【摘要】:本文就硅粉及硅粉在混凝土中的作用作一較詳細(xì)論述。
　　
　　【關(guān)鍵詞】:硅粉(SF),高性能混凝土,性能,耐久性 
　　
　　高性能混凝土(HPC)是近十余年來發(fā)展起來的一種新型混凝土。盡管在不同國(guó)家、不同學(xué)者或工程技術(shù)人員,對(duì)高性能混凝土定義的理解有所不同,但其基本特點(diǎn)是耐久性高,這方面的認(rèn)識(shí)是一致的。
　　抗壓強(qiáng)度是混凝土的基本性能,為了提高耐久性,混凝土必須具有高強(qiáng)度。與普通混凝土(NSC)相比,高性能混凝土(HPC)中通常水膠比很低、高效減水劑用量大,以及使用硅粉。降低水膠比,總水化熱降低,早期相對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快;高效減水劑通常推遲水化進(jìn)程,但會(huì)使水化峰值增加;硅粉摻入混凝土中,可以獲得高強(qiáng)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漿體中的孔隙尺寸,改善了孔隙的分布,于是使混凝土強(qiáng)度提高和滲透性降低。文中就硅粉及硅粉在混凝土中的作用作一較詳細(xì)論述。
　　1硅粉及硅粉的成分
　　硅粉又稱硅灰,是鐵合金廠在冶煉鐵合金或金屬硅時(shí),從煙塵中收集的一種飛灰。
　　收集硅灰的方法主要有兩種,即帶有熱回收利用系統(tǒng)回收方法和無熱回收利用系統(tǒng)回收方法,一般呈干狀和濕狀。其化學(xué)成分及性能隨回收方法不同而異。
　　硅粉的組成中,86%～96%是一種漂亮的球狀體,粒徑為1μm以下,平均粒徑為0.1μm左右,密度為2.2g/cm3,松堆密度只有0.18g/cm3,其孔隙率高達(dá)90%以上,其比表面積在13000m3/kg～20000m3/kg之間。對(duì)已知硅鐵合金冶煉爐所生產(chǎn)的硅粉,具有相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)成分(見表1),由表1可知,SiO2含量最高,其是非晶質(zhì)的,易溶于堿溶液中。
　　表1硅粉的化學(xué)成分及含量%
　　         　　
　　2硅粉在混凝土中的作用及對(duì)混凝土性能的影響
　　2.1硅粉的填充性和火山灰活性
　　硅粉具有獨(dú)特的細(xì)度,無定型的SiO2含量高,這使其適于代替一部分膠凝材料,小的球狀硅粉填充于水泥顆粒之間,使膠凝材料具有更好的級(jí)配。硅粉提高混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵在于提高了水泥漿體與集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。硅粉的作用為降低泌水、防止水分在集料下表面凝聚,從而提高界面過渡區(qū)的密實(shí)度和減小界面過渡區(qū)的厚度,硅粉與粉煤灰一樣,具有火山灰活性。硅粉含有大量的非晶質(zhì)硅和超細(xì)粉末,在水泥水化初期與Ca(OH)2反應(yīng),生成C—S—H凝膠,使混凝土中的鈣硅比降低,從而提高了混凝土的強(qiáng)度。
　　硅粉摻入水泥石中,填充了水泥漿部分微細(xì)空隙,減小了水泥中的孔隙率,使水泥石致密化,提高了強(qiáng)度,降低了透水性和透氣性。由壓汞法測(cè)定,在摻入硅粉的水泥石中,0.1μm以上的大孔徑數(shù)量有所降低。
　　2.2與混凝土流動(dòng)性、需水量及高效減水劑的關(guān)系
　　在小摻量情況下,小的球狀硅粉顆粒可填充粗顆粒水泥之間的部分空間,使細(xì)顆粒的粒度分布更為合理,而且能置換出部分水泥顆粒間的填充水,置換出的這部分水能改善混凝土的流動(dòng)性。但是,硅粉的比表面積很大,在較多的摻量下,硅粉會(huì)使混凝土所需的拌合水量增加。一般情況,硅粉對(duì)需水量要求取決于幾個(gè)方面的因素,特別是外摻高效減水劑,W/B,水的用量和硅粉的摻量。關(guān)于硅粉的取代量與需水量的關(guān)系,現(xiàn)分析為:在坍落度相同的情況下,硅粉取代水泥量越大,其需水量越多,在一定范圍內(nèi)(SF/(C+SF)<20%)取代量與需水量成直線關(guān)系,即硅粉取代水泥每增加1%(5kgSF),需水量就增加7kg;在硅粉不同摻量情況下,摻硅粉的混凝土需水量增加可通過摻加減水劑得以補(bǔ)償,使混凝土的坍落度相對(duì)固定,需水量不變;摻入硅粉可提高水泥漿體的稠度,降低泌水量。
　　2.3硅粉對(duì)混凝土中含氣量的影響
　　在混凝土中摻入硅粉,會(huì)降低混凝土中含氣量,要獲得所需要的含氣量,需要摻入較多的引氣劑,特別是對(duì)那些低的W/B情況下。
　　2.4硅粉對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間與水化熱的影響
　　Bellander的研究發(fā)現(xiàn),摻入硅粉的混凝土,不含減水劑時(shí),與不摻減水劑的混凝土相比,其凝結(jié)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng),特別是硅粉含量高時(shí)。以硅粉代替部分水泥,能降低水泥水化熱但不降低強(qiáng)度。
　　2.5硅粉對(duì)混凝土強(qiáng)度發(fā)展的影響
　　用不同硅粉摻量取代水泥,不摻減水劑,保持混凝土的坍落度為一定值,28d強(qiáng)度,除摻5%硅粉的混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相同外,其他大摻量硅粉混凝土的強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)混凝土,摻量越大,強(qiáng)度越低。這是因?yàn)楣璺廴〈�量�?W/(C+SF)增大,造成強(qiáng)度降低。但如果摻入高效減水劑,則情況大不一樣,含硅粉的混凝土強(qiáng)度高于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度,故摻硅粉混凝土必須與高效減水劑同時(shí)使用。
　　2.6硅粉取代量對(duì)混凝土收縮的影響
　　硅粉摻入混凝土中,發(fā)生“內(nèi)收縮”作用。硅粉是以“葡萄串”絮狀的非緊密堆積結(jié)構(gòu)。“葡萄串”絮狀結(jié)構(gòu)內(nèi)含有大量的空隙,經(jīng)計(jì)算表明空隙率高達(dá)90%以上。雖然加水?dāng)嚢柽^程中部分“葡萄串”絮狀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,但只是變成平均粒徑更小的“葡萄串”絮狀結(jié)構(gòu),因此其內(nèi)部仍含有大量的空隙。故混凝土中的水分緩緩地滲入到“葡萄串”絮狀結(jié)構(gòu)的顆粒裂隙間的空間,引起混凝土體系的宏觀體積收縮,這種收縮稱為“內(nèi)收縮”。“內(nèi)收縮”作用一般在混凝土初凝前結(jié)束。
　　此外,硅粉混凝土的總孔隙率小,其中氣孔更少,毛細(xì)孔與膠孔相對(duì)要多一些,其中存在著受毛細(xì)管力作用的可蒸發(fā)水。
　　在混凝土中摻入硅粉,隨著硅粉的摻量增加,混凝土的干縮會(huì)增大。
　　3硅粉對(duì)混凝土耐久性的影響
　　摻入硅粉能明顯降低硬化水泥漿的孔隙率以及過渡區(qū)的孔隙,因此摻入硅粉混凝土能提高其抗?jié)B性;摻入硅粉能降低混凝土中Ca(OH)2含量,降低侵蝕化學(xué)藥品的擴(kuò)散速率,也降低了各種硫酸鹽離子與Ca(OH)2反應(yīng)生成鈣礬石所造成膨脹的危害性;由于堿骨料反應(yīng)形成堿硅凝膠,在潮濕條件下,產(chǎn)生膨脹,使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。用天然沸石粉、粉煤灰和磨細(xì)礦渣等摻入混凝土中,可以抑制堿骨料反應(yīng)。但是,如果再摻入10%～15%的硅粉,能更有效地抑制堿骨料反應(yīng);由于硅粉的填充和火山灰作用,硅粉在混凝土中使孔溶液凈化,從而提高了小毛細(xì)孔中的冰點(diǎn);經(jīng)過試驗(yàn)研究,硅粉對(duì)混凝土抗碳化性能改善不明顯;硅粉的非晶質(zhì)SiO2與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成C—S—H,水泥石中Ca(OH)2含量減少,晶粒細(xì)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結(jié)構(gòu),從而提高水泥石強(qiáng)度和抗磨蝕性能。因此混凝土中摻加硅粉是提高水泥石抗沖磨性能的有效途徑之一。
　　4目前硅粉高性能混凝土存在的問題
　　從當(dāng)前研究來看,摻硅粉的高性能混凝土在性能上還存在以下幾個(gè)問題:
　　1)自縮,由于高性能硅粉混凝土微管中水分的蒸發(fā)與凝聚而產(chǎn)生的收縮,使混凝土的表面產(chǎn)生裂縫,這對(duì)高性能混凝土的抗碳化、抗凍融循環(huán)作用以及抗氯離子擴(kuò)散等都是不利的;也降低了高性能混凝土的耐久性。
　　2)“濕脹”引起的表面裂縫,高性能混凝土的水泥用量高、水灰比低,當(dāng)硬化后長(zhǎng)期處于水中時(shí),水分通過微管擴(kuò)散到內(nèi)部,未水化的水泥顆粒進(jìn)一步水化,產(chǎn)生膨脹,這也會(huì)使高性能混凝土表面產(chǎn)生裂縫。
　　3)高性能混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線與普通混凝土不同,不能用普通混凝土的固定理論去分析高性能混凝土。
　　5結(jié)語
　　高性能混凝土(HPC)中通常水膠比較低、高效減水劑用量大,以及使用硅粉。文中在搜集資料的基礎(chǔ)上,介紹了硅粉的定義、硅粉在混凝土中發(fā)揮的性能和硅粉對(duì)混凝土耐久性的影響,以及目前在高性能混凝土發(fā)展方面還存在的問題。關(guān)于硅粉在高性能混凝土應(yīng)用還未取得極至效果,還需廣大同仁繼續(xù)努力,解決目前所面臨的問題,極至發(fā)揮硅粉對(duì)混凝土的改善性能作用。
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