准混凝土。
6、硅灰对混凝土耐化学腐蚀性的影响
在混凝土中加入硅灰后，不仅可以提高其强度和耐磨性，而且可以提高其耐酸性或耐硫酸盐侵蚀的能力。在混凝土中加入硅灰后，可以降低混凝土中氢氧化钙的含量，当混凝土中硅灰的替代率达到20%时，混凝土中的水化反应生成的氢氧化钙含量基本为零; 当硅灰的替代率为25% 时，混凝土28 d龄期时氢氧化钙已经不存在。
在日常生活中，食物中的有机酸和工业矿物中的矿物酸及盐类均会对混凝土造成腐蚀，此时需要降低混凝土的渗透率，即提高混凝土的密实度。Wolsiefer J研究了硝酸铵对混凝土的腐蚀影响，试验基准组采用水泥325 kg /m3，混凝土的水灰比为0. 28; 试验组采用硅灰的掺量为65 kg /m3。进行侵蚀试验57 周后，发现掺有硅灰的混凝土强度并未下降，而基准混凝土的抗压强度损失74%。因此，在混凝土中加入一定量的硅灰后，可以抵抗混凝土的耐化学腐蚀性能。
7、硅灰应用于混凝土的技术特点
通常在混凝土中硅灰是作为一种辅助胶凝材料，但是随着社会进步和混凝土行业的`发展，硅灰应用于混凝土中还具有其他技术优势，如具有高强度和高耐久性能，并且硅灰通常在混凝土中是替代水泥胶凝材料，可以减小水化热等。从硅灰提高混凝土强度的角度分析，在混凝土中使用硅灰替代一定量的水泥后，混凝土强度提高替代量的2 ～ 3 倍。在混凝土中掺入硅灰后，通常还要加入一定量的高效减水剂，尤其是当混凝土中硅灰的掺量> 5% 时，必须加入一定量的高效减水剂。
新浇筑的硅灰混凝土对温度较敏感，温度过低时可能出现收缩裂缝，因此应加强养护。当混凝土表面的水分蒸发速率> 1 kg /( m2·h) 时，不仅要保证正常养护，而且还应采取适当的措施阻止混凝土表面的水分蒸发。一般宜采取加湿养护、遮光罩养护、冷却隔层养护、覆盖养护后喷雾养护等。
8、结语
硅灰在混凝土中的应用较为广泛。在混凝土中掺入一定量的硅灰，可以提高混凝土的强度、抗渗性能、耐磨性能和耐化学腐蚀性能等，特别是在抗氯离子侵蚀方面的作用更是不可取代。其原因主要是由于硅灰粒径较小，并且可以参与到水泥的水化反应中，分布到混凝土中生成一种坚硬、胶结力强的物质，提高了混凝土的密实度，从而提高了混凝土的强度和其他性能。硅灰在混凝土中的具体应用和其他效果还有待于进一步深入研究。
【拓展内容】
钢筋混凝土异形柱抗震性能试验研究论文
随着我国城市建设发展脚步的不断加快，钢筋混凝土异形柱在建筑工程中的应用也越来越广泛，如何从根本上确保工程的抗震性能满足需求也成为了工程建设单位所面临的一项重大课题。想要确保抗震性能满足需求，必要的抗震性能试验是必不可少的，工程建设单位应该结合工程的实际情况，合理开展试验工作，以此来为工程建设提供参考，提升工程整体质量。
1 试验概况
就目前异形柱的分类来看，大致可分为三种类型，即十形柱、L 形柱和 T 形柱。为了确保试验结果的针对性和全面性，本次试验共选 12 根异形柱作为试验对象，每种类型的异形柱各四根，相应的轴压比分别为 0.182、0.456 和0.730。每个模型柱均严格按照我国现行的抗震规范加密箍筋，各个试件的混凝土强度等级均为 C30，并采用细石混凝土浇筑，纵筋用直径分别为 10、8、5 的 I 级钢筋，箍筋用 8# 铁丝制作。
2 试验结果及分析
2.1 刚度、承载力和延性实测结果及分析 表 1 给出的是各个试件的初始弹性侧移刚度数值与计算数值的对比，从表中我们能够看出，在轴压比不断增加的情况下，侧移刚度也会在一定程度上增加。同时，通过对各个试件屈服荷载与极限荷载的试验我们可以得出，随着轴压比的不断增加，各个试件的屈服刚度也会有所提高，然而相应的延性系数却会随之变小。带暗柱异形柱与普通异形柱相比，在其他条件均相同的情况下，其承载力及延性明显提高。通过对表 1 给出的各项数值的计算我们能够得出，在接受试验的 12 根异形柱中，十形柱 ZXD-4 的承载力和延性系数与 ZXD-3 相比，分别提高了 25.8%和 41.1%。L 形柱 ZLD-4 的正向承载力、负向承载力、正向延性系数和负向延性系数与 ZLD-3 相比，分别提高了 19.2%、12.5%、11.5%和 10.3%。T 形柱 ZTD-4 的正常承载力、负向承载力、正向延性系数和负向延性系数与 ZTD-3 相比，分别提高了 16.3%、28.9%、35.1%和 16.5%。
2.2 滞回曲线及恢复力模型 从本次试验我们能够得出，相对于普通异形柱来说，带暗柱异形柱无论是承载力还是耗能能力，都相对较高，尤其是带暗柱十形柱与普通十形柱之间的差距，更是非常明显。鉴于此，为了更好的确保工程的抗震性能，对于规则的异形柱框架结构，如果采用层模型对其进行分析，应该确保 L 形柱和 T 形柱成对布置，以此来确保滞回曲线的对称性。然而，对恢复力模型的选择，则可以以 Clough 模型为主，Clough 模型是表达刚度退化效应的一种双线模型，如果对开裂点进行充分考虑，那么则可以选择刚度退化三线型模型。利用这种模型，异形柱的弹性刚度和屈服时的割线刚度都可以通过计算获得。本次实验结果可供参考，但需要指出的是，实际取用Clough 模型中的相关数值，应该根据工程所采取的异形柱的实际情况，按照耗能等效的原则或其他方法进行合理确定。
2.3 破坏形态分析 从本次试验我们能够得出，虽然试验对象为三种不同类型的异形柱，然而三者却有以下共同特征：首先，都属于弯曲型破坏，无论是十形柱、L 形柱，还是 T 形柱，其斜裂缝的范围相对于剪跨比较大的同类异形柱来说，要大一些，且裂缝相对较宽。从柱根部向上其裂缝逐步由水平裂缝变化为斜裂缝，这是弯矩与剪力比值变化的结果。其次，随着轴压比的不断增大，与之相应的塑性铰域也会随之增大。再次，相对于普通异形柱来说，带暗柱异形柱的塑性铰域要发展的更加充分，塑性铰域越大，说明其耗能能力越强。最后，翼缘对腹板裂缝的开展有较强的限制作用。其中带暗柱 L 形柱、T 形柱与其相同轴压比的普通 L 形柱和 T 形柱相比，其破坏形态要表现的更加明显。
3 结语
综上所述，异形柱的抗震能力直接关系着工程整体结构的抗震能力，因此，为了确保钢筋混凝土异形柱工程建设满足需求，在开展施工作业之前，必须做好相应的抗震性能试验与分析工作，以此来为工程的合理建设提供一定的参考依据，促进工程质量的进一步提升。
参考文献：
[1]曹万林，胡国振，崔立长，周明杰.钢筋混凝土带暗柱异形柱抗震性能试验及分析[J].建筑结构学报，2002(01).
[2]王焕友.填充墙及暗柱对异形柱结构抗震性能影响研究[D].山东建筑大学，2011.
[3]陈宗平，薛建阳，赵鸿铁，邵永健.型钢混凝土异形柱抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2007(03).
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