混凝土中硅粉的作用機(jī)理

常鋒

摘? 要：硅粉比表面積大，顆粒極細(xì)，其主要的化學(xué)式是SiO2，硅粉中二氧化硅的含量越高，細(xì)度越細(xì)在堿性溶液中的活性就越大，其對(duì)混凝土的改性效果也就越好。硅粉能夠改善硬化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)，具有很高的火山灰活性，通常使用其作為一種輔助性的膠凝材料;硅粉作為摻合料在混凝土中可以替代部分的水泥，并改善水泥顆粒粒徑分布和級(jí)配。

關(guān)鍵詞：硅粉;火山灰;水化反應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

以石英巖碎石、生鐵為原料，焦炭為還原劑，冶煉硅鐵合金時(shí)，在高溫下石英被還原為硅，隨即與鐵生成硅鐵合金。在此過(guò)程中約有10%～15%的硅（Si） 化為蒸汽后，通過(guò)煙道隨氣流上升與氧結(jié)合成一氧化硅，并逸出爐外，與冷空氣中的氧相遇結(jié)合生成煙霧二氧化硅，接著受冷凝結(jié)為細(xì)小的球狀微珠，采用適當(dāng)收塵設(shè)施將這種粉塵收集起來(lái)，這種粉塵即為硅粉。

1 硅粉的性質(zhì)

硅粉根據(jù)其含碳量的不同，顏色也存在不同程度的變化，一般為灰色。硅粉的顆粒極細(xì)，與水泥顆粒相比，水泥顆粒比其大2個(gè)數(shù)量級(jí)，平均粒徑一般在0.15 μm左右，擁有極大的比表面積20 m2/g;與粉煤灰的實(shí)際密度相似，硅粉的密度約為2.1 g/cm3～2.5 g/cm3，松散密度約為200 kg/m3～300 kg/m3，約為水泥的1/3;硅粉的主要化學(xué)成分為SiO2，幾乎都呈非晶態(tài)，SiO2的細(xì)度和含量是硅粉的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其細(xì)度越細(xì)，含量越高，在堿性溶液中的活性就越大（活性的SiO2在飽和石灰水中可溶達(dá)40%以上），其對(duì)混凝土的改性效果也就越好。一般將硅粉作為混凝土中的摻合料時(shí)，硅粉中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)基本不低于90%，表1是幾個(gè)國(guó)家對(duì)硅粉中不同成分的有關(guān)規(guī)定。

2 硅粉改善混凝土強(qiáng)度的作用機(jī)理

2.1 水泥的硬化

2CaO·SiO2和3CaO·SiO2是水泥的主要成分（表2），重量約占水泥的75%，水泥硬化、水化的反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)上就是從一種低溶解度的固體溶解之后，生成另一種比其溶解度更低的固體產(chǎn)物，水泥顆粒與水接觸后開(kāi)始離解出OH-、Ca2+和SiO32-，隨著濃度的增加，向生成氫氧鈣石和水化硅酸鈣的方向發(fā)展。水泥水化、硬化的主要反應(yīng)如下：

2（3Ca·SiO2）+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca（OH）2

2（Ca·SiO2）+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2

2.2 水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣

氫氧化鈣晶體會(huì)在水泥的水化反應(yīng)過(guò)程中大量生成，以六方板狀晶體析出氫氧化鈣;隨著氫氧化鈣含量的提高，可使水泥漿體的 pH 值升到 12 以上，對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)相對(duì)較弱，僅對(duì)護(hù)筋和提高抗碳化性能有益;此時(shí)則需要摻加一些活性摻合料來(lái)消耗部分的氫氧化鈣，以此提高強(qiáng)度和改善耐久性。

2.3 活性摻合料硅粉的作用機(jī)理

2.3.1 硅粉的火山灰效應(yīng)

硅粉可以作為一種輔助性膠凝材料來(lái)改善硬化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)，具有很高的火山灰活性，其原因首先是在常溫下硬化的水泥漿體通常由未水化的水泥顆粒、水泥水化產(chǎn)物、水、少量空氣以及由水和空氣占有的孔隙網(wǎng)所組成，是一個(gè)3相多孔體;硅粉平均粒徑約為0.1μm，大概是硅酸鹽水泥顆粒粒徑的1%，同時(shí)其比表面積非常大，所以在水泥水化時(shí)可以作為水泥水化所需要的晶核，從而加速水泥水化;但硅粉作為礦物摻合料，二氧化硅是其主要的礦物成分，二氧化硅是酸性氧化物，可以與中強(qiáng)堿氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，于是便發(fā)生二次水化反應(yīng)，二次水化反應(yīng)生成了比氫氧化鈣更具有膠凝性的產(chǎn)物水化硅酸鈣膠凝體?（C—S—H），這樣便消耗了氫氧化鈣，且生成了強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化硅酸鈣;該反應(yīng)使膠凝體的組成得到優(yōu)化，質(zhì)量得到提高，同時(shí)增強(qiáng)了水泥石與集料界面的黏結(jié)力;生成的硅酸鈣凝膠體也不會(huì)在低pH值的酸性溶液里分解，導(dǎo)致使用硅粉配制的硬化水泥漿體對(duì)酸性介質(zhì)有一定的抵御能力，這對(duì)鹽霜、碳化、滲析也有較強(qiáng)的抵抗能力。

（0.8～1.5）Ca（OH）2+SiO2+{n-（0.8～1.5）H2O→（0.8～1.5）CaO·SiO2·nH2O} （1）

（1.5～2.0）CaO·SiO2·nH2O+xSiO2+yH2O→（0.8～1.5）CaO·SiO2·qH2O （2）

2.3.2 硅粉的微集料效應(yīng)

摻入混凝土中的硅粉，可以替代部分的水泥，由于硅粉顆粒粒徑極細(xì)，極細(xì)的球狀小顆粒就填充于水泥顆粒的空隙之中，不僅密實(shí)了水泥漿體，而且了改善水泥顆粒級(jí)配和粒徑分布;硅粉二次的水化產(chǎn)物硅酸鈣膠凝體又具有堵塞毛細(xì)管通道的作用，這樣就可以使連通孔和大孔大量減少，更加密實(shí)了水泥漿體，從而使硬化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)得到改善，混凝土的耐久性能和物理力學(xué)性能也一并得到改善。所謂微集料的微填料效應(yīng)，就是硅粉的這種二次水化產(chǎn)物的填充作用和物理填作用。

3 硅粉在混凝土中的摻量

硅粉的摻加量、外加劑的種類(lèi)和摻加量、水膠比的大小以及其他火山灰用作摻合料的選擇和使用量等是硅粉混凝土的主要應(yīng)用條件;對(duì)這些應(yīng)用條件有針對(duì)性地進(jìn)行研究，掌握硅粉對(duì)水泥漿體微結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理，從而使硅粉對(duì)混凝土的改善作用更有效。在混凝土中將硅粉作為添加劑一般都是對(duì)混凝土有特殊要求的，但一般硅粉使混凝土達(dá)到某種特殊要求的同時(shí)，也同樣會(huì)存在不利的影響，這就需要對(duì)硅粉在混凝土中的應(yīng)用條件進(jìn)行針對(duì)性地研究，以充分發(fā)揮其積極的一面，減小其不利的影響，爭(zhēng)取取得更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。硅粉在水泥漿體和混凝土中應(yīng)用時(shí)同其他外加劑的應(yīng)用一樣，水膠比也存在最優(yōu)的范圍，若超過(guò)該最優(yōu)范圍，則會(huì)影響硅粉對(duì)硬化水泥漿體和混凝土微結(jié)構(gòu)的改善作用。當(dāng)摻量過(guò)小則不能發(fā)揮其火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，若摻量過(guò)大，由于硅粉的比表面積大，需水量大，所以混凝土自身的收縮也會(huì)增大。因此，根據(jù)一些學(xué)者所做的實(shí)驗(yàn)研究，一般將硅粉的摻量限制在5%～10%，并使用高效減水劑來(lái)調(diào)節(jié)需水量;同時(shí)，在利用硅粉時(shí)也要必須注意水泥、硅粉、外加劑之間的相容性的問(wèn)題。

4 硅粉對(duì)混凝土的不利影響

表面易開(kāi)裂的硅粉混凝土是因?yàn)榛赘苫炷廖鼭褡饔没虮砻嬲舭l(fā)失水引起的失水，使摻有硅粉的混凝土產(chǎn)生塑性收縮，從而導(dǎo)致可能的表面開(kāi)裂。硅粉混凝土不易泌水且水灰比低，澆筑后如果混凝土表面水份泌水速度小于蒸發(fā)速度，則會(huì)在初凝后就發(fā)生不易察覺(jué)的塑性收縮裂縫，一般第二天混凝土終凝后便出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂縫。

混凝土體積的收縮主要是由混凝土的冷縮和干縮綜合發(fā)展形成，院士吳中偉的觀點(diǎn)是混凝土中引起干縮的主要原因是水份的散失，這些失散的水份存在于各種孔隙中，孔隙分布的水份在骨料中、水泥石中以及水泥石與骨料、鋼筋與水泥石交界處，孔隙分膠孔、毛細(xì)孔與氣孔3種，氣孔的開(kāi)口最大，氣孔中還存在著自由水。其中氣孔與毛細(xì)孔的數(shù)量取決于加水量與制作條件，膠孔比毛細(xì)孔更小，膠孔約占凝膠體積的0.25～0.33，硅粉混凝土的毛細(xì)孔與膠孔相對(duì)要多一些，總孔隙率小，其中氣孔更少，其干縮及自收縮偏大。因此，為了避免和減輕由于干縮引起的開(kāi)裂，采用使混凝土產(chǎn)生適當(dāng)膨脹的方法改善混凝土的收縮性，除此以外加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

硅粉具有極大的比表面積，顆粒粒徑極細(xì)的性質(zhì)，SiO2的細(xì)度和含量是硅粉性質(zhì)主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中當(dāng)二氧化硅的細(xì)度越細(xì)，含量越高時(shí)，其在堿性溶液中的活性就越大，對(duì)混凝土的改性效果也就越好。作為一種輔助性的膠凝材料，硅粉用來(lái)改善硬化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)，具有很高的火山灰活性;將硅粉作為摻和料摻入混凝土中，采用最優(yōu)的摻比可以使硅粉對(duì)混凝土改善效果達(dá)到最好。與此同時(shí)還要最大程度地避免硅粉對(duì)混凝土的不利影響。

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