硅灰技術指標的量化

硅灰技術指標的量化

2017-11-13 文/ 朱效榮

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本期責編：竹世科

（一）硅灰在混凝土中的作用

硅灰是冶鍊硅鐵合金或工業硅時的副產品，通過煙排出的硅蒸汽冷氧化並冷收塵而得。硅灰是所有摻合料中性能最好的一種，同時也是價格最貴的摻合料。一般只在高強、高耐久性混凝土中使用。

硅粉主要成份為SiO2，其平均粒徑為0.1μm，為水泥平均粒徑的幾百分之一。在混凝土中填充顆粒空隙，提高體積密度和降低孔隙率。同時硅粉在混凝土中具有火山灰反應，硅粉水化形成的富硅凝膠，強度高於Ca(OH)2晶體，與水泥水化凝膠C-S-H共同工作。

國家對硅粉的品質有相應的國家標準要求。在化學性能上主要要求SiO2含量≥85％，燒失量≤6％，含水率≤3%。在物理性能上主要要求比表面積≥15000m2/kg。在膠砂性能上要求火山灰活性指數≥85%～90％。典型硅粉的主要性能指標見表1-21。

表1-21成都某公司硅粉性能指標

（二）硅粉填充係數的量化計算

作為超細礦物摻合料，硅灰的平均粒徑度為0.1μm，僅為水泥平均粒徑的幾百分之一，主要用來配製高強高性能混凝土，摻入水泥混凝土后能很好地填充於水泥顆粒空隙之中，使漿體更緻密。

硅灰的填充係數可以用下式求得：

式中：

u4——硅灰的填充係數；

ρSi——硅粉的密度（kg/m3)；

SSi——硅粉的比表面積(m2/kg)。

其物理意義為，我們在混凝土配合比設計過程中可以用1kg硅灰取代u4kg與對比試驗的水泥，充分利用了硅灰的填充功能，實現硅粉的準確合理利用

表1-22硅灰填充係數與取代係數的對照

表1-22解釋了不同比表面積的硅灰在取代水泥用量差別很大的原因

（三）硅灰活性指數的量化計算

1.硅灰活性指數測定試驗

測定試驗膠砂和對比膠砂的抗壓強度，以二者抗壓強度之比確定硅粉試樣的活性指數。試驗膠砂和對比膠砂材料用量見表1-23。

表1-23測定硅粉活性指數試驗中試驗膠砂和對比膠砂材料用量

2.結果計算

（1）硅灰活性指數的國家標準計算方法：

硅粉28d活性指數按下式計算：

式中：

A28——8d活性指數（%）；

R0——對比砂漿28d抗壓強度（MPa）；

R4——試驗砂漿28d抗壓強度（MPa）。

計算結果精確至1%。

（2）硅灰活性指數的準確計算方法（自定義為活性係數）

根據對比膠砂可知，450g水泥提供強度50MPa，則405g水泥提供的強度為0.9R0=45MPa；那麼，試驗膠砂提供的強度包括405g水泥提供的強度（即0.9R0=45Mpa）與45g硅粉提供的強度（即R4-0.9R0=30Mpa）；則硅粉的活性指數由下式求得：

式中：

αSi——硅灰的活性係數；

R0——對比砂漿28d抗壓強度（MPa）；

R4——試驗砂漿28d抗壓強度（MPa）。

硅灰的取代係數用δSi表示，則代入數據可得硅灰的活性指數αSi=6，硅灰的取代係數δSi= 0.17。

這樣，我們在混凝土配合比設計過程中可以用1kg硅灰取代6kg與對比試驗相同的水泥，或者用0.17kg硅灰取代1kg與對比試驗相同的水泥，這種設計摒棄傳統觀念中硅粉取代水泥5%～20%的思路，準確合理地使用了硅粉。

（四）硅灰的物理力學性能指標

1.硅灰質量指標應滿足表1-24的要求。

表1-24硅灰質量指標

2.試驗依據

（1）比表面積按《水泥比表面積測定方法（勃氏法）》（GB/T8074）進行。

（2）SiO2含量按《水泥化學分析方法》（GB/T176）進行。

（五）硅灰的合理使用

即硅粉接觸拌合水后，首先形成富硅的凝膠，並吸收水分，凝膠在尚未水化的水泥顆粒間聚集，逐漸包裹水泥顆粒，水化產物Ca(OH)2與上述硅凝膠的表面反應生成C-S-H凝膠，該水化物凝膠強度高於Ca(OH)2晶體。C-S-H凝膠的產生多處於水泥水化的C-S-H凝膠孔隙中，大大提高了混凝土的結構密度。因此具有優異的火山灰效應和微粒效應，能改善新拌混凝土的泌水和黏聚性。

1.硅灰的主要作用

（1）增加強度

用硅粉代替部分水泥加到混凝土中，增加了密度和凝聚力，使混凝土抗壓抗折強度大大增強，摻入5％～10％的硅粉，抗壓強度可提高10%～30%，抗折強度提高10％以上。

（2）增加緻密度

硅粉可均勻地充填於水泥顆粒空隙之中，使混凝土更加緻密，克服了混凝土常見的空隙弊病，對滲水性、碳化深度進行測試，結果表明，抗滲性可提高5～18倍，抗碳化能力提高4倍以上。

（3）抗凍性

測試表明硅粉混凝土在經過300～500次快速凍融循環，相對動彈性模量降低1％～2％，而普通混凝土僅通過25～50次循環，相對動彈性模量降低36％～73％。

（4）早強性

硅粉加入混凝土后，與遊離的Ca(OH)2結合，從而降低Ca+2和OH—的濃度，使誘導期縮短，促進C2S水化，表現了硅粉使混凝土早強的特性，有資料介紹，硅粉能將混凝土18h強度可提高30％。

（5）抗沖磨、抗空蝕性

我國水工建築物60％以上受不同程度的沖磨、空蝕破壞。經測試表明，硅粉混凝土比普通混凝土抗沖磨能力高0.5～2.5倍，抗空蝕能力提高3～16倍。

2.硅粉在混凝土中的應用

在混凝土中加入硅粉及緩凝減水劑，其性能得以改善，因此被廣泛使用，目前主要應用：（1）水利工程

硅粉混凝土有良好的防水、抗滲、耐沖磨和抗侵蝕性。廣泛用於修建電站、水壩、河道等，目前硅粉在二灘電站、紫坪鋪水利樞紐、黃河小浪底水利樞紐工程中大量使用，取得了很好效果。

（2）建築工程

混凝土中加入硅粉后具有早強性、高強性，大量實用於廠房建設、高層建築，如中國國際大劇院C100、遼寧鞍山國際大酒店C50混凝土、北京市財稅大樓C110混凝土等，既可縮短工期，又可經濟地增加強度。

(3)公路建設

充分利用硅粉混凝土的高強、耐磨和早強性能，可以修建高等級公路、機場跑道、路面的搶修、公路隧道等，用硅粉混凝土修築公路，24h后抗壓即達25Mpa以上，28d達50Mpa以上，超過設計要求的C40，抗磨能力提高一倍，半天形成通車能力。

(4)港口、橋樑、鹽水工程

混凝土中摻入硅粉大大增加緻密度，同時硅粉混凝土具有很高的電阻率，不易形成鏽蝕大電池，遏制了鏽蝕的擴展。杭州灣跨海大橋、香港青馬大橋、江蘇連雲港木材碼頭、重慶大佛寺長江大橋就是成功應用範例。

(5)噴射混凝土

硅粉加入噴射混凝土中能顯著改善塑性混凝土的黏附性和凝聚性，大幅度降低回彈量，增大噴射混凝土一次成型厚度。在歐美，75％的噴射混凝土摻加硅粉，而在挪威和瑞典，硅粉是噴射混凝土必備材料。