浅谈散装微硅粉在预拌混凝土中的推广应用

任革（云南众恒投资（集团）有限公司 650000）

李再鹏，杨元胜（云南银辉混凝土有限公司 650000）

0 引言

微硅粉也称硅粉、硅灰，是工业硅及硅铁在高温熔炼的过程中，通过烟道排出硅蒸汽，经过特殊的收尘设备回收的无定型非晶体超细高活性的粉体材料。自然状态呈白色，随着密度的增大，颜色逐渐加深，微硅粉的主要化学成份是SiO2，平均粒径约为0.1~0.15μm，为水泥平均粒径的几百分之一，比表面积为15000~27000m2/kg，并且具有极强的表面活性。微硅粉是一种无需经过粉碎加工的超细高活性的粉体材料，被广泛应用在高强高性能混凝土、特种水泥、水利水电工程、耐火材料、化工等领域。

将适量微硅粉作为掺合料投入混凝土中能改善混凝土多方面的性能，如显著改善低标号混凝土的和易性，降低高标号混凝土的粘附性能。随着高层建筑和大跨度结构的发展，对混凝土强度、耐久性和工作性的要求越来越高[1]。在高强度混凝土中，微硅粉作为掺合料配制高强混凝土,其强度等级可以达到100MPa以上。高强混凝土能够减小建筑构件的截面尺寸、降低结构的自重、加快施工进度，并且在刚度和耐久性方面性能良好[2]。

1 添加微硅粉对混凝土的性能改善

微硅粉与矿渣粉、粉煤灰等其他活性掺合料相比，具有细度小、活性高等优点，混凝土中加入的微硅粉颗粒可以填充于水泥颗粒之间，使胶凝材料具有良好的级配。微硅粉的这种填充性提高了水泥石的密实度，改善了水泥石的内部结构，许多研究都认为微硅粉和Ca（OH）2之间的反应增加了水泥石中C-S-H凝胶的体积，降低了水泥石内部孔隙总体积，并使得连通孔减少，混凝土内部的大量毛细水被微硅粉所约束，减少了混凝土内部的泌水，提高了水泥浆与骨料及钢筋的粘结，从而提高混凝土的抗压性能、抗渗性能、抗化学侵蚀性能。此外，微硅粉对于改善混凝土的抗磨蚀性效果明显，这是因为，加入微硅粉后减少了混凝土的泌水和离析，提高了水泥浆体与骨料粘结强度，从而使得混凝土的耐磨性也得以提高。据有关资料，微硅粉混凝土的抗磨蚀性与同水泥用量而不掺微硅粉的混凝土相比，其抗冲磨能力提高1倍左右，抗空蚀能力提高3倍以上[3]。

2 产品分析

2.1 产品测量

（1） 微硅粉密度的测量。采用漏斗法用XF-02流动性松装密度测定装置对样品进行测量，漏斗内径5mm，圆柱杯容积25cm3。

（2） 微硅粉微观形貌测量。利用 XL30 ESEM-TMP型扫面电子显微镜对样品的颗粒形貌及微硅粉加密形成球形颗粒的聚集情况进行观测。

（3） 比表面积的测量。利用3H-2000PS1型比表面及孔径分析仪对样品的比表面积进行测量。

（4） 含水量的测量。取5g样品置于103～105℃的烘箱中干燥2h，取出样品在干燥器中冷却，称量样品重量，反复烘干样品至恒重，计算样品重量减少量占原重量的百分比。

（5） 烧失量的测量。取1g样品（精确到0.0001g）放入已灼烧至恒量的坩埚中，放入马弗炉中加热至950℃并保温15～20min，取出样品至于干燥器中冷却，称量样品总量，反复灼烧至恒重，然后计算样品重量减少占原重量的百分比。

（6）二氧化硅含量的测量。依据GB/T18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》附录A的测量方法，对样品中的二氧化硅含量进行测量。

（7） 氯离子含量的测量。依据JC/T420-2006《水泥原料中氯离子的化学分析方法》的测量方法，对样品中的氯离子含量进行测量。

（8） 需水量比的测量。用10%质量的微硅粉取代标准水泥配制胶砂流动度达到与标准胶砂流动度相同时两者用水量之比，用百分数表示。

（9） 活性指数的测量。用10%质量的微硅粉取代标准水泥配制的胶砂与标准胶砂制成的试样在标准条件下养护至相同规定龄期的抗压强度之比，用百分数表示。

2.2 测量结果

（1）常规性能指标。云南建标新材料科技有限公司提供检测的微硅粉样品经过加密造粒处理，样品中的SiO2颗粒聚集形成平均粒径在0.2～0.3mm的球形颗粒，样品的松装密度达到了670kg/m3，比表面积为22.51m2/g。样品中加密形成球形颗粒可以通过碾压破碎，SiO2小颗粒的平均粒径在0.1～0.2μm。微硅粉样品的微观形貌如图1所示。

图1 样品的SEM微观形貌图片

（2） 按照国家标准GB/T18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》要求测试结果如表1所示。

表1 微硅粉产品检测

2.3 分析结果

（1） 原态微硅粉产品原态SiO2颗粒平均粒径在 0.1～0.2μm，比表面积 22.51m2/g，远超 GB/T18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》对微硅粉的产品要求。为提高微硅粉质量，在除尘回收系统上，需要增设双旋风分离器，去除烟尘中的大颗粒及碳颗粒等杂物，提高SiO2含量及稳定性。

（2） 测试的微硅粉SiO2含量>95%，属于高品质微硅粉，能满足各种高性能混凝土的应用需求。

3 搅拌站的试验情况

3.1 胶砂抗压强度的对比

硅灰不同掺量时胶砂强度的变化详见表1。掺量超过10%后，对比试样胶砂的流动度与基准差异明显。

3.2 在混凝土中对比

（1）混凝土试配所用原材料全部为云南银辉混凝土公司现场材料：

水泥：宜良红狮P.O42.5；

粉煤灰：昆明清荣投资公司，II级磨细灰；

机制砂：细度模数2.9；

碎石：5~26mm连续级配；

减水剂（AD）：马龙双龙建材公司，DH800聚羧酸减水剂。

试配对照详见表3。

表3 C30试配对照表

（2） 混凝土和易性对比详见图2~图3。

图2 未掺微硅粉混凝土

图3 掺了微硅粉混凝土

加10kg微硅粉混凝土的和易性（流动度、粘聚性、保水性）和观感质量均有明显改观，能更好地满足施工浇筑要求。

（3） 强度对比。

基准C30混凝土配合比P0，强度值R7=26.5MPa,R28=35.8MPa

掺10kg微硅粉，按1∶2替代水泥调整配合比p1#，强度值R7=25.9MPa,R28=37.1MPa

掺20kg微硅粉，按1∶2替代水泥调整配合比p2#，强度值R7=22.8MPa,R28=32.2MPa

此组试验说明，微硅粉掺量并非越多越好，微硅粉掺量应根据混凝土的强度等级和使用的目的而定。以C30为例，早期强度随硅粉替代量的增加而降低，P1方式下，早期强度变化不明显，28天强度略有增长；P2方式下，早期强度下降明显，28天强度也有明显下降，说明P2超过最佳掺量。

3.4 混凝土成本对比

混凝土成本对比详见表4。

表4 C30成本对比表

节约成本的前提是确保质量，在实际生产过程中依据原材料实际情况和混凝土强度等级不同，一般可节省成本3~6元。

3.5 掺量

微硅粉掺量应根据混凝土的强度等级和使用的目的而定。

C10~C30强度等级的混凝土使用目的：在成本不变的情况下，改善混凝土的工作性能，掺量控制每立方不超过10kg。

C35~C45强度等级的混凝土使用目的：改善混凝土的工作性能外又节约一定的成本，掺量控制在每立方10~15kg。

C50~C60强度等级的混凝土使用目的：改善混凝土的工作性能，增加混凝土后期强度，同时节约一定的成本，掺量控制在每立方15~25kg。

4 增密改造

4.1 增密改造的必要性

为了将云南保山市的微硅粉推广到500km外的昆明市场，必须解决原态微硅粉不宜长途运输及储存等的问题，对原态微硅粉进行增密改造工艺取得了良好效果。增设气力、机械加密设备，将原灰加工成半增密（200~400kg/m3）、全增密（400kg/m3以上）等规格，实测达到600kg/m3以上，大大降低了运输成本，增密后的产品实现了散装化（像水泥一样可以吹罐储存），实现了电子计量，提高了投料的精度，同时，解决了环境污染的问题，所以是十分有必要的（详见图4）。

图4 增密改造厂区图

4.1.1增密原理

微硅粉增密是一种凝聚工艺，使用来自加密风机的空气作为能源，将有一定压力的气体，通过气室均匀地吹入装有微硅粉原灰的加密罐内，使其在罐内沸腾、均匀翻滚，互相碰撞，气体压缩，进而聚成细小球粒状，容重增大，达到加密目的和效果。

4.1.2增密工艺和流程

微硅粉增密主要为气动增密处理，可直接连接到矿热炉除尘净化系统中。气动增密系统由输送系统、增密系统、增密流化床、储存罐体、仓顶除尘器、增密控制系统几部分组成，采用高压气体通过流化床将罐体内储存的粉尘沸腾，不断搅拌和翻滚，达到加密效果。详见图5。

图5 增密工艺图

增密流程为：矿热炉排放出来的挥发气体经过烟囱放空管道，在经过蝶阀将气体送到预处理器进行过滤杂质，筛选出合格的烟气，然后经过主风机吹入布袋除尘器中进行冷却除尘变成原灰，再用上料风机将布袋除尘器中的原灰吹入加密罐，开启加密风机加密，最后通过卸灰阀出料。

5 生产应用与推广

5.1 搅拌时间

将散装增密微硅粉储存到独立粉料罐中，与水泥、粉煤灰一样实现了电子计量，使用时粉料、砂石要搅拌均匀，然后加水和其他外加剂。必须使用强制搅拌机来拌和，并且须延长一定的搅拌时间，一般情况下搅拌时间不宜低于45s，C50以上混凝土搅拌时间不宜低于60s。使用增密微硅粉生产混凝土时的搅拌时间控制是能否充分发挥硅粉性能的关键因素之一。搅拌时间不合理，会直接影响混凝土拌合物的坍落度、流动性、含气量、强度等，而合理的搅拌时间跟每盘混凝土的搅拌量、混凝土的强度等级、用水量、微硅粉的掺量、外加剂的种类等均有关系。所以，大家应该重视这一问题，并在生产中进一步总结经验。

5.2 避免堵塞

在使用螺旋管道输送微硅粉过程中有时会堵塞管道，可以从以下方面进行改进：

（1）如果条件允许，可将螺旋管道设置成水平管道或下坡管，可有效减少螺旋堵塞情况。

（2） 输送管道的输送量调整到全开的1/4~1/5。

（3） 电机的输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）机修人员应关注电机的温度和运转情况，发生堵塞要及时清理。

5.3 其它注意事项

（1） 散装微硅粉不得在受潮环境中储存，否则可能严重影响微硅粉的品质。

（2） 散装微硅粉在干燥环境中的保质期为1年，存放时间超过6个月时，建议进行重新检测。

（3）微硅粉可能会增加减水剂的掺量，生产中宜与高效减水剂（如：羧酸减水剂）配合使用。

（4）当散装微硅粉作为一种新材料在预拌混凝土中使用时，技术部可以制定相关的作业指导书，对技术员进行必要的培训。

（5） 混凝土养护要求。

混凝土中添加微硅粉取代部分水泥后，减少了一定数量的胶材，混凝土初期水化热量降低，一般情况下混凝土3d强度略为偏低，为了确保混凝土后期强度增长，必须确保新浇混凝土的正常水化环境，所以，要做好与施工单位的技术交底，加强养护工作，特别是新浇混凝土前7d养护工作。

6 结语

将散装微硅粉应用到预拌混凝土中是变废为宝，经济价值和环保意义不言而喻。根据《中国微硅粉市场预测及战略研究报告（2017版）》显示，我国冶金、建筑、水利水电、公路工程等行业仍将保持稳步发展，再加上国内对微硅粉应用研究的进一步扩大与深入，经过提纯、增密、改性加工后的微硅粉产品将会以更多的形态出现在各种高性能混凝土中。相信在不久的将来，微硅粉的市场前景越发可观。