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硅 粉

　　硅粉（也叫微硅粉）（學(xué)名“硅灰”， Microsilica 或 Silica Fume ），硅粉又叫硅灰。是工業(yè)電爐在高溫熔煉工業(yè)硅及硅鐵的過(guò)程中，隨廢氣逸出的煙塵經(jīng)特殊的捕集裝置收集處理而成。在逸出的煙塵中，SiO2含量約占煙塵總量的90%，顆粒度非常小，平均粒度約0.3μm，故稱為硅粉。

　　硅粉的研究始于斯堪的納維亞國(guó)家，盡管20世紀(jì)50年代人們對(duì)硅粉作用就有所認(rèn)識(shí)和初步的研究，但應(yīng)用于實(shí)際工程中是從70年代開始的，首先是挪威和瑞典等國(guó)家在港口碼頭、北海油田及地下礦井中部分采用了硅粉混凝土，1982 年，挪威在伏諾維斯壩上正式采用了硅粉混凝土筑壩， 20世紀(jì)80 年代初加拿大在魁北克建立了硅粉混凝土，并對(duì)大體積硅粉混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究，拌制高標(biāo)號(hào)混凝土1 萬(wàn)立方米，1983年美國(guó)用硅粉混凝土修補(bǔ)了奧里夫尼河上的卡查壩消力池，效果良好。世界上其它國(guó)家也都加緊研究和應(yīng)用。而我國(guó)對(duì)硅粉的研究歷史不長(zhǎng)，僅僅10多年時(shí)間，1985年水電部東勘院科研所和水電部第十工程局首次在四川漁子溪二級(jí)電站中試用了硅粉混凝土，在廠房混凝土中摻硅粉3 %～7 %，以提高早期強(qiáng)度，加快模板周轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)期效果，另外，在引水隧洞噴射混凝土中，摻硅粉715 %，以減少混凝土的回彈量，南科院在大伙房水庫(kù)工程、龍羊峽泄水建筑物和葛洲壩泄水閘修補(bǔ)等工程中都采用了硅粉混凝土，效果較好，水科院對(duì)硅粉混凝土的耐久性能及硅粉水泥水藻灌漿材料進(jìn)行了一些研究，并在二灘水電站基礎(chǔ)固結(jié)灌漿中，潘家大壩溢流面修復(fù)工程、安康及四川秋達(dá)電站導(dǎo)流泄洪洞修補(bǔ)等工程中使用了硅粉混凝土，硅粉水泥灌漿。所有這些，說(shuō)明硅粉混凝土作為一種高性能混凝土在工程中的應(yīng)用日顯重要，所以對(duì)其性能特別是其強(qiáng)度與耐久性的研究也倍受關(guān)注。

　　配合比

　　對(duì)于硅粉混凝土的配合比設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 確定硅粉的摻入方法，硅粉的最佳摻量，減水劑的最優(yōu)摻量及砂石料調(diào)整，而其它則按普通混凝土設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。

　　a) 硅粉的摻入方法：硅粉在混凝土中一般有兩種方法： 一是內(nèi)摻，二是外摻，都要與減水劑配合使用。內(nèi)摻法往往用硅粉代替水泥，又分等量代替和部分等量代替兩種，等量代替為硅粉摻量代替相等的水泥，部分代替為1 kg 硅粉代替1～3 kg 水泥，作為研究一般摻量為5 %～30 % ，水灰比一般保持不變：而外摻法指的是硅粉像外加劑那樣摻在混凝土中，而水泥用量不減少，摻量一般為5 %～10 % ，一般外摻法而得的混凝土的力學(xué)性能要高得多，但增加了混凝土中膠凝材料用量。

　　b) 硅粉的最優(yōu)摻量往往控制在8 %～10 %。它是根據(jù)所用硅粉、水泥種類和骨料性質(zhì)而定，并考慮它對(duì)性能改善程度及施工方便與否和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。

　　c) 減水劑的最佳摻量：在混凝土中使用硅粉，如不摻減水劑，想保持相同的流動(dòng)度，則必然要增加用水量、水灰比增加，摻硅粉的混凝土強(qiáng)度也不上去，這也是過(guò)去硅粉在混凝土中未推廣使用的原因。硅粉與減水劑聯(lián)合使用摻用硅粉水灰比不變，即用水量不增加，也能達(dá)到與未摻硅粉的混凝土具有相同的流動(dòng)度且硅粉混凝土強(qiáng)度等性能得到大幅度提高，一般國(guó)內(nèi)較多采用萘系高效減水劑，如建1、H、DH3、FDN、NF、N2B 等，其摻量一般為膠材用量的1 %以內(nèi)，有時(shí)為了減小水灰比，拌制超高強(qiáng)混凝土，減水劑摻量達(dá)2 %～ 3 %。

　　d) 砂石料用量調(diào)整：內(nèi)摻硅粉一般對(duì)砂石用量不必調(diào)整。外摻硅粉要扣掉與硅粉體積相等的砂石體積。

　　硅粉對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度的影響

　　盡管應(yīng)用純水泥可以制成抗壓強(qiáng)度高達(dá)100 MPa 的HPC ，但當(dāng)使用硅粉時(shí)將容易得多。而對(duì)于制備強(qiáng)度超過(guò)100 MPa 的混凝土，硅粉的使用幾乎不可缺少。硅粉在混凝土中同時(shí)起填充材料和火山灰材料使用。使用硅粉后，大大降低了水化漿體中的孔隙尺寸，改善了孔隙尺寸分布，于是使強(qiáng)度提高，滲透性降低。例如，研究結(jié)果表明(CEB2FIP1988) ， 為獲得70 MPa 的混凝土強(qiáng)度，應(yīng)用純水泥需要水膠比0.35 ， 而當(dāng)加8 %的硅粉時(shí)，水膠比可以為0.50。由于硅粉顆粒非常細(xì)，它們可以在很早的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生火山灰反應(yīng)。根據(jù)Carette 和Malhotra 1992) 的報(bào)導(dǎo)，硅粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要在28d 之前。所以，就長(zhǎng)期強(qiáng)度增長(zhǎng)方面，一般認(rèn)為硅粉混凝土不如純水泥混凝土或粉煤灰混凝土。Almad (1994) 引用的硅粉對(duì)NSC 強(qiáng)度發(fā)展的試驗(yàn)結(jié)果表明，硅粉摻量增加使得早期相對(duì)強(qiáng)度發(fā)展降低，Sandvik 1992 在65 MPa 的混凝土中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。

　　然而，盡管在相同的水膠比下硅粉混凝土的早期相對(duì)強(qiáng)度發(fā)展比純水泥混凝土的慢，由于加入硅粉使得強(qiáng)度大大提高，硅粉混凝土的絕對(duì)強(qiáng)度則比純水泥混凝土的高。另一方面，經(jīng)驗(yàn)表明，HPC 的早期強(qiáng)度發(fā)展比NSC 的快，雖然HPC的凝結(jié)時(shí)間可能稍有推遲，其凝結(jié)之后的水化作用會(huì)由于高效減水劑和硅粉大大加快。其結(jié)果通常是凝結(jié)之后強(qiáng)度發(fā)展非常快。

　　對(duì)于某些空氣中干燥或養(yǎng)護(hù)的很低水膠比的硅粉混凝土試件，有抗壓強(qiáng)度倒縮的報(bào)導(dǎo)(De Larrard 和Aiticin 1993) 。這種強(qiáng)度降低通常發(fā)生在90 d 齡期之后，一般認(rèn)為是由內(nèi)部自干燥及干燥裂縫引起的。然而，許多其他研究人員的試驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)研究表明，HPC 的后期強(qiáng)度沒有降低。例如，從6 種不同的HPC 中取得的3 個(gè)月至3 年齡期的所有鉆芯試樣試驗(yàn)結(jié)果表明，其強(qiáng)度在不斷增長(zhǎng)。當(dāng)然，與NSC 比較， HPC 的長(zhǎng)期強(qiáng)度增長(zhǎng)潛力較小。

　　硅粉對(duì)高性能混凝土的耐久性的影響

　　混凝土的耐久性包括了混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、抗化學(xué)侵蝕性，抗鋼筋侵蝕能力和抗沖磨性能，在此僅談?wù)勊鼘?duì)混凝土的抗凍性、抗?jié)B性及抗化學(xué)侵蝕性的影響。

　　a) 抗凍性：當(dāng)硅粉摻量少時(shí)，硅粉混凝土的抗凍性與普通混凝土基本相同，當(dāng)硅粉摻量超過(guò)15 %時(shí)，它的抗凍性較差。通過(guò)大量的試驗(yàn)，這種觀點(diǎn)基本上被證實(shí)了，主要原因是當(dāng)硅粉超過(guò)15 %時(shí)，混凝土膨脹量增大，相對(duì)動(dòng)彈性模數(shù)降低，抗壓強(qiáng)度急劇下降，從混凝土內(nèi)部方面特征看，比表面積小，間距系數(shù)大。

　　b) 抗?jié)B性：由于硅粉顆粒小，比水泥顆粒小20～100 倍， 可以充填到水泥顆粒中間的空隙中，使混凝土密實(shí)，同時(shí)硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中滲透通道，故硅粉混凝土的抗?jié)B能力很強(qiáng)，混凝土的滲透性隨水膠比的增加而增大，這是因?yàn)樗冶然炷恋拿軐?shí)性相對(duì)差些。

　　c) 抗化學(xué)侵蝕性：在混凝土中摻入硅粉，能減少Ca (OH) 2 含量，增加混凝土密實(shí)性，有效提高弱酸腐蝕能力，但在強(qiáng)酸或高深度的弱酸中不行，因混凝土中的CSH 在酸中分解，另外，它還能抗鹽類腐蝕，尤其是對(duì)氯鹽及硫酸鹽類，它之所以能抗酸鹽侵蝕，原因是硅粉混凝土較密實(shí)，孔結(jié)構(gòu)得到改善，從而減少了有害離子傳遞速度及減少了可溶性的Ca (OH) 2 和鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4 ·32H2 ) 的生成，而增加了水化硅酸鈣晶體的結(jié)果。

　　一﹑硅灰的物理化學(xué)性能：

　　1、硅灰: 外觀為灰白色粉末﹑耐火度>1600℃。容重：200~250千克/立方米。硅灰的化學(xué)成份見下表：

　　項(xiàng)目 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O PH

　　平均值 85~94% 1.0±0.2% 0.9±0.3% 0.7±0.1% 0.3±0.1% 1.3±0.2% 中性

　　2、硅灰的細(xì)度：硅灰中細(xì)度小于1µm的占80%以上，平均粒徑在0.1～0.3µm，比表面積為:20～28m2/g(使用北京金埃譜科技提供的全自動(dòng)F-Sorb 2400比表面積測(cè)試儀BET法檢測(cè)。其細(xì)度和比表面積約為水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。)

3、顆粒形態(tài)與礦相結(jié)構(gòu)：硅灰在形成過(guò)程中，因相變的過(guò)程中受表面張力的作用，形成了非結(jié)晶相無(wú)定形圓球狀顆粒，且表面較為光滑，有些則是多個(gè)圓球顆粒粘在一起的團(tuán)聚體。它是一種比表面積很大，活性很高的火山灰物質(zhì)。摻有硅灰的物料，微小的球狀體可以起到潤(rùn)滑的作用。

硅灰比表面積研究是非常重要的，硅灰的比表面積檢測(cè)數(shù)據(jù)只有采用BET方法檢測(cè)出來(lái)的結(jié)果才是真實(shí)可靠的，國(guó)內(nèi)有很多儀器只能做直接對(duì)比法的檢測(cè)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)被淘汰了。目前國(guó)內(nèi)外比表面積測(cè)試統(tǒng)一采用多點(diǎn)BET法，國(guó)內(nèi)外制定出來(lái)的比表面積測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)都是以BET測(cè)試方法為基礎(chǔ)的，請(qǐng)參看我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19587-2004）-氣體吸附BET原理測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積的方法。比表面積檢測(cè)其實(shí)是比較耗費(fèi)時(shí)間的工作，由于樣品吸附能力的不同，有些樣品的測(cè)試可能需要耗費(fèi)一整天的時(shí)間，如果測(cè)試過(guò)程沒有實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，那測(cè)試人員就時(shí)刻都不能離開，并且要高度集中，觀察儀表盤，操控旋鈕，稍不留神就會(huì)導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程的失敗，這會(huì)浪費(fèi)測(cè)試人員很多的寶貴時(shí)間。國(guó)內(nèi)幾家生產(chǎn)比表面積測(cè)定儀廠商中，只有北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測(cè)試儀是真正能夠?qū)崿F(xiàn)BET法檢測(cè)功能的儀器（兼?zhèn)渲苯訉?duì)比法），更重要的北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測(cè)試儀是迄今為止國(guó)內(nèi)唯一完全自動(dòng)化智能化的比表面積檢測(cè)設(shè)備，其測(cè)試結(jié)果與國(guó)際一致性很高，穩(wěn)定性也很好，同時(shí)減少人為誤差，提高測(cè)試結(jié)果精確性。

　　二、作用：硅灰能夠填充水泥顆粒間的孔隙，同時(shí)與水化產(chǎn)物生成凝膠體，與堿性材料氧化鎂反應(yīng)生成凝膠體。在水泥基的砼、砂漿與耐火材料澆注料中，摻入適量的硅灰，可起到如下作用：

　　1、顯著提高抗壓、抗折、抗?jié)B、防腐、抗沖擊及耐磨性能。

　　2、具有保水、防止離析、泌水、大幅降低砼泵送阻力的作用。

　　3、顯著延長(zhǎng)砼的使用壽命。特別是在氯鹽污染侵蝕、硫酸鹽侵蝕、高濕度等惡劣環(huán)境下，可使砼的耐久性提高一倍甚至數(shù)倍。

　　4、大幅度降低噴射砼和澆注料的落地灰，提高單次噴層厚度。

　　5、是高強(qiáng)砼的必要成份，已有C150砼的工程應(yīng)用。

　　6、具有約5倍水泥的功效,在普通砼和低水泥澆注料中應(yīng)用可降低成本.提高耐久性。

　　7、有效防止發(fā)生砼堿骨料反應(yīng)。

　　8、提高澆注型耐火材料的致密性。在與Al2O3并存時(shí)，更易生成莫來(lái)石相，使其高溫強(qiáng)度，

　　抗熱振性增強(qiáng)。

　　三、適用范圍：

　　商品砼、高強(qiáng)度砼、自流平砼、不定形耐火材料、干混（預(yù)拌）砂漿、高強(qiáng)度無(wú)收縮灌漿料、耐磨工業(yè)地坪、修補(bǔ)砂漿、聚合物砂漿、保溫砂漿、抗?jié)B砼、砼密實(shí)劑、砼防腐劑、水泥基聚合物防水劑；橡膠、塑料、不飽合聚酯、油漆、涂料以及其他高分子材料的補(bǔ)強(qiáng)，陶瓷制品的改性等等。

　　四、應(yīng)用領(lǐng)域：

　　1﹑用于砂漿與砼中：高層建筑物、海港碼頭、水庫(kù)大壩、水利、涵閘、鐵路、公路、橋梁、地鐵、隧道、機(jī)場(chǎng)跑道、砼路面以及煤礦巷道錨噴加固等。

　　2﹑材料工業(yè)中：○1 高檔高性能低水泥耐火澆注料及預(yù)制件，使用壽命是普通澆注料的三倍，耐火度提高約100℃，高溫強(qiáng)度及抗熱震性能都明顯改善。已普遍應(yīng)用于：焦?fàn)t、煉鐵、煉鋼、軋鋼、有色金屬、玻璃、陶瓷及發(fā)電等行業(yè)。 ② 大型鐵溝及鋼包料、透氣磚、涂抹修補(bǔ)料等。③ 自流型耐火澆注材料及干濕法噴射施工應(yīng)用?！?氧化物結(jié)合碳化硅制品（陶瓷窯窯具、隔焰板等）。⑤ 高溫型硅酸鈣輕質(zhì)隔熱材料。⑥ 電瓷窯用剛玉莫來(lái)石推板。⑦ 高溫耐磨材料及制品。⑧ 剛玉及陶瓷制品。⑨ 賽隆結(jié)合制品。

　　目前除在澆注型耐火材料中普遍使用之外，在電熔和燒結(jié)型耐火材料亦獲得大量應(yīng)用。

　　3、新型墻體材料、飾面材料：○1墻體保溫用聚合物砂漿、保溫砂漿、界面劑。② 水泥基聚合物防水材料。③ 輕骨料保溫節(jié)能砼及制品。④ 內(nèi)外墻建筑用膩?zhàn)臃奂庸ぁ?/span>

　　4、 其他用途： ① 硅酸鹽磚原料。② 生產(chǎn)水玻璃。③ 用做有機(jī)化合物的補(bǔ)強(qiáng)材料。因其成份與氣相法生產(chǎn)的白炭黑相近?？梢杂迷谙鹉z、樹脂、涂料、油漆、不飽合聚酯等高分子材料中用作填充補(bǔ)強(qiáng)材料。④ 化肥行業(yè)中用作防結(jié)塊劑。

　　五、使用方法及注意事項(xiàng)：

　　1、 摻量：一般為膠凝材料量的5-10%。硅灰的摻加方法分為內(nèi)摻和外摻，①內(nèi)摻：在加水量不變的前提下，1份硅粉可取代3-5份水泥（重量）并保持混凝土抗壓強(qiáng)度不變而提高混凝土其它性能。②外摻：水泥用量不變，摻加硅灰則顯著提高混凝土強(qiáng)度和其它性能。混凝土摻入硅灰時(shí)有一定坍落度損失。這點(diǎn)需在配合比試驗(yàn)時(shí)加以注意。硅灰須與減水劑配合使用，建議復(fù)摻粉煤灰和磨細(xì)礦渣以改善其施工性。用硅灰配制混凝土?xí)r，一般與膠凝材料的重量。比為：（一）高性能混凝土：5-10%；（二）水工混凝土：5-10%（三）噴射混凝土：5-10%；（四）助泵劑：2-3%；（五）耐磨工業(yè)地坪：6-8%；（六）聚合物砂漿、保溫砂漿：10-15%，（七）不定形耐火澆注料：6-8%。使用前請(qǐng)根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)選定合理、經(jīng)濟(jì)的摻量。

　　2﹑摻加方法：

　　硅灰混凝土及澆注料應(yīng)由試驗(yàn)室作出施工配合比。嚴(yán)格按照配合比施工。在硅灰混凝土的攪拌中硅灰應(yīng)在骨料投料之后立即加入攪拌機(jī)。加入方式有兩種程序：①投入骨料，隨后投入硅灰、水泥干拌后，再加入水和其它外加劑。②投入粗骨料+75%水+硅灰+50%細(xì)骨料，攪拌15-30秒，然后投入水泥+外加劑+50%細(xì)骨料+25%水，攪拌至均勻。攪拌時(shí)間比普通混凝土延長(zhǎng)20-25%或50-60秒。切忌將硅粉加入已拌和的混凝土中。

　　3、施工方法：

　　硅灰混凝土與普通混凝土的施工方法并無(wú)重大區(qū)別，但施工中良好地組織與振搗密實(shí)很有必要。硅灰混凝土早強(qiáng)的性能會(huì)使終凝時(shí)間提前，在抹面時(shí)應(yīng)加注意；同時(shí)摻加硅灰會(huì)提高混凝土的粘滯性和大幅度減少泌水，使抹面稍顯困難。

　　4、施工安全：

　　硅灰混凝土施工安全應(yīng)嚴(yán)格按照混凝土工程的有關(guān)國(guó)家施工規(guī)范進(jìn)行操作，但因硅灰較輕，嚴(yán)禁高空拋灑材料，防止硅灰飛揚(yáng)。

　　六、產(chǎn)品的包裝、貯存與運(yùn)輸：

　　1、本產(chǎn)品使用復(fù)膜塑料編織袋包裝。包裝規(guī)格為：30千克/袋、25千克/袋、20千克/袋。

　　2、本產(chǎn)品應(yīng)在干燥、避雨、遮陽(yáng)的環(huán)境中存放。產(chǎn)品遇水結(jié)塊活性損失。禁止在陽(yáng)光下長(zhǎng)時(shí)間暴曬，以免包裝袋風(fēng)化，產(chǎn)品外灑。

　　3、本產(chǎn)品不屬危險(xiǎn)品，運(yùn)輸可按《非危險(xiǎn)品規(guī)則》辦理。

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