硅灰應用的發(fā)展

　　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(xiàn)在，這兩個組織演變成為Norcem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(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。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ASTMC1138。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，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，上述的高抗壓強度是確實存在的。根據(jù)該試驗結(jié)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(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用。

　　這兩個項目是洛山磯河低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(shù)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，在召集的高性能混凝土技術(shù)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(lǐng)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(lǐng)域：結(jié)構(gòu)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 C1202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(gòu)充分試驗論證的基礎(chǔ)上，這些寢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(shù)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(shù)服務。過了一段時間，這兩個組織變成為召集的批發(fā)商?，F(xiàn)在在美國。直接銷售和項目技術(shù)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(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(shù)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。

　　最初硅灰混凝土的技術(shù)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(shù)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(gòu)，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水道試驗站的代表一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含量被選定為要求的最低含量。這項指標的確定并不是以技術(shù)性能為基礎(chǔ)，而是基于當時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(shù)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。

　　高性能混凝土

　　硅灰被介紹到混凝土領(lǐng)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(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(shù)。主要的研究與應用領(lǐng)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(shù)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(gòu)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，控制塑性收到縮裂縫。

　　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。Russel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)。）

　　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。

　　美國目前的硅灰市場

　　在美國，硅灰目前主要應用于兩個領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。結(jié)果是由于氯導致鋼筋銹蝕，使橋梁和停車結(jié)構(gòu)在很大短時間內(nèi)破壞。迄今，在美國最廣泛應用硅秋的結(jié)構(gòu)是橋面板和停車樓。

　　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(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分析特定的使用場合，并確認使用硅灰能夠得到頂期的結(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0.6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(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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)方面考慮，而不是材料。這方面有關(guān)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(shù)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(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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)會正在進行的一項目，即在實際的橋梁、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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)。美國硅灰協(xié)會活躍在這個領(lǐng)域。

　　結(jié)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(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(jié)構(gòu)遇到的問題或為工業(yè)副產(chǎn)品的開發(fā)應用市場。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。