硅粉混凝土的基本性能与工程应用.doc

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摘要：硅粉混凝上具有良好物理力学性能和耐久性能，为了进一步提高硅粉混凝土的应用效率，分析总结了硅粉混凝土的试验研究和工程应用成果，指出了硅粉在混凝土中的作用机理以及硅粉混凝土的应用技术要点。 关键词：硅粉；混凝土：基本性能：工程应用中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1001-702X(2008)04-0043-04 硅粉是在冶炼工业硅或含硅合金时由高纯度的石英与焦炭在高温电弧炉(2000)中发生还原反应而产生的工业尘埃，它是利用收尘装置回收烟道排放的高温废气并通过专门处理而得。硅粉也称微硅粉、硅微粉、硅灰、硅尘等，其产品质量主要用二氧化硅(SiO2)含量和细度来评价。 硅粉的SiO2含量越高、颗粒越细，对混凝土的改性效果越好。因硅粉由蒸汽冷凝而得，故其粉末呈完整的球状，相对密度低(22-25gcm3)，表观密度为200-300kgm3，空隙率高达90以上；硅粉颗粒极细，比表面积为15-25m2/g，平均粒径01m左右，约为水泥的1100，属纳米级颗粒；硅粉主要成分是无定型的活性SiO2，一般占85以上；硅粉烧失量一般小于6，火山灰活性指数多大于85。试验用贵州海天铁合金磨料公司产硅粉，的细度(45m筛筛余)37，烧失量049，含水率037，活性指数901，化学成分见表1。 硅粉虽为工业废料，对环境有严重污染，但掺入混凝土后，不仅能够减少环境污染，还能显著改善混凝土的性能。我国于1985年在四川渔子溪二级水电站厂房混凝土中首次试用硅粉混凝土(硅粉掺量为3-7)，达到了预期效果。之后，硅粉混凝土在我国范厝、安康、东风、二滩、小浪底、飞来峡、紫坪铺等水利水电工程、大桥、高层建筑、高速公路路面等工程中应用，取得了明显的技术经济效益和社会效益。目前，硅粉已成为生产高强混凝土和高性能混凝土的重要原材料。1 硅粉在混凝土中的作用机理 硅粉在混凝土中的作用机理，包含硅粉的火山灰效应和微填料效应。硅粉在混凝土中与水接触后，部分小颗粒迅速溶解，并与水泥水化产生的Ca(OH)2发生化学反应，生成水化硅酸钙(CSH)凝胶，均匀分布于水泥颗粒之中，这就是硅粉的火山灰效应。由于CSH凝胶的强度高于水化产物Ca(OH)2的强度，因此，CSH凝胶的生成不仅提高了混凝土结构的密度，还有利于提高混凝土结构的强度。且因硅粉微粒极细，所以硅粉的火山灰反应往往在加入水泥或混凝土后的几小时内就发生。大量试验研究表明，在有硅粉存在的情况下，水泥水化早期产物中的Ca(OH)2含量随着龄期的延长变得越来越少，甚至完全反应1。 硅粉替代水泥后，极细的球状小颗粒将填充于水泥颗粒空隙之中，改善水泥颗粒级配和粒径分布，使水泥浆体密实；硅粉二次水化产物又堵塞毛细管通道，使大孔和连通孔减少，水泥浆体更加密实。硅粉的这种物理填充和二次水化产物填充作用，称为硅粉的微填料效应。因此，在硅粉的微填料效应和火山灰效应作用下，水泥浆体中早期水化产物Ca(OH)2减少，结晶细化，混凝土内部的小孔增加，孔隙分布的均匀性提高2，水泥浆与集料的粘结力增强，硅粉混凝土的物理力学性能和耐久性能均得到改善。2 硅粉混凝土的基本物理力学性能21 新拌混凝土的和易性 硅粉的比表面积非常大，颗粒表面湿润需要大量水分，使得新拌混凝土的大量自由水被硅粉粒子所约束，混凝土内部很难有多余的水分溢出；另一方面，硅粉微粒堵塞了新拌混凝土的毛细孔。所以，在混凝土中掺入硅粉，混凝土的粘聚性和保水性提高，但流动度大大降低，且流动度降低值一般随着硅粉用量的增加而增大。硅粉对水泥标准稠度的影响见表2。 从表2中看出，掺入硅粉使硅酸盐水泥的标准稠度用水量明显增大。有研究认为保持流动性不变；每立方米混凝土中每加入1kg硅粉，需要增加1kg用水量。因此，为了保证硅粉混凝土的强度和必需的流动性，在混凝土中掺入硅粉的同时，必须掺加高效减水剂。一般国内多用萘系高效减水剂，掺量在1左右。高强混凝土生产中，为降低水灰比，有时减水剂掺量达到2-3。 22 硅粉混凝土的强度 粉煤灰、硅粉共掺等量取代水泥，硅粉混凝土的抗压强度(试验中外掺减水剂10，水灰比为050)试验结果见表3。 根据表3分析可知：(1)混凝土中掺入10的硅粉等量取代水泥，混凝土7、28、90d的抗压强度分别提高21、42、39。研究还表明，硅粉混凝土的强度发展稍慢，硅粉对混凝土强度发展的作用主要在328d，但适量的硅粉将使混凝土的绝对强度大大提高3。在硅粉掺量20以内，混凝土的强度一般随着硅粉掺量的增加而提高：掺量超过20时，硅粉对混凝土强度的贡献率明显下降，甚至不再随硅粉掺量的增大而增加4。(2)比较B3和B4在掺入30粉煤灰和5硅粉的混凝土抗压强度比单掺30粉煤灰的混凝土提高。因为在混凝土中同时掺入粉煤灰和硅粉后，水泥、粉煤灰、硅粉3种粉体材料的粒径处于不同的数量级，优化了颗粒级配，更加有助于填充集料间空隙，并能与水泥水化产物Ca(OH)2充分反应，生成CSH凝胶，增大CSH凝胶的数量和体积，减少Ca(0H)：的数量。克服了单掺粉煤灰混凝土早期强度低和单掺硅粉混凝土后期强度发展缓慢的缺陷，并能获得更好的和易性，使粉煤灰与硅粉达到“优势互补”，进一步改善混凝土的性能，获得较好的早期强度、后期强度、施工性能和耐久性能。 23 硅粉混凝土的干缩性 在混凝土中加入硅粉后，由于硅粉的微填料效应，硅粉自身吸水率大，新拌混凝土的泌水量大大减少，且硅粉混凝土早期水化反应加快，早期强度捉高，弹性模量增大，而徐变和应力松弛减小。因此，硅粉混凝土发生塑性开裂(多在混凝土浇筑抹面后至混凝土终凝前)和出现早期(28d前)收缩裂缝的机会较普通混凝土大大增多，且随着硅粉掺量的增大而增大，而后期(60d以后)因硅粉混凝土孔隙细小、结构致密、水分迁移困难、体积变化趋势相对平缓，其收缩量与普通混凝土相近或减小。 高小建等5的研究还表明，外掺硅粉不仅使混凝土表面出现裂缝的时间提前，而且裂缝贯穿整个混凝土表面所需的时间缩短，最终裂缝条数、裂缝总长度、开裂面积、最大开裂宽度增加。例如，当水分蒸发速度达05kg(m2h)以上时，硅粉混凝土极有可能发生塑性开裂，而普通混凝土这一限值可达到10kz(m2h)6。有资料表明，掺有硅粉的混凝土，7d龄期的干缩值为普通混凝土的2倍左右，且占全部干缩值的30-45。飞来峡和黄河小浪底水利工程的施工中得出，硅粉混凝土出现塑性开裂和早期干缩的机率比普通混凝土高得多7-8。因此，在高气温、低湿度、高风速情况下浇筑硅粉混凝土，应特别注意防范混凝土产生塑性开裂和早期收缩。24 硅粉混凝土的热学性能 在混凝土中加入硅粉后，通常3d前的水化速度和温度升高加快，热峰提前出现，但混凝土的最终水化热比普通混凝土下降，绝热温升值有所降低，特别是在水灰比较低时更显著。这对减少大体积混凝土内部温升引起的开裂非常有利。试验表明，水灰比为035、水泥掺量77、粉煤灰掺量为23或15、胶材总量为213kgm3的混凝土，掺8硅粉与不掺硅粉的混凝土相比28d的抗压强度提高9，3d前的绝热温升速度加快，3d之后的绝热温升速度趋同，最高绝热温升值降低23。3 硅粉混凝土的耐久性 混凝寸：的耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗磨蚀性、抗化学浸蚀性、抑制碱骨料反应能力等。国内外研究证明，在混凝土中加入硅粉，对改进混凝土的耐久性大有帮助。 31 抗渗性与抗冻性 混凝土中掺入硅粉后，混凝土的抗渗性能显著提高，比对混凝土的增强作用更大。在强度相等的情况下，硅粉混凝土的抗渗能力比不掺硅粉的混凝土提高约1倍。 在水泥用量为100kgm3的混凝土中掺入10的硅粉，其渗透系数可从1610-7ms减至410-10ms，改善后混凝土的渗透性相当于水泥用量为400kgm3的普通混凝上。南京水利科学研究院曾对掺与不掺硅粉的混凝土分别加压12MPa维持24h后劈开试件检测其渗水高度，不掺硅粉与掺5、10硅粉混凝制：的渗水高度分别为95mm、52mm、48mm9。 由于硅粉的微填料效应，掺入硅粉的混凝土，密实度增强，抗渗能力提高，抗冻能力改善。试验表明，胶凝材料用量为216kgm3、掺40粉煤灰和0004引气剂的混凝土，抗冻融循环仅达到50次：而原材料品种相同，胶凝材料用量为236kgm3，掺35粉煤灰、5硅粉和0006引气剂的混凝土，抗冻融循环达到350次。32 抗磨蚀性 表4列出了东风拱坝中孔边墙混凝土C1和粉煤灰、砖粉共掺混凝十C2的抗磨蚀性能。 从表4看出，在混凝土中掺入硅粉后，混凝土试样的抗磨蚀能力提高。同未掺硅粉的混凝上试样C1相比，硅粉混凝土的抗空蚀能力一般提高18倍左右，抗冲磨能力提高近03倍。另有试验表明，随着硅粉掺量的增加，混凝土的抗磨蚀能力提高。但当硅粉掺量大于20时，混凝土的强度和抗磨蚀能力不再随着硅粉掺量的增加而增加，甚至开始下降。33 抗化学侵蚀性 硫酸盐以离子形式扩散到混凝土中与其中的Ca(0H)2反应，形成钙矾石膨胀，使硬化混凝土产生破坏。混凝土中掺入砖粉，可明显降低混凝十渗透性及减少游离Ca(0H)2，有效抵抗SO42、C1的渗透，减少CI-侵入混凝土后腐蚀钢筋产生顺筋裂缝，从而提高混凝土抗侵蚀性。这一优越性对海工混凝土极有益。表5是应用电通量实验计算出不同配合比混凝土巾的C1扩散系数。实验采用普通525硅酸盐水泥和FDN-5减水剂10。 从表5看出，单掺硅粉的混凝土扩散系数最小，说明硅粉混凝土能有效抵抗C1侵蚀。Detwiler等11的研究还证明，随着时间的延长，C1渗透的能力大幅度降低。34 硅粉对混凝土碱骨料反应的抑制作用 水泥中的碱性氧化物(Na20、K20)与骨料中的SiO2发生化学反应，在骨料表面生成复杂的碱硅酸凝胶，这种凝胶吸水后产生很大的体积膨胀(可增人3倍以上)，从而引起混凝土胀裂破坏。硅粉加入混凝土后，对碱骨料反心有明址的预防控制作用。因为硅粉微粒改善了水泥胶结材料的密封性，混凝土内部小孔多且均匀，极细的硅粉微粒表面又吸附了混凝上内部有限的自由水，从而减少了水分通过浆体的运动速度，使碱骨料反应必需的水分减少，抑制了碱骨料反应。在混凝寸：中添加5-10的硅粉，混凝土的膨胀量可减少10、20。般添加10的硅粉，即可充分控制碱骨料反应3。4 硅粉混凝土的主要用途 硅粉的超细度和高含量的无定型Si02，使其在混凝土中微集料效应和高火山灰效应发挥得淋漓尽致。除了显著改善混凝十的物理力学性能外，几乎对混凝十耐久性的所有方面都有帮助，尤其在配制C80以上的高强混凝土和高性能混凝土，以及配制特殊环境条件下的高耐久性混凝十(如水工抗冲耐磨混凝土、海工混凝土等)，使用硅粉通常是取得良好技术经济效益的有效途径。41 水工抗冲耐磨混凝土 磨损冲击和空蚀破坏是水电站泄水建筑物常见的工程病害之。尤其是当水流流速很高、水流中夹带砂石等磨损介质时，这种破坏更为严重。如水电站冲砂闸、泄水孔、溢洪道等部位的混凝土，往往承受高速水流冲刷和气蚀作用，易遭受磨蚀破坏，且修补闲难。工程实践表明，在这些地方使用砖粉混凝土能够解决这问题。例如，贵州东风水电站拱坝泄水中孔(兼作排砂孔)，设计泄水量为580m3s，平均流速为3683ms，1993年2月使用：水泥275kg、粉煤灰53kg、砖灰29kg、中石682kg、小石558kg、砂728kg、水125kg，掺入复合外加剂1，水灰比为035，在该部位浇筑硅粉混凝土代替钢衬。从1994年8月投入使用至今，该部位多次承受高速水流冲刷，硅粉混凝土表面仍完好无损，抗冲耐磨效果良好。42 海工混凝土 长期受海水浸泡的海工钢筋混凝土，很容易遭受C1渗透而引起钢筋锈蚀破坏。为此，2004年建成的主要服务于上海洋山港国际深海集装箱码头工程的东海大桥，其桥墩基础最初计划采用环氧树脂作保护层来防止钢筋锈蚀。后来考虑环氧树脂的使用寿命、成本、抵抗C1渗透能力等不利因素，而改用掺硅粉、矿渣粉、粉煤灰等掺和料来提高混凝土的抗C1渗透能力。杭州湾跨海大桥工程、苏通江海大桥工程等同样使用硅粉来提高混凝土的抗C1渗透能力。实践证明，混凝土中掺入硅粉，能够提高混凝土的抗C1渗透能力，减少钢筋的锈蚀。43 高强混凝土 高强混凝土多指抗压强度高于50MPa的混凝土，主要用于城市高层建筑和大跨度桥梁。如美国芝加哥一幢77层高的大楼，下部13采用C80高强硅粉混凝土后，使柱子断面尺寸由原来C30混凝土的70cm70cm减小到425cm425cm，截面积减小63，不仅节约成本，还大大增加了使用空间3。目前利用外掺硅粉和高效减水剂技术，可以配制C110高强和高流动性混凝土。44 公路混凝土 利用硅粉的微填料效应和火山灰效应，在路面混凝土中适当掺加硅粉，可显著提高混凝土的路用性能，包含提高抗折强度、疲劳强度、耐磨强度等。而且，在相同设计使用年限下，硅粉混凝土路面的投资比普通混凝土路面降低11左右，维护费用也减少，具有明显技术经济效益和环境效益1。利用硅粉混凝土修复混凝土路面，还可充分发挥硅粉混凝土早期强度高的优点，缩短路面修复引起的交通中断时间。45 喷射混凝土 在混凝土中掺入硅粉后，能够显著提高塑性混凝土的粘附性和凝聚性，大幅度降低混凝土的回弹量，增大喷射混凝土的一次成型厚度，缩短工期。在欧美国家，75的喷射混凝土都掺入硅粉12。5 硅粉混凝土的应用技术要点51 硅粉的适宜掺量 当硅粉掺量显著增加时，硅粉对混凝土的强度贡献率下降(也称效率指数下降)。有实验表明，当硅粉取代水泥大于20时，其效率指数显著降低；当大于30时，混凝土的强度反而下降13，混凝土出现塑性开裂和早期收缩裂缝的风险加大，并且，当硅粉掺量过高时，新拌混凝土变得非常黏稠，施工振实难度也增大。由于硅粉产量有限，价格达25004000元儿硅粉掺量加大，还会增加混凝土的成本。因此，在实际工程中，混凝土中硅粉掺量一般为515。52 硅粉必须同高效减水剂结合使用 在混凝土中掺入硅粉，必须同时掺入高效减水剂，才能保障混凝土必需的流动性和硅粉对混凝土的增强作用。但应特别注意高效减水剂与混凝土中其它材料的适应性。因此，必须结合工程特点和拟用原材料的性质，通过试拌混凝土实验确定硅粉、外加剂和其它胶凝材料的掺量及相应的相对最佳混凝土配合比。另外，高效减水剂加入低水灰比的硅粉混凝土，当硅粉掺量较大或环境温度较高时，混凝土的坍落度损失会加快。因此，对运输距离较长或采用泵送混凝土施工的硅粉混凝土，应控制硅粉掺量或添加缓凝剂。53 硅粉混凝土的拌和与运输 高等级硅粉混凝土很黏稠，拌和时应采用强制式拌和机，搅拌时间应比普通混凝土延长3060s：从拌合机出料后，应尽量缩短运输时间，及时入仓摊铺、振捣，努力减少坍落度损失。54 硅粉混凝土的养护 工程实践表明，千方百计控制硅粉混凝土的裂缝是硅粉混凝土施工的关键。为此，硅粉混凝土的养护要比普通混凝土提前。混凝土浇筑完毕后终凝前，必须立即用喷雾方法来减少水分蒸发或采用塑料薄膜覆盖或喷洒混凝土养护剂养护，保持混凝土表面湿润，但不宜出现水流和可见水滴：混凝土终凝后，应继续覆盖塑料薄膜或喷洒养护剂或在表面覆盖湿透的草袋并洒水养护，使混凝土始终处于潮湿状态，养护时间宜不少于28d。南京水利科学研究院林宝玉，吴绍章曾研究了减少硅粉混凝土塑性开裂和早期干缩的措施，包含延长混凝土潮湿养护时间、将硅粉制成浆剂、掺用膨胀剂、保水剂等。这些措施应用于工程后，均产生了很好的效果9。6 结 语 由于硅粉混凝土具有协良的物理力学性能和耐久性能，硅粉已成为水利工程、交通工程、海港工程、建筑工程、耐火材料等行业的重要掺合料，成为现代高性能混凝土的关键组分，在工程建设领域发挥着越来越重要的作用。但由于硅粉资源有限，价格昂贵，开展采用部分硅粉与其它工业废料合成复合掺合料来配制高性能混凝土的研究工作，既有利于降低混凝土生产成本，也有利于环境保护和国民经济可持续发展。蒙鳖隧茵跃氟饮哟顿志伏混滑酮昨快矾堆午丁己峰麻展尝茵师瘟约