淺談散裝微硅粉在預拌混凝土中的推廣應用

任革（云南眾恒投資（集團）有限公司 650000）

李再鵬，楊元勝（云南銀輝混凝土有限公司 650000）

0 引言

微硅粉也稱硅粉、硅灰，是工業硅及硅鐵在高溫熔煉的過程中，通過煙道排出硅蒸汽，經過特殊的收塵設備回收的無定型非晶體超細高活性的粉體材料。自然狀態呈白色，隨著密度的增大，顏色逐漸加深，微硅粉的主要化學成份是SiO2，平均粒徑約為0.1~0.15μm，為水泥平均粒徑的幾百分之一，比表面積為15000~27000m2/kg，并且具有極強的表面活性。微硅粉是一種無需經過粉碎加工的超細高活性的粉體材料，被廣泛應用在高強高性能混凝土、特種水泥、水利水電工程、耐火材料、化工等領域。

將適量微硅粉作為摻合料投入混凝土中能改善混凝土多方面的性能，如顯著改善低標號混凝土的和易性，降低高標號混凝土的粘附性能。隨著高層建筑和大跨度結構的發展，對混凝土強度、耐久性和工作性的要求越來越高[1]。在高強度混凝土中，微硅粉作為摻合料配制高強混凝土,其強度等級可以達到100MPa以上。高強混凝土能夠減小建筑構件的截面尺寸、降低結構的自重、加快施工進度，并且在剛度和耐久性方面性能良好[2]。

1 添加微硅粉對混凝土的性能改善

微硅粉與礦渣粉、粉煤灰等其他活性摻合料相比，具有細度小、活性高等優點，混凝土中加入的微硅粉顆粒可以填充于水泥顆粒之間，使膠凝材料具有良好的級配。微硅粉的這種填充性提高了水泥石的密實度，改善了水泥石的內部結構，許多研究都認為微硅粉和Ca（OH）2之間的反應增加了水泥石中C-S-H凝膠的體積，降低了水泥石內部孔隙總體積，并使得連通孔減少，混凝土內部的大量毛細水被微硅粉所約束，減少了混凝土內部的泌水，提高了水泥漿與骨料及鋼筋的粘結，從而提高混凝土的抗壓性能、抗滲性能、抗化學侵蝕性能。此外，微硅粉對于改善混凝土的抗磨蝕性效果明顯，這是因為，加入微硅粉后減少了混凝土的泌水和離析，提高了水泥漿體與骨料粘結強度，從而使得混凝土的耐磨性也得以提高。據有關資料，微硅粉混凝土的抗磨蝕性與同水泥用量而不摻微硅粉的混凝土相比，其抗沖磨能力提高1倍左右，抗空蝕能力提高3倍以上[3]。

2 產品分析

2.1 產品測量

（1） 微硅粉密度的測量。采用漏斗法用XF-02流動性松裝密度測定裝置對樣品進行測量，漏斗內徑5mm，圓柱杯容積25cm3。

（2） 微硅粉微觀形貌測量。利用 XL30 ESEM-TMP型掃面電子顯微鏡對樣品的顆粒形貌及微硅粉加密形成球形顆粒的聚集情況進行觀測。

（3） 比表面積的測量。利用3H-2000PS1型比表面及孔徑分析儀對樣品的比表面積進行測量。

（4） 含水量的測量。取5g樣品置于103～105℃的烘箱中干燥2h，取出樣品在干燥器中冷卻，稱量樣品重量，反復烘干樣品至恒重，計算樣品重量減少量占原重量的百分比。

（5） 燒失量的測量。取1g樣品（精確到0.0001g）放入已灼燒至恒量的坩堝中，放入馬弗爐中加熱至950℃并保溫15～20min，取出樣品至于干燥器中冷卻，稱量樣品總量，反復灼燒至恒重，然后計算樣品重量減少占原重量的百分比。

（6）二氧化硅含量的測量。依據GB/T18736-2002《高強高性能混凝土用礦物外加劑》附錄A的測量方法，對樣品中的二氧化硅含量進行測量。

（7） 氯離子含量的測量。依據JC/T420-2006《水泥原料中氯離子的化學分析方法》的測量方法，對樣品中的氯離子含量進行測量。

（8） 需水量比的測量。用10%質量的微硅粉取代標準水泥配制膠砂流動度達到與標準膠砂流動度相同時兩者用水量之比，用百分數表示。

（9） 活性指數的測量。用10%質量的微硅粉取代標準水泥配制的膠砂與標準膠砂制成的試樣在標準條件下養護至相同規定齡期的抗壓強度之比，用百分數表示。

2.2 測量結果

（1）常規性能指標。云南建標新材料科技有限公司提供檢測的微硅粉樣品經過加密造粒處理，樣品中的SiO2顆粒聚集形成平均粒徑在0.2～0.3mm的球形顆粒，樣品的松裝密度達到了670kg/m3，比表面積為22.51m2/g。樣品中加密形成球形顆粒可以通過碾壓破碎，SiO2小顆粒的平均粒徑在0.1～0.2μm。微硅粉樣品的微觀形貌如圖1所示。

圖1 樣品的SEM微觀形貌圖片

（2） 按照國家標準GB/T18736-2002《高強高性能混凝土用礦物外加劑》要求測試結果如表1所示。

表1 微硅粉產品檢測

2.3 分析結果

（1） 原態微硅粉產品原態SiO2顆粒平均粒徑在 0.1～0.2μm，比表面積 22.51m2/g，遠超 GB/T18736-2002《高強高性能混凝土用礦物外加劑》對微硅粉的產品要求。為提高微硅粉質量，在除塵回收系統上，需要增設雙旋風分離器，去除煙塵中的大顆粒及碳顆粒等雜物，提高SiO2含量及穩定性。

（2） 測試的微硅粉SiO2含量>95%，屬于高品質微硅粉，能滿足各種高性能混凝土的應用需求。

3 攪拌站的試驗情況

3.1 膠砂抗壓強度的對比

硅灰不同摻量時膠砂強度的變化詳見表1。摻量超過10%后，對比試樣膠砂的流動度與基準差異明顯。

3.2 在混凝土中對比

（1）混凝土試配所用原材料全部為云南銀輝混凝土公司現場材料：

水泥：宜良紅獅P.O42.5；

粉煤灰：昆明清榮投資公司，II級磨細灰；

機制砂：細度模數2.9；

碎石：5~26mm連續級配；

減水劑（AD）：馬龍雙龍建材公司，DH800聚羧酸減水劑。

試配對照詳見表3。

表3 C30試配對照表

（2） 混凝土和易性對比詳見圖2~圖3。

圖2 未摻微硅粉混凝土

圖3 摻了微硅粉混凝土

加10kg微硅粉混凝土的和易性（流動度、粘聚性、保水性）和觀感質量均有明顯改觀，能更好地滿足施工澆筑要求。

（3） 強度對比。

基準C30混凝土配合比P0，強度值R7=26.5MPa,R28=35.8MPa

摻10kg微硅粉，按1∶2替代水泥調整配合比p1#，強度值R7=25.9MPa,R28=37.1MPa

摻20kg微硅粉，按1∶2替代水泥調整配合比p2#，強度值R7=22.8MPa,R28=32.2MPa

此組試驗說明，微硅粉摻量并非越多越好，微硅粉摻量應根據混凝土的強度等級和使用的目的而定。以C30為例，早期強度隨硅粉替代量的增加而降低，P1方式下，早期強度變化不明顯，28天強度略有增長；P2方式下，早期強度下降明顯，28天強度也有明顯下降，說明P2超過最佳摻量。

3.4 混凝土成本對比

混凝土成本對比詳見表4。

表4 C30成本對比表

節約成本的前提是確保質量，在實際生產過程中依據原材料實際情況和混凝土強度等級不同，一般可節省成本3~6元。

3.5 摻量

微硅粉摻量應根據混凝土的強度等級和使用的目的而定。

C10~C30強度等級的混凝土使用目的：在成本不變的情況下，改善混凝土的工作性能，摻量控制每立方不超過10kg。

C35~C45強度等級的混凝土使用目的：改善混凝土的工作性能外又節約一定的成本，摻量控制在每立方10~15kg。

C50~C60強度等級的混凝土使用目的：改善混凝土的工作性能，增加混凝土后期強度，同時節約一定的成本，摻量控制在每立方15~25kg。

4 增密改造

4.1 增密改造的必要性

為了將云南保山市的微硅粉推廣到500km外的昆明市場，必須解決原態微硅粉不宜長途運輸及儲存等的問題，對原態微硅粉進行增密改造工藝取得了良好效果。增設氣力、機械加密設備，將原灰加工成半增密（200~400kg/m3）、全增密（400kg/m3以上）等規格，實測達到600kg/m3以上，大大降低了運輸成本，增密后的產品實現了散裝化（像水泥一樣可以吹罐儲存），實現了電子計量，提高了投料的精度，同時，解決了環境污染的問題，所以是十分有必要的（詳見圖4）。

圖4 增密改造廠區圖

4.1.1增密原理

微硅粉增密是一種凝聚工藝，使用來自加密風機的空氣作為能源，將有一定壓力的氣體，通過氣室均勻地吹入裝有微硅粉原灰的加密罐內，使其在罐內沸騰、均勻翻滾，互相碰撞，氣體壓縮，進而聚成細小球粒狀，容重增大，達到加密目的和效果。

4.1.2增密工藝和流程

微硅粉增密主要為氣動增密處理，可直接連接到礦熱爐除塵凈化系統中。氣動增密系統由輸送系統、增密系統、增密流化床、儲存罐體、倉頂除塵器、增密控制系統幾部分組成，采用高壓氣體通過流化床將罐體內儲存的粉塵沸騰，不斷攪拌和翻滾，達到加密效果。詳見圖5。

圖5 增密工藝圖

增密流程為：礦熱爐排放出來的揮發氣體經過煙囪放空管道，在經過蝶閥將氣體送到預處理器進行過濾雜質，篩選出合格的煙氣，然后經過主風機吹入布袋除塵器中進行冷卻除塵變成原灰，再用上料風機將布袋除塵器中的原灰吹入加密罐，開啟加密風機加密，最后通過卸灰閥出料。

5 生產應用與推廣

5.1 攪拌時間

將散裝增密微硅粉儲存到獨立粉料罐中，與水泥、粉煤灰一樣實現了電子計量，使用時粉料、砂石要攪拌均勻，然后加水和其他外加劑。必須使用強制攪拌機來拌和，并且須延長一定的攪拌時間，一般情況下攪拌時間不宜低于45s，C50以上混凝土攪拌時間不宜低于60s。使用增密微硅粉生產混凝土時的攪拌時間控制是能否充分發揮硅粉性能的關鍵因素之一。攪拌時間不合理，會直接影響混凝土拌合物的坍落度、流動性、含氣量、強度等，而合理的攪拌時間跟每盤混凝土的攪拌量、混凝土的強度等級、用水量、微硅粉的摻量、外加劑的種類等均有關系。所以，大家應該重視這一問題，并在生產中進一步總結經驗。

5.2 避免堵塞

在使用螺旋管道輸送微硅粉過程中有時會堵塞管道，可以從以下方面進行改進：

（1）如果條件允許，可將螺旋管道設置成水平管道或下坡管，可有效減少螺旋堵塞情況。

（2） 輸送管道的輸送量調整到全開的1/4~1/5。

（3） 電機的輸出功率一定要和螺旋相匹配，不宜大也不能小，一般在11~15kW。

（4）機修人員應關注電機的溫度和運轉情況，發生堵塞要及時清理。

5.3 其它注意事項

（1） 散裝微硅粉不得在受潮環境中儲存，否則可能嚴重影響微硅粉的品質。

（2） 散裝微硅粉在干燥環境中的保質期為1年，存放時間超過6個月時，建議進行重新檢測。

（3）微硅粉可能會增加減水劑的摻量，生產中宜與高效減水劑（如：羧酸減水劑）配合使用。

（4）當散裝微硅粉作為一種新材料在預拌混凝土中使用時，技術部可以制定相關的作業指導書，對技術員進行必要的培訓。

（5） 混凝土養護要求。

混凝土中添加微硅粉取代部分水泥后，減少了一定數量的膠材，混凝土初期水化熱量降低，一般情況下混凝土3d強度略為偏低，為了確保混凝土后期強度增長，必須確保新澆混凝土的正常水化環境，所以，要做好與施工單位的技術交底，加強養護工作，特別是新澆混凝土前7d養護工作。

6 結語

將散裝微硅粉應用到預拌混凝土中是變廢為寶，經濟價值和環保意義不言而喻。根據《中國微硅粉市場預測及戰略研究報告（2017版）》顯示，我國冶金、建筑、水利水電、公路工程等行業仍將保持穩步發展，再加上國內對微硅粉應用研究的進一步擴大與深入，經過提純、增密、改性加工后的微硅粉產品將會以更多的形態出現在各種高性能混凝土中。相信在不久的將來，微硅粉的市場前景越發可觀。