關(guān)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(yīng)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(jié)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。
    [ 關(guān)鍵詞] 高性能混凝土； 硅灰
    硅粉的市場化工作也進(jìn)行了近20 年時間。在此期間，硅粉的市場化工作也進(jìn)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(jìn)和接受新技術(shù)是比較困難和緩慢的，這種說法對于硅灰尤其準(zhǔn)確。對于這些新的技術(shù)，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(shù)廣泛應(yīng)用的大門。對于硅灰，其取得突破性進(jìn)展的項目是美國工程兵部隊在20 世紀(jì)80 年代初在水工結(jié)構(gòu)上
的應(yīng)用。在硅灰應(yīng)用于混凝土一段時間后，“高性能混凝土”(HPC) 術(shù)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(fù)。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(yīng)用于混凝土的歷史，以及早期進(jìn)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(yīng)用所積累的經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)。

    1 　歷史
    在20 世紀(jì)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(jié)構(gòu)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(huán)境測試混凝土性能的試驗方法，此后成為標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1138[ 3 ] 。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(jì)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(qiáng)度可以達(dá)到210MPa 。盡管當(dāng)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混凝土中使用和推廣。

    測試所提供的150mm ×300mm 圓柱試件試驗結(jié)果證明， 上述的高抗壓強(qiáng)度是確實(shí)存在的。根據(jù)該試驗結(jié)果，高強(qiáng)硅灰混凝土被增加進(jìn)抗沖磨材料的試驗計劃，試驗結(jié)果令人滿意。因此，硅灰混凝土在兩個主要工程中得到了應(yīng)用。這兩個項目是洛山磯河低流量截面的襯板[ 5 ] 和更換Kinzua 大壩消力池底板[ 6 ] 。在參考文獻(xiàn)中對這兩個項目有詳細(xì)描述，所有參加者認(rèn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，均采用抗壓強(qiáng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)材料的兩倍，而原先使用的混凝土修補(bǔ)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(yīng)商銷售大量的硅灰。Norcem 公司成功地開辟了耐化學(xué)腐蝕混凝土領(lǐng)域，應(yīng)用于化肥和化工廠，但這個市場的容量仍然有限。兩個供應(yīng)商尋找嘗試其它合適的硅灰混凝土應(yīng)用。出現(xiàn)了兩個新領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高強(qiáng)混凝土和耐久性應(yīng)用的低滲透混凝土。

    Norcem 和Elborg Technology 公司是早期Whitlng[ 7 ] 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[ 8 ] 標(biāo)準(zhǔn)方法。通過這項試驗的驗證，硅灰混凝土應(yīng)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(jī)構(gòu)充分試驗論證的基礎(chǔ)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(lǐng)域的應(yīng)用。

    一開始，兩個主要硅灰供應(yīng)商均是零售方式銷售，都與制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)期間提供必要技術(shù)服務(wù)。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(shù)服務(wù)主要都由外加劑供應(yīng)商承擔(dān)?？傮w來說，硅灰在美國的應(yīng)用歷史可以概括如下：

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

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

    20 世紀(jì)80 代后期至90 年代中期：化學(xué)外加劑供應(yīng)商大力進(jìn)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(qiáng)的能力推廣這種材料和為項目提供技術(shù)服務(wù)。

    20 世紀(jì)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(shè)計人員在日常工作中選用硅灰，不再需要供應(yīng)商的幫助或參與項目。目前，在許多州交通部的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。

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

    如前所述，Buck 先生[ 1 ] 當(dāng)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(diǎn)。有合理數(shù)量貨源的硅灰，SiO2 含量大于85 % 。因此，在硅灰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中， 85 %SiO2 含量被選定為要求的最低含量。這項指標(biāo)的確定并不是以技術(shù)性能為基礎(chǔ)，而是基于當(dāng)時潛在硅灰供應(yīng)商產(chǎn)品能夠達(dá)到的水平。然而，這項指標(biāo)不幸地就由此固定了下來，并在至今的ASTM 和其它標(biāo)準(zhǔn)中采用。當(dāng)時，硅灰的其它特征指標(biāo)來源于粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。其中一個參數(shù)是比表面積的透氣試驗，從技術(shù)上該試驗對于硅灰是不正確的。我們進(jìn)一步?jīng)Q定，任何化學(xué)外加劑都要求滿足ASTM C 494 的要求[ 10 ] ，無論硅灰作為配方產(chǎn)品或單獨(dú)摻加。

    3 　高性能混凝土
    硅灰被介紹到混凝土領(lǐng)域的一個非常獨(dú)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(guān)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(yīng)用， 以及可以預(yù)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(shù)。主要的研究與應(yīng)用領(lǐng)域包括：

    ·改善界面過渡區(qū)(ITZ) 對強(qiáng)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(rèn)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(shù)應(yīng)用到硅灰混凝土。
    ·利用可生產(chǎn)的高強(qiáng)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(gòu)件中，如橋的大梁，應(yīng)用高強(qiáng)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(shù)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(yīng)用不含硅灰的高強(qiáng)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(rèn)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[ 11 ] 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(dǎo)混凝土在公路方面應(yīng)用。1991 年美國混凝土學(xué)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[ 12 ] 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(hù)工藝總能達(dá)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(shí)過程不離析
    ·Early age strength 早期強(qiáng)度Long term mechanical properties 長期力學(xué)性能
    ·Permeability 滲透性Density 容重(密實(shí)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(qiáng)”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(qiáng)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(yīng)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(yīng)用于兩個領(lǐng)域。其一是高強(qiáng)混凝土，一般指抗壓強(qiáng)度高于70MPa 混凝土，主要用于城市高層結(jié)構(gòu)的柱子。該應(yīng)用的建筑為房地產(chǎn)項目和辦公樓。近些年，高強(qiáng)混凝土被應(yīng)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(yīng)用的決定因素是經(jīng)濟(jì)性評價，即潛在的節(jié)省與高強(qiáng)混凝土增加費(fèi)用的比較。

    其次，也是最主要的硅灰應(yīng)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(yán)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(jié)構(gòu)。結(jié)果是由于氯導(dǎo)致鋼筋銹蝕，使橋梁和停車結(jié)構(gòu)在很短時間內(nèi)破壞。迄今，在美國最廣泛應(yīng)用硅灰的結(jié)構(gòu)是橋面板和停車樓。

    5 　獲得的經(jīng)驗
    在整個硅灰應(yīng)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(jié)：
    ·硅灰并不適用于所有場合。制定混凝土技術(shù)要求的人員必須仔細(xì)分析特定的使用場合，并確認(rèn)使用硅灰能夠得到預(yù)期的結(jié)果。
    ·硅灰必須使用在合適組成(配合比) 的混凝土中，應(yīng)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(rèn)識到：最好的混凝土往往是組合使用這些材料的結(jié)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(xì)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(shè)計和性能預(yù)測的經(jīng)驗方法， 但可以參考現(xiàn)有的指南和配合比實(shí)例。必須以工程實(shí)際使用材料進(jìn)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(jié)構(gòu)，特別是罩面，裂縫曾經(jīng)是個問題。

    濕養(yǎng)護(hù)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(jié)構(gòu)方面考慮，而不是材料。這方面有關(guān)研究正在進(jìn)行。
    ·硅灰混凝土必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)。如果沒有養(yǎng)護(hù)，硅灰?guī)Ыo混凝土的優(yōu)點(diǎn)就不能實(shí)現(xiàn)。如果不將適當(dāng)養(yǎng)護(hù)的要求納入混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和不在項目中貫徹實(shí)施養(yǎng)護(hù)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(guān)系到混凝土性能的關(guān)鍵。攪拌不好和硅灰分散不良，可能得不到預(yù)期的混凝土性能。
    ·對于確定混凝土的‘硬指標(biāo)’性能，采用抗壓強(qiáng)度可能是一個合適的方法。然而，確定性能必須謹(jǐn)慎和充分理解其場合與條件。具有相同強(qiáng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了過多的抹面。硅灰混凝土抹面的經(jīng)驗顯示，進(jìn)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(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行的測試證明，硅灰混凝土性能良好。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(xiàn)在，實(shí)際的硅灰混凝土結(jié)構(gòu)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(jìn)行的一項目，即在實(shí)際的橋梁、停車樓和海工結(jié)構(gòu)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(yù)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(diǎn)變的越來越重要。這些優(yōu)點(diǎn)包括：改善噴射混凝土粘附性能和硬化性能，減少平面結(jié)構(gòu)施工的抹面工作，改善自密實(shí)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用技術(shù)。美國硅灰協(xié)會活躍在這個領(lǐng)域。

    6 　結(jié)論
    在美國，硅灰的應(yīng)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(yīng)用于高強(qiáng)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(xué)習(xí)總結(jié)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(yīng)該認(rèn)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(yīng)用中的人，當(dāng)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(jié)構(gòu)遇到的問題或為工業(yè)副產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用市場。也許，這就是混凝土工業(yè)技術(shù)發(fā)展與轉(zhuǎn)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。

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[作者簡介] 　Terence C1 Holland 先生，前任美國混凝土學(xué)會(ACI) 主席，現(xiàn)任ACI 董事會成員、ACI -318 建筑規(guī)范混凝土與施工專業(yè)委員會主席和ACI -234 硅灰專業(yè)委員會副主席。Holland 先生早期(20 世紀(jì)70 年代) 就職于美國陸軍工程兵部隊，在密西西比水道試驗站工作期間，最早進(jìn)行了抗沖磨高性能混凝土研究與應(yīng)用。他長期領(lǐng)導(dǎo)ACI 技術(shù)活動委員會(1993～2000) 和部分專業(yè)技術(shù)委員會工作，如ACI -546 混凝土維修、ACI -304 混凝土測試、攪拌、運(yùn)輸和澆筑等專業(yè)委員會工作，常年為工程承包商、混凝土原材料供應(yīng)商和混凝土生產(chǎn)企業(yè)提供技術(shù)咨詢服務(wù)，深入許多實(shí)際工程解決問題。Holland 先生已有20 多年的高性能混凝土工作經(jīng)驗，目前也在從事高性能混凝土推廣應(yīng)用和工程施工指導(dǎo)方面工作。
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