硅灰在普通混凝土中的應用初探

包志剛

（內蒙古博星混凝土有限公司，內蒙古 呼和浩特 010105）

1 引言

硅灰或稱凝聚硅灰，也叫微硅粉、硅粉,是硅鐵或金屬硅生產過程中由礦熱爐中的高純石英、焦炭和木屑還原產生的副產品，主要成分是SiO2。一般硅灰的顏色在淺灰和深灰之間，SiO2本身是無色的，其顏色主要取決于碳和氧化鐵的含量，碳含量越高，顏色越暗，另外加密的硅灰要比自然硅灰顏色暗。硅灰的粒徑都小于1μm，平均粒徑為0．1μm左右，是水泥顆粒直徑的1/100，所以硅灰能高度分散于混凝土中，填充在水泥顆粒之間而提高密實度，同時硅灰具有很高的活性，能更快更全面的與水泥水化產生的氧氫化鈣反應。

（1）應用歷史

硅灰在混凝土中的應用研究可追溯到上世紀四十年代的挪威。七十年代末，北歐和北美對于硅灰在混凝土中的應用研究也取得了長足的進步，八十年代初，中國對硅灰混凝土作了大量的研究工作，并在水利工程中有較多應用，取得了良好的效果。水利部還頒布了“水工混凝土硅粉品質標準暫行規定”。實踐表明：普通混凝土工程在惡劣的環境中可能短時間內受到嚴重損壞，從而威脅工程質量大大降低工程的使用壽命。而采用水泥、硅灰和粉煤灰及減水劑配制出滿足各方面要求的高性能混凝土，成功應用于各工程中，混凝土性能顯著改善，將混凝土施工的靈活、快速和經濟的優點提高到一個新的水平。

（2）工作原理

硅灰（微硅粉）是混凝土活性礦物摻合材料中活性最高的一種，其主要成分為活性SiO2。硅灰顆粒很小(<1μm)，具有高度分散性。硅灰對混凝土強度的作用機理為：填充效應、火山灰效應、孔隙溶液化學效應。硅灰摻入混凝土中，增加了混凝土基體的密實度，提高了水泥漿體與骨料之間的粘結強度，減少了Ca(OH)2對HPC強度的不利影響，削弱了ASR對混凝土的危害。混凝土中硅灰一般摻量為5%～15%，最佳摻量10%左右。

硅灰作為一種輔助膠凝材料摻加到水泥漿體和混凝土中，不僅能夠提高水泥水化度，并與Ca(OH)2發生二次水化反應，且硅灰及其二次水化產物填充硬化水泥漿體中的有害孔，并改善混凝土中硬化水泥漿體與骨料的界面性能，對硬化水泥漿體和混凝土微結構將產生積極的影響，從而對其宏觀力學性能特別是對它們的耐久性產生十分有利的影響，而這正是水泥與混凝土材料科學的幾個基本任務之一。而且利用硅灰還可以減少其對環境的污染，減輕它對環境所造成的壓力。但同時也應該看到，硅灰對硬化水泥漿體和混凝土微結構的改善與許多因素有關，因此必須加強這方面的研究，包括其它火山灰材料對硬化水泥漿體和混凝土微結構的影響的研究。

（3）硅灰的種類及應用標準

硅灰主要以二種形式供應，即原態硅灰和增密硅灰。

原態硅灰，即通過收塵器直接收集得到的產品，松散容積約為150～200kg/m3。原態硅灰一般采用袋裝運輸，由于硅灰密度很小，長途運輸效率較低，使用時多采用人工直接破袋將微硅灰倒人混凝土攪拌機，工作環境粉塵大，工作效率低。

為解決原態硅灰不宜長途運輸及效率低的問題，開發出了提高硅灰密實度的“硅灰增密技術”。這種技術使原態硅灰在壓縮空氣流的作用下，滾動聚集成小的顆粒團，從而將硅灰的松散容積提高到500～700kg/m3，大大方便了使用，增密硅灰小顆料團的顆粒凝聚力較弱，在混凝土攪拌機中的攪拌過程非常容易散開，因此，硅灰顆粒易在骨料投料后投入攪拌機，以保證增密硅灰顆粒團散開和良好的分散。

（4）硅灰的質量標準

SiO2含量越高，硅灰的性能越高。一般要求，硅灰SiO2含量＞85%，硅灰的碳在混凝土中會吸附部分引氣劑，因此要求燒失量≤7%（控制碳和含水量）；再次是硅灰的細度要控制在45μm以下，＞45μm的顆粒，篩余量應在10%以下。以前有的學者專家曾計算：以15%的硅灰取代水泥，則在混凝土中水泥顆粒與硅灰顆粒數量的比例為1∶2000000，由此可知硅灰是一種超細粉末物質，之所以提高混凝土的強度，關鍵在于提高了水泥漿體與骨料之間的粘結強度，能降低泌水，防止水分在骨料下表面聚集，從而提高界面過渡區的密實度和減小界面過渡區的厚度。硅灰的粒徑比水泥顆粒要小100倍，填充于水泥顆粒的空隙之間，其效果如同水泥顆料填充在骨料之間一樣，增加混凝土的密實度。

以上資料的介紹，對本文所述試驗提供了理論依據和很大的啟發。

2 混凝土試配試驗過程

2.1 試驗用原材料

（1）硅灰：內蒙古巴彥淖爾市附近硅鐵廠出品的原態硅灰，其品質指標見表1。

表1 硅灰品質指標 %

（2）水泥：川中牌P.O42.5R水泥；28d膠砂強度47MPa；

（3）粉煤灰：Ⅱ級灰；篩余量16%，需水量比88%；

（4）細骨料：水洗中砂，細度模數2.8；含泥量2.6%；

（5）粗骨料：卵石，粒徑5～25mm，含泥量0.5%；壓碎指標9.2%；

（6）外加劑：XB高效泵送劑。

2.2 混凝土配合比

見表2。

2.3 新拌混凝土性能及硬化混凝土強度

見表3。

2.4 試驗結果分析

首先，在新拌混凝土性能方面，與不摻硅灰的混凝土相比，摻了硅灰后混凝土和易性良好，粘聚性和保水性均有較大改善，但流動性隨著硅灰摻量的增加逐漸變差，反映出硅灰需水量大對混凝土的不利影響；同時，混凝土坍落度經時損失也隨之增大，在增大外加劑摻量后稍有改善，說明超細的硅灰顆粒對外加劑產生了吸附效果，降低了外加劑的保塑性能。

表2 混凝土配合比

表3 新拌混凝土性能及硬化混凝土抗壓強度

從表3中可以看出，摻加硅灰后混凝土的抗壓強度指標有所變化，每方混凝土硅灰摻量在30kg以下時，混凝土3d、7d強度增長明顯，顯示出硅灰混凝土突出的早強性能，但28d強度變化不大；當硅灰摻量在30kg以上時，混凝土各齡期抗壓強度均明顯提高，顯示出硅灰對混凝土強度的巨大貢獻。

表3中編號為7、8、9的試驗是試圖按硅灰：水泥為1∶1.5、1∶2和1∶2.5的比例來用硅灰替代水泥，以觀察混凝土強度的變化，結果發現與不摻硅灰的混凝土相比，隨著上述比例的增加，混凝土強度呈下降趨勢，編號9降低尤為明顯。

表3中編號10、11的試驗是按照普通混凝土的配比設計規律逐次提高水泥用量以觀察混凝土強度的增長情況，結果顯示，水泥用量增加后混凝土強度的變化規律與普通混凝土基本相同。

3 應用實例

2009年7月，在呼和浩特市某小區一棟高層住宅墻體結構C30混凝土施工中，采用了上述試驗編號7的配合比進行了實際生產澆筑，結果混凝土泵送施工過程順利，拆模后墻體表面光滑致密；所留置28d標準養護試塊抗壓強度試驗結果為36.3MPa，達到設計強度的121%；該建筑兩個月后進行實體驗收，抽芯取樣檢測結果為44.5MPa，達到設計強度的148%，應用效果令人滿意。

4 結束語

通過對硅灰在普通混凝土中不同摻量的試驗和實際應用，可以得到初步結論如下：

（1）硅灰作為一種高活性礦物摻合料，不僅可用于高強混凝土，同樣可在普通混凝土中得到廣泛應用，特別是數量龐大的原態硅灰，由于其價格較低（每噸約600元），只要解決好質量穩定問題及運輸、添加、計量過程中的粉塵污染問題，其應用的前景十分光明，完全符合國家關于工業廢渣綜合利用和節能減排的要求；

（2）硅灰在每立方混凝土中的用量并非越多越好，而是存在一個最佳摻量，本文試驗結果顯示，綜合考慮質量要求和經濟成本要求，最佳摻量為30kg/m3，可以替代1.5～2倍的水泥用量；

（3）硅灰在使用過程中還有不少問題需要進一步探討和解決，除了上面提到的質量穩定問題、粉塵污染問題之外，還包括硅灰在混凝土中的最佳摻量問題、外加劑適應性問題、攪拌均勻性問題、澆筑完硅灰混凝土的養護問題等諸多方面，還需要業內同仁的共同努力解決，最終達到制定相關應用技術規程，規范有序應用的良好局面。

[1]普通混凝土配合比設計規程[S]．JGJ 5522000

[2]馮乃謙．高性能混凝土[M]．北京：中國建筑工業出版社,1996.

[3]朱大宇．高性能混凝土施工技術[J]．建筑施工，2000,22(5)：27-29.

[4]中華人民共和國黑色冶金行業標準—不定形耐火材料用二氧化硅微粉[S]．YB/T115—1997

[5]微硅粉對混凝中耐久性的影響[DB/OL]．http://www.microsilica.org/Html/weiguifenzhishi/44378461116.html