微硅粉在高性能水泥混凝土中的应用

随着高速公路在我省的迅猛发展，一些大跨径、施工高度超过100m的现浇箱梁桥梁在设计中大量出现，对水泥混凝土性能提出了更高的要求，而云南省内粉煤灰基本为Ⅱ级，缺少Ⅰ级粉煤灰，磨细矿渣粉基本就是S75级，难以满足配制高性能混凝土的要求，但是保山、怒江等地微硅粉产量较大，临近滇东北的成都市也有丰富的微硅粉资源，这些都为我们将微硅粉应用于高性能混凝土提供了保障。相较粉煤灰和磨细矿渣粉，微硅粉的掺加在改善水泥混凝土综合性能方面有明显的优势。 
　　1.化学性能 
　　微硅粉，也叫硅粉，学名“硅灰”是工业电炉在高温熔炼工业硅及硅铁的过程中，随废气逸出的烟尘经特殊的装置收集处理而成。是一种超细的硅质粉体材料，外观为灰色或灰白色粉末，比表面积为15000～25000�O/�K，平均粒径在0.1～0.3?m，硅灰是一种活性很高的火山灰物质，其主要成分是二氧化硅，属于无定型物质，活性高，颗粒细小，表面较为光滑，具有优良的理化性能，硅灰化学成分见下表： 
　　2.在国内外的应用 
　　对微硅粉的研究应用，国外起步较早，早在120世纪50年代挪威就开始了微硅粉的生产应用方面的研究，并在20世纪70年代开始实际应用，我国在20世纪80年代中期才开始水电工程中进行试用，随着科学技术的不断进步和工程发展的需要，微硅粉作为改性材料引起广泛重视，已经成为配制高性能混凝土不可或缺的部分，在混凝土中掺加一定量的微硅粉，结合应用高效减水剂，使混凝土各方面的性能都得到显著改善.我国于2002年制定相应的国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T18736），并在东海大桥等重点工程中得到应用，取得了良好的社会效益和经济效益。 
　　3.作为水泥混凝土中矿物掺合料的主要作用 
　　微硅粉能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水泥水化物反应生成凝胶体，在水泥混凝土中掺加适量的微硅粉，可起到如下作用： 
　　3.1 用于公路路面和飞机跑道中，可以大大提高混凝土早期强度和耐磨性能； 
　　3.2用于喷射混凝土中，可显著改善混凝土粘附性，大幅度降低回弹量，增大喷射混凝土一次成型厚度，缩短工期，节省工程造价； 
　　3.3用于泵送混凝土中，可明显改善拌合物的可泵性，大幅度降低泵送阻力； 
　　3.4可明显控制拌合物离析、防止泌水； 
　　3.5可显著改善混凝土的抗化学侵蚀性能，提高其耐久性； 
　　3.6可显著提高抗压、抗折、抗渗、耐磨性能； 
　　3.7可显著提高早期强度，加快模板周转，尤其是对预应力混凝土，经济效益更为明显； 
　　3.8优质微硅粉是配制C60及以上混凝土不可或缺的重要材料； 
　　3.9可抑制碱骨料反应； 
　　3.使用方法及注意事项 
　　微硅粉混凝土应严格按照试验室配合比施工，其掺量应为胶凝材料的5～10%（采用内掺法），如掺量太少，对混凝土性能改善不大，如掺量太多，则混凝土发粘，且干缩变形大，最大掺量不得大于10%上限，一般情况下，在配合比试验时，在单位用水量不变的前提下，一份微硅粉可代替3～5份水泥（以质量计），具体掺量应经试验确定，配合比设计可采用正交法。 
　　3.1微硅粉应与高效减水剂配合使用； 
　　3.2微硅粉应与粉煤灰和磨细矿渣粉复合使用； 
　　3.3拌和时投料先后顺序为骨料、水泥和微硅粉等胶凝材料、水、外加剂，不得将微硅粉加入已拌和的混凝土中； 
　　3.4微硅粉易堵塞储存罐，人工投料时应注意防风； 
　　4.实际应用示例 
　　昭会高速公路改扩建工程重点控制性工程-牛栏江特大桥，主跨采用变截面预应力混凝土连续刚构箱梁，桥面距水面高差180m，施工方案中，水泥混凝土垂直泵送高度为147m，再水平泵送100m，水泥混凝土运距15�N，但是路况较差，并受施工场地条件限制，运输时间和等候时间共需80min，施工现场夏季温度最高可达40℃，这就对混凝土性能提出了较高的要求。最后确定该C55配合比设计参数要求如下：胶凝材料总量不得大于530�K/m3且水泥用量不大于500�K/m3，单位用水量不大于150�K/m3，7天抗压强度≥55MPa，28天抗压强度≥65MPa，设计坍落度200～220�L，扩展度≥550�L，拌合物出机坍落度220～240�L，120 min坍落度经时损失≤20�L。 
　　原材料性能指标如下： 
　　4.1水泥：昆明拉法基瑞安（东骏）水泥有限公司“石林”牌P.O52.5水泥，混合材掺加矿渣石灰石，掺量6.8%，游离氧化钙、烧失量、碱含量、三氧化硫、氯离子等指标均满足国家标准要求，其他指标见下表 
　　4.6粗骨料：会泽县江底坪子石料场生产，石灰岩，5～25�L连续级配，母岩单轴饱水抗压强度118.6 MPa，软化系数0.93，无碱活性，其他指标见下表 
　　配合比设计采用胶凝材料为水泥掺加微硅粉、水泥掺加微硅粉及粉煤灰、水泥掺加粉煤灰及磨细矿渣粉，进行拌合物性能试拌试验，经反复对比试验，最终确定两个基准配合比： 
　　两个配合比7天及28天抗压强度均能满足设计要求，7天及28天弹性模量均大于3.55GPa，只是采用微硅粉和粉煤灰双掺的配合比的7天抗压强度更高一些，且其拌合物的包裹性和流动性，即泵送性能要更具优势， 经综合考虑，最终确定采用配合比2作为试验室配合比，实际施工也证明了该配合比性能完全满足设计及施工需要，性能优良。 
　　5.结论 
　　在水泥混凝土中以微硅粉作为掺合料，能极大改善水泥混凝土各方面性能，根据实际情况，与粉煤灰、磨细矿渣粉复合使用，并采用高效减水剂，能够取得极好的社会效益与经济效益，应充分利用云南省内优质的微硅粉资源，大力推广其在高性能乃至普通混凝土中的应用。 
　　参考文献： 
　　1、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011） 
　　2、《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T18736-2002） 
　　3、《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011） 
　　4、《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）

编辑：小薇