硅灰在普通混凝土中的應(yīng)用初探

包志剛

（內(nèi)蒙古博星混凝土有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010105）

1 引言

硅灰或稱凝聚硅灰，也叫微硅粉、硅粉,是硅鐵或金屬硅生產(chǎn)過程中由礦熱爐中的高純石英、焦炭和木屑還原產(chǎn)生的副產(chǎn)品，主要成分是SiO2。一般硅灰的顏色在淺灰和深灰之間，SiO2本身是無色的，其顏色主要取決于碳和氧化鐵的含量，碳含量越高，顏色越暗，另外加密的硅灰要比自然硅灰顏色暗。硅灰的粒徑都小于1μm，平均粒徑為0．1μm左右，是水泥顆粒直徑的1/100，所以硅灰能高度分散于混凝土中，填充在水泥顆粒之間而提高密實(shí)度，同時硅灰具有很高的活性，能更快更全面的與水泥水化產(chǎn)生的氧氫化鈣反應(yīng)。

（1）應(yīng)用歷史

硅灰在混凝土中的應(yīng)用研究可追溯到上世紀(jì)四十年代的挪威。七十年代末，北歐和北美對于硅灰在混凝土中的應(yīng)用研究也取得了長足的進(jìn)步，八十年代初，中國對硅灰混凝土作了大量的研究工作，并在水利工程中有較多應(yīng)用，取得了良好的效果。水利部還頒布了“水工混凝土硅粉品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)暫行規(guī)定”。實(shí)踐表明：普通混凝土工程在惡劣的環(huán)境中可能短時間內(nèi)受到嚴(yán)重?fù)p壞，從而威脅工程質(zhì)量大大降低工程的使用壽命。而采用水泥、硅灰和粉煤灰及減水劑配制出滿足各方面要求的高性能混凝土，成功應(yīng)用于各工程中，混凝土性能顯著改善，將混凝土施工的靈活、快速和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)提高到一個新的水平。

（2）工作原理

硅灰（微硅粉）是混凝土活性礦物摻合材料中活性最高的一種，其主要成分為活性SiO2。硅灰顆粒很小(<1μm)，具有高度分散性。硅灰對混凝土強(qiáng)度的作用機(jī)理為：填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)。硅灰摻入混凝土中，增加了混凝土基體的密實(shí)度，提高了水泥漿體與骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度，減少了Ca(OH)2對HPC強(qiáng)度的不利影響，削弱了ASR對混凝土的危害?；炷林泄杌乙话銚搅繛?%～15%，最佳摻量10%左右。

硅灰作為一種輔助膠凝材料摻加到水泥漿體和混凝土中，不僅能夠提高水泥水化度，并與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，且硅灰及其二次水化產(chǎn)物填充硬化水泥漿體中的有害孔，并改善混凝土中硬化水泥漿體與骨料的界面性能，對硬化水泥漿體和混凝土微結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生積極的影響，從而對其宏觀力學(xué)性能特別是對它們的耐久性產(chǎn)生十分有利的影響，而這正是水泥與混凝土材料科學(xué)的幾個基本任務(wù)之一。而且利用硅灰還可以減少其對環(huán)境的污染，減輕它對環(huán)境所造成的壓力。但同時也應(yīng)該看到，硅灰對硬化水泥漿體和混凝土微結(jié)構(gòu)的改善與許多因素有關(guān)，因此必須加強(qiáng)這方面的研究，包括其它火山灰材料對硬化水泥漿體和混凝土微結(jié)構(gòu)的影響的研究。

（3）硅灰的種類及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

硅灰主要以二種形式供應(yīng)，即原態(tài)硅灰和增密硅灰。

原態(tài)硅灰，即通過收塵器直接收集得到的產(chǎn)品，松散容積約為150～200kg/m3。原態(tài)硅灰一般采用袋裝運(yùn)輸，由于硅灰密度很小，長途運(yùn)輸效率較低，使用時多采用人工直接破袋將微硅灰倒人混凝土攪拌機(jī)，工作環(huán)境粉塵大，工作效率低。

為解決原態(tài)硅灰不宜長途運(yùn)輸及效率低的問題，開發(fā)出了提高硅灰密實(shí)度的“硅灰增密技術(shù)”。這種技術(shù)使原態(tài)硅灰在壓縮空氣流的作用下，滾動聚集成小的顆粒團(tuán)，從而將硅灰的松散容積提高到500～700kg/m3，大大方便了使用，增密硅灰小顆料團(tuán)的顆粒凝聚力較弱，在混凝土攪拌機(jī)中的攪拌過程非常容易散開，因此，硅灰顆粒易在骨料投料后投入攪拌機(jī)，以保證增密硅灰顆粒團(tuán)散開和良好的分散。

（4）硅灰的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

SiO2含量越高，硅灰的性能越高。一般要求，硅灰SiO2含量＞85%，硅灰的碳在混凝土中會吸附部分引氣劑，因此要求燒失量≤7%（控制碳和含水量）；再次是硅灰的細(xì)度要控制在45μm以下，＞45μm的顆粒，篩余量應(yīng)在10%以下。以前有的學(xué)者專家曾計算：以15%的硅灰取代水泥，則在混凝土中水泥顆粒與硅灰顆粒數(shù)量的比例為1∶2000000，由此可知硅灰是一種超細(xì)粉末物質(zhì)，之所以提高混凝土的強(qiáng)度，關(guān)鍵在于提高了水泥漿體與骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度，能降低泌水，防止水分在骨料下表面聚集，從而提高界面過渡區(qū)的密實(shí)度和減小界面過渡區(qū)的厚度。硅灰的粒徑比水泥顆粒要小100倍，填充于水泥顆粒的空隙之間，其效果如同水泥顆料填充在骨料之間一樣，增加混凝土的密實(shí)度。

以上資料的介紹，對本文所述試驗(yàn)提供了理論依據(jù)和很大的啟發(fā)。

2 混凝土試配試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)用原材料

（1）硅灰：內(nèi)蒙古巴彥淖爾市附近硅鐵廠出品的原態(tài)硅灰，其品質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 硅灰品質(zhì)指標(biāo) %

（2）水泥：川中牌P.O42.5R水泥；28d膠砂強(qiáng)度47MPa；

（3）粉煤灰：Ⅱ級灰；篩余量16%，需水量比88%；

（4）細(xì)骨料：水洗中砂，細(xì)度模數(shù)2.8；含泥量2.6%；

（5）粗骨料：卵石，粒徑5～25mm，含泥量0.5%；壓碎指標(biāo)9.2%；

（6）外加劑：XB高效泵送劑。

2.2 混凝土配合比

見表2。

2.3 新拌混凝土性能及硬化混凝土強(qiáng)度

見表3。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先，在新拌混凝土性能方面，與不摻硅灰的混凝土相比，摻了硅灰后混凝土和易性良好，粘聚性和保水性均有較大改善，但流動性隨著硅灰摻量的增加逐漸變差，反映出硅灰需水量大對混凝土的不利影響；同時，混凝土坍落度經(jīng)時損失也隨之增大，在增大外加劑摻量后稍有改善，說明超細(xì)的硅灰顆粒對外加劑產(chǎn)生了吸附效果，降低了外加劑的保塑性能。

表2 混凝土配合比

表3 新拌混凝土性能及硬化混凝土抗壓強(qiáng)度

從表3中可以看出，摻加硅灰后混凝土的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)有所變化，每方混凝土硅灰摻量在30kg以下時，混凝土3d、7d強(qiáng)度增長明顯，顯示出硅灰混凝土突出的早強(qiáng)性能，但28d強(qiáng)度變化不大；當(dāng)硅灰摻量在30kg以上時，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均明顯提高，顯示出硅灰對混凝土強(qiáng)度的巨大貢獻(xiàn)。

表3中編號為7、8、9的試驗(yàn)是試圖按硅灰：水泥為1∶1.5、1∶2和1∶2.5的比例來用硅灰替代水泥，以觀察混凝土強(qiáng)度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與不摻硅灰的混凝土相比，隨著上述比例的增加，混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢，編號9降低尤為明顯。

表3中編號10、11的試驗(yàn)是按照普通混凝土的配比設(shè)計規(guī)律逐次提高水泥用量以觀察混凝土強(qiáng)度的增長情況，結(jié)果顯示，水泥用量增加后混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律與普通混凝土基本相同。

3 應(yīng)用實(shí)例

2009年7月，在呼和浩特市某小區(qū)一棟高層住宅墻體結(jié)構(gòu)C30混凝土施工中，采用了上述試驗(yàn)編號7的配合比進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)澆筑，結(jié)果混凝土泵送施工過程順利，拆模后墻體表面光滑致密；所留置28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果為36.3MPa，達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的121%；該建筑兩個月后進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)收，抽芯取樣檢測結(jié)果為44.5MPa，達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的148%，應(yīng)用效果令人滿意。

4 結(jié)束語

通過對硅灰在普通混凝土中不同摻量的試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，可以得到初步結(jié)論如下：

（1）硅灰作為一種高活性礦物摻合料，不僅可用于高強(qiáng)混凝土，同樣可在普通混凝土中得到廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)量龐大的原態(tài)硅灰，由于其價格較低（每噸約600元），只要解決好質(zhì)量穩(wěn)定問題及運(yùn)輸、添加、計量過程中的粉塵污染問題，其應(yīng)用的前景十分光明，完全符合國家關(guān)于工業(yè)廢渣綜合利用和節(jié)能減排的要求；

（2）硅灰在每立方混凝土中的用量并非越多越好，而是存在一個最佳摻量，本文試驗(yàn)結(jié)果顯示，綜合考慮質(zhì)量要求和經(jīng)濟(jì)成本要求，最佳摻量為30kg/m3，可以替代1.5～2倍的水泥用量；

（3）硅灰在使用過程中還有不少問題需要進(jìn)一步探討和解決，除了上面提到的質(zhì)量穩(wěn)定問題、粉塵污染問題之外，還包括硅灰在混凝土中的最佳摻量問題、外加劑適應(yīng)性問題、攪拌均勻性問題、澆筑完硅灰混凝土的養(yǎng)護(hù)問題等諸多方面，還需要業(yè)內(nèi)同仁的共同努力解決，最終達(dá)到制定相關(guān)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，規(guī)范有序應(yīng)用的良好局面。

[1]普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S]．JGJ 5522000

[2]馮乃謙．高性能混凝土[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社,1996.

[3]朱大宇．高性能混凝土施工技術(shù)[J]．建筑施工，2000,22(5)：27-29.

[4]中華人民共和國黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—不定形耐火材料用二氧化硅微粉[S]．YB/T115—1997

[5]微硅粉對混凝中耐久性的影響[DB/OL]．http://www.microsilica.org/Html/weiguifenzhishi/44378461116.html