微硅粉在高性能混凝土中的应用探讨

微硅粉在高性能混凝土中的应用探讨

微硅粉在高性能混凝土中的应用探讨

一、微硅粉在我国的生产和在混凝土中应用的现状

我国对微硅粉的应用研究和回收利用起步较晚，大部分硅铁生产企业对微硅粉的回收不够重视，一些规模较大的企业尽管回收了微硅粉，但没有发现其中的价值，而且这些回收来的微硅粉二氧化硅含量大多数都不达标，尚属粗放型的工业副产品。近几年，由于国家对环保的重视，逐步加强了对污染企业的管理，特别是国内对高强混凝土需求的增加，许多铁合金生产企业配备了收尘设备，并开发、引进了加密技术。使得我国微硅粉产品得到迅猛发展。

我国微硅粉主要应用于混凝土和耐火材料领域。微硅粉混凝土已应用在重要工程如建造高层大厦、抗冲刷磨损、抗渗漏等工程，早在1986年我国已将硅砂浆应用于葛洲坝水闸的修补和2000-3000m3蓄水池的防渗，三峡电站、二滩电站、紫坪铺电站、黄河小浪底电站、福建水口电站、青海龙羊峡电站等水利水电工程和上海杨浦大桥、香港青马跨海大桥、江苏连云港木材码头等工程的防渗及抗冲磨部位，以及用于高强度抗渗工程如上海黄埔江越江隧道工程，微硅粉混凝土还用于抗硫酸盐、氯酸盐、钢筋防锈和提高耐久性工程，如我国在沿海建造的水下采油平台等，目前随着我国高铁和核电项目的快速发展，微硅粉也得到大力推广和使用，如京沪高铁、沪宁高铁、福建闽清核电、广东台山核电等。

二、微硅粉的属性

1、概述

微硅粉（学名“硅灰”，Microsilica或Silica Fume），系在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道排出的硅蒸汽氧化后，经特别设计的收尘器收集得到的无定形、粉末状的二氧化硅（SiO2）。微硅粉平均粒径在0.15~0.20μm，比表面积为15000~20000m2/kg，具有极强的表面活性。近20年来，微硅粉在国内外建筑、化工、冶金等领域获得了广泛的应用。其中大量的微硅粉主要用于水泥或混凝土掺合料，以改善水泥或混凝土的性能，配制具有超高强（C80以上）、耐磨、耐冲刷、耐腐蚀、抗渗透、抗冻、早强的特种混凝土，用于大坝、大型水库、水电、海港码头、铁路桥梁、高速公路、飞机场跑道、隧道及超高层建筑等工程。

(1)物理作用。因颗粒细，它填充了水泥颗粒之间的孔隙，使浆体更致密，改善了水泥、骨料的微观组织结构，从而提高了混凝土材料的宏观物理—力学性能（强度、抗渗性、耐久性、弹性模量等）。

(2)化学反应作用。硅粉中的主要成份二氧化硅(SiO2 )在碱性激发条件下，能与水泥水化析出的Ca(OH2)起反应，生成具有水硬性质的硅酸盐胶体—水化硅酸钙凝胶(又称CSH凝胶)，这些凝胶堵塞在毛细管中，使毛细管孔变小，而且不连续，从而大大提高了混凝土密实性。并且水化硅酸钙凝胶强度远大于Ca(OH)2 凝胶。因此，硅粉具有火山灰效应和微粒效应两种优点，能改善新拌混凝土的泌水性和粘聚性，达到全面提高混凝土质量的目的。

2、硅粉在改善和提高混凝土性能方面的表现

（1）提高混凝土早期强度和最终强度

当微硅粉对水泥的取代率为30%以内时，蒸气温度为80℃，砂浆一天的抗压强度为不掺微硅粉的2倍，（100MPa）；若无采用蒸压养护，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。当微硅粉与高效碱水剂复合使用时，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的3-5倍。

（2）增加混凝土致密度

混凝土中掺入微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，微硅粉颗粒很细小，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，掺微硅粉的混凝土水泥石微孔容积均明显减少。

（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，微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宜产生离析。由于微硅粉对混凝土离析和泌水性能的改善，使掺微硅粉混凝土可以用作海港、隧道等水下工程。

（4）提高混凝土的抗渗性、抗化学腐蚀性和比电阻

由于微硅粉的掺入提高了混凝土的密实性，大大减少了水泥空隙，所以提高了微硅粉混凝土的抗渗性能。国外研究认为，当混凝土中微硅粉取代率为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SiO2含量增加，有效地阻止了酸离子的侵入和腐蚀作用。另外，由于微硅粉比电阻很高（可达1.2×1011Ω·c m，90~150℃），所以混凝土比电阻可提高1.9~16倍。

3、硅粉混凝土的施工方法

（1）硅粉混凝土的拌和。用搅拌机拌和，按配方将材料准确称量，投料次序为水→石子→砂→水泥→硅粉→用搅拌机搅拌1.5min，然后加入外加剂一胶乳再搅拌1.5min出机。混凝土拌好的象征是：各种材料拌和均匀，流动性好，不离析，塌落度控制在3cm以内，超过4cm则不得使用。

（2）硅粉混凝土的运输。拌好的硅粉混凝土水平运输和垂直运输时间不得超过10min。

（3）硅粉混凝土的入仓浇筑。浇筑过程应1次浇完，不得中途停止。由于机械故障等原因产生冷缝，应停止浇筑，等先浇混凝土具有一定强度(一般等2 4h后)，按施工缝处理后(处理方法与基面处理相同)，再浇筑剩余部分混凝土。浇筑宜从左或右向一个方向入仓，经平仓后，先用插入式振捣器，后用平板振捣器提浆，振捣时间较普通混凝土稍长一些，要振捣密实不能漏振。平仓振捣后收抹面的工人应抓紧拍打出浆并抹面，一般应收抹3次～4次，使其表面光滑平整，无空洞、麻面和无贯穿性裂缝，不平整度控制在5mm以内。

（4）养护。新浇硅粉混凝土经振捣收抹后停1h～3h(根据现场气温具体确定)，立即加盖塑料薄膜，防止雨淋和表面蒸发产生裂缝，24h内严禁人踩或堆放杂物。经36h～48h后，去掉塑料膜，加盖草袋，按水工混凝土养护规程及时洒水养护。

4、混凝土中掺用微硅粉时应注意的问题：

（1）配合比设计

a、相容性：微硅粉应与减水剂、粉煤灰、矿粉、纤维等相容性良好。

b、坍落度：由于其填隙效应，混凝土的粘滞性较高，因此掺微硅粉混凝土的坍落度设计要求比普通混凝土高2~3cm；