分析硅粉在混凝土中的作用

        高性能混凝土(HPC)是近十余年来发展起来的一种新型混凝土。尽管在不同国家、不同学者或工程技术人员,对高性能混凝土定义的理解有所不同,但其基本特点是耐久性高,这方面的认识是一致的。
　　抗压强度是混凝土的基本性能,为了提高耐久性,混凝土必须具有高强度。与普通混凝土(NSC)相比,高性能混凝土(HPC)中通常水胶比很低、高效减水剂用量大,以及使用硅粉。降低水胶比,总水化热降低,早期相对强度增长较快;高效减水剂通常推迟水化进程,但会使水化峰值增加;硅粉掺入混凝土中,可以获得高强度混凝土,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浆体中的孔隙尺寸,改善了孔隙的分布,于是使混凝土强度提高和渗透性降低。文中就硅粉及硅粉在混凝土中的作用作一较详细论述。
　　1硅粉及硅粉的成分
　　硅粉又称硅灰,是铁合金厂在冶炼铁合金或金属硅时,从烟尘中收集的一种飞灰。
　　收集硅灰的方法主要有两种,即带有热回收利用系统回收方法和无热回收利用系统回收方法,一般呈干状和湿状。其化学成分及性能随回收方法不同而异。
　　硅粉的组成中,86%～96%是一种漂亮的球状体,粒径为1μm以下,平均粒径为0.1μm左右,密度为2.2g/cm3,松堆密度只有0.18g/cm3,其孔隙率高达90%以上,其比表面积在13000m3/kg～20000m3/kg之间。对已知硅铁合金冶炼炉所生产的硅粉,具有相对稳定的化学成分(见表1),由表1可知,SiO2含量最高,其是非晶质的,易溶于碱溶液中。
　　表1硅粉的化学成分及含量%
　　        　　
　　2硅粉在混凝土中的作用及对混凝土性能的影响
　　2.1硅粉的填充性和火山灰活性
　　硅粉具有独特的细度,无定型的SiO2含量高,这使其适于代替一部分胶凝材料,小的球状硅粉填充于水泥颗粒之间,使胶凝材料具有更好的级配。硅粉提高混凝土强度的关键在于提高了水泥浆体与集料之间的粘结强度。硅粉的作用为降低泌水、防止水分在集料下表面凝聚,从而提高界面过渡区的密实度和减小界面过渡区的厚度,硅粉与粉煤灰一样,具有火山灰活性。硅粉含有大量的非晶质硅和超细粉末,在水泥水化初期与Ca(OH)2反应,生成C—S—H凝胶,使混凝土中的钙硅比降低,从而提高了混凝土的强度。
　　硅粉掺入水泥石中,填充了水泥浆部分微细空隙,减小了水泥中的孔隙率,使水泥石致密化,提高了强度,降低了透水性和透气性。由压汞法测定,在掺入硅粉的水泥石中,0.1μm以上的大孔径数量有所降低。
　　2.2与混凝土流动性、需水量及高效减水剂的关系
　　在小掺量情况下,小的球状硅粉颗粒可填充粗颗粒水泥之间的部分空间,使细颗粒的粒度分布更为合理,而且能置换出部分水泥颗粒间的填充水,置换出的这部分水能改善混凝土的流动性。但是,硅粉的比表面积很大,在较多的掺量下,硅粉会使混凝土所需的拌合水量增加。一般情况,硅粉对需水量要求取决于几个方面的因素,特别是外掺高效减水剂,W/B,水的用量和硅粉的掺量。关于硅粉的取代量与需水量的关系,现分析为:在坍落度相同的情况下,硅粉取代水泥量越大,其需水量越多,在一定范围内(SF/(C+SF)<20%)取代量与需水量成直线关系,即硅粉取代水泥每增加1%(5kgSF),需水量就增加7kg;在硅粉不同掺量情况下,掺硅粉的混凝土需水量增加可通过掺加减水剂得以补偿,使混凝土的坍落度相对固定,需水量不变;掺入硅粉可提高水泥浆体的稠度,降低泌水量。
　　2.3硅粉对混凝土中含气量的影响
　　在混凝土中掺入硅粉,会降低混凝土中含气量,要获得所需要的含气量,需要掺入较多的引气剂,特别是对那些低的W/B情况下。
　　2.4硅粉对混凝土凝结时间与水化热的影响
　　Bellander的研究发现,掺入硅粉的混凝土,不含减水剂时,与不掺减水剂的混凝土相比,其凝结时间会延长,特别是硅粉含量高时。以硅粉代替部分水泥,能降低水泥水化热但不降低强度。
　　2.5硅粉对混凝土强度发展的影响
　　用不同硅粉掺量取代水泥,不掺减水剂,保持混凝土的坍落度为一定值,28d强度,除掺5%硅粉的混凝土强度与基准混凝土相同外,其他大掺量硅粉混凝土的强度均低于基准混凝土,掺量越大,强度越低。这是因为硅粉取代量大,W/(C+SF)增大,造成强度降低。但如果掺入高效减水剂,则情况大不一样,含硅粉的混凝土强度高于基准混凝土强度,故掺硅粉混凝土必须与高效减水剂同时使用。
　　2.6硅粉取代量对混凝土收缩的影响
　　硅粉掺入混凝土中,发生“内收缩”作用。硅粉是以“葡萄串”絮状的非紧密堆积结构。“葡萄串”絮状结构内含有大量的空隙,经计算表明空隙率高达90%以上。虽然加水搅拌过程中部分“葡萄串”絮状结构发生破坏,但只是变成平均粒径更小的“葡萄串”絮状结构,因此其内部仍含有大量的空隙。故混凝土中的水分缓缓地渗入到“葡萄串”絮状结构的颗粒裂隙间的空间,引起混凝土体系的宏观体积收缩,这种收缩称为“内收缩”。“内收缩”作用一般在混凝土初凝前结束。
　　此外,硅粉混凝土的总孔隙率小,其中气孔更少,毛细孔与胶孔相对要多一些,其中存在着受毛细管力作用的可蒸发水。
　　在混凝土中掺入硅粉,随着硅粉的掺量增加,混凝土的干缩会增大。
　　3硅粉对混凝土耐久性的影响
　　掺入硅粉能明显降低硬化水泥浆的孔隙率以及过渡区的孔隙,因此掺入硅粉混凝土能提高其抗渗性;掺入硅粉能降低混凝土中Ca(OH)2含量,降低侵蚀化学药品的扩散速率,也降低了各种硫酸盐离子与Ca(OH)2反应生成钙矾石所造成膨胀的危害性;由于碱骨料反应形成碱硅凝胶,在潮湿条件下,产生膨胀,使混凝土结构产生裂缝。用天然沸石粉、粉煤灰和磨细矿渣等掺入混凝土中,可以抑制碱骨料反应。但是,如果再掺入10%～15%的硅粉,能更有效地抑制碱骨料反应;由于硅粉的填充和火山灰作用,硅粉在混凝土中使孔溶液净化,从而提高了小毛细孔中的冰点;经过试验研究,硅粉对混凝土抗碳化性能改善不明显;硅粉的非晶质SiO2与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成C—S—H,水泥石中Ca(OH)2含量减少,晶粒细化,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结构,从而提高水泥石强度和抗磨蚀性能。因此混凝土中掺加硅粉是提高水泥石抗冲磨性能的有效途径之一。
　　4目前硅粉高性能混凝土存在的问题
　　从当前研究来看,掺硅粉的高性能混凝土在性能上还存在以下几个问题:
　　1)自缩,由于高性能硅粉混凝土微管中水分的蒸发与凝聚而产生的收缩,使混凝土的表面产生裂缝,这对高性能混凝土的抗碳化、抗冻融循环作用以及抗氯离子扩散等都是不利的;也降低了高性能混凝土的耐久性。
　　2)“湿胀”引起的表面裂缝,高性能混凝土的水泥用量高、水灰比低,当硬化后长期处于水中时,水分通过微管扩散到内部,未水化的水泥颗粒进一步水化,产生膨胀,这也会使高性能混凝土表面产生裂缝。
　　3)高性能混凝土的应力—应变曲线与普通混凝土不同,不能用普通混凝土的固定理论去分析高性能混凝土。
　　5结语
　　高性能混凝土(HPC)中通常水胶比较低、高效减水剂用量大,以及使用硅粉。文中在搜集资料的基础上,介绍了硅粉的定义、硅粉在混凝土中发挥的性能和硅粉对混凝土耐久性的影响,以及目前在高性能混凝土发展方面还存在的问题。关于硅粉在高性能混凝土应用还未取得极至效果,还需广大同仁继续努力,解决目前所面临的问题,极至发挥硅粉对混凝土的改善性能作用。
　　参考文献:
　　[1]冯乃谦.高性能混凝土技术[M].北京:原子能出版社,2000.
　　[2]威特曼.高性能混凝土——材料特性与设计[M].北京:中国铁道出版社,1998.
　　[3]林宝玉.高强硅粉抗磨蚀混凝土开裂的成因及防治[J].混凝土,2000(7):6-7.
　　[4]张强.高性能混凝土的耐久性技术分析[J].山西建筑,2007,33(5):170-171.