水泥混凝土道路置于自然环境下长期承受着以交通为主的载荷-卸荷的作用，因此要求道路混凝土具有足够的抗折强度、低的脆度系数和优良的耐磨性能。然而普通混凝土抗折强度较低，而双掺硅灰、粉煤灰高强混凝土虽然抗折强度有所提高，但同时脆度系数也随之增大〔1〕，降低了道路混凝土的耐久性能。为此有必要对路用混凝土结构和性能进行改善和研究，以满足市政道路混凝土的需要。由大量研究工作者对混凝土界面区域结构与性能研究结果表明：提高界面粘结强度可以降低混凝土的脆度〔2，3〕。但是应用硅灰裹石法对于提高混凝土路用性能的研究至今还未见报道。笔者着重研究了采用硅灰裹石法对于提高混凝土路用性能的影响，并加以讨论。
1 实验方法
1.1 原材料
水泥：三航局小野田水泥有限公司江南牌525#普硅水泥。其化学成分及性能列于表1和表2中。
表1 江南牌525#普硅水泥的化学成分质量分数 %
成分 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO
含量 22.5 2.91 4.46 64.74 1.47
表2 江南牌525#普硅水泥的性质
凝结时间t/min 抗压强度p/MPa 抗折强度p/MPa
初凝 终凝 3d 28d 3d 28d
70 145 36.9 63.4 6.06 8.5
掺合料：硅灰和粉煤灰由华联外加剂厂提供。其化学成分列于表3中。
表3 活性混合材化学成分质量分数 %
品种 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO SO3 烧失量
硅 灰 91.0 0.9 1.7 0.4 0.8 0.3 2.1
粉煤灰 53.12 2.91 30.12 2.73 1.84 0.24 6.40
外加剂：上海五四助剂厂生产的SN-Ⅱ型高效减水剂。
集料：砂采用标准石英砂和中粗砂。粗集料采用5～25mm石灰石和5～7mm石英。
2.2 试验方法
抗压、抗折试验按GBJ80-85普通混凝土拌和物性能试验方法，GBJ81-85普通混凝土力学性能试验方法及GB177-85水泥胶砂强度试验方法进行。分别测定其7d、28d抗压、抗折强度。
耐磨试件尺寸为150mm×150mm×70mm。磨损试验采用GLM-200钢轮式混凝土磨损试验机，试验方法按GB/T12988-91方法进行。
2 结果与讨论
2.1 硅灰裹石掺粉煤灰混凝土力学性能
目前配制高强混凝土多采用活性混合材，如掺加超细矿渣粉、硅灰、粉煤灰、磨细沸石粉等，因目前尚未见有关硅灰裹石掺粉煤灰方法对混凝土抗折强度影响的报道，故本研究进行了这方面的探讨。表4列出了所测混凝土的配合比。
表4 混凝土配合比
编号 wW／wB 硅灰含量/% w(粉煤灰)/%
w(裹石量) 掺 量
KB 0.4 / / /
SF 0.4 0 10 15
SFC1 0.4 2.5 7.5 15
SFC2 0.4 5 5 15
SFC3 0.4 7.5 2.5 15
SFC4 0.4 10 0 15
SF1 0.35 0 10 15
SF2 0.31 0 10 15
注：粗集料裹石处理是采用等量的水泥与硅灰经球磨机均匀混合后的材料。
各种类型混凝土强度列于表5，硅灰裹石掺粉煤灰混凝土强度随硅灰裹石量的变化见图1。
表5 各种配合比混凝土强度
编号 抗压强度p/MPa 抗折强度p/MPa
7d 28d 7d 28d
KB 67.7 77.9 8.50 10.31
SFC2 59.8 84.7 9.07 15.56
SF1 67.4 118.5 8.95 14.08
SF2 70.3 125.4 9.55 15.02
图1 硅灰裹掺体系混凝土强度随硅灰裹石量变化
由图中结果可以看出，硅灰裹掺体系对高性能混凝土的抗压强度几乎没有影响，但明显影响高性能混凝土的抗折强度。当硅灰裹石量占整个体系混凝土硅灰掺量50%时，其抗折强度最高。并由表5结果可知该体系混凝土的抗折强度甚至高于水灰比(wW／wC)为0.31的双掺硅灰、粉煤灰的高性能混凝土。这是由于硅灰裹石不仅影响裹掺体系混凝土中水泥浆与集料界面结构与性能，而且影响该体系水泥浆本体的结构与性能。当硅灰裹掺体系中硅灰全部用在裹石中，水泥浆本体就以粉煤灰和水泥为主，它本身抗折强度明显小于掺硅灰水泥浆抗折强度，而界面由于硅类的物理填充效应和火山灰效应使其结构致密、强度提高，此时体系的抗折强度由水泥浆本体抗折强度所控制。当硅灰裹掺体系中硅灰裹石量小于50%时，界面结构仍比水泥浆本体疏松，此时体系的抗折强度由界面结构与性质所控制，反映在宏观性能上抗折强度有一个最佳硅灰裹石量。
2.2 硅灰裹石掺粉煤灰对混凝土耐磨性影响
表6是硅灰裹掺体系混凝土与双掺硅灰、粉煤灰混凝土耐磨性结果。由表中结果可以发现：硅灰裹掺体系混凝土SFC2的磨坑宽度仅为SF磨坑宽度的82%左右，这是由于硅灰裹掺体系混凝土不仅提高了水泥浆本体的密实度，而且大大地改善了水泥基材与集料界面结构，从而使混凝土形成一结构致密、基本无结构薄弱区域的均匀整体，在宏观上表现为裹掺体系混凝土耐磨性能较双掺硅灰、粉煤灰高强混凝土为优。
表6 高性能混凝土耐磨性能
编 号 磨坑宽度/mm
SF 31.7
SFC1 28.3
SFC2 26.3
SFC3 27.4
2.3 硅灰裹掺体系混凝土脆性
众所周知，高性能混凝土最大缺陷之一是其脆性，为了全面了解硅灰裹石掺硅灰、粉煤灰混凝土力学性能，我们对其脆性进行测定与计算，结果列于表7。
表7 混凝土脆度系数
编 号 脆度系数
KB 7.55
SF 8.07
SFC2 5.28
SF1 8.42
SF2 8.35
由表中结果可知，在混凝土中，随水灰比(wW／wC)下降和掺入活性矿物掺合料时，混凝土的脆度系数随之增大。而在相同的水灰比(wW／wC)硅灰裹掺体系混凝土的脆度系数仅为5.28，是同水灰比(wW／wC)同掺量双掺硅灰、粉煤灰高性能混凝土65%。由此可见，硅灰裹掺体系是混凝土获得低脆度、高抗折的有效途径之一。
2.4 硅灰裹掺体系提高混凝土路用性能机理初探
由以上分析可知，硅灰裹石掺粉煤灰体系之所以能提高混凝土抗折强度、降低混凝土脆度系数、提高混凝土耐磨等路用性能，其原因在于硅灰裹石改善了混凝土中的界面结构和组成，从而提高了界面粘结力〔4〕。由于硅灰颗粒很小，能填充于集料周围的空隙中，使界面区结构致密，另一方面硅灰的火山灰活性很高，可以与界面区内富集、粗大的Ca(OH)2晶体反应，减少和阻止Ca(OH)2在界面区的析晶，使界面区结构和组成与水泥浆本体结构和组成基本一致，当硅灰裹掺体系中裹石的硅灰含量最佳时，界面区结构致密程度甚至优于水泥浆本体结构〔5〕。然而掺硅灰低水灰比高性能混凝土对界面结构有一定改善，但对混凝土性能的改善不能仅仅归结于界面的改善，很大程度上在于水泥浆体本身结构的致密化，反映在宏观力学性能上，硅灰裹掺体系在降低脆度系数的前提下，大幅度提高混凝土的抗折强度和耐磨性，而双掺硅灰、粉煤灰高性能混凝土虽能提高混凝土抗折强度，但混凝土脆度系数也随之提高。
3 结 论
硅灰裹掺体系混凝土具有抗折、低脆度、高耐磨等许多优良的路用性能，是既经济又实用的制备高性能道路混凝土有效手段之一。由研究结果可以得出以下结论：
(1)硅灰裹石掺粉煤灰混凝土抗折强度可达15MPa左右，比同水灰比(wW／wC)、同掺量的双掺硅灰、粉煤灰高性能混凝土提高20%以上。
(2)硅灰裹掺体系混凝土脆度系数仅为5.3左右，比双掺硅灰、粉煤灰高性能混凝土低30%左右。
(3)硅灰裹掺体系混凝土耐磨性比同水灰比(wW／wC)、同掺量双掺硅灰、粉煤灰混凝土提高15%～20%。
