硅藻土替代硅灰在混凝土、砂浆中应用的研究

肖力光，邢纹浩

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

硅灰是含有很多纳米级无定型SiO2的细小粉粒，多用于高性能、高强混凝土中。近年来，关于硅灰用作掺和料的试验、理论及应用体系不断完善且日益成熟[1-4]，其价格水涨船高，因此急需寻找价格低廉的替代品。

硅藻土是硅质沉积岩，主要化学成分是无定形二氧化硅(SiO2)，我国硅藻土储量巨大居世界第二。但优质资源占比很小不到 20%，80%为低品质硅藻土。大量的低品位硅藻土被弃置严重浪费了资源。低品位硅藻土资源的有效利用和开发至关重要。利用低品位硅藻土替代硅灰，不但能大大缓解对混凝土高活性掺和料的需求，降低工程建设成本，又可以促进完善硅藻土产业链的健康发展。

1 实验部分

1.1 实验原料

水泥，选用吉林亚泰生产的P·O 42.5级水泥；低品位硅藻土，选用吉林省长白地区低品位三级硅藻土；硅灰，生产于河南鼎诺净化材料有限公司，主要化学成分见表1；石英砂，选用吉林本地产的70～90目；中砂，为吉林本地产的河沙，细度模数2.6；石子，为吉林本地产最大粒径40 mm的碎石。

表1 硅灰、硅藻土的化学成分Table 1 The chemical composition of silicafume and diatomite

1.2 砂浆、混凝土配合比

2.1节中的砂浆基本配合比(kg/m3)：水泥430，石英砂1 400，水300。

2.2节中的混凝土基本配合比(kg/m3)：水泥460，石子1 250，河沙510，水190。

2.3节中的砂浆基本配合比(kg/m3)：水泥430，河沙1 400，水300。

1.3 实验方法

将低品位硅藻土粉磨5，10，15，20 min进行机械活化，在温度600 ℃煅烧2 h进行热活化处理[5-7]，硅灰和预处理过的硅藻土分别取代水泥用量的0，4%，8%，12%。测试操作按照GB/T 50081《混凝土物理力学性能试验方法标准》、JGJ/T 70《建筑砂浆基本性能试验方法标准》、力学性能试验依据GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法》；混凝土试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。成型后立即用塑料薄膜覆盖表面，在温度为(20±1)℃的环境中养护24 h后拆除模具，随后立即放入标准养护箱中护养，砂浆和净浆的试块尺寸为160 mm×40 mm×40 mm。

2 结果与讨论

2.1 硅藻土活化处理方案的选择

将硅藻土进行机械粉磨活化处理，粉磨后的硅藻土以及硅灰、水泥的粒径大小见图1。

图1 粒径分布图Fig.1 Particle size distribution

由图1可知，水泥颗粒大小>硅灰颗粒>硅藻土粉磨5，10，15 min>硅藻土粉磨20 min。将机械活化后的硅藻土，在温度为600，650 ℃下煅烧2 h[8-9]进行热活化处理，分别等量取代水泥用量的0，4%，8%，12%和16%。图2为活化硅藻土对砂浆的28 d抗压强度影响规律图。

图2 活化硅藻土对砂浆28 d抗压强度的影响Fig.2 Each group mixed with diatomite mortar for28 d compressive strength

由图2可知，随着活化硅藻土掺量的增加砂浆的28 d抗压强度均大幅度提升，掺12%机械粉磨活化15 min+600 ℃热活化2 h的硅藻土的砂浆抗压强度提升幅度最高，增幅达170%，因此确定15 min+600 ℃热活化2 h为最优硅藻土活化方案。

2.2 硅藻土、硅灰对混凝土、砂浆的力学性能影响

分别将硅灰、机械粉磨活化15 min+600 ℃热活化2 h的活化硅藻土以0，3%，6%，9%和12%的等量取代水泥，配制混凝土试块。图3、图4为硅灰、活化硅藻土掺量对混凝土7，28 d龄期的抗压强度影响规律图。

图3 硅藻土、硅灰对混凝土7 d抗压强度的影响Fig.3 Effects of diatomite and silica fume oncompressive strength of concrete 7 d

图4 硅藻土、硅灰对混凝土28 d抗压强度的影响Fig.4 Effects of diatomite and silica fume oncompressive strength of concrete 28 d

由图3可知，掺3%的硅藻土能极大地提高混凝土早期抗压强度，提升幅度达251%，是硅灰的 1.54 倍。由图4可知，各掺量硅藻土对混凝土28 d抗压强度的提高效果均远高于硅灰，最佳掺量为6%，提高幅度达158%，是掺硅灰的1.4倍。

分别将硅灰、活化硅藻土以0，3%，6%，9%，12%等量取代水泥，配制砂浆试块，图5、图6为硅灰、活化硅藻土掺量对砂浆28 d抗折、抗压强度影响规律。由图可知，两种掺和料对砂浆的抗折、抗压强度提高的规律基本一致，活化硅藻土对砂浆抗压强度影响与掺硅灰的基本效果一致，在掺量6%范围内，强度的提升效果远远高于硅灰，但硅藻土的抗折强度的提升略低于硅灰。

图5 硅藻土、硅灰对砂浆28 d抗折强度的影响Fig.5 Effects of diatomite and silica fume onthe 28 d flexural strength of mortar

图6 硅藻土、硅灰对砂浆28 d抗压强度的影响Fig.6 Effects of diatomite and silica fume on the28 d compressive strength of mortar

据图1粒径分布图知，硅藻土经机械粉磨后粒径远远小于硅灰，因此，两者在相同质量下，硅藻土掺和料会拥有更大的比表面积，即更大接触、反应面积。在火山灰 —Ca(OH)2系统中，粉状物的表面积越大，则其与Ca(OH)2的结合量会更多，其火山灰效应更好；较小粒径的硅藻土能更好得发挥“微集料效应”，更加紧密得填充到水泥微粒之间，使胶凝材达到了更好的级配。此外，火山灰效应能改善集料与水泥石的界面过渡层[10]，通过将大孔替换为小孔来改善孔结构、降低孔隙率，使混凝土、砂浆的微观更加致密、均匀。这在宏观反映出添加活化硅藻土的混凝土试块拥有更高的抗压性能。

3 结论

(1)机械粉磨活化15 min，600 ℃热活化2 h的活化方式是提升硅藻土活性的最佳方案。

(2)掺3%硅藻土能极大提高混凝土早期抗压强度，提升幅度达251%，是同掺量硅灰效果的1.54倍；掺6%硅藻土能大幅度提高混凝土28 d抗压强度，是硅灰效果的1.4倍。

(3)低品位活化硅藻土完全可以作为高活性掺和料替代硅灰，成本低廉，为低品位硅藻土的综合利用开拓了新的途径，具有较高的经济与环保价值。