硅灰-粉煤灰复掺对混凝土强度演化与抗渗性能的影响机理

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0110

摘要/Abstract

摘要：

为促进硅灰与粉煤灰等工业固废在建材领域的高效利用，推动混凝土材料的绿色低碳发展，本文采用坍落度、扩展度、单轴抗压强度、抗渗试验及SEM-EDS微观分析方法，对四组不同掺合料体系混凝土进行了系统研究，包括基准组JZ（C30混凝土）、单掺硅灰组D1（8%（质量分数）硅灰）及复掺组D2（8%硅灰+10%（质量分数）粉煤灰）和D3（8%硅灰+20%粉煤灰）。结果表明：D1组的单轴抗压强度在1、3 d龄期均最高，其中3 d单轴抗压强度达17.9 MPa，较JZ组的15.6 MPa提高约15%；D2组的28 d单轴抗压强度为38.6 MPa，相较于其他组最高，且渗水高度最低，表现出最佳综合性能；D3组工作性能虽优于D2组，但单轴抗压强度与抗渗性能均弱于D2组。硅灰与粉煤灰复掺促进了二次水化反应，有利于水化产物的进一步生成与基体致密化。总体来看，硅灰主导早期结构致密化与单轴抗压强度形成，而粉煤灰主要通过后期重构孔结构与阻断渗透通道提升混凝土耐久性能，二者复掺可实现力学性能与抗渗性能的协同提升。

关键词: 粉煤灰, 硅灰, 早期强度, 力学性能, 抗渗性能, 微观分析

Abstract:

In order to promote the efficient utilization of industrial solid waste such as silica fume and fly ash in the field of building materials and promote the green and low-carbon development of concrete materials， this paper used slump， slump flow， uniaxial compressive strength， impermeability test and SEM-EDS microscopic analysis method. Four groups of concrete with different admixture systems were systematically studied， including the reference group JZ （C30 concrete）， the single-doping silica fume group D1 （8% （mass fraction） silica fume） and the composite group D2 （8% silica fume+10% （mass fraction） fly ash） and D3 （8% silica fume+20% fly ash）. The results show that the D1 group exhibits the highest uniaxial compressive strength at both 1 and 3 d. In particular， its 3 d uniaxial compressive strength reaches 17.9 MPa， representing an increase of approximately 15% compared with 15.6 MPa for JZ group. The D2 group achieves the highest 28 d uniaxial compressive strength， at 38.6 MPa， and also has the lowest water penetration height， indicating the best overall performance. Although the D3 group workability is superior to the D2 group， its uniaxial compressive strength and impermeability are both inferior to those of the D2 group. The co-doping of silica fume and fly ash promotes the secondary hydration reaction， which is conducive to the further formation of hydration products and the densification of matrix. In general， silica fume dominates the early structural densification and uniaxial compressive strength formation， while fly ash improves the durability of concrete mainly through the reconstruction of pore structure and the blocking of infiltration channel in the later stage. The synergistic improvement of mechanical properties and impermeability can be achieved by the combination of silica fume and fly ash.

Key words: fly ash, silica fume, early strength, mechanical property, impermeability, microscopic analysis

中图分类号:

TU528

肖伟, 李一航, 王栋琦, 钟祖良, 周仁, 朱开新. 硅灰-粉煤灰复掺对混凝土强度演化与抗渗性能的影响机理[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(7): 2419-2427.

XIAO Wei, LI Yihang, WANG Dongqi, ZHONG Zuliang, ZHOU Ren, ZHU Kaixin. Influence Mechanism of Silica Fume-Fly Ash Co-Doping on Strength Evolution and Impermeability of Concrete[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(7): 2419-2427.

图/表 9

图1 粗/细骨料级配曲线

Fig.1 Coarse/fine aggregate gradation curves

表1 硅灰性能参数

Table 1 Performance parameters of silica fume

Bulk density/（kg·m^-3）

Water demand

ratio/%

Activity

index/%

Fineness （45 µm）/%

Water

content/%

Silicon dioxide content/%

表2 高性能硅灰-粉煤灰混凝土配合比

Table 2 Mix proportion of high performance silica fume-fly ash concrete

Sample	Mix proportion/（kg·m^-3）
Sample	Water	Sand	Stone	Cement	Fly ash	Silica fume	Water reducing admixture
JZ	185	837	773	392	0	0	8
D1	185	837	773	360	0	32	8
D2	185	837	773	320	40	32	8
D3	185	837	773	280	80	32	8

图2 不同掺合料体系混凝土的坍落度与扩展度

Fig.2 Slump and slump flow of concrete with

图3 不同掺合料体系混凝土在不同龄期的单轴抗压强度

Fig.3 Uniaxial compressive strength of concrete with different admixture systems at different ages different admixture systems

图4 混凝土于1.2 MPa水压加载24 h后的渗水高度

Fig.4 Water penetration height of concrete under 1.2 MPa water pressure loading for 24 h

图5 不同掺合料体系混凝土的SEM照片

Fig.5 SEM images of concrete with different admixture systems

图 6 不同掺合料体系混凝土的EDS分析

Fig.6 EDS analysis of concrete with different admixture systems

表 3 Ca、Si元素每秒计数

Table 3 Counts per second of Ca and Si elements

Sample	cps（Ca）/eV	cps（Si）/eV	cps（Ca）/cps（Si）
JZ	4.2	0.9	4.7
D1	2.2	0.8	2.8
D2	3.8	2.5	1.5
D3	2.6	2.0	1.3

参考文献 31

[1]	王　波，陈家任，廖方伟，等. 智能建造背景下建筑业绿色低碳转型的路径与政策［J］. 科技导报， 2023， 41（5）： 60-68.
	WANG B， CHEN J R， LIAO F W， et al. Path and policy of green and low-carbon transformation of construction industry in the context of intelligent construction［J］. Science & Technology Review， 2023， 41（5）： 60-68 （in Chinese）.
[2]	尚小朋，涂　振，吴　浩. 硅灰对混凝土性能和微观结构的影响研究综述［J］. 混凝土世界， 2025（7）： 79-86.
	SHANG X P， TU Z， WU H. A review of silica fume and its effects on the properties and microstructure of concrete［J］. China Concrete， 2025（7）： 79-86 （in Chinese）.
[3]	汤云杰，薛春领. 矿物掺合料对磷酸钾镁水泥浆体流变性能和早期性能的影响［J］. 材料导报， 2025， 39（）： 154-159.
	TANG Y J， XUE C L. Effect of mineral admixtures on rheological properties and early performance of potassium magnesium phosphate cement paste［J］. Materials Reports， 2025， 39（supplement 1）： 154-159 （in Chinese）.
[4]	石文广，尚洪彬，易孝军，等. 基于胶凝材料组成和级配设计的早强高抗裂衬砌混凝土性能研究［J/OL］. 长江科学院院报， 1-12（2026-01-05）［2026-02-15］. https://link.cnki.net/urlid/42.1171.tv.20260105.1058.002.
	SHI W G， SHANG H B， YI X J， et al. Tailoring binder composition and gradation for early-age strength enhancement and crack resistance in tunnel-lining concrete［J/OL］. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute， 1-12 （2026-01-05）［2026-02-15］. （in Chinese）.
[5]	王德辉，史才军. 水泥-硅灰-矿粉-粉煤灰四组分水泥基超高强混凝土的硬化过程［J］. 硅酸盐通报， 2018， 37（12）： 3951-3956+3962.
	WANG D H， SHI C J. Hardening process of ultra-high strength concrete with cement-silica fume-slag-fly ash four binders［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2018， 37（12）： 3951-3956+3962 （in Chinese）.
[6]	胡红梅，罗德富，李　巧，等. 石灰石粉与不同矿物掺合料复掺对高强自密实混凝土性能的影响［J］. 混凝土， 2018（12）： 81-85.
	HU H M， LUO D F， LI Q， et al. Influence of compounding lime stone pow der and different mineral admixture on properties of high strength self compacting concrete［J］. Concrete， 2018（12）： 81-85 （in Chinese）.
[7]	代凌辉，谢刚川，宫经伟. 粉煤灰对低热水泥与普硅水泥早期水化影响对比研究［J］. 混凝土， 2023（2）： 75-79+84.
	DAI L H， XIE G C， GONG J W. Comparative study on the effect of fly ash on early hydration of low-heat cement and ordinary Portland cement［J］. Concrete， 2023（2）： 75-79+84 （in Chinese）
[8]	冯春花，李东旭. 粉煤灰在水泥浆体中的反应程度研究［J］. 硅酸盐通报， 2015， 34（11）： 3202-3208.
	FENG C H， LI D X. Reaction degree of fly ash in the cement paste［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2015， 34（11）： 3202-3208 （in Chinese）.
[9]	马昆林，冯　金，龙广成，等. 水泥-粉煤灰浆体流变特性及其机理研究［J］. 铁道科学与工程学报， 2017， 14（3）： 465-472.
	MA K L， FENG J， LONG G C， et al. Rheological characteristic and its mechanism of cement-fly ash paste［J］. Journal of Railway Science and Engineering， 2017， 14（3）： 465-472 （in Chinese）.
[10]	张云齐，陈清华，李　坤，等. 混凝土组分和界面过渡区力学性能对阻尼性能的影响［J］. 混凝土， 2024（11）： 55-60.
	ZHANG Y Q， CHEN Q H， LI K， et al. Influence of concrete constituents and interface transition zone mechanical properties on damping performance［J］. Concrete， 2024（11）： 55-60 （in Chinese）.
[11]	张　倩，肖其远. 粉煤灰基地聚物水泥胶凝材料的早期工作性能［J］. 材料科学与工程学报， 2024， 42（5）： 850-857+874.
	ZHANG Q， XIAO Q Y. Early workability performance of fly ash-based geopolymer cement binder［J］. Journal of Materials Science and Engineering， 2024， 42（5）： 850-857+874 （in Chinese）.
[12]	陈　杰，高尚勇，石　莹，等. 矸石电厂粉煤灰的火山灰反应动力学研究［J］. 硅酸盐通报， 2016， 35（3）： 908-912.
	CHEN J， GAO S Y， SHI Y， et al. Kinetics of pozzolanic reaction of gangue-combustion fly ash［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2016， 35（3）： 908-912 （in Chinese）.
[13]	张洪刚，蒋逸雯，陈　杰，等. 外加剂对半柔性路面用早强型水泥基灌浆料工作性能的调控［J］. 硅酸盐通报， 2022， 41（4）： 1308.
	ZHANG H G， JIANG Y W， CHEN J， et al. Regulation and control of admixtures on working performance of early strength cement-based grouting material for semi-flexible pavement［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2022， 41（4）： 1308 （in Chinese）.
[14]	张　涛，朱　成. 水泥-硅灰/粉煤灰体系强度、收缩性能与微观结构研究［J］. 硅酸盐通报， 2022， 41（3）： 903-912.
	ZHANG T， ZHU C. Strength， shrinkage performance and microstructure of cement-silica fume/fly ash system［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2022， 41（3）： 903-912 （in Chinese）.
[15]	朱谦牧，杨　洋，肖鹏刚. 硅灰、粉煤灰复掺对昆明长水机场二期工程混凝土性能影响机制研究［J］. 材料导报， 2025， 39（）： 436-440.
	ZHU Q M， YANG Y， XIAO P G. Study on mechanism of influence of silica fume and fly ash on concrete properties of Kunming Changshui airport phase-Ⅱ project［J］. Materials Reports， 2025， 39（supplement 1）： 436-440 （in Chinese）.
[16]	刘彦文. 西北盐渍土地区衬砌混凝土优化与耐久性研究［J］. 地下空间与工程学报， 2025， 21（2）： 581-589.
	LIU Y W. Optimized design and durability of concrete lining in northwest saline soil area［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2025， 21（2）： 581-589 （in Chinese）.
[17]	陈立俊，李　滢，陈文浩. 再生微粉与矿物掺合料对混凝土力学性能及微观结构的影响［J］. 材料导报， 2024， 38（5）： 178-183.
	CHEN L J， LI Y， CHEN W H. Effect of recycled powder and mineral admixture on the mechanical properties and microstructure of concrete［J］. Materials Reports， 2024， 38（5）： 178-183 （in Chinese）.
[18]	王倩楠，顾春平，孙　伟. 水泥-粉煤灰-硅灰基超高性能混凝土水化过程微观结构的演变规律［J］. 材料导报， 2017， 31（23）： 85-89.
	WANG Q N， GU C P， SUN W. Microstructure evolution during hydration process of ultra-high performance concrete containing fly ash and silica fume［J］. Materials Review， 2017， 31（23）： 85-89 （in Chinese）.
[19]	周兴宇，杨鼎宜，朱从香，等. 基于孔结构分析的多尺度聚丙烯纤维混凝土耐久性［J］. 材料科学与工程学报， 2022， 40（1）： 110-115.
	ZHOU X Y， YANG D Y， ZHU C X， et al. Durability of multi-dimensional polypropylene fiber reinforced concrete based on pore structure analysis［J］. Journal of Materials Science and Engineering， 2022， 40（1）： 110-115 （in Chinese）.
[20]	高英力，龙　杰，刘　赫，等. 硫酸盐作用下粉煤灰轻骨料混凝土力学性能及微观结构［J］. 建筑材料学报， 2014， 17（3）： 389-395.
	GAO Y L， LONG J， LIU H， et al. Mechanical performance and microstructure of fly ash lightweight aggregate concrete under sulfate attack［J］. Journal of Building Materials， 2014， 17（3）： 389-395 （in Chinese）.
[21]	刘　扬，王家理，罗　冬，等. 硅灰及矿渣粉对大掺量粉煤灰砂浆力学性能的影响及机理研究［J］. 硅酸盐通报， 2024， 43（7）： 2584-2594.
	LIU Y， WANG J L， LUO D， et al. Effects of silica fume and GGBS on mechanical properties of high volume fly ash mortar and its mechanism［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2024， 43（7）： 2584-2594 （in Chinese）.
[22]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 普通混凝土拌合物性能试验方法标准：［S］. 北京：中国建筑工业出版社出版， 2016.
	Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Standard for test method of performance on ordinary fresh concrete mixture：［S］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2016 （in Chinese）.
[23]	中华人民共和国交通运输部. 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程：［S］. 北京：人民交通出版社， 2020.
	Ministry of Transport of the People’s Republic of China. Test methods of cement and concrete for highway engineering：［S］. Beijing： China Communications Press， 2020 （in Chinese）.
[24]	中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局. 混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准：［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2024.
	Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China， State Administration for Market Regulation. Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete：［S］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2024 （in Chinese）.
[25]	国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 微束分析扫描电子显微镜（SEM）或电子探针显微分析仪（EPMA）用X射线能谱仪（EDS）主要性能参数及核查方法：［S］. 北京：中国标准出版社， 2016.
	General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China， Standardization Administration of the People’s Republic of China. Main performance parameters and verification methods of X-ray energy dispersive spectrometer （EDS） for microbeam analysis scanning electron microscope （SEM） or electron probe microanalyzer （EPMA）：［S］. Beijing： Standards Press of China， 2016 （in Chinese）.
[26]	颉　沛，穆　松，周　莹，等. 混凝土钙硅比与抗溶蚀性能的关系及其内在机理［J］. 混凝土， 2025（6）： 37-41.
	XIE P， MU S， ZHOU Y， et al. Influence of calcium to silicon ratio on the corrosion resistance of concrete and its mechanism［J］. Concrete， 2025（6）： 37-41 （in Chinese）.
[27]	王青沙. 矿物掺合料对超高性能混凝土性能影响试验研究［J］. 混凝土， 2025（2）： 188-192.
	WANG Q S. Experimental study on the influence of mineral admixtures on the properties of ultra-high performance concrete［J］. Concrete， 2025（2）： 188-192 （in Chinese）.
[28]	郝蓓蓓，龚爱民，彭玉林，等. 硅粉掺量对钢纤维硅粉混凝土力学性能的影响［J］. 水电能源科学， 2016， 34（9）： 144-147.
	HAO B B， GONG A M， PENG Y L， et al. Influence of silica content on mechanical properties of steel fiber and silica concrete［J］. Water Resources and Power， 2016， 34（9）： 144-147 （in Chinese）.
[29]	靳自强，岳高伟，韩宪军，等. 矿物掺合料和骨料对混凝土收缩徐变的影响［J］. 公路交通科技， 2026， 43（1）： 78-87. DOI
	JIN Z Q， YUE G W， HAN X J， et al. Influences of mineral admixtures and aggregates on concrete shrinkage and creep［J］. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2026， 43（1）： 78-87 （in Chinese）.
[30]	李晓琴，周　旭，李世华，等. 硅灰改性高韧性水泥基材料性能试验研究［J］. 土木与环境工程学报（中英文）， 2022， 44（6）： 170-180.
	LI X Q， ZHOU X， LI S H， et al. Emperimental study on high toughness cement-based materials modified by silica fume［J］. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2022， 44（6）： 170-180 （in Chinese）.
[31]	刘　宇，黎梦圆，阎培渝. 矿物掺合料对胶凝材料浆体流变性能和触变性的影响［J］. 硅酸盐学报， 2019， 47（5）： 594-601.
	LIU Y， LI M Y， YAN P Y. Effect of mineral admixtures on rheological properties and thixotropy of binder paste［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2019， 47（5）： 594-601 （in Chinese）.