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硅灰對高性能混凝土強度的作用機理
a.填充效應(yīng)
混凝土在拌制混合物時，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(jié)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(fā)后便留下孔隙，從而減少混凝土實際受力面積，并且在混凝土受力時，易在孔隙周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。在混凝土中，內(nèi)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(qū)形成的Ca(OH)2要多于其它區(qū)域，而且Ca(OH)2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Ca(OH)2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(qū)由于多孔和有許多定向排列的大Ca(OH)2晶體，而成為混凝土內(nèi)部的強度薄弱區(qū)。HPC中由于摻入一定量的硅灰，其強度與普通混凝土(不摻硅灰)相比，有明顯改善。有學(xué)者曾計算：以15%的硅灰取代水泥，則在水泥顆粒數(shù)量與硅灰顆粒數(shù)量的比例為1∶2000000，即二百萬個硅灰對一個水泥顆粒，因此硅灰對ＨＰＣ強度有很大影響。在HPC中小于水泥顆粒直徑100倍的硅灰，填充于水泥漿體的孔隙間，填充于水泥顆粒的空隙間，其效果如同水泥顆粒填充在骨料空隙之間和細骨料填充在粗骨料空隙之間一樣，從微觀尺度上增加HPC的密實度，提高了HPC的強度，這就是硅灰的“填充效應(yīng)”。在HPC中，填充于水泥漿體中的硅灰使水泥漿體孔的數(shù)量明顯減少，勻質(zhì)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(qū)的硅灰，降低了HPC的泌水，防止水分在骨料下面聚集，使骨料界面過渡區(qū)與水泥凈漿的顯微結(jié)構(gòu)相似，從而提高了界面過濾區(qū)的密實度和有效減小界面過渡區(qū)的厚度。微小硅灰顆粒成為Ca(OH)2的“晶種”，使Ca(OH)2晶體的尺寸更小，取向更隨機。因此，硅灰的摻入提高了HPC中水泥凈漿與骨料的粘結(jié)強度，消除了混凝土中不同復(fù)合組分的“弱連接”問題，使ＨＰＣ具有復(fù)合材料的特性。骨粒顆粒在HPC中起著增強作用，而不僅僅是惰性的填充物。硅灰對水泥凈漿(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。
b.火山灰效應(yīng)
在硅酸鹽水泥水化過程中，水泥水化反應(yīng)生成C-S-H、Ca(OH)2和鈣礬石等水化產(chǎn)物。其中Ca(OH)2對強度有不利影響。硅灰中高度分散的SiO2組分能與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，即所謂火山灰效應(yīng)。
Ca(OH)2+SiO2+H2O→C-S-H
許多研究表明：在有硅灰存在的情況下，水泥水化早期的水化產(chǎn)物中有大量Ca(OH)2，隨著齡期的延長，Ca(OH)2的量越來越少，甚至完全測不到。Grutzeck等人對硅灰的火山灰效應(yīng)提出解釋：硅灰接觸拌合水后首先形成富硅的凝膠，并吸收水分；凝膠在未水化水泥顆粒之間聚集，逐漸包裹水泥顆粒；Ca(OH)2與該富硅凝膠的表面反應(yīng)產(chǎn)生C-S-H凝膠，這些來源于硅灰和Ca(OH)2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(jié)構(gòu)密實度。也就是說：硅灰的火山灰效應(yīng)能將對強度不利的Ca(OH)2轉(zhuǎn)化成C-S-H凝膠，并填充在水泥水化產(chǎn)物之間，有力地促進了HPC強度的增長。同時，硅灰與Ca(OH)2反應(yīng)，Ca(OH)2不斷被消耗，會加快水泥的水化速率，提高HPC的早期強度。
c.孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)
在水泥－硅灰水化體系中，硅灰與水泥的比率增加則水化產(chǎn)物的Ca/Si比降低。Ca/Si比低，相應(yīng)的C-S-H凝膠就會結(jié)合較多的其它離子，如鋁和堿金屬離子等。這樣就會使孔隙溶液的堿金屬離子濃度大幅度降低。這就所謂孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)。增加硅灰取代水泥的比率，則孔隙溶液的pH值降低。這是由于堿金屬離子和Ca(OH)2與硅灰反應(yīng)而消耗引起的。對于含有堿活性骨料的HPC，硅灰這種降低孔隙堿金屬離子（Ｋa+、Ｎa+）濃度的作用非常重要，因為能夠有效地削弱甚至消除發(fā)生堿－硅酸反應(yīng)(ASR)的危害。硅灰還可提高HPC的電阻率和大幅度降低Cl－的滲透速率，防止鋼筋銹蝕，提高HPC的強度和耐久性。
混凝土在拌制混合物時，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(jié)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(fā)后便留下孔隙，從而減少混凝土實際受力面積，并且在混凝土受力時，易在孔隙周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。在混凝土中，內(nèi)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(qū)形成的Ca(OH)2要多于其它區(qū)域，而且Ca(OH)2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Ca(OH)2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(qū)由于多孔和有許多定向排列的大Ca(OH)2晶體，而成為混凝土內(nèi)部的強度薄弱區(qū)。HPC中由于摻入一定量的硅灰，其強度與普通混凝土(不摻硅灰)相比，有明顯改善。有學(xué)者曾計算：以15%的硅灰取代水泥，則在水泥顆粒數(shù)量與硅灰顆粒數(shù)量的比例為1∶2000000，即二百萬個硅灰對一個水泥顆粒，因此硅灰對ＨＰＣ強度有很大影響。在HPC中小于水泥顆粒直徑100倍的硅灰，填充于水泥漿體的孔隙間，填充于水泥顆粒的空隙間，其效果如同水泥顆粒填充在骨料空隙之間和細骨料填充在粗骨料空隙之間一樣，從微觀尺度上增加HPC的密實度，提高了HPC的強度，這就是硅灰的“填充效應(yīng)”。在HPC中，填充于水泥漿體中的硅灰使水泥漿體孔的數(shù)量明顯減少，勻質(zhì)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(qū)的硅灰，降低了HPC的泌水，防止水分在骨料下面聚集，使骨料界面過渡區(qū)與水泥凈漿的顯微結(jié)構(gòu)相似，從而提高了界面過濾區(qū)的密實度和有效減小界面過渡區(qū)的厚度。微小硅灰顆粒成為Ca(OH)2的“晶種”，使Ca(OH)2晶體的尺寸更小，取向更隨機。因此，硅灰的摻入提高了HPC中水泥凈漿與骨料的粘結(jié)強度，消除了混凝土中不同復(fù)合組分的“弱連接”問題，使ＨＰＣ具有復(fù)合材料的特性。骨粒顆粒在HPC中起著增強作用，而不僅僅是惰性的填充物。硅灰對水泥凈漿(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。
b.火山灰效應(yīng)
在硅酸鹽水泥水化過程中，水泥水化反應(yīng)生成C-S-H、Ca(OH)2和鈣礬石等水化產(chǎn)物。其中Ca(OH)2對強度有不利影響。硅灰中高度分散的SiO2組分能與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，即所謂火山灰效應(yīng)。
Ca(OH)2+SiO2+H2O→C-S-H
許多研究表明：在有硅灰存在的情況下，水泥水化早期的水化產(chǎn)物中有大量Ca(OH)2，隨著齡期的延長，Ca(OH)2的量越來越少，甚至完全測不到。Grutzeck等人對硅灰的火山灰效應(yīng)提出解釋：硅灰接觸拌合水后首先形成富硅的凝膠，并吸收水分；凝膠在未水化水泥顆粒之間聚集，逐漸包裹水泥顆粒；Ca(OH)2與該富硅凝膠的表面反應(yīng)產(chǎn)生C-S-H凝膠，這些來源于硅灰和Ca(OH)2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(jié)構(gòu)密實度。也就是說：硅灰的火山灰效應(yīng)能將對強度不利的Ca(OH)2轉(zhuǎn)化成C-S-H凝膠，并填充在水泥水化產(chǎn)物之間，有力地促進了HPC強度的增長。同時，硅灰與Ca(OH)2反應(yīng)，Ca(OH)2不斷被消耗，會加快水泥的水化速率，提高HPC的早期強度。
c.孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)
在水泥－硅灰水化體系中，硅灰與水泥的比率增加則水化產(chǎn)物的Ca/Si比降低。Ca/Si比低，相應(yīng)的C-S-H凝膠就會結(jié)合較多的其它離子，如鋁和堿金屬離子等。這樣就會使孔隙溶液的堿金屬離子濃度大幅度降低。這就所謂孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)。增加硅灰取代水泥的比率，則孔隙溶液的pH值降低。這是由于堿金屬離子和Ca(OH)2與硅灰反應(yīng)而消耗引起的。對于含有堿活性骨料的HPC，硅灰這種降低孔隙堿金屬離子（Ｋa+、Ｎa+）濃度的作用非常重要，因為能夠有效地削弱甚至消除發(fā)生堿－硅酸反應(yīng)(ASR)的危害。硅灰還可提高HPC的電阻率和大幅度降低Cl－的滲透速率，防止鋼筋銹蝕，提高HPC的強度和耐久性。
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