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硅 粉

　　硅粉（也叫微硅粉）（學名“硅灰”， Microsilica 或 Silica Fume ），硅粉又叫硅灰。是工業電爐在高溫熔煉工業硅及硅鐵的過程中，隨廢氣逸出的煙塵經特殊的捕集裝置收集處理而成。在逸出的煙塵中，SiO2含量約占煙塵總量的90%，顆粒度非常小，平均粒度約0.3μm，故稱為硅粉。

　　硅粉的研究始于斯堪的納維亞國家，盡管20世紀50年代人們對硅粉作用就有所認識和初步的研究，但應用于實際工程中是從70年代開始的，首先是挪威和瑞典等國家在港口碼頭、北海油田及地下礦井中部分采用了硅粉混凝土，1982 年，挪威在伏諾維斯壩上正式采用了硅粉混凝土筑壩， 20世紀80 年代初加拿大在魁北克建立了硅粉混凝土，并對大體積硅粉混凝土進行試驗研究，拌制高標號混凝土1 萬立方米，1983年美國用硅粉混凝土修補了奧里夫尼河上的卡查壩消力池，效果良好。世界上其它國家也都加緊研究和應用。而我國對硅粉的研究歷史不長，僅僅10多年時間，1985年水電部東勘院科研所和水電部第十工程局首次在四川漁子溪二級電站中試用了硅粉混凝土，在廠房混凝土中摻硅粉3 %～7 %，以提高早期強度，加快模板周轉，達到預期效果，另外，在引水隧洞噴射混凝土中，摻硅粉715 %，以減少混凝土的回彈量，南科院在大伙房水庫工程、龍羊峽泄水建筑物和葛洲壩泄水閘修補等工程中都采用了硅粉混凝土，效果較好，水科院對硅粉混凝土的耐久性能及硅粉水泥水藻灌漿材料進行了一些研究，并在二灘水電站基礎固結灌漿中，潘家大壩溢流面修復工程、安康及四川秋達電站導流泄洪洞修補等工程中使用了硅粉混凝土，硅粉水泥灌漿。所有這些，說明硅粉混凝土作為一種高性能混凝土在工程中的應用日顯重要，所以對其性能特別是其強度與耐久性的研究也倍受關注。

　　配合比

　　對于硅粉混凝土的配合比設計，主要是根據設計要求， 確定硅粉的摻入方法，硅粉的最佳摻量，減水劑的最優摻量及砂石料調整，而其它則按普通混凝土設計方法進行。

　　a) 硅粉的摻入方法：硅粉在混凝土中一般有兩種方法： 一是內摻，二是外摻，都要與減水劑配合使用。內摻法往往用硅粉代替水泥，又分等量代替和部分等量代替兩種，等量代替為硅粉摻量代替相等的水泥，部分代替為1 kg 硅粉代替1～3 kg 水泥，作為研究一般摻量為5 %～30 % ，水灰比一般保持不變：而外摻法指的是硅粉像外加劑那樣摻在混凝土中，而水泥用量不減少，摻量一般為5 %～10 % ，一般外摻法而得的混凝土的力學性能要高得多，但增加了混凝土中膠凝材料用量。

　　b) 硅粉的最優摻量往往控制在8 %～10 %。它是根據所用硅粉、水泥種類和骨料性質而定，并考慮它對性能改善程度及施工方便與否和技術經濟指標等。

　　c) 減水劑的最佳摻量：在混凝土中使用硅粉，如不摻減水劑，想保持相同的流動度，則必然要增加用水量、水灰比增加，摻硅粉的混凝土強度也不上去，這也是過去硅粉在混凝土中未推廣使用的原因。硅粉與減水劑聯合使用摻用硅粉水灰比不變，即用水量不增加，也能達到與未摻硅粉的混凝土具有相同的流動度且硅粉混凝土強度等性能得到大幅度提高，一般國內較多采用萘系高效減水劑，如建1、H、DH3、FDN、NF、N2B 等，其摻量一般為膠材用量的1 %以內，有時為了減小水灰比，拌制超高強混凝土，減水劑摻量達2 %～ 3 %。

　　d) 砂石料用量調整：內摻硅粉一般對砂石用量不必調整。外摻硅粉要扣掉與硅粉體積相等的砂石體積。

　　硅粉對高性能混凝土強度的影響

　　盡管應用純水泥可以制成抗壓強度高達100 MPa 的HPC ，但當使用硅粉時將容易得多。而對于制備強度超過100 MPa 的混凝土，硅粉的使用幾乎不可缺少。硅粉在混凝土中同時起填充材料和火山灰材料使用。使用硅粉后，大大降低了水化漿體中的孔隙尺寸，改善了孔隙尺寸分布，于是使強度提高，滲透性降低。例如，研究結果表明(CEB2FIP1988) ， 為獲得70 MPa 的混凝土強度，應用純水泥需要水膠比0.35 ， 而當加8 %的硅粉時，水膠比可以為0.50。由于硅粉顆粒非常細，它們可以在很早的幾個小時內發生火山灰反應。根據Carette 和Malhotra 1992) 的報導，硅粉對混凝土強度的貢獻主要在28d 之前。所以，就長期強度增長方面，一般認為硅粉混凝土不如純水泥混凝土或粉煤灰混凝土。Almad (1994) 引用的硅粉對NSC 強度發展的試驗結果表明，硅粉摻量增加使得早期相對強度發展降低，Sandvik 1992 在65 MPa 的混凝土中也發現了這種現象。

　　然而，盡管在相同的水膠比下硅粉混凝土的早期相對強度發展比純水泥混凝土的慢，由于加入硅粉使得強度大大提高，硅粉混凝土的絕對強度則比純水泥混凝土的高。另一方面，經驗表明，HPC 的早期強度發展比NSC 的快，雖然HPC的凝結時間可能稍有推遲，其凝結之后的水化作用會由于高效減水劑和硅粉大大加快。其結果通常是凝結之后強度發展非常快。

　　對于某些空氣中干燥或養護的很低水膠比的硅粉混凝土試件，有抗壓強度倒縮的報導(De Larrard 和Aiticin 1993) 。這種強度降低通常發生在90 d 齡期之后，一般認為是由內部自干燥及干燥裂縫引起的。然而，許多其他研究人員的試驗室及現場研究表明，HPC 的后期強度沒有降低。例如，從6 種不同的HPC 中取得的3 個月至3 年齡期的所有鉆芯試樣試驗結果表明，其強度在不斷增長。當然，與NSC 比較， HPC 的長期強度增長潛力較小。

　　硅粉對高性能混凝土的耐久性的影響

　　混凝土的耐久性包括了混凝土的抗凍性、抗滲性、抗化學侵蝕性，抗鋼筋侵蝕能力和抗沖磨性能，在此僅談談它對混凝土的抗凍性、抗滲性及抗化學侵蝕性的影響。

　　a) 抗凍性：當硅粉摻量少時，硅粉混凝土的抗凍性與普通混凝土基本相同，當硅粉摻量超過15 %時，它的抗凍性較差。通過大量的試驗，這種觀點基本上被證實了，主要原因是當硅粉超過15 %時，混凝土膨脹量增大，相對動彈性模數降低，抗壓強度急劇下降，從混凝土內部方面特征看，比表面積小，間距系數大。

　　b) 抗滲性：由于硅粉顆粒小，比水泥顆粒小20～100 倍， 可以充填到水泥顆粒中間的空隙中，使混凝土密實，同時硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中滲透通道，故硅粉混凝土的抗滲能力很強，混凝土的滲透性隨水膠比的增加而增大，這是因為水灰比混凝土的密實性相對差些。

　　c) 抗化學侵蝕性：在混凝土中摻入硅粉，能減少Ca (OH) 2 含量，增加混凝土密實性，有效提高弱酸腐蝕能力，但在強酸或高深度的弱酸中不行，因混凝土中的CSH 在酸中分解，另外，它還能抗鹽類腐蝕，尤其是對氯鹽及硫酸鹽類，它之所以能抗酸鹽侵蝕，原因是硅粉混凝土較密實，孔結構得到改善，從而減少了有害離子傳遞速度及減少了可溶性的Ca (OH) 2 和鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4 ·32H2 ) 的生成，而增加了水化硅酸鈣晶體的結果。

　　一﹑硅灰的物理化學性能：

　　1、硅灰: 外觀為灰白色粉末﹑耐火度>1600℃。容重：200~250千克/立方米。硅灰的化學成份見下表：

　　項目 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O PH

　　平均值 85~94% 1.0±0.2% 0.9±0.3% 0.7±0.1% 0.3±0.1% 1.3±0.2% 中性

　　2、硅灰的細度：硅灰中細度小于1µm的占80%以上，平均粒徑在0.1～0.3µm，比表面積為:20～28m2/g(使用北京金埃譜科技提供的全自動F-Sorb 2400比表面積測試儀BET法檢測。其細度和比表面積約為水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。)

3、顆粒形態與礦相結構：硅灰在形成過程中，因相變的過程中受表面張力的作用，形成了非結晶相無定形圓球狀顆粒，且表面較為光滑，有些則是多個圓球顆粒粘在一起的團聚體。它是一種比表面積很大，活性很高的火山灰物質。摻有硅灰的物料，微小的球狀體可以起到潤滑的作用。

硅灰比表面積研究是非常重要的，硅灰的比表面積檢測數據只有采用BET方法檢測出來的結果才是真實可靠的，國內有很多儀器只能做直接對比法的檢測，現在國內已經被淘汰了。目前國內外比表面積測試統一采用多點BET法，國內外制定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的，請參看我國國家標準（GB/T 19587-2004）-氣體吸附BET原理測定固態物質比表面積的方法。比表面積檢測其實是比較耗費時間的工作，由于樣品吸附能力的不同，有些樣品的測試可能需要耗費一整天的時間，如果測試過程沒有實現完全自動化，那測試人員就時刻都不能離開，并且要高度集中，觀察儀表盤，操控旋鈕，稍不留神就會導致測試過程的失敗，這會浪費測試人員很多的寶貴時間。國內幾家生產比表面積測定儀廠商中，只有北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測試儀是真正能夠實現BET法檢測功能的儀器（兼備直接對比法），更重要的北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測試儀是迄今為止國內唯一完全自動化智能化的比表面積檢測設備，其測試結果與國際一致性很高，穩定性也很好，同時減少人為誤差，提高測試結果精確性。

　　二、作用：硅灰能夠填充水泥顆粒間的孔隙，同時與水化產物生成凝膠體，與堿性材料氧化鎂反應生成凝膠體。在水泥基的砼、砂漿與耐火材料澆注料中，摻入適量的硅灰，可起到如下作用：

　　1、顯著提高抗壓、抗折、抗滲、防腐、抗沖擊及耐磨性能。

　　2、具有保水、防止離析、泌水、大幅降低砼泵送阻力的作用。

　　3、顯著延長砼的使用壽命。特別是在氯鹽污染侵蝕、硫酸鹽侵蝕、高濕度等惡劣環境下，可使砼的耐久性提高一倍甚至數倍。

　　4、大幅度降低噴射砼和澆注料的落地灰，提高單次噴層厚度。

　　5、是高強砼的必要成份，已有C150砼的工程應用。

　　6、具有約5倍水泥的功效,在普通砼和低水泥澆注料中應用可降低成本.提高耐久性。

　　7、有效防止發生砼堿骨料反應。

　　8、提高澆注型耐火材料的致密性。在與Al2O3并存時，更易生成莫來石相，使其高溫強度，

　　抗熱振性增強。

　　三、適用范圍：

　　商品砼、高強度砼、自流平砼、不定形耐火材料、干混（預拌）砂漿、高強度無收縮灌漿料、耐磨工業地坪、修補砂漿、聚合物砂漿、保溫砂漿、抗滲砼、砼密實劑、砼防腐劑、水泥基聚合物防水劑；橡膠、塑料、不飽合聚酯、油漆、涂料以及其他高分子材料的補強，陶瓷制品的改性等等。

　　四、應用領域：

　　1﹑用于砂漿與砼中：高層建筑物、海港碼頭、水庫大壩、水利、涵閘、鐵路、公路、橋梁、地鐵、隧道、機場跑道、砼路面以及煤礦巷道錨噴加固等。

　　2﹑材料工業中：○1 高檔高性能低水泥耐火澆注料及預制件，使用壽命是普通澆注料的三倍，耐火度提高約100℃，高溫強度及抗熱震性能都明顯改善。已普遍應用于：焦爐、煉鐵、煉鋼、軋鋼、有色金屬、玻璃、陶瓷及發電等行業。 ② 大型鐵溝及鋼包料、透氣磚、涂抹修補料等。③ 自流型耐火澆注材料及干濕法噴射施工應用。○4氧化物結合碳化硅制品（陶瓷窯窯具、隔焰板等）。⑤ 高溫型硅酸鈣輕質隔熱材料。⑥ 電瓷窯用剛玉莫來石推板。⑦ 高溫耐磨材料及制品。⑧ 剛玉及陶瓷制品。⑨ 賽隆結合制品。

　　目前除在澆注型耐火材料中普遍使用之外，在電熔和燒結型耐火材料亦獲得大量應用。

　　3、新型墻體材料、飾面材料：○1墻體保溫用聚合物砂漿、保溫砂漿、界面劑。② 水泥基聚合物防水材料。③ 輕骨料保溫節能砼及制品。④ 內外墻建筑用膩子粉加工。

　　4、 其他用途： ① 硅酸鹽磚原料。② 生產水玻璃。③ 用做有機化合物的補強材料。因其成份與氣相法生產的白炭黑相近。可以用在橡膠、樹脂、涂料、油漆、不飽合聚酯等高分子材料中用作填充補強材料。④ 化肥行業中用作防結塊劑。

　　五、使用方法及注意事項：

　　1、 摻量：一般為膠凝材料量的5-10%。硅灰的摻加方法分為內摻和外摻，①內摻：在加水量不變的前提下，1份硅粉可取代3-5份水泥（重量）并保持混凝土抗壓強度不變而提高混凝土其它性能。②外摻：水泥用量不變，摻加硅灰則顯著提高混凝土強度和其它性能。混凝土摻入硅灰時有一定坍落度損失。這點需在配合比試驗時加以注意。硅灰須與減水劑配合使用，建議復摻粉煤灰和磨細礦渣以改善其施工性。用硅灰配制混凝土時，一般與膠凝材料的重量。比為：（一）高性能混凝土：5-10%；（二）水工混凝土：5-10%（三）噴射混凝土：5-10%；（四）助泵劑：2-3%；（五）耐磨工業地坪：6-8%；（六）聚合物砂漿、保溫砂漿：10-15%，（七）不定形耐火澆注料：6-8%。使用前請根據實際需要通過實驗選定合理、經濟的摻量。

　　2﹑摻加方法：

　　硅灰混凝土及澆注料應由試驗室作出施工配合比。嚴格按照配合比施工。在硅灰混凝土的攪拌中硅灰應在骨料投料之后立即加入攪拌機。加入方式有兩種程序：①投入骨料，隨后投入硅灰、水泥干拌后，再加入水和其它外加劑。②投入粗骨料+75%水+硅灰+50%細骨料，攪拌15-30秒，然后投入水泥+外加劑+50%細骨料+25%水，攪拌至均勻。攪拌時間比普通混凝土延長20-25%或50-60秒。切忌將硅粉加入已拌和的混凝土中。

　　3、施工方法：

　　硅灰混凝土與普通混凝土的施工方法并無重大區別，但施工中良好地組織與振搗密實很有必要。硅灰混凝土早強的性能會使終凝時間提前，在抹面時應加注意；同時摻加硅灰會提高混凝土的粘滯性和大幅度減少泌水，使抹面稍顯困難。

　　4、施工安全：

　　硅灰混凝土施工安全應嚴格按照混凝土工程的有關國家施工規范進行操作，但因硅灰較輕，嚴禁高空拋灑材料，防止硅灰飛揚。

　　六、產品的包裝、貯存與運輸：

　　1、本產品使用復膜塑料編織袋包裝。包裝規格為：30千克/袋、25千克/袋、20千克/袋。

　　2、本產品應在干燥、避雨、遮陽的環境中存放。產品遇水結塊活性損失。禁止在陽光下長時間暴曬，以免包裝袋風化，產品外灑。

　　3、本產品不屬危險品，運輸可按《非危險品規則》辦理。

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