硅灰和高性能混凝土

引言

眾所周知，在商品混凝土行業中，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。在硅灰應用于商品混凝土一段時間后，“高性能商品混凝土”(HPC)術語出現在商品混凝土行業。如下所述，該材料(HPC)的定義經歷了一些反復。目前，“高性能”一詞較廣泛地表述了很多商品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商品混凝土的歷史，以及早期進行的市場化工作。然后，回顧了高性能商品混凝土的萌芽和演變。最后，本文對過去20年硅灰在商品混凝土中應用所積累的經驗進行總結。

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ElborgTechnology公司�，F在， 這兩個組織演變成為Norcem商品混凝土制品公司和埃肯材料公司，并且仍然活躍于硅灰的生產和營銷工作中。與此同時，美國工程兵部隊將水工結構商品混凝土的抗沖磨性作為一個主要的研究方向[1]。在工程兵部隊水道試驗站工作(WES)的劉先生[2]，研制了模擬抗沖磨環境測試商品混凝土性能的試驗方法， 此后成為標準ASTMC1138[3]。采用這種試驗方法，開展了大規模試驗研究，比較許多不同的商品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ElborgTechnology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[4]，但這是我們第一次看到這種材料真正在商品混凝土 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。根據該試驗結果，高強硅灰商品 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，硅灰商品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。這種間接規定商品混凝土性能的方法，在如今的高性能商品混凝土技術標準中很常見。后來的調查表明，硅灰商品混凝土具有 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，硅灰商品混凝土狀態良好迄今為止，硅灰商 品混凝土的使用時間，已是先前使用的商品混凝土修補材料的兩倍，而原先使用的商品混凝土修補材料在使用到10年的時候，其損壞程度已經超過使用到20年的 硅灰商品混凝土。

可惜抗沖磨商品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商品混凝 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商品混凝土應用。出現了兩個新領域：結構應用的高強商品混凝土和耐久性應用的低滲透商品混凝土。

Norcem和ElborgTechnology公司是早期Whitlng[7]研發“快速氯離子滲透”試驗方法的支持者，該試驗方法后來成為ASTMC1202、標準方法。通過這項試驗的驗證，硅灰商品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，發展適用硅灰的項目，然后將硅灰直接賣給商品混凝土生產企業，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商�，F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�？傮w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品，市場開發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‘自身持續發展’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范中都有硅灰，并在許多項目需要的某種高性能商品混凝土中應用。

2　最初硅灰商品混凝土的技術標準

在 Kinzua項目應用硅灰商品混凝土的一個有趣方面是制定項目技術標準。怎樣規定使用硅灰呢?最早的兩個可能的供應商均是將硅灰作為配方產品銷售，產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—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工程 部(代表Kinzua大壩)一起討論了Buck先生的數據。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。我們進一步決定，任何化學外加劑都要求滿足ASTMC494的要求 、，無論硅灰作為配方產品或單獨摻加。

3　高性能商品混凝土

硅灰被介紹到商品混凝土領域的一個非常獨特現象，是該材料引起了各商品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，難以想象數量的研究報告發表。這些研究人員關注了硅灰的方方面面，包括它在商品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商品混凝土組分和納入商品混凝土工藝技術。主要的研究與應用領域包括：

·改善界面過渡區(ITZ)對強度和滲透性的重要意義。

·在界面過渡區(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，摻加合適火山灰質材料，能更大幅度降低商品混凝土的滲透性。

·將高效減水劑技術應用到硅灰商品混凝土。

·利用可生產的高強商品混凝土，承載高層建筑的重力荷載。

·利用低滲透性商品混凝土改善耐久性，特別是暴露于氯污染環境。

·在水平構件中，如橋的大梁，應用高強商品混凝土。

·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，生產和應用不含硅灰的高強商品混凝土，非常低水膠比和高摻量高效減水劑的流態商品混凝土，提高耐久性的商品混凝土等等，匯聚到一起就形成大家熟知的高性能商品混凝土。

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

他們的定義適用面較窄，主要指導商品混凝土在公路方面應用。1991年美國商品混凝土學會(ACI)成立了高性能商品混凝土(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[12]介紹ACI對高性能商品混凝土的定義(包括說明)如下：

“能夠滿足特殊組合的性能和勻質性要求的商品混凝土，這些要求不是日常采用傳統組分和普通攪拌、澆筑、養護工藝總能達到�！�

“說明”包括高性能商品混凝土可能會涉及到的下列特性：

·Easeofplacement易于澆筑Compactionwithoutsegregation密實過程不離析

·Earlyagestrength早期強度Longtermmechanicalproperties長期力學性能

·Permeability滲透性Density容重(密實性)

·Heatofhydration水化熱

·Toughness韌性Volumestability體積穩定性Longlifeinsevereenvironments在惡劣環境中長壽命

(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定加以強調。編者注)

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

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。其一是高強商品混凝土，一般指抗壓強度高于70MPa商品混凝土，主要用于城市高層結構的柱子。該應用的建筑為房地產 項目和辦公樓。近些年，高強商品混凝土被應用于商品混凝土橋梁，其目的為增大梁的跨度，或減少梁的數量。這一應用的決定因素是經濟性評價，即潛在的節省與高強商品混凝土增加費用的比較。

其次，也是最主要的硅灰應用，提高商品混凝土耐久傳，特別是用于暴露在氯污染環境的商品混凝土。在美國中西部和東北部地區，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　獲得的經驗

在整個硅灰應用發展歷程中，我們對如何最佳地使用硅灰積累了豐富的經驗。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。制定商品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)的商品混凝土中，應為低水膠比(w/cm)和含高效減水劑商品混凝土。早期的研究發現，采用硅灰的商品混凝土配合比中，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，但現在越來越廣泛地認識到：最好的商品混凝土往往是組合使用這些材料的結果。

·單位體積商品混凝土的硅灰用量在減少，特別是暴露在氯鹽環境的商品混凝土。最初的橋面板商品混凝土含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。

·尚沒有硅灰商品混凝土配合比設計和性能預測的經驗方法，但可以參考現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場試驗，確定最終配合比。

·硅灰商品混凝土對塑性收縮裂縫敏感，但這個問題容易被克服。

·硅灰商品混凝土平面結構，特別是罩面，裂縫曾經是個問題。

濕養護至少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商品混凝土也同樣出現，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。

·硅灰商品混凝土必須進行適當的養護。如果沒有養護，硅灰帶給商品混凝土的優點就不能實現。如果不將適當養護的要求納入商品混凝土技術標準和不在項目中貫徹實施養護要求，則最好不要使用硅灰商品混凝土。

·使用硅灰的商品混凝土，必須重視商品混凝土生產施工的每個環節。攪拌過程、硅灰的充分分散是關系到商品混凝土性能的關鍵。攪拌不好和硅灰分散不良，可能得不到預期的商品混凝土性能。

·對于確定商品混凝土的‘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。具有相同強度的商品混凝土，測試其它性能參數，表現不一定相同。

·很多平面商品混凝土結構進行了過多的抹面。硅灰商品混凝土抹面的經驗顯示，進行最少的抹面工作就能獲得更加耐久的商品混凝土，同時防止塑性收縮裂縫。

·在氯鹽環境，硅灰商品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，硅灰商品混凝土性能良好。其中一個報告[13]顯示：隨時 間的延長，氯滲透的速率在大幅度降低�，F在，實際的硅灰商品混凝土結構數量已經足夠多，暴露的時間也足夠長，很能夠說明問題。美國硅灰協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。

·硅灰產品的類型發生變化。如今，配方產品和漿體硅灰已經從市場上消失。幾乎所有商品商品混凝土和預制商品混凝土企業都使用增密型硅灰。

從可施工性能方面，硅灰商品混凝土在新拌狀態(塑性狀態)的性能優點變的越來越重要。這些優點包括：改善噴射商品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，改善自密實商品混凝土的穩定性和提高商品混凝土早期性能，等等。

·仍然需要與工程業主、技術標準制定人員、商品混凝土生產人員和工程承包商交流硅灰商品混凝土應用技術。美國硅灰協會活躍在這個領域。

6　結論

在美國，硅灰的應用在相對較短的時間內走過了一段長路。這種產品現在被廣泛地接受，并應用于高強和高耐久商品混凝土。在硅灰被商品混凝土行業接受的過程中，我們學習總結了很多正確使用硅灰的經驗。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商品混凝土應用中的人，當時并沒有試圖發展高性能商品混凝土，僅僅是為了解決商品混凝土結構遇到的問題或為工業副產品開發應用市場。也許，這就是商品混凝土工業技術發展與轉化的方式。為一個工業副產品開展的活動，發展了高性能商品混凝土。