【摘要】:本文就硅粉及硅粉在混凝土中的作用作一較詳細論述。
　　
　　【關鍵詞】:硅粉(SF),高性能混凝土,性能,耐久性 
　　
　　高性能混凝土(HPC)是近十余年來發展起來的一種新型混凝土。盡管在不同國家、不同學者或工程技術人員,對高性能混凝土定義的理解有所不同,但其基本特點是耐久性高,這方面的認識是一致的。
　　抗壓強度是混凝土的基本性能,為了提高耐久性,混凝土必須具有高強度。與普通混凝土(NSC)相比,高性能混凝土(HPC)中通常水膠比很低、高效減水劑用量大,以及使用硅粉。降低水膠比,總水化熱降低,早期相對強度增長較快;高效減水劑通常推遲水化進程,但會使水化峰值增加;硅粉摻入混凝土中,可以獲得高強度混凝土,硅粉在混凝土中起到填充和火山灰材料作用,大大降低了水泥水化漿體中的孔隙尺寸,改善了孔隙的分布,于是使混凝土強度提高和滲透性降低。文中就硅粉及硅粉在混凝土中的作用作一較詳細論述。
　　1硅粉及硅粉的成分
　　硅粉又稱硅灰,是鐵合金廠在冶煉鐵合金或金屬硅時,從煙塵中收集的一種飛灰。
　　收集硅灰的方法主要有兩種,即帶有熱回收利用系統回收方法和無熱回收利用系統回收方法,一般呈干狀和濕狀。其化學成分及性能隨回收方法不同而異。
　　硅粉的組成中,86%～96%是一種漂亮的球狀體,粒徑為1μm以下,平均粒徑為0.1μm左右,密度為2.2g/cm3,松堆密度只有0.18g/cm3,其孔隙率高達90%以上,其比表面積在13000m3/kg～20000m3/kg之間。對已知硅鐵合金冶煉爐所生產的硅粉,具有相對穩定的化學成分(見表1),由表1可知,SiO2含量最高,其是非晶質的,易溶于堿溶液中。
　　表1硅粉的化學成分及含量%
　　         　　
　　2硅粉在混凝土中的作用及對混凝土性能的影響
　　2.1硅粉的填充性和火山灰活性
　　硅粉具有獨特的細度,無定型的SiO2含量高,這使其適于代替一部分膠凝材料,小的球狀硅粉填充于水泥顆粒之間,使膠凝材料具有更好的級配。硅粉提高混凝土強度的關鍵在于提高了水泥漿體與集料之間的粘結強度。硅粉的作用為降低泌水、防止水分在集料下表面凝聚,從而提高界面過渡區的密實度和減小界面過渡區的厚度,硅粉與粉煤灰一樣,具有火山灰活性。硅粉含有大量的非晶質硅和超細粉末,在水泥水化初期與Ca(OH)2反應,生成C—S—H凝膠,使混凝土中的鈣硅比降低,從而提高了混凝土的強度。
　　硅粉摻入水泥石中,填充了水泥漿部分微細空隙,減小了水泥中的孔隙率,使水泥石致密化,提高了強度,降低了透水性和透氣性。由壓汞法測定,在摻入硅粉的水泥石中,0.1μm以上的大孔徑數量有所降低。
　　2.2與混凝土流動性、需水量及高效減水劑的關系
　　在小摻量情況下,小的球狀硅粉顆粒可填充粗顆粒水泥之間的部分空間,使細顆粒的粒度分布更為合理,而且能置換出部分水泥顆粒間的填充水,置換出的這部分水能改善混凝土的流動性。但是,硅粉的比表面積很大,在較多的摻量下,硅粉會使混凝土所需的拌合水量增加。一般情況,硅粉對需水量要求取決于幾個方面的因素,特別是外摻高效減水劑,W/B,水的用量和硅粉的摻量。關于硅粉的取代量與需水量的關系,現分析為:在坍落度相同的情況下,硅粉取代水泥量越大,其需水量越多,在一定范圍內(SF/(C+SF)<20%)取代量與需水量成直線關系,即硅粉取代水泥每增加1%(5kgSF),需水量就增加7kg;在硅粉不同摻量情況下,摻硅粉的混凝土需水量增加可通過摻加減水劑得以補償,使混凝土的坍落度相對固定,需水量不變;摻入硅粉可提高水泥漿體的稠度,降低泌水量。
　　2.3硅粉對混凝土中含氣量的影響
　　在混凝土中摻入硅粉,會降低混凝土中含氣量,要獲得所需要的含氣量,需要摻入較多的引氣劑,特別是對那些低的W/B情況下。
　　2.4硅粉對混凝土凝結時間與水化熱的影響
　　Bellander的研究發現,摻入硅粉的混凝土,不含減水劑時,與不摻減水劑的混凝土相比,其凝結時間會延長,特別是硅粉含量高時。以硅粉代替部分水泥,能降低水泥水化熱但不降低強度。
　　2.5硅粉對混凝土強度發展的影響
　　用不同硅粉摻量取代水泥,不摻減水劑,保持混凝土的坍落度為一定值,28d強度,除摻5%硅粉的混凝土強度與基準混凝土相同外,其他大摻量硅粉混凝土的強度均低于基準混凝土,摻量越大,強度越低。這是因為硅粉取代量大,W/(C+SF)增大,造成強度降低。但如果摻入高效減水劑,則情況大不一樣,含硅粉的混凝土強度高于基準混凝土強度,故摻硅粉混凝土必須與高效減水劑同時使用。
　　2.6硅粉取代量對混凝土收縮的影響
　　硅粉摻入混凝土中,發生“內收縮”作用。硅粉是以“葡萄串”絮狀的非緊密堆積結構。“葡萄串”絮狀結構內含有大量的空隙,經計算表明空隙率高達90%以上。雖然加水攪拌過程中部分“葡萄串”絮狀結構發生破壞,但只是變成平均粒徑更小的“葡萄串”絮狀結構,因此其內部仍含有大量的空隙。故混凝土中的水分緩緩地滲入到“葡萄串”絮狀結構的顆粒裂隙間的空間,引起混凝土體系的宏觀體積收縮,這種收縮稱為“內收縮”。“內收縮”作用一般在混凝土初凝前結束。
　　此外,硅粉混凝土的總孔隙率小,其中氣孔更少,毛細孔與膠孔相對要多一些,其中存在著受毛細管力作用的可蒸發水。
　　在混凝土中摻入硅粉,隨著硅粉的摻量增加,混凝土的干縮會增大。
　　3硅粉對混凝土耐久性的影響
　　摻入硅粉能明顯降低硬化水泥漿的孔隙率以及過渡區的孔隙,因此摻入硅粉混凝土能提高其抗滲性;摻入硅粉能降低混凝土中Ca(OH)2含量,降低侵蝕化學藥品的擴散速率,也降低了各種硫酸鹽離子與Ca(OH)2反應生成鈣礬石所造成膨脹的危害性;由于堿骨料反應形成堿硅凝膠,在潮濕條件下,產生膨脹,使混凝土結構產生裂縫。用天然沸石粉、粉煤灰和磨細礦渣等摻入混凝土中,可以抑制堿骨料反應。但是,如果再摻入10%～15%的硅粉,能更有效地抑制堿骨料反應;由于硅粉的填充和火山灰作用,硅粉在混凝土中使孔溶液凈化,從而提高了小毛細孔中的冰點;經過試驗研究,硅粉對混凝土抗碳化性能改善不明顯;硅粉的非晶質SiO2與水泥水化產物Ca(OH)2反應生成C—S—H,水泥石中Ca(OH)2含量減少,晶粒細化,再生成的C—S—H,填充了水泥石中的粗孔,大大改善了水泥石的孔結構,從而提高水泥石強度和抗磨蝕性能。因此混凝土中摻加硅粉是提高水泥石抗沖磨性能的有效途徑之一。
　　4目前硅粉高性能混凝土存在的問題
　　從當前研究來看,摻硅粉的高性能混凝土在性能上還存在以下幾個問題:
　　1)自縮,由于高性能硅粉混凝土微管中水分的蒸發與凝聚而產生的收縮,使混凝土的表面產生裂縫,這對高性能混凝土的抗碳化、抗凍融循環作用以及抗氯離子擴散等都是不利的;也降低了高性能混凝土的耐久性。
　　2)“濕脹”引起的表面裂縫,高性能混凝土的水泥用量高、水灰比低,當硬化后長期處于水中時,水分通過微管擴散到內部,未水化的水泥顆粒進一步水化,產生膨脹,這也會使高性能混凝土表面產生裂縫。
　　3)高性能混凝土的應力—應變曲線與普通混凝土不同,不能用普通混凝土的固定理論去分析高性能混凝土。
　　5結語
　　高性能混凝土(HPC)中通常水膠比較低、高效減水劑用量大,以及使用硅粉。文中在搜集資料的基礎上,介紹了硅粉的定義、硅粉在混凝土中發揮的性能和硅粉對混凝土耐久性的影響,以及目前在高性能混凝土發展方面還存在的問題。關于硅粉在高性能混凝土應用還未取得極至效果,還需廣大同仁繼續努力,解決目前所面臨的問題,極至發揮硅粉對混凝土的改善性能作用。
　　參考文獻:
　　[1]馮乃謙.高性能混凝土技術[M].北京:原子能出版社,2000.
　　[2]威特曼.高性能混凝土——材料特性與設計[M].北京:中國鐵道出版社,1998.
　　[3]林寶玉.高強硅粉抗磨蝕混凝土開裂的成因及防治[J].混凝土,2000(7):6-7.
　　[4]張強.高性能混凝土的耐久性技術分析[J].山西建筑,2007,33(5):170-171.