1、硅灰的特性与其在水泥基材料中的特殊功效 The Properties of Silica Fume and Its Special Functions in Cement-based Materials 赵 筠 Zhao Jun 北京江汉科技有限公司 Beijing Join-Hand Co., Ltd 2012年 4月 2012年中国建材联合会混凝土外加剂分会第十三次会员代表大会 2 硅灰颗粒 纳米颗粒 25%小于 100nm 50%小于 150nm + 亚微米颗粒 绝大部分小于 1m 有粘连与团聚 圆球形颗粒 超高细度 o 单体颗粒粒径 0.011微米，平均为 0.15微米 o 比表面积介
2、于 15,00025,000m2/kg (采用 BET氮吸附法测定 ) 高化学活性 玻璃态、无定形 SiO2 Basic Characteristic of Silica Fume 硅灰的基本特征 0对比2%4%7%10%15%20%硅灰 掺 量40 0k g/m3胶凝材料用量30 0k g/m320 0k g/m3塑性粘度 ( 帕 * 秒 )屈服值( 帕 )硅灰取 代水泥塑性粘度 ( 帕 * 秒 )屈服值( 帕 )硅灰引气加水 塑化剂高效减水剂粘稠稀流变性影响因素0Effects on Rheology 对流变性影响 硅灰作用： 降低粘度，提高屈服值，提高混凝土拌合物稳定性，降低对原材料变异
3、和配料误差的敏感性 Physical Filling Effects 物理填充作用 微粒填充 硅灰填充于水泥颗粒的空隙之间，从更微观尺度增加水泥浆密实度和骨料 -水泥浆界面的密实度 。 Cement Grain水泥颗粒 Silica Fume Particles 硅灰颗粒 Silica Fume Particles 硅灰颗粒 硅灰填充在水泥颗粒间隙之间状态 （电子显微镜照片） 4 骨料 硅灰 水泥 Wall Effect 墙效应 Pozzolanic Reaction 火山灰反应 硅灰为高细度无定形氧化硅，具有较高的火山灰活性 Ca(OH)2 + SiO2 + H2O C-S-H 凝胶（二次水
4、化反应） 将 CH转化为 C-S-H凝胶， 促进强和密实度提高；加快水化速率，提高早期强度； CH的晶种，使 CH晶体的尺寸更小、取向更随机 C-S-H 水化硅酸钙凝胶 CH Crystal 氢氧化钙晶体 HYDRATION PRODUCTS WITHOUT Silica Fume 无硅灰混凝土的水化产物（电镜照片） HYDRATION PRODUCTS WITH Silica Fume 掺加硅灰混凝土的水化产物（电镜照片） Dense C-S-H 致密的水化硅酸钙凝胶 5 粘度改善剂 (VMA)：调节粘度，提高粘聚性，减少泌水 超细粉煤灰 ：物理减水，助泵，提高抗渗性、强度、耐久性 超细矿粉
5、 ：物理减水，提高抗渗性、强度、耐久性 偏高岭土 ：提高抗渗性、强度、耐久性 稻壳灰 ：提高抗渗性、强度、耐久性 与硅灰有相似性能的材料 硅灰兼有调节粘度， 提高粘聚性， 减少泌水，助泵，提高抗渗性、强度和耐久性的功能；低掺量（ 5%以下），有物理减水作用。 6 增加材料成本 相对于水泥和粉煤灰、矿粉，硅灰价格比较高。 在不必要的场合，的确增加成本；在体现硅灰价值的场合，获得需要的或更好的性能，则会降低综合成本。 硅灰混凝土太粘，难施工 配合比问题 可 以 配制高流动性混凝土和 SCC 硅灰砂浆和混凝土容易开裂（裂缝敏感性高） 硅灰会使 塑性收缩裂缝敏感性增加 ，养护到位可防止。 硅 灰会 增
6、大水泥浆体的自生收缩 ，掺量超过 5%，有可能会增大裂缝危险性。 使用硅灰有什么缺点？ 7 Effect of Curing on Concrete Shrinkage 养护对混凝土收缩的影响 收 缩 x10-6 龄期 (小时 ) (天 ) 暴露在风中，风速 2m/s 干养护，相对湿度 40% 湿养护，相对湿度 100% 8 高性能硅灰混凝土维修旧桥桥面板，美国纽约州 从最早可能的时间开始养护 9 养护，养护，养护！ 缺少泌水：塑性收缩裂缝敏感。 养护方法 : 喷雾 养护剂薄膜保湿 (喷洒养护剂 ) 覆盖湿麻布或保湿棉和塑料薄膜 10 混凝土早期的动态变化过程 Ti m eE l a s t
7、i c m odul usTemp er at ur eStssreT en si l es tr e ng t hAu to ge no u ss h r i nk a g e时 间 弹性摸量 混凝土凝结硬化过程 (早期 )各种影响裂缝参数的变化过程 拉应力超过抗拉强度，导致开裂！ 膨胀 收缩 Chemical and Autogenous Shrinkage of Cement Paste 水泥浆的化学减缩与自生收缩 V化学减缩 = 0.0532C3S + 0.0400C2S + 0.1113C4AF + 0.1785C3A (cm3/g) 初凝时浇筑时硬化后化学减缩自生收缩水泥 水水泥
8、水水泥 水水化产物水化产物孔隙11 12 0501001502002503003500 24 48 72 96 120 144 168 192T im e (ho urs )Autogenousdeformation(10-6)1 5 % S1 0 % S5 % S0 % SEstimatedEffect of Silica Fume 硅灰对混凝土自身收缩 的影响 Realistic temperature tests 实际温度变化过程试验 估算自生收缩 Concrete 混凝土 水胶比 w/b = 0.40 最高温度 Tmax 60 oC 龄期 (小时 ) 15%硅灰 硅灰掺量增加 (以及混
9、凝土水胶比降低 )，会增大混凝土早期收缩，源自于自身收缩增加 10%硅灰 5%硅灰 无硅灰 13 硅灰对自生收缩 影响 的机理 自身收缩 动力：水泥水化消耗水分，导致 水泥浆 孔隙内部干燥，孔隙水转变为凹液面，对孔隙产生收缩张力。 毛细 孔隙水导致的张力遵循Kelvin-Laplace方程 ： P = 2 /R ， R是凹月面半径 ， 是水的表面张力 (0.074 N/m)。 减缩剂的作用在于减小 。 减小 R，产生更大收缩张力。 硅灰细化孔隙尺寸，导致更大的内部干燥收缩 自身收缩。 水化产物 水化产物R水化产物 水化产物高水胶比 低水胶比 14 Silica Fume - Involved
10、Parameters 与 硅灰 相关的参数 对早期裂缝危险性的影响 水化放热 无影响 增加自生收缩 不利 较高弹摸 不利 较高抗拉强度 有利 较高早期 (硬化过程 )徐变 有利 5%以内硅灰含量不增加裂缝危险性。 5%10硅灰含量，裂缝危险性决定于自生收缩与抗拉强度，何者取得竞争优势（受温度历程影响）。 15 加强养护，避免早期失水，防止塑性收缩裂缝。 在 高强、高耐磨、水下浇筑 的抗冲散混凝土等中应用，硅灰的掺量不宜太低，通常占胶凝材料的 6 12，这时结构早期裂缝的控制需要从降低约束程度（低于50%）和降低水化温升着手（最高温度不超过 40oC）。 在 普通强度、高耐久或自密实混凝土 中应
11、用， 宜采用低硅灰掺量（ 2 6）的三组分与四组分胶凝材料，即 o 水泥 +粉煤灰 +硅灰 o 水泥 +磨细矿渣 +硅灰 o 水泥 +粉煤灰 +磨细矿渣 +硅灰 Solutions of Cracking Prevention 防止裂缝的对策 超高性能混凝土 (UHPC)： 必要组分 高强混凝土 /砂浆 ： C80以上应该使用，降低强度波动和足够保证率 高耐久、自密实混凝土 /砂浆 ： 三组分或四组分胶凝材料（水泥 +粉煤灰 +硅灰， 水泥 +矿粉 +硅灰 或 水泥 +粉煤灰 +矿粉 +硅灰）可达到最优性能，减小质量波动 耐磨混凝土 /砂浆 ： 必要组分 喷射混凝土 ： 高质量喷射混凝土的必要
12、组分 硅灰最有价值的应用场合 16 高性能海工混凝土：水泥 +粉煤灰 +硅灰，三组分胶凝材料 100年设计使用寿命（ 100年内钢筋不开始锈蚀） resund Bridge 厄勒海峡大桥（丹麦 瑞典） 考虑的耐久性破坏因素 Cl-渗透导致钢筋锈蚀 冻融循环 碱骨料反应 硫酸盐侵蚀 磨蚀（海冰） 17 18 香港昂船洲大桥桥塔混凝土耐久性 強度 (strength) 60 MPa 保护层 (cover) 60mm 裂缝宽度 (crack width) 0.25mm + 不锈钢钢筋 水 胶 比 (w/b ratio) 0.35 胶材含量 (binder) 490 kg/m3 含粉煤灰 (PFA)
13、35% 硅 灰 (Silica Fume) 6% 桥梁結構设计手册規定大 桥设计使用寿命为 120年 设计要求 19 Why Use Higher Strength? 为什么采用更高强度的混凝土？ Save steel 节省钢材 Save space & steel 节省空间和钢材 Actually saving 3,000 tons rebar & 7,650 cu.m concrete 实际节省 3,000吨钢筋和 7,650立方米混凝土 1989 Why Use High Strength/HPC? 为什么采用高强 /高性能混凝土？ FHWA预计 HPC桥梁的寿命可以达到 75120年。
14、 如能充分利用 HPC较高的强度，则可不增加桥梁建设成本。降成本的方面有： o 减小结构的截面尺寸，降低混凝土方量； o 增加大梁间距，减少大梁数量； o 增加桥梁跨度，减少下部结构。 9组 41MPa混凝土大梁 4组 69MPa混凝土大梁 大梁间距 1.22m 大梁间距 2.75m 桥面板厚度 140mm 桥面板厚度 165mm 20 I25 Yale Avenue, Colorado 克罗拉多 25号州际公路耶鲁大道跨线桥 危桥重建 原桥为 4跨，重建为 2跨，以减小对交通的干扰 预应力大梁采用 69MPa高强 /高性能混凝土，跨 /高比达到37.8 (34m/0.9m)，桥下净空比原桥增
15、加 480mm。 原桥 65.5m长、 33.5m宽， 有 3组 共 45个墩柱 ；新桥 65.5m长、42m宽，只 有 1组共 4个墩柱 。 21 Burj Khalifa 哈利法塔 (迪拜塔 ) 2004 - 2010 耗资 15亿美元 建筑高度 828m 最高屋顶高 739.44m 顶层地板高 604.9m 地上 163层 + 地下 2层停车场 使用面积 30.9万 m2 设计容纳 12,000人 22 Burj Khalifa 哈利法塔 (迪拜塔 ) 586米以下为钢筋混凝土结构 共使用 33万方混凝土， 3.1万吨钢筋 楼板 C50，核芯筒 C60和 C80（约 17万 m3 ） o
16、 C80三组分胶材含 13%粉煤灰和 10%硅灰 o 流动度 600mm，实际强度 100MPa 创泵送高度新纪录： 606米 钢筋混凝土钻孔灌注桩 和筏式基础 地下水氯盐和硫酸盐含量高于海水 192根灌注桩（约 70万 m3 C60 SCC） o 三组分胶材含 2537%粉煤灰和 7%硅灰 o 流动度 675 +/- 75mm 23 Burj Khalifa 哈利法塔 (迪拜塔 ) 高程泵送 技术标准要求：砂率 50%左右，胶凝材料含1320%粉煤灰和 510硅灰 在 606米高度，用两个 3m3料斗浇筑最大速率 12m3 /h，泵送的最小浇筑速率 20m3 /h 骨料 Dmax从 20mm
17、减小到 14mm有助于减小泵送压力， 101层后 C80使用 Dmax=14mm 测试泵送压力和配比的可泵性 泵送压力 泵送高度 24 25 UHPC / RPC 超高性能 / 活性粉末 混凝土 高强度、高韧性、高抗爆性能、高耐久性（耐腐蚀、耐磨蚀） 各种性能俱佳的、前景广阔的新一代工程材料 UHPC / RPC 超高性能 / 活性粉末 混凝土 设计理论 水泥浄浆 超塑化水泥浄浆 超塑化水泥硅灰浄浆 (DSP-超细颗粒致密化体系 ) 设计理论： DSP (Densified System with ultra-fine Particles)使用超细颗粒 (纳米与亚微米 )使水泥基胶凝体系致密化
18、。各种粒径颗粒的体积含量，以达到最大堆积密度计算确定。 胶凝材料：硅灰 (纳米级和亚微米颗粒 )，水泥和粉煤灰 (微米级颗粒 ) 钢纤维或有机纤维：钢纤维 D = 0.20.6 mm， L = 612 mm 骨料： Dmax = 0.4 mm (RPC)， Dmax = 410 mm (UHPC) 26 CRC 混凝土 钢材 HRUHPC 钢筋混凝土 抗压强度 挠度 弯拉应力 参考： New Concrete New Technology, Aalborg Portland, Denmark, 1993 UHPC / RPC 超高性能 / 活性粉末 混凝土 性能 27 CRC， RPC， UHPC CRC UHPC / RPC 超高性能 / 活性粉末 混凝土 应用 各种高强高韧性薄壁、防爆、耐磨、锚固、防腐结构，等等 防爆屋面 28 法国 BOURG LES VALENCE公路桥 ， 采用 UHPC建造， 2002 UHPC公路桥梁混凝土组成和性能 UHPC / RPC 超高性能 / 活性粉末 混凝土 应用 29 30 Thanks for Your Attention! 谢谢关注！ 欢迎探讨硅灰应用问题： 电话： 13801225357 Email:
