硅灰在混凝土中的作用

 硅粉是冶炼硅铁、工业硅时从烟气净化装置中回收的工业烟尘。我国是世界硅铁、工业硅生产大国，据冶金报报道， 1985 年我国已形成生产硅铁 100 万吨，工业硅 30 万吨的生产能力，估计硅铁实际年生产量 80~90 万吨。据此计算，我国硅粉潜在资源每年达 15 万吨以上。硅灰是硅铁合金厂用高纯度石英冶炼金属硅或硅铁合金时从烟尘中收集的硅氧化物粉末。用氮吸附法测定的硅灰比表面积高达 15~20 万平方厘米/克，平均粒径小于 0.1UM，约为水泥料径的 1/50~1/100；质量好的硅灰中硫含量大于 90%，其中活性硫在 40%以上，故活性较高。混凝土中掺入硅灰可显著提高混凝土强度和耐久性，其原因正是硅灰极细微的颗粒可产生良好的微填充效应，使混凝土孔结构充分细化，低水化热及很高的火山灰活性对混凝土早期和后期强度发展十分有利。但硅灰掺入混凝土将增加混凝土需水量，故硅灰必须与高效减水剂共同使用方能体现出其优越性。硅灰的适宜掺量一般为 5%~15%。在我国，因硅灰产量很低，价格很高 （约为水泥体格的 5 倍甚至更多），出于经济性考虑， 通常只在配制高强混凝土或高强度高性能混凝土时才使用。
1 硅粉的物理性质和化学成分
     由于硅粉是生产硅铁和工业硅的副产品，其生产条件相似，所以各国硅粉的物理性质和化学成分相似。硅粉呈白色，按含碳量多少，硅粉颜色深浅略有不同，白度 40~50，硅粉与水泥混合后呈灰黑色，拌成混凝土后呈青灰色。表 1 为硅粉与水泥、矿渣、粉煤灰等的物理性能比较，由表可见，硅粉的比重约为水泥的 2/3，但密度却只有水泥的 1/6 左右。

2 硅粉在混凝土中的作用
    把硅粉作为掺合剂用于混凝土工业是国外硅粉综合利用中研究最早、成果最多、应用最广的一个领域。由于硅粉颗粒细小，比面积大，具有硫纯度高与强火山灰活性等物理化学特点，把硅粉作为掺剂加入混凝土具有如下几个方面的性能。
2.1 提高混凝土早期强度和最终强度
    国外研究证明，当硅粉对水泥的取代率为30%以内时，蒸气温度为 80 度。砂浆 24h 的抗压强度为不掺硅粉的 2 倍 （100MPa）；若采用蒸压养护，则几乎达 3 倍 （150MPa）；采用标准养护，砂浆的抗压强度也明显提高。加拿大 H.H.Bache 提出，当硅粉与高效减水剂复合使用时，可使混凝土的水胶比 （W/C+Si) 降至0.13~0.18，水泥颗粒之间被硅粉填充密实，混凝土的抗压强度为不掺硅粉合剂的 3~5 倍。目前，美国、丹麦、挪威等国已用硅粉作掺合剂配置出了强度高达 1100 千克/平方厘米的混凝土，而且工艺简单，经济效益好，故被大量采用。
2.2 增加质密度混凝土中掺入硅粉增加了起反应的硅含量，在电镜下观察，掺硅混凝土的水泥石空隙中有晶体生长。另外，硅粉颗粒很细小，均匀地填充了混凝土微孔。国外用水泥注入法测定，无论哪种养护条件，掺硅粉的混凝土水泥石微孔容积均明显减少。
2.3 改善混凝土离析和泌水性能浇灌混凝土之后，往往产生水从混凝土中分离出来的现象，即在表层形成水膜，也称之为浮浆，使上层混凝土分布不均匀， 影响建筑质量。国外研究证明，硅粉掺入量即取代率Si/（Si+C） 愈多，混凝土材料愈难以离析和泌水。当取代率达 15%时，混凝土坍落度即使达 15~20cm，也几乎不产生离析和泌水，当取代率达 20%~30%时，将该混凝土直接放入自来水中也不易产生离析。由于硅粉对混凝土离析和泌水性能的改善，使掺硅粉混凝土可以用作海港、隧道等水下工程。
2.4 提高混凝土的抗渗性、抗化学腐蚀性和比电阻由于硅粉的掺入提高了混凝土的密实性，大大减少了水泥空隙，所以提高了硅粉混凝土的抗渗性能。国外研究认为，当混凝土中硅粉取代率为 10~20 时显著改善了混凝土的抗渗性、抗化学腐蚀性，而且对钢筋的耐腐蚀性也有改善。这时因为密实性的提高和硫含量增加，有效地阻止了酸离子的侵入和腐蚀作用。别外，由于硅粉比电阻很高，所以混凝土比电阻可提高 1.9~16 倍。在混凝土中掺加适量硅灰， 可以大大增加混凝土强度。但是硅灰价格偏高，加之粉尘飞扬，在运输和工地使用及环保方面有诸多不便，如果能将这些困难解决，将会有很好的市场前景。
3 小结
3.1 粉煤灰混凝土强度随着粉煤灰掺量的增加而降低，后期强度发展较大。随着混凝土强度等级的提高，抗冻性、耐久性也明显提高。
3.2 综合考虑粉煤灰混凝土的强度、抗冻性和抗渗性，粉煤灰最佳量应为 15%~20%。

编辑：小薇