關于硅灰和高性能混凝土的一些思考

　　[ 摘　要] 硅灰的商業(yè)化應用在美國已有25 年的歷史。在此期間，硅灰從一種處于研究階段的材料演變成一種在混凝土中被廣泛規(guī)定使用的組分。硅粉在被市場所接納的時間，恰好是“高性能混凝土”一詞產(chǎn)生的前夕，有充分的理由說明：最初的硅灰混凝土項目正是高性能混凝土的起源。本文簡述了在美國市場中硅灰使用的發(fā)展歷史；回顧了硅灰混凝土如何發(fā)展成為高性能混凝土；并總結了使用硅灰的適用場合、配合比、抹面和施工性能等方面的經(jīng)驗。

　　硅粉的市場化工作也進行了近20 年時間。在此期間，硅粉的市場化工作也進行了近20 年時間。在此期間，硅粉吸引了包括美國在內(nèi)的全球眾多研究人員的注意力。發(fā)展至今，成為多種混凝土的必要組成成分。

　　引言

　　眾所周知，在混凝土行業(yè)中，引進和接受新技術是比較困難和緩慢的，這種說法對于硅灰尤其準確。對于這些新的技術，往往需要某個項目的“ 第一次使用”，從而從根本上打開該技術廣泛應用的大門。對于硅灰，其取得突破性進展的項目是美國工程兵部隊在20 世紀80 年代初在水工結構上 的應用。在硅灰應用于混凝土一段時間后，“高性能混凝土”(HPC) 術語出現(xiàn)在混凝土行業(yè)。如下所述，該材料(HPC) 的定義經(jīng)歷了一些反復。目前，“高性能”一詞較廣泛地表述了很多混凝土材料的性能特征。

　　本文簡要地回顧了硅灰在美國應用于混凝土的歷史，以及早期進行的市場化工作。然后，回顧了高性能混凝土的萌芽和演變。最后，本文對過去20 年硅灰在混凝土中應用所積累的經(jīng)驗進行總結。

　　1 　歷史

　　在20 世紀70 年代，兩個挪威的組織開始將硅灰介紹到美國市場。其中一個是挪威的Norcem 公司，另一個是Elborg Technology 公司。現(xiàn)在，這兩個組織演變成為Norcem 混凝土制品公司和?？喜牧瞎?，并且仍然活躍于硅灰的生產(chǎn)和營銷工作中。與此同時，美國工程兵部隊將水工結構混凝土的抗沖磨性作為一個主要的研究方向。在工程兵部隊水道試驗站工作(WES) 的劉先生，研制了模擬抗沖磨環(huán)境測試混凝土性能的試驗方法，此后成為標準ASTM C1138 。采用這種試驗方法，開展了大規(guī)模試驗研究，比較許多不同的混凝土和其它材料的抗沖磨性能。

　　筆者最早與硅灰打交道是20 世紀70 年代后期，在WES 水道試驗站工作期間。兩個Elborg Technology 公司的人訪問了我們， 并帶來材料樣品， 聲稱材料抗壓強度可以達到210MPa 。盡管當時在WES 水道試驗站正在分析確定不同來源硅灰的特性，但這是我們第一次看到這種材料真正在混凝土中使用和推廣。

　　測試所提供的150mm ×300mm 圓柱試件試驗結果證明， 上述的高抗壓強度是確實存在的。根據(jù)該試驗結果，高強硅灰混凝土被增加進抗沖磨材料的試驗計劃，試驗結果令人滿意。因此，硅灰混凝土在兩個主要工程中得到了應用。這兩個項目是洛山磯河低流量截面的襯板和更換Kinzua 大壩消力池底板。在參考文獻中對這兩個項目有詳細描述，所有參加者認為這兩個項目是成功的。值得指出的是，在這兩個項目的技術標準中，均采用抗壓強度替代耐磨性能。這種間接規(guī)定混凝土性能的方法，在如今的高性能混凝土技術標準中很常見。后來的調(diào)查表明，硅灰混凝土具有被期望的抗沖磨性能。

　　2002 年4 月對Kinzua 大壩消力池的檢查顯示，在使用將近20 年后，硅灰混凝土狀態(tài)良好迄今為止，硅灰混凝土的使用時間，已是先前使用的混凝土修補材料的兩倍，而原先使用的混凝土修補材料在使用到10 年的時候，其損壞程度已經(jīng)超過使用到20 年的硅灰混凝土。

　　可惜抗沖磨混凝土的市場不夠大，不足以維持供應商銷售大量的硅灰。Norcem 公司成功地開辟了耐化學腐蝕混凝土領域，應用于化肥和化工廠，但這個市場的容量仍然有限。兩個供應商尋找嘗試其它合適的硅灰混凝土應用。出現(xiàn)了兩個新領域：結構應用的高強混凝土和耐久性應用的低滲透混凝土。

　　Norcem 和Elborg Technology 公司是早期Whitlng研發(fā)“快速氯離子滲透”試驗方法的支持者，該試驗方法后來成為ASTM C 1202標準方法。通過這項試驗的驗證，硅灰混凝土應用有了新的突破-俄亥俄州交通部第一個將其在橋面板上使用。在許多機構充分試驗論證的基礎上，這些初始項目建立起了對硅灰的信任和信心，同時有力推動了硅灰在該領域的應用。

　　一開始，兩個主要硅灰供應商均是零售方式銷售，都與制定技術標準的人員合作，發(fā)展適用硅灰的項目，然后將硅灰直接賣給混凝土生產(chǎn)企業(yè)，同時在項目建設期間提供必要技術服務。過了一段時間，這兩個組織變成為如今的批發(fā)商?，F(xiàn)在在美國，直接銷售和項目技術服務主要都由外加劑供應商承擔。總體來說，硅灰在美國的應用歷史可以概括如下：

　　20 世紀70 年代中后期：硅灰被介紹到美國和開始應用。當時，硅灰被看作一種配方產(chǎn)品，市場開發(fā)和應用是逐個項目進行的。

　　20 世紀80 年代早期：硅灰的市場開發(fā)力度增大，但仍然是以項目為基礎。美國陸軍工程兵部隊的項目和俄亥俄州橋面板項目完成。

　　20 世紀80 年代中后期：硅灰應用增長，仍然由生產(chǎn)商主導營銷。20 世紀80 年代后期，美國的主要化學外加劑供應商都將硅灰納入自己的產(chǎn)品系列。

　　20 世紀80 代后期至90 年代中期：化學外加劑供應商大力進行硅灰的推廣。這是硅灰被廣泛接受的重要過程，因為這些公司具有更強的能力推廣這種材料和為項目提供技術服務。

　　20 世紀90 年代中期至今： 硅灰成為能夠‘自身持續(xù)發(fā)展’的材料。設計人員在日常工作中選用硅灰，不再需要供應商的幫助或參與項目。目前，在許多州交通部的標準規(guī)范中都有硅灰，并在許多項目需要的某種高性能混凝土中應用。

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　　2 　最初硅灰混凝土的技術標準

　　在Kinzua 項目應用硅灰混凝土的一個有趣方面是制定項目技術標準。怎樣規(guī)定使用硅灰呢? 最早的兩個可能的供應商均是將硅灰作為配方產(chǎn)品銷售，產(chǎn)品含硅灰和化學外加劑(減水劑、高效減水劑或兩者的組合) 。作為政府機構，我們不想將招標限制在這兩個供應商內(nèi)—我們希望在更廣泛的供應商范圍招標。

　　如前所述，Buck 先生當時正在WES 水道試驗站做一項工作，分析確定幾種不同硅灰的特性。WES 水道試驗站的代表—總工程師辦公室和匹茲堡地區(qū)工程部(代表Kinzua 大壩) 一起討論了Buck 先生的數(shù)據(jù)。硅灰的性能，在氧化硅(SiO2) 含量水平85 % 左右，似乎是一個清晰的分界點。有合理數(shù)量貨源的硅灰，SiO2含量大于85% 。因此，在硅灰技術標準中，85%SiO2 含量被選定為要求的最低含量。這項指標的確定并不是以技術性能為基礎，而是基于當時潛在硅灰供應商產(chǎn)品能夠達到的水平。然而，這項指標不幸地就由此固定了下來，并在至今的ASTM 和其它標準中采用。當時，硅灰的其它特征指標來源于粉煤灰標準。其中一個參數(shù)是比表面積的透氣試驗，從技術上該試驗對于硅灰是不正確的。我們進一步?jīng)Q定，任何化學外加劑都要求滿足ASTM C 494 的要求，無論硅灰作為配方產(chǎn)品或單獨摻加。

　　3 　高性能混凝土

　　硅灰被介紹到混凝土領域的一個非常獨特現(xiàn)象，是該材料引起了各混凝土研究組織的極大興趣。在早些年，送給研究人員的硅灰似乎比銷售的還多。

　　之后，難以想象數(shù)量的研究報告發(fā)表。這些研究人員關注了硅灰的方方面面，包括它在混凝土中的作用和可能的應用， 以及可以預計的局限。從總體上，這些報告建立起了使用硅灰的信心。無論是何種原因，與其它材料相比，人們似乎非常有興趣將硅灰作為混凝土組分和納入混凝土工藝技術。主要的研究與應用領域包括：

　　·改善界面過渡區(qū)(ITZ) 對強度和滲透性的重要意義。

　　·在界面過渡區(qū)(ITZ) ，顆粒包裹和火山灰活性的作用。

　　·認識到：與簡單降低水膠比(w/ cm) 相比，摻加合適火山灰質(zhì)材料，能更大幅度降低混凝土的滲透性。

　　·將高效減水劑技術應用到硅灰混凝土。

　　·利用可生產(chǎn)的高強混凝土，承載高層建筑的重力荷載。

　　·利用低滲透性混凝土改善耐久性，特別是暴露于氯污染環(huán)境。

　　·在水平構件中，如橋的大梁，應用高強混凝土。

　　·適宜的澆筑和抹面工藝程序，控制塑性收縮裂縫。

　　在有些時間，幾項研究和工藝技術的潮流匯聚到了一塊。這些潮流包括上述對硅灰的研究，生產(chǎn)和應用不含硅灰的高強混凝土，非常低水膠比和高摻量高效減水劑的流態(tài)混凝土，提高耐久性的混凝土等等，匯聚到一起就形成大家熟知的高性能混凝土。

　　盡管高性能混凝土不一定含硅灰，但我認為圍繞硅灰的興趣和研究，對發(fā)展高性能混凝土(HPC) 的概念起了重要作用。作為戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP) 的一部分，Zia 先生和他的同事是最早(或最早之一) 嘗試定義高性能混凝土(HPC) 。

　　他們的定義適用面較窄，主要指導混凝土在公路方面應用。1991 年美國混凝土學會(ACI) 成立了高性能混凝土(HPC) 委員會。該委員會的第一項工作就是對該材料作出定義。Russell介紹ACI 對高性能混凝土的定義(包括說明) 如下：

　　“能夠滿足特殊組合的性能和勻質(zhì)性要求的混凝土，這些要求不是日常采用傳統(tǒng)組分和普通攪拌、澆筑、養(yǎng)護工藝總能達到。”

　　“說明”包括高性能混凝土可能會涉及到的下列特性：

　　·Ease of placement 易于澆筑Compaction without segregation 密實過程不離析

　　·Early age strength 早期強度Long term mechanical properties 長期力學性能

　　·Permeability 滲透性Density 容重(密實性)

　　·Heat of hydration 水化熱

　　·Toughness 韌性Volume stability 體積穩(wěn)定性Long life in severe environments 在惡劣環(huán)境中長壽命

　　(1998 年，ACI 對上述定義作了修改，把“ 早強”列入“ 特殊性能組合”可選性能之一，而不是作為必要的規(guī)定加以強調(diào)。編者注)

　　在同一篇文章中介紹了世界范圍其它高性能混凝土的定義。無須多言，你可以看出這些定義很多內(nèi)容是來源于研究硅灰應用所做的工作。

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　　4 　美國目前的硅灰市場

　　在美國，硅灰目前主要應用于兩個領域。其一是高強混凝土，一般指抗壓強度高于70MPa 混凝土，主要用于城市高層結構的柱子。該應用的建筑為房地產(chǎn)項目和辦公樓。近些年，高強混凝土被應用于混凝土橋梁，其目的為增大梁的跨度，或減少梁的數(shù)量。這一應用的決定因素是經(jīng)濟性評價，即潛在的節(jié)省與高強混凝土增加費用的比較。

　　其次，也是最主要的硅灰應用，提高混凝土耐久傳，特別是用于暴露在氯污染環(huán)境的混凝土。在美國中西部和東北部地區(qū)，冬季非常嚴酷，在公路和橋梁上用大量氯鹽除冰。在公路上行走的車輛還將鹽帶入停車結構。結果是由于氯導致鋼筋銹蝕，使橋梁和停車結構在很短時間內(nèi)破壞。迄今，在美國最廣泛應用硅灰的結構是橋面板和停車樓。

　　5 　獲得的經(jīng)驗

　　在整個硅灰應用發(fā)展歷程中，我們對如何最佳地使用硅灰積累了豐富的經(jīng)驗。下面是使用和研究人員的一些總結：

　　·硅灰并不適用于所有場合。制定混凝土技術要求的人員必須仔細分析特定的使用場合，并確認使用硅灰能夠得到預期的結果。

　　·硅灰必須使用在合適組成(配合比) 的混凝土中，應為低水膠比(w/ cm) 和含高效減水劑混凝土。早期的研究發(fā)現(xiàn)，采用硅灰的混凝土配合比中，水膠比為016 或更高，不合理。

　　·硅灰與其它輔助膠凝材料的組合使用正在增長。起初， 這些材料被看作是相互競爭的材料，但現(xiàn)在越來越廣泛地認識到：最好的混凝土往往是組合使用這些材料的結果。

　　·單位體積混凝土的硅灰用量在減少，特別是暴露在氯鹽環(huán)境的混凝土。最初的橋面板混凝土含12 %～15 % 硅灰(以水泥重量計)，然后的幾年硅灰摻量降低到8 % 左右。目前，如果與粉煤灰或磨細礦渣組合使用，則硅灰摻量降低到5 % 左右。

　　·尚沒有硅灰混凝土配合比設計和性能預測的經(jīng)驗方法，但可以參考現(xiàn)有的指南和配合比實例。必須以工程實際使用材料進行試驗室和現(xiàn)場試驗，確定最終配合比。

　　·硅灰混凝土對塑性收縮裂縫敏感，但這個問題容易被克服。

　　·硅灰混凝土平面結構，特別是罩面，裂縫曾經(jīng)是個問題。

　　濕養(yǎng)護至少7 天基本可以解決或減輕裂縫問題。然而，在一些較長跨度的橋梁上，出現(xiàn)的一些裂縫還無法解釋或通過施工程序防止。這樣的裂縫在不含硅灰的混凝土也同樣出現(xiàn)，因此可能需要更多地從結構方面考慮，而不是材料。這方面有關研究正在進行。

　　·硅灰混凝土必須進行適當?shù)酿B(yǎng)護。如果沒有養(yǎng)護，硅灰?guī)Ыo混凝土的優(yōu)點就不能實現(xiàn)。如果不將適當養(yǎng)護的要求納入混凝土技術標準和不在項目中貫徹實施養(yǎng)護要求，則最好不要使用硅灰混凝土。

　　·使用硅灰的混凝土，必須重視混凝土生產(chǎn)施工的每個環(huán)節(jié)。攪拌過程、硅灰的充分分散是關系到混凝土性能的關鍵。攪拌不好和硅灰分散不良，可能得不到預期的混凝土性能。

　　·對于確定混凝土的‘硬指標’性能，采用抗壓強度可能是一個合適的方法。然而，確定性能必須謹慎和充分理解其場合與條件。具有相同強度的混凝土，測試其它性能參數(shù)，表現(xiàn)不一定相同。

　　·很多平面混凝土結構進行了過多的抹面。硅灰混凝土抹面的經(jīng)驗顯示，進行最少的抹面工作就能獲得更加耐久的混凝土，同時防止塑性收縮裂縫。

　　·在氯鹽環(huán)境，硅灰混凝土具有期望的抗氯離子滲透性能。迄今，一些對實際結構進行的測試證明，硅灰混凝土性能良好。其中一個報告顯示：隨時間的延長，氯滲透的速率在大幅度降低?，F(xiàn)在，實際的硅灰混凝土結構數(shù)量已經(jīng)足夠多，暴露的時間也足夠長，很能夠說明問題。美國硅灰協(xié)會正在進行的一項目，即在實際的橋梁、停車樓和海工結構上取樣。

　　·硅灰產(chǎn)品的類型發(fā)生變化。如今，配方產(chǎn)品和漿體硅灰已經(jīng)從市場上消失。幾乎所有商品混凝土和預制混凝土企業(yè)都使用增密型硅灰。

　　從可施工性能方面，硅灰混凝土在新拌狀態(tài)(塑性狀態(tài)) 的性能優(yōu)點變的越來越重要。這些優(yōu)點包括：改善噴射混凝土粘附性能和硬化性能，減少平面結構施工的抹面工作，改善自密實混凝土的穩(wěn)定性和提高混凝土早期性能，等等。

　　·仍然需要與工程業(yè)主、技術標準制定人員、混凝土生產(chǎn)人員和工程承包商交流硅灰混凝土應用技術。美國硅灰協(xié)會活躍在這個領域。

　　6 　結論

　　在美國，硅灰的應用在相對較短的時間內(nèi)走過了一段長路。這種產(chǎn)品現(xiàn)在被廣泛地接受，并應用于高強和高耐久混凝土。在硅灰被混凝土行業(yè)接受的過程中，我們學習總結了很多正確使用硅灰的經(jīng)驗。也許，有入哀嘆一種材料工藝被接受的如此之慢，但應該認識到這是使一種產(chǎn)品得到充分了解和信任所需要的周期。

　　我們這些參與將硅灰引入混凝土應用中的人，當時并沒有試圖發(fā)展高性能混凝土，僅僅是為了解決混凝土結構遇到的問題或為工業(yè)副產(chǎn)品開發(fā)應用市場。也許，這就是混凝土工業(yè)技術發(fā)展與轉化的方式。為一個工業(yè)副產(chǎn)品開展的活動，發(fā)展了高性能混凝土。