硅灰在普通混凝土中的应用初探

包志刚

（内蒙古博星混凝土有限公司，内蒙古 呼和浩特 010105）

1 引言

硅灰或称凝聚硅灰，也叫微硅粉、硅粉,是硅铁或金属硅生产过程中由矿热炉中的高纯石英、焦炭和木屑还原产生的副产品，主要成分是SiO2。一般硅灰的颜色在浅灰和深灰之间，SiO2本身是无色的，其颜色主要取决于碳和氧化铁的含量，碳含量越高，颜色越暗，另外加密的硅灰要比自然硅灰颜色暗。硅灰的粒径都小于1μm，平均粒径为0．1μm左右，是水泥颗粒直径的1/100，所以硅灰能高度分散于混凝土中，填充在水泥颗粒之间而提高密实度，同时硅灰具有很高的活性，能更快更全面的与水泥水化产生的氧氢化钙反应。

（1）应用历史

硅灰在混凝土中的应用研究可追溯到上世纪四十年代的挪威。七十年代末，北欧和北美对于硅灰在混凝土中的应用研究也取得了长足的进步，八十年代初，中国对硅灰混凝土作了大量的研究工作，并在水利工程中有较多应用，取得了良好的效果。水利部还颁布了“水工混凝土硅粉品质标准暂行规定”。实践表明：普通混凝土工程在恶劣的环境中可能短时间内受到严重损坏，从而威胁工程质量大大降低工程的使用寿命。而采用水泥、硅灰和粉煤灰及减水剂配制出满足各方面要求的高性能混凝土，成功应用于各工程中，混凝土性能显著改善，将混凝土施工的灵活、快速和经济的优点提高到一个新的水平。

（2）工作原理

硅灰（微硅粉）是混凝土活性矿物掺合材料中活性最高的一种，其主要成分为活性SiO2。硅灰颗粒很小(<1μm)，具有高度分散性。硅灰对混凝土强度的作用机理为：填充效应、火山灰效应、孔隙溶液化学效应。硅灰掺入混凝土中，增加了混凝土基体的密实度，提高了水泥浆体与骨料之间的粘结强度，减少了Ca(OH)2对HPC强度的不利影响，削弱了ASR对混凝土的危害。混凝土中硅灰一般掺量为5%～15%，最佳掺量10%左右。

硅灰作为一种辅助胶凝材料掺加到水泥浆体和混凝土中，不仅能够提高水泥水化度，并与Ca(OH)2发生二次水化反应，且硅灰及其二次水化产物填充硬化水泥浆体中的有害孔，并改善混凝土中硬化水泥浆体与骨料的界面性能，对硬化水泥浆体和混凝土微结构将产生积极的影响，从而对其宏观力学性能特别是对它们的耐久性产生十分有利的影响，而这正是水泥与混凝土材料科学的几个基本任务之一。而且利用硅灰还可以减少其对环境的污染，减轻它对环境所造成的压力。但同时也应该看到，硅灰对硬化水泥浆体和混凝土微结构的改善与许多因素有关，因此必须加强这方面的研究，包括其它火山灰材料对硬化水泥浆体和混凝土微结构的影响的研究。

（3）硅灰的种类及应用标准

硅灰主要以二种形式供应，即原态硅灰和增密硅灰。

原态硅灰，即通过收尘器直接收集得到的产品，松散容积约为150～200kg/m3。原态硅灰一般采用袋装运输，由于硅灰密度很小，长途运输效率较低，使用时多采用人工直接破袋将微硅灰倒人混凝土搅拌机，工作环境粉尘大，工作效率低。

为解决原态硅灰不宜长途运输及效率低的问题，开发出了提高硅灰密实度的“硅灰增密技术”。这种技术使原态硅灰在压缩空气流的作用下，滚动聚集成小的颗粒团，从而将硅灰的松散容积提高到500～700kg/m3，大大方便了使用，增密硅灰小颗料团的颗粒凝聚力较弱，在混凝土搅拌机中的搅拌过程非常容易散开，因此，硅灰颗粒易在骨料投料后投入搅拌机，以保证增密硅灰颗粒团散开和良好的分散。

（4）硅灰的质量标准

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会吸附部分引气剂，因此要求烧失量≤7%（控制碳和含水量）；再次是硅灰的细度要控制在45μm以下，＞45μm的颗粒，筛余量应在10%以下。以前有的学者专家曾计算：以15%的硅灰取代水泥，则在混凝土中水泥颗粒与硅灰颗粒数量的比例为1∶2000000，由此可知硅灰是一种超细粉末物质，之所以提高混凝土的强度，关键在于提高了水泥浆体与骨料之间的粘结强度，能降低泌水，防止水分在骨料下表面聚集，从而提高界面过渡区的密实度和减小界面过渡区的厚度。硅灰的粒径比水泥颗粒要小100倍，填充于水泥颗粒的空隙之间，其效果如同水泥颗料填充在骨料之间一样，增加混凝土的密实度。

以上资料的介绍，对本文所述试验提供了理论依据和很大的启发。

2 混凝土试配试验过程

2.1 试验用原材料

（1）硅灰：内蒙古巴彦淖尔市附近硅铁厂出品的原态硅灰，其品质指标见表1。

表1 硅灰品质指标 %

（2）水泥：川中牌P.O42.5R水泥；28d胶砂强度47MPa；

（3）粉煤灰：Ⅱ级灰；筛余量16%，需水量比88%；

（4）细骨料：水洗中砂，细度模数2.8；含泥量2.6%；

（5）粗骨料：卵石，粒径5～25mm，含泥量0.5%；压碎指标9.2%；

（6）外加剂：XB高效泵送剂。

2.2 混凝土配合比

见表2。

2.3 新拌混凝土性能及硬化混凝土强度

见表3。

2.4 试验结果分析

首先，在新拌混凝土性能方面，与不掺硅灰的混凝土相比，掺了硅灰后混凝土和易性良好，粘聚性和保水性均有较大改善，但流动性随着硅灰掺量的增加逐渐变差，反映出硅灰需水量大对混凝土的不利影响；同时，混凝土坍落度经时损失也随之增大，在增大外加剂掺量后稍有改善，说明超细的硅灰颗粒对外加剂产生了吸附效果，降低了外加剂的保塑性能。

表2 混凝土配合比

表3 新拌混凝土性能及硬化混凝土抗压强度

从表3中可以看出，掺加硅灰后混凝土的抗压强度指标有所变化，每方混凝土硅灰掺量在30kg以下时，混凝土3d、7d强度增长明显，显示出硅灰混凝土突出的早强性能，但28d强度变化不大；当硅灰掺量在30kg以上时，混凝土各龄期抗压强度均明显提高，显示出硅灰对混凝土强度的巨大贡献。

表3中编号为7、8、9的试验是试图按硅灰：水泥为1∶1.5、1∶2和1∶2.5的比例来用硅灰替代水泥，以观察混凝土强度的变化，结果发现与不掺硅灰的混凝土相比，随着上述比例的增加，混凝土强度呈下降趋势，编号9降低尤为明显。

表3中编号10、11的试验是按照普通混凝土的配比设计规律逐次提高水泥用量以观察混凝土强度的增长情况，结果显示，水泥用量增加后混凝土强度的变化规律与普通混凝土基本相同。

3 应用实例

2009年7月，在呼和浩特市某小区一栋高层住宅墙体结构C30混凝土施工中，采用了上述试验编号7的配合比进行了实际生产浇筑，结果混凝土泵送施工过程顺利，拆模后墙体表面光滑致密；所留置28d标准养护试块抗压强度试验结果为36.3MPa，达到设计强度的121%；该建筑两个月后进行实体验收，抽芯取样检测结果为44.5MPa，达到设计强度的148%，应用效果令人满意。

4 结束语

通过对硅灰在普通混凝土中不同掺量的试验和实际应用，可以得到初步结论如下：

（1）硅灰作为一种高活性矿物掺合料，不仅可用于高强混凝土，同样可在普通混凝土中得到广泛应用，特别是数量庞大的原态硅灰，由于其价格较低（每吨约600元），只要解决好质量稳定问题及运输、添加、计量过程中的粉尘污染问题，其应用的前景十分光明，完全符合国家关于工业废渣综合利用和节能减排的要求；

（2）硅灰在每立方混凝土中的用量并非越多越好，而是存在一个最佳掺量，本文试验结果显示，综合考虑质量要求和经济成本要求，最佳掺量为30kg/m3，可以替代1.5～2倍的水泥用量；

（3）硅灰在使用过程中还有不少问题需要进一步探讨和解决，除了上面提到的质量稳定问题、粉尘污染问题之外，还包括硅灰在混凝土中的最佳掺量问题、外加剂适应性问题、搅拌均匀性问题、浇筑完硅灰混凝土的养护问题等诸多方面，还需要业内同仁的共同努力解决，最终达到制定相关应用技术规程，规范有序应用的良好局面。

[1]普通混凝土配合比设计规程[S]．JGJ 5522000

[2]冯乃谦．高性能混凝土[M]．北京：中国建筑工业出版社,1996.

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

[4]中华人民共和国黑色冶金行业标准—不定形耐火材料用二氧化硅微粉[S]．YB/T115—1997

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