硅灰的特性与其在水泥基材料中的特殊功效

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Chemical and Autogenous Shrinkage of Cement Paste 水泥浆的化学减缩与自生收缩
水泥 水 浇筑时
水化 产物
水泥
水
初凝时 自生收缩
水化产物
水泥
水
孔 隙 化学减缩
硬化后
V化学减缩 = 0.0532[C3S] + 0.0400[C2S] + 0.1113[C4AF] + 0.1785[C3A] (cm3/g)
－无影响 －不利 －不利 －有利 －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）。
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Solutions of Cracking Prevention 防止裂缝的对策
• 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用， 宜采用低 硅灰掺量（2％～6％）的三组分与四组分胶凝材料，即
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2004 - 2010
Burj Khalifa 哈利法塔(迪拜塔)
• 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
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Burj Khalifa 哈利法塔(迪拜塔)
Basic Characteristic of Silica Fume 硅灰的基本特征
• 圆球形颗粒 • 超高细度
o 单体颗粒粒径0.01~1微米，平均为0.15微米 o 比表面积介于15,000~25,000m2/kg (采用BET氮吸附法测定)
硅灰颗粒
纳米颗粒
25%小于100nm 50%小于150nm
• 192根灌注桩（约70万m3 C60 SCC） o 三组分胶材含25~37%粉煤灰和7%硅灰
o 流动度675 +/- 75mm
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测试泵送压 力和配比的 可泵性
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 13~20%粉煤灰和5~10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
+ 亚微米颗粒
绝大部分小于1µm
有粘连与团聚
• 高化学活性——玻璃态、无定形SiO2
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Effects on Rheology 对流变性影响
0
屈 服 值 (帕)
引气
硅灰
稠 粘 稀
0
屈
服 值 (帕)
硅灰掺量
20% 400kg/m3
胶凝材料用量
300kg/m3
15% 200kg/m3
10% 7 %
加水
CH Crystal 氢氧化钙晶体
Dense C-S-H 致密的水化硅酸钙凝胶
C-S-H 水化硅酸钙凝胶
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与硅灰有相似性能的材料
• 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：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
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Why Use Higher Strength? 为什么采用更高强度的混凝土？
1989
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
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
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）
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
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硅灰最有价值的应用场合
• 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
水化产物
水化产物
水化产物
高水胶比
R
水化产物
• 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。
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低水胶比
Silica Fume - Involved Parameters 与硅灰相关的参数对早期裂缝危险性的影响

水化放热 增加自生收缩 较高弹摸 较高抗拉强度 较高早期(硬化过程)徐变
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膨胀
混凝土早期的动态变化过程
Elastic modulus
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
收缩
Auto
Tensil e
genous s hrinkage
时 间
S tr s es
Tem pe
rature
拉应力超过抗
拉强度，导致 开裂！
strength
Time
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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 。
Cement Grain 水泥颗粒
密实度和骨料-水泥浆界
面的密实度 。
Silica Fume Particles 硅灰颗粒
Silica Fume Particles 硅灰颗粒 ‘Wall Effect’ 墙效应
水泥
骨料
硅灰
硅灰填充在水泥颗粒间隙之间状态 （电子显微镜照片）
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Pozzolanic Reaction 火山灰反应
• 稻壳灰：提高抗渗性、强度、耐久性 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。
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使用硅灰有什么缺点？
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。
暴露在风中，风速 2m/s
收
缩
x10-6
干养护，相对湿度40%
湿养护，相对湿度100%
(小时)
龄期
(天)
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高性能硅灰混凝土维修旧桥桥面板，美国纽约州
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
从最早可能的 时间开始养护
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
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
塑化剂 高效减水剂
对比 4 % 2 %
塑性粘度 (帕*秒) 流变性影响因素

塑性粘度 (帕*秒) 硅灰取代水泥

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
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 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
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Effect 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
350
Concrete
15%硅灰
Autogenous deformation (10-6)
300 250 200 150 100 50 0 0 24 48 72 96
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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。
• 骨料Dmax从20mm减小到14mm有助于减小 泵送压力，101层后C80使用Dmax=14mm
泵 送 压 力
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泵送高度
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
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UHPC / RPC 超高性能 / 活性粉末混凝土 ——设计理论
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。
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Effect of Curing on Concrete Shrinkage 养护对混凝土收缩的影响
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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75~120年。 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 大梁间距1.22m 桥面板厚度140mm 4组69MPa混凝土大梁 大梁间距2.75m 桥面板厚度165mm
混凝土
估 算 自 生 收 缩
水胶比 w/b = 0.40
10%硅灰
Estimated
15% S 10% S 5% S 0% S
最高温度 Tmax 60 oC
硅灰掺量增加(以及混 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
5源自文库硅灰 无硅灰
120
144
168
192
Time (hours) 龄期(小时)
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香港昂船洲大桥桥塔混凝土耐久性
桥梁結構设计手册 規定大桥设计使用 寿命为120年
強度(strength) 60 MPa 设计 保护层(cover) 60mm 要求 裂缝宽度(crack width) 0.25mm 水胶比(w/b ratio) 胶材含量(binder) 含粉煤灰(PFA) 硅灰 (Silica Fume) 0.35 490 kg/m3 + 不锈钢钢筋 35% 6%
• 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组分
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Øresund 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）
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）
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。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 = 0.2~0.6 mm，L = 6~12 mm 骨料：Dmax = 0.4 mm (RPC)，Dmax = 4~10 mm (UHPC)