硅灰和高性能混凝土

引言

众所周知，在商品混凝土行业中，引进和接受新技术是比较困难和缓慢的，这种说法对于硅灰尤其准确。对于这些新的技术，往往需要某个项目的“第一次使用”，从而从根本上打开该技术广泛应用的大门。对于硅灰，其取得突破性进展的项目是美国工程兵部队在20世纪80年代初在水工结构上

的应用。在硅灰应用于商品混凝土一段时间后，“高性能商品混凝土”(HPC)术语出现在商品混凝土行业。如下所述，该材料(HPC)的定义经历了一些反复。目前，“高性能”一词较广泛地表述了很多商品混凝土材料的性能特征。

本文简要地回顾了硅灰在美国应用于商品混凝土的历史，以及早期进行的市场化工作。然后，回顾了高性能商品混凝土的萌芽和演变。最后，本文对过去20年硅灰在商品混凝土中应用所积累的经验进行总结。

1　历史

在 20世纪70年代，两个挪威的组织开始将硅灰介绍到美国市场。其中一个是挪威的Norcem公司，另一个是ElborgTechnology公司。现在， 这两个组织演变成为Norcem商品混凝土制品公司和埃肯材料公司，并且仍然活跃于硅灰的生产和营销工作中。与此同时，美国工程兵部队将水工结构商品混凝土的抗冲磨性作为一个主要的研究方向[1]。在工程兵部队水道试验站工作(WES)的刘先生[2]，研制了模拟抗冲磨环境测试商品混凝土性能的试验方法， 此后成为标准ASTMC1138[3]。采用这种试验方法，开展了大规模试验研究，比较许多不同的商品混凝土和其它材料的抗冲磨性能。

笔者最早与硅灰打交道是20世纪70年代后期，在WES水道试验站工作期间。两个ElborgTechnology公司的人访问了我们，并带来材料样品，声 称材料抗压强度可以达到210MPa。尽管当时在WES水道试验站正在分析确定不同来源硅灰的特性[4]，但这是我们第一次看到这种材料真正在商品混凝土 中使用和推广。

测试所提供的150mm×300mm圆柱试件试验结果证明，上述的高抗压强度是确实存在的。根据该试验结果，高强硅灰商品 混凝土被增加进抗冲磨材料的试验计划，试验结果令人满意。因此，硅灰商品混凝土在两个主要工程中得到了应用。这两个项目是洛山矶河低流量截面的衬板和更换Kinzua大坝消力池底板、。在参考文献中对这两个项目有详细描述，所有参加者认为这两个项目是成功的。值得指出的是，在这两个项目的技术标准中，均采用抗压强度替代耐磨性能。这种间接规定商品混凝土性能的方法，在如今的高性能商品混凝土技术标准中很常见。后来的调查表明，硅灰商品混凝土具有 被期望的抗冲磨性能。

2002年4月对Kinzua大坝消力池的检查显示，在使用将近20年后，硅灰商品混凝土状态良好迄今为止，硅灰商 品混凝土的使用时间，已是先前使用的商品混凝土修补材料的两倍，而原先使用的商品混凝土修补材料在使用到10年的时候，其损坏程度已经超过使用到20年的 硅灰商品混凝土。

可惜抗冲磨商品混凝土的市场不够大，不足以维持供应商销售大量的硅灰。Norcem公司成功地开辟了耐化学腐蚀商品混凝 土领域，应用于化肥和化工厂，但这个市场的容量仍然有限。两个供应商寻找尝试其它合适的硅灰商品混凝土应用。出现了两个新领域：结构应用的高强商品混凝土和耐久性应用的低渗透商品混凝土。

Norcem和ElborgTechnology公司是早期Whitlng[7]研发“快速氯离子渗透”试验方法的支持者，该试验方法后来成为ASTMC1202、标准方法。通过这项试验的验证，硅灰商品混凝土应用有了新的突破-俄亥俄州交通部第一 个将其在桥面板上使用。在许多机构充分试验论证的基础上，这些初始项目建立起了对硅灰的信任和信心，同时有力推动了硅灰在该领域的应用。

一开始，两个主要硅灰供应商均是零售方式销售，都与制定技术标准的人员合作，发展适用硅灰的项目，然后将硅灰直接卖给商品混凝土生产企业，同时在项目建设期间提供必要技术服务。过了一段时间，这两个组织变成为如今的批发商。现在在美国，直接销售和项目技术服务主要都由外加剂供应商承担。总体来说，硅灰在美国的应用历史可以概括如下：

20世纪70年代中后期：硅灰被介绍到美国和开始应用。当时，硅灰被看作一种配方产品，市场开发和应用是逐个项目进行的。

20世纪80年代早期：硅灰的市场开发力度增大，但仍然是以项目为基础。美国陆军工程兵部队的项目和俄亥俄州桥面板项目完成。

20世纪80年代中后期：硅灰应用增长，仍然由生产商主导营销。20世纪80年代后期，美国的主要化学外加剂供应商都将硅灰纳入自己的产品系列。

20世纪80代后期至90年代中期：化学外加剂供应商大力进行硅灰的推广。这是硅灰被广泛接受的重要过程，因为这些公司具有更强的能力推广这种材料和为项目提供技术服务。

20世纪90年代中期至今：硅灰成为能够‘自身持续发展’的材料。设计人员在日常工作中选用硅灰，不再需要供应商的帮助或参与项目。目前，在许多州交通部的标准规范中都有硅灰，并在许多项目需要的某种高性能商品混凝土中应用。

2　最初硅灰商品混凝土的技术标准

在 Kinzua项目应用硅灰商品混凝土的一个有趣方面是制定项目技术标准。怎样规定使用硅灰呢?最早的两个可能的供应商均是将硅灰作为配方产品销售，产品含硅灰和化学外加剂(减水剂、高效减水剂或两者的组合)。作为政府机构，我们不想将招标限制在这两个供应商内—我们希望在更广泛的供应商范围招标。

如前所述，Buck先生、当时正在WES水道试验站做一项工作，分析确定几种不同硅灰的特性。WES水道试验站的代表—总工程师办公室和匹兹堡地区工程 部(代表Kinzua大坝)一起讨论了Buck先生的数据。硅灰的性能，在氧化硅(SiO2)含量水平85%左右，似乎是一个清晰的分界点。有合理数量货 源的硅灰，SiO2含量大于85%。因此，在硅灰技术标准中，85%SiO2含量被选定为要求的最低含量。这项指标的确定并不是以技术性能为基础，而是基 于当时潜在硅灰供应商产品能够达到的水平。然而，这项指标不幸地就由此固定了下来，并在至今的ASTM和其它标准中采用。当时，硅灰的其它特征指标来源于 粉煤灰标准。其中一个参数是比表面积的透气试验，从技术上该试验对于硅灰是不正确的。我们进一步决定，任何化学外加剂都要求满足ASTMC494的要求 、，无论硅灰作为配方产品或单独掺加。

3　高性能商品混凝土

硅灰被介绍到商品混凝土领域的一个非常独特现象，是该材料引起了各商品混凝土研究组织的极大兴趣。在早些年，送给研究人员的硅灰似乎比销售的还多。

之后，难以想象数量的研究报告发表。这些研究人员关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应用，以及可以预计的局限。从总体上，这些报告 建立起了使用硅灰的信心。无论是何种原因，与其它材料相比，人们似乎非常有兴趣将硅灰作为商品混凝土组分和纳入商品混凝土工艺技术。主要的研究与应用领域包括：

·改善界面过渡区(ITZ)对强度和渗透性的重要意义。

·在界面过渡区(ITZ)，颗粒包裹和火山灰活性的作用。

·认识到：与简单降低水胶比(w/cm)相比，掺加合适火山灰质材料，能更大幅度降低商品混凝土的渗透性。

·将高效减水剂技术应用到硅灰商品混凝土。

·利用可生产的高强商品混凝土，承载高层建筑的重力荷载。

·利用低渗透性商品混凝土改善耐久性，特别是暴露于氯污染环境。

·在水平构件中，如桥的大梁，应用高强商品混凝土。

·适宜的浇筑和抹面工艺程序，控制塑性收缩裂缝。

在有些时间，几项研究和工艺技术的潮流汇聚到了一块。这些潮流包括上述对硅灰的研究，生产和应用不含硅灰的高强商品混凝土，非常低水胶比和高掺量高效减水剂的流态商品混凝土，提高耐久性的商品混凝土等等，汇聚到一起就形成大家熟知的高性能商品混凝土。

尽管高性能商品混凝土不一定含硅灰，但我认为围绕硅灰的兴趣和研究，对发展高性能商品混凝土(HPC)的概念起了重要作用。作为战略公路研究计划(SHRP)的一部分，Zia先生和他的同事、是最早(或最早之一)尝试定义高性能商品混凝土(HPC)。

他们的定义适用面较窄，主要指导商品混凝土在公路方面应用。1991年美国商品混凝土学会(ACI)成立了高性能商品混凝土(HPC)委员会。该委员会的第一项工作就是对该材料作出定义。Russell[12]介绍ACI对高性能商品混凝土的定义(包括说明)如下：

“能够满足特殊组合的性能和匀质性要求的商品混凝土，这些要求不是日常采用传统组分和普通搅拌、浇筑、养护工艺总能达到。”

“说明”包括高性能商品混凝土可能会涉及到的下列特性：

·Easeofplacement易于浇筑Compactionwithoutsegregation密实过程不离析

·Earlyagestrength早期强度Longtermmechanicalproperties长期力学性能

·Permeability渗透性Density容重(密实性)

·Heatofhydration水化热

·Toughness韧性Volumestability体积稳定性Longlifeinsevereenvironments在恶劣环境中长寿命

(1998年，ACI对上述定义作了修改，把“早强”列入“特殊性能组合”可选性能之一，而不是作为必要的规定加以强调。编者注)

在同一篇文章中介绍了世界范围其它高性能商品混凝土的定义。无须多言，你可以看出这些定义很多内容是来源于研究硅灰应用所做的工作。

4　美国目前的硅灰市场

在美国，硅灰目前主要应用于两个领域。其一是高强商品混凝土，一般指抗压强度高于70MPa商品混凝土，主要用于城市高层结构的柱子。该应用的建筑为房地产 项目和办公楼。近些年，高强商品混凝土被应用于商品混凝土桥梁，其目的为增大梁的跨度，或减少梁的数量。这一应用的决定因素是经济性评价，即潜在的节省与高强商品混凝土增加费用的比较。

其次，也是最主要的硅灰应用，提高商品混凝土耐久传，特别是用于暴露在氯污染环境的商品混凝土。在美国中西部和东北部地区，冬季非常严酷，在公路和桥梁上用大量氯盐除冰。在公路上行走的车辆还将盐带入停车结构。结果是由于氯导致钢筋锈蚀，使桥梁和停车结构在 很短时间内破坏。迄今，在美国最广泛应用硅灰的结构是桥面板和停车楼。

5　获得的经验

在整个硅灰应用发展历程中，我们对如何最佳地使用硅灰积累了丰富的经验。下面是使用和研究人员的一些总结：

·硅灰并不适用于所有场合。制定商品混凝土技术要求的人员必须仔细分析特定的使用场合，并确认使用硅灰能够得到预期的结果。

·硅灰必须使用在合适组成(配合比)的商品混凝土中，应为低水胶比(w/cm)和含高效减水剂商品混凝土。早期的研究发现，采用硅灰的商品混凝土配合比中，水胶比为016或更高，不合理。

·硅灰与其它辅助胶凝材料的组合使用正在增长。起初，这些材料被看作是相互竞争的材料，但现在越来越广泛地认识到：最好的商品混凝土往往是组合使用这些材料的结果。

·单位体积商品混凝土的硅灰用量在减少，特别是暴露在氯盐环境的商品混凝土。最初的桥面板商品混凝土含12%～15%硅灰(以水泥重量计)，然后的几年硅灰掺量降低到8%左右。目前，如果与粉煤灰或磨细矿渣组合使用，则硅灰掺量降低到5%左右。

·尚没有硅灰商品混凝土配合比设计和性能预测的经验方法，但可以参考现有的指南和配合比实例。必须以工程实际使用材料进行试验室和现场试验，确定最终配合比。

·硅灰商品混凝土对塑性收缩裂缝敏感，但这个问题容易被克服。

·硅灰商品混凝土平面结构，特别是罩面，裂缝曾经是个问题。

湿养护至少7天基本可以解决或减轻裂缝问题。然而，在一些较长跨度的桥梁上，出现的一些裂缝还无法解释或通过施工程序防止。这样的裂缝在不含硅灰的商品混凝土也同样出现，因此可能需要更多地从结构方面考虑，而不是材料。这方面有关研究正在进行。

·硅灰商品混凝土必须进行适当的养护。如果没有养护，硅灰带给商品混凝土的优点就不能实现。如果不将适当养护的要求纳入商品混凝土技术标准和不在项目中贯彻实施养护要求，则最好不要使用硅灰商品混凝土。

·使用硅灰的商品混凝土，必须重视商品混凝土生产施工的每个环节。搅拌过程、硅灰的充分分散是关系到商品混凝土性能的关键。搅拌不好和硅灰分散不良，可能得不到预期的商品混凝土性能。

·对于确定商品混凝土的‘硬指标’性能，采用抗压强度可能是一个合适的方法。然而，确定性能必须谨慎和充分理解其场合与条件。具有相同强度的商品混凝土，测试其它性能参数，表现不一定相同。

·很多平面商品混凝土结构进行了过多的抹面。硅灰商品混凝土抹面的经验显示，进行最少的抹面工作就能获得更加耐久的商品混凝土，同时防止塑性收缩裂缝。

·在氯盐环境，硅灰商品混凝土具有期望的抗氯离子渗透性能。迄今，一些对实际结构进行的测试证明，硅灰商品混凝土性能良好。其中一个报告[13]显示：随时 间的延长，氯渗透的速率在大幅度降低。现在，实际的硅灰商品混凝土结构数量已经足够多，暴露的时间也足够长，很能够说明问题。美国硅灰协会正在进行的一项目，即在实际的桥梁、停车楼和海工结构上取样。

·硅灰产品的类型发生变化。如今，配方产品和浆体硅灰已经从市场上消失。几乎所有商品商品混凝土和预制商品混凝土企业都使用增密型硅灰。

从可施工性能方面，硅灰商品混凝土在新拌状态(塑性状态)的性能优点变的越来越重要。这些优点包括：改善喷射商品混凝土粘附性能和硬化性能，减少平面结构施工的抹面工作，改善自密实商品混凝土的稳定性和提高商品混凝土早期性能，等等。

·仍然需要与工程业主、技术标准制定人员、商品混凝土生产人员和工程承包商交流硅灰商品混凝土应用技术。美国硅灰协会活跃在这个领域。

6　结论

在美国，硅灰的应用在相对较短的时间内走过了一段长路。这种产品现在被广泛地接受，并应用于高强和高耐久商品混凝土。在硅灰被商品混凝土行业接受的过程中，我们学习总结了很多正确使用硅灰的经验。也许，有入哀叹一种材料工艺被接受的如此之慢，但应该认识到这是使一种产品得到充分了解和信任所需要的周期。

我们这些参与将硅灰引入商品混凝土应用中的人，当时并没有试图发展高性能商品混凝土，仅仅是为了解决商品混凝土结构遇到的问题或为工业副产品开发应用市场。也许，这就是商品混凝土工业技术发展与转化的方式。为一个工业副产品开展的活动，发展了高性能商品混凝土。