硅灰85 silica fume（微硅粉Silicon Powder）

　　硅灰又稱凝聚硅灰或硅粉，是電弧爐冶煉硅金屬或硅鐵合金時的副產(chǎn)品。即硅鐵廠在冶煉硅金屬時，將高純度的石英、焦炭投到電弧爐內(nèi)，在溫度高達 2000 ℃ 下，石英被還原成硅的同時，約有 10 ％～ 15 ％的硅化為蒸氣，在煙道內(nèi)隨氣流上升遇氧結(jié)合成一氧化硅 (SiO) 氣體，逸出爐外時， SiO 遇冷空氣后再氧化成 SiO 2 ，最后冷凝成極微細的顆粒。這種 SiO 2 顆粒，日本稱“活性硅”，法國稱“硅塵”，比較多的國家稱“冷凝硅煙灰”，我國統(tǒng)稱為“硅灰”。
　　 硅灰的主要成分中， SiO 2 含量達 85 ％以上，絕大部分是非晶態(tài)的無定形 SiO 2 ，其他成分含量都較少，氧化鐵、氧化鈣、氧化硫的含量隨礦石的成分不同稍有變化，一般不超過 1 ％，燒失量約為 1.5 ％ ~3 ％。
　　 由于硅灰的生成條件特別，因而其具有顆粒細 ( 平均粒徑為 0.1~0.2μm) ，比表面積大 ( 一般為 20000 ～ 25000m 2 /kg 的特點，同時硅粉還具有極高的火山灰活性。
　　 由于硅灰特別細，比表面積特別大，因此，在通常情況下?lián)饺牍杌液笮杷吭龃?。但是，在適當?shù)臈l件下，硅灰也可以表現(xiàn)出減水作用。在進行硅灰與超塑化劑共同作用的研究中發(fā)現(xiàn)，摻用超塑化劑時，硅灰對需水量的影響表現(xiàn)出截然不同的行為。圖 2 — 3 給出超塑化劑摻量對摻與不摻硅灰砂漿需水量的影響。從圖中可以看出，不摻超塑化劑時，摻 10 ％硅灰使得砂漿需水量顯著增加，大約增加 22.7 ％；摻 0.6 ％超塑化劑時，摻與不摻硅灰砂漿的需水量相差不大；繼續(xù)增加超塑化劑摻量，不摻硅灰砂漿的需水量基本保持不變，而摻 10 ％硅灰砂漿的需水量仍然隨超塑化劑摻量的增加而降低，其最終效果摻 10 ％硅灰砂漿的需水量可以明顯低于不摻硅灰砂漿的需水量，大約可降低 22.2 ％。

　　仔細分析一下，硅灰的顆粒很小，而且是球形的，為什么不表現(xiàn)出減水作用，而且使需水量增加其原因在于它具有非常大的比表面積。硅灰的比表面積是水泥的 10 ～ 20 倍，如此大的比表面積使得表面需水量顯著地增加，這一作用超過了它的填充作用和潤滑作用，最終結(jié)果使需水量增加。值得注意的是，摻入硅灰使需水量增加并不意味著它沒有填充作用和潤滑作用。顯然，非常小的顆粒必然表現(xiàn)出較強的填充作用，球形的顆粒形狀必然表現(xiàn)出較強的潤滑作用。但是，非常大的比表面積也必然導(dǎo)致表面水的增加。硅灰對需水量的影響是這些作用的綜合結(jié)果，不能以單一作用來判斷硅灰對需水量的影響，也不能用硅灰對需水量的影響去判斷某一種作用的效果。
　　 不摻超塑化劑時，硅灰的表面作用大于它的填充作用和潤滑作用，因而使需水量增加。摻入 0.6 ％的超塑化劑后，其表面作用得到了改善，使得其表面作用與填充作用和潤滑作用相當，因而表現(xiàn)出對需水量沒有影響。繼續(xù)增加超塑化劑摻量，硅灰的表面作用可以得到進一步的改善，使得硅灰的填充作用和潤滑作用遠遠超過它的表面作用，因而表現(xiàn)出需水量的降低。這也間接地證明了超塑化劑對粉狀物料表面性質(zhì)的影響。
　　 建筑用硅灰應(yīng)符合兩個方面的指標，即化學(xué)指標和物理指標。對于化學(xué)指標，要求硅灰中二氧化硅含量不小于 85 ％；含水率不大于 3 ％；燒失量不大于 6 ％。對于物理指標，要求火山灰活性指數(shù)不小于 90 ％；細度要求 45μm 篩余量不大于 10 ％或比表面積不小于 15m 2 ／ g ；均勻性要求密度偏差在土 5 ％范圍內(nèi)，且細度偏差在土 5 ％范圍內(nèi)。

一、硅灰用途
　　 硅灰的用途很廣，在混凝土工程中，主要用在以下幾個方面。
1 、配制高強混凝土
　　 在混凝土中摻 10 ％～ 15 ％的硅灰，采用常規(guī)的施工方法，可配制 C100 級混凝土，即強度達 100MPa ，這可使高層建筑中梁、柱的斷面尺寸大大減小，提高建筑物的有效利用空間。

2 、配制抗沖耐磨混凝土
　　 采用硅灰混凝土或鋼纖維硅灰混凝土護面，可成倍地提高混凝土的抗磨和抗空蝕性能，減少混凝土的損壞，延長護面混凝土壽命。

3 、配制抗化學(xué)腐蝕混凝土
　　 混凝土中摻入硅灰后，由于硅灰水化產(chǎn)物的填充作用使混凝土結(jié)構(gòu)更加緊密，抗?jié)B能力提高， Cl - 和 SO 4 2- 不易滲入到混凝土中，從而使混凝土抗酸、堿等化學(xué)侵蝕的能力提高。

4 、用于噴射混凝土，減少混凝土回彈量
　　 普通噴射混凝土回彈量大，噴射時約有 30 ％～ 40 ％的混凝土回落，既造成原材料浪費，又影響施工速度。如在混凝土中摻 3 ％ ~5 ％的硅灰，可使噴射混凝土的回彈量減少 10 ％以上。

5 、用于泵送混凝土
　　 摻用硅灰后，混凝土的黏性較好，泌水減小，不易離析，可進行長距離泵送。

6 、用于基礎(chǔ)灌漿
　　 普通水泥漿液中摻 5 ％～ 10 ％的硅灰后，漿液穩(wěn)定性提高，不易分離，不易堵管，可灌性提高。

7 、提高粉煤灰混凝土的早期強度
　　 粉煤灰混凝土中摻用硅灰，可提高早期強度，使粉煤灰混凝土早期強度低的劣勢得到改善。

二、硅灰的摻用方法及摻量
　　 硅灰在混凝土中的摻用方法有內(nèi)摻法和外摻法兩種，由于硅灰顆粒極細，需水量大，故不論哪種摻用方法，都要與減水劑配合使用。
　　 內(nèi)摻法是用硅灰代替水泥，又分為等量代替和部分代替兩種方法，等量代替為硅粉摻量代替相等量的水泥，部分代替為 1kg 硅灰代替 1 ～ 3kg 水泥，作為研究一般摻 5 ％～ 30 ％，水膠比一般保持不變。
　　 外摻法是指硅灰像摻合料那樣直接摻在混凝土中，即在水泥用量不減的條件下?lián)郊庸杌摇?BR>　　 由于硅灰摻法不同，所得混凝土的性能也不相同，外摻法所得混凝土的力學(xué)性能要優(yōu)于內(nèi)摻法所得混凝土的，此法的缺點是增加了混凝土中膠凝材料的用量。
　　 硅灰在混凝土中摻量如太少，對混凝土性能改善不大，但如摻得太多，則混凝土太黏，不易施工，且干縮變形大，抗凍性差，因此，摻用硅灰時，應(yīng)找出最佳摻量才能取得最優(yōu)效果。一般情況下，摻量以不超過 10 ％為宜，具體選多少，還應(yīng)根據(jù)所用硅灰、水泥種類、集料性質(zhì)及力學(xué)性能和綜合經(jīng)濟效益來進行優(yōu)化。

三、混凝土中摻用硅灰時應(yīng)注意事項
　　 硅灰雖能改善新拌及硬化混凝土的性能，但如使用不當也會造成質(zhì)量事故，因而在使用中應(yīng)注意以下事項。
　　 1 、由于硅灰顆粒細，比表面積大，需水量高，因而在混凝土摻用硅灰時，必須與高效減水劑聯(lián)合使用才能取得良好的效果。
　　 2 、硅灰摻入混凝土的方法有內(nèi)摻法和外摻法兩種。由于內(nèi)摻法要減少水泥用量，故此法一般用在中、低標號的混凝土中；外滲法不減少水泥用量，一般用于高標號的混凝土中。
　　 3 、混凝土中硅灰摻量不宜太高或太低，一般摻量為 5 ％～ 10 ％，在此范圍內(nèi)硅灰的有利作用發(fā)揮得最好，即不但硅灰代替水泥的作用最好，各種優(yōu)良性能得到充分發(fā)揮，而且可避免不利的影響，如摻量大于 15 ％后，混凝土的抗凍性降低等。
　　 4 、由于硅灰混凝土稠度大，因此在設(shè)計混凝土坍落度時應(yīng)比普通混凝土的大 2 ～ 3cm 。
　　 5 、硅灰混凝土的攪拌時間應(yīng)比普通混凝土的延長 0.5 ～ 1min ，以便使混凝土拌和得更均勻，防止硅灰在混凝土中成團而造成質(zhì)量事故。
　　 6 、混凝土摻用硅灰后，必須加強早期養(yǎng)護，防止混凝土產(chǎn)生塑性收縮裂縫。

[ 應(yīng)用實例 1]

高強抗磨蝕硅粉混凝土

1 、該項目共作了 1000 個配合比，經(jīng)過 20000 余個數(shù)據(jù)的測試分析，證明硅粉混凝土是優(yōu)良的抗沖磨、抗空蝕高強混凝土材料，該項目研究了外加劑品種、摻量；提出了抗磨蝕高強硅粉混凝土宜采用標號不低于 42.5 的普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥硅粉適宜摻量為水泥重量的 10% ～ 16 ％，以及相適應(yīng)的高效外加劑及其最優(yōu)摻量。所配制出的抗磨蝕高強硅粉混凝土，抗壓強度可達 70~80MPa ，抗沖磨強度可提高 1 ～ 2 倍 ( 鋼球沖磨 72h) ，抗空蝕強度提高 3 ～ 5 倍，抗凍融循環(huán)大于 500 次，并具有很好的密實性和抗?jié)B性，其他物理力學(xué)性能也相應(yīng)有所提高，同時研制出適用于高速水流建筑物有抗沖擊要求護面 ( 修復(fù)補強 ) 的鋼纖維硅粉砂漿材料。對于硅粉混凝土早期收縮較大問題，已進行了補償收縮的研究并證明是一種有效方法。
2 、該成果已在葛洲壩、大伙房、映秀灣、龍羊峽等工程中的相應(yīng)部位得到應(yīng)用，并經(jīng)過了汛期過水考驗，事實證明其抗磨蝕性能均有較大幅度的提高，與環(huán)氧砂漿相比，具有施工方便、無毒，材料費用顯著降低等優(yōu)點，有良好的工程效益和經(jīng)濟效益，可以推廣應(yīng)用。
該項研究在總結(jié)國外高強抗磨蝕硅粉混凝土的研究和應(yīng)用成果基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了新型水工抗磨蝕 NSF 劑，對 NSF 劑的生產(chǎn)工藝流程，產(chǎn)品品質(zhì)標準，抗磨蝕硅粉混凝土早期減縮措施，以及 NSF 混凝土施工技術(shù)要求等進行了系統(tǒng)的研究，并使 NSF 劑實現(xiàn)產(chǎn)品化。技術(shù)路線正確，提供的數(shù)據(jù)、資料齊全、可靠，超額完成了合同規(guī)定的任務(wù)。
主要鑒定意見如下：
采用的懸臂雙螺旋錐形高效粉體混合設(shè)備選型合理，采用合理的工藝流程，生產(chǎn)出的抗磨蝕 NSF 劑，均勻性好，品質(zhì)穩(wěn)定，滿足工程使用要求。
3 、水工抗磨蝕劑配制的硅粉混凝土和硅粉砂漿，減水率≥ 20 ％；增強率≥ 60 ％；含水率≤ 3 ％；抗沖磨強度提高 1 倍；在 48m ／ s 高流速條件下，抗空蝕強度提高 3 倍。是目前國內(nèi)提高混凝土強度、抗沖磨、抗空蝕和抗?jié)B等綜合性能的最優(yōu)越的添加劑。
4 、采用水工抗磨蝕劑，并確保早期潮濕養(yǎng)護、配制漿劑、聯(lián)合摻用硫鋁酸鹽型膨脹劑等單一或復(fù)合措施，解決了硅粉早期干縮偏大難題，是國內(nèi)外硅粉混凝土應(yīng)用中的重大技術(shù)突破，為廣泛推廣硅粉混凝土技術(shù)鋪平了道路。
提出的 NSF 混凝土施工技術(shù)要求，合理、實用，可操作性好，為保證 NSF 混凝土施工質(zhì)量提供了可靠的依據(jù)。
水工抗磨蝕劑在下寨河電站、江蘇口岸船閘、牛路嶺電站、水口水電站、五強溪水電站等大中型工程，有高流速抗磨蝕要求的部位使用，滿足設(shè)計要求，收到了良好效果。施工方便，易于掌握，其經(jīng)濟效益和社會效益顯著，受到用戶好評，推廣應(yīng)用前景極為廣闊。

高強高性能混凝土用礦物外加劑
Mineral admixtures for high strength and high performance concrete
執(zhí)行標準： GB/T1873 6 — 2002

表 礦物外加劑的技術(shù)要求

類別 使用效果 減水劑 普通減水劑 減水、提高強度或改善和易性 高效減水劑（流動化劑或稱超塑劑） 配制流動混凝土或早強高強混凝土 引氣劑 增加含氣量，改善和易性，提高抗凍性 調(diào)凝劑 緩凝劑 延緩凝結(jié)時間，降低水化熱 早強劑（促凝劑） 提高混凝土早期強度 速凝劑 速凝、提高早期強度 防凍劑 使混凝土在負溫下水化，達到預(yù)期強度 防水劑 提高混凝土抗?jié)B性，防止潮氣滲透 膨脹劑 減少干縮

[應(yīng)用實例2]

　　硅粉在美國叫硅粉 (Silica fume) ，又稱硅塵（ Silica dust ）、凝聚硅灰 (Condensed Sili-ca fume) ，在日本則叫做活性硅。是冶煉硅鋼和硅或半導(dǎo)體硅時，從煙中收集的一種粉末。硅粉最早由挪威和瑞典等國于 20 世紀 70 年代在港口碼頭、北海油田及地下礦井中部分采用了硅粉混凝土。 20 時紀 80 年代初加拿大在魁北克建立了硅粉混凝土研究基地， 1983 年美田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(yīng)用硅粉混凝土。硅粉根據(jù)其含碳量的不同，顏色可由白到黑，—般為灰色。硅粉顆粒極細，粒徑 0. 1 ～ 2μm ，—般平均為 0.l ～ 0.3μm ，表面積為 2 0 ～ 23 m 2 /g ，是水泥的 50 ～ 60 倍。硅粉的真密度約為 2.1 ～ 2 .5g /cm 3 ，與粉煤灰相近，松散密度為 200 ～ 300kg/m 3 ，約為水泥的 1/3 。它的主要化學(xué)成分為 SiO 2 、幾乎都呈非晶態(tài)。硅粉具有很高的話性，摻入混凝土中，可顯著地改善混凝土的性能。著重就硅灰在超高強混凝土中的作用進行了研究，分析了硅灰摻量對混凝土工作性能、強度、耐久性能的影響，結(jié)果表明硅灰能夠顯著改善混凝土的工作性和耐久性，提高混凝土的強度，是配制超高強混凝土理想的礦物摻和料。

1 原材料
1 ． 1 水泥
　　 P ． O 4 2 5 型普通硅酸鹽水泥，實測 28 d 抗壓強度達到 54.2 MPa ，其主要性能指標見表 1 。

表 1 水泥的主要性能指標

1 ． 2 硅灰
　　 其化學(xué)成分與比表面積見表 2 。

表 2 硅灰的化學(xué)成分與比表面積

1 ． 3 集料
　　 細集料：河砂，細度模數(shù) 2.5 。粗集料：碎石， 5 ～ 2 0 ㎜ 連續(xù)級配，壓碎值 8 .1 ％，針片狀含量 7.6 ％。

1 ． 4 外加劑
　　 聚羧酸系高效減水保塑劑，固含量 20 ％，減水率 30 ％。

2 試驗配合比及測試結(jié)果分析
2 ． 1 試驗配合比及測試結(jié)果
　　 膠凝材料總量為 580 ㎏ /m 3 ， W/C=0.22 ，混凝土配合比見表 3 。
　　 每組配合比的用水量和減水劑摻量相同，測試結(jié)果見表 4 。

表 3 超高強混凝土配合比

表 4 超高強混凝土的物理力學(xué)性能測試結(jié)果

2 ． 2 試驗結(jié)果分析
　　 由表 4 可以看出在高膠凝材料用量的情況下，以及用水量和減水劑摻量相同時，摻加硅灰的混凝土工作性要明顯優(yōu)于不摻加硅灰的高膠凝材料用量純水泥混凝土的工作性，且隨硅灰摻量的增加呈正效應(yīng)。這是因為硅灰是一種極細的活性摻合料，自然狀態(tài)下，它們多聚集在一起，以較大的顆粒形態(tài)存在，在強制攪拌過程中，這些粒子在外力作用下，可以被強制分散，高效減水劑又使它們表面覆蓋上一層表面活性物質(zhì)，使顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，不能形成絮凝結(jié)構(gòu)。由于硅灰顆粒遠小于水泥顆粒，它們在水泥顆粒之間起到“滾珠”作用使水泥漿體的流動性增加另外，由于硅灰顆粒在水泥顆粒空隙間的填充，又將這些空隙的填充水置換出來，使整個混凝土混合料流動性大大增加。
　　 強度成型試塊采用邊長為 100 ㎜ 的立方體試模，分別測試了 3 d 、 7d 、 28d 、 90d 4 個齡期，研究了硅灰摻量對混凝土強度的影響見圖 1 。

圖 1 不同摻量硅灰超高強混凝土強度與齡期關(guān)系

　　從圖 1 中可以看出，在超低水膠比下，摻加硅灰的混凝土各個齡期的強度都要明顯高于設(shè)有摻加硅灰的混凝土強度，且在摻量在 10 ％時效果最好，最大增幅為 16.9 ％。原因在于超高強混凝土水膠比極低，硅粉是一種顆粒極細，活性很高的摻合材料。其主要成分為無定形二氧化硅。由于其活性很高，當與高效減水劑摻入混凝土?xí)r，硅粉中大量的活性 SiO 2 與 Ca(OH) 2 及高堿性水化硅酸鈣產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，生成低堿性水化硅酸鈣凝膠體，填充水泥顆粒間的空隙，改善界面結(jié)構(gòu)及粘結(jié)力，從而提高混凝土的強度。

3 超高強混凝土的耐久性

3 ． 1 超高強混凝土的抗?jié)B性
　　 研究了不同摻量硅灰超高強混凝土的抗?jié)B性試驗，所用抗?jié)B儀最高壓力為 4 MPa 。圖 2 為不同摻量超高強混凝土的滲水高度，混凝土的抗?jié)B性隨硅灰摻量的增加而增強。

3 ． 2 超高強混凝土的抗凍性
　　 研究了混凝土在 l 000 次凍融循環(huán)條件下的凍融試驗，試驗結(jié)果見表 5 所示。

圖 2 不同摻量超高強混凝土的滲水高度

表 5 不同摻量硅灰超高強混凝土的抗凍性試驗結(jié)果

　　超高強混凝土水膠比極低，混凝土中摻入硅粉后，從其結(jié)構(gòu)上看，雖然水泥石的空隙率與不摻時基本相同，但其粗大孔隙及毛細孔隙大量減少，而超細孔隙增加，超細孔隙對水有較大的吸附作用，使水的冰點下降，從向延緩了凍融的過程，降低了破壞應(yīng)力。由于強度的提高及結(jié)構(gòu)的改善，從而提高了混凝土的抗凍性。當硅粉摻量過高時，早期收縮增大，產(chǎn)生微裂縫，抗凍性降低。

3 ． 3 超高強混凝土的收縮
　　 試驗測試了硅灰混凝土在封閉條件下的自收縮，試件為 100m m × 10 0 ㎜× 515mm 的棱柱體試件。試件兩端預(yù)埋了金屬測頭，試件成型后室內(nèi)靜停 24h 脫模，試件采取石蠟密封或先用塑料薄膜進行包裹，再涂抹凡土林，使試塊與周圍大氣環(huán)境相隔絕。試件在溫度為 (20 ± 1) ℃的養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護，然后用混凝土收縮儀測量混凝土在各齡期的變形值。試驗結(jié)果如表 6 所示。
　　 從表 6 中可以看出，硅灰超高強混凝土的自收縮很大，并且基本上都發(fā)生在早期， 3 天齡期的收縮達到 365d 齡期收縮的 70 ％多， 56d 后，收縮仍有增長，但增長趨勢比較平緩。硅灰摻量為 15 ％時，混凝土各個齡期的收縮都比基準混凝土收縮大，硅灰摻量為 5 ％和 10 ％時，混凝土各個齡期的收縮都比基準混凝土收縮小。對比 A2 、 A3 、 A4 ，混混土各個齡期的收縮隨硅灰的摻量的增加而增大。

表 6 硅灰超高強混凝土的收縮（× 10 -4 ）

4 、結(jié)論
　　 以硅酸鹽水泥 + 硅灰 + 高效減水劑這一技術(shù)路線，可以配制 C80 級以上的超高強混凝土。硅杰的摻入可以顯著提高混凝土的強度，以硅灰摻量 10% 效果最佳。硅灰能夠顯著改善混凝土的工作性和耐久性，是配制超高強混凝土必須的礦物摻和料。

［應(yīng)用實例 3 ］

硅粉混凝土的基本性能與工程應(yīng)用

　　硅粉是在冶煉工業(yè)硅或含硅合金時由高純度的石英與焦炭在高溫電弧爐 ( 2000 ℃ ) 中發(fā)生還原反應(yīng)而產(chǎn)生的工業(yè)塵埃，它是利用收塵裝置回收煙道排放的高溫廢氣并通過專門處理而得。硅粉也稱微硅粉、硅微粉、硅灰、硅塵等，其產(chǎn)品質(zhì)量主要用二氧化硅 (SiO 2 ) 含量和細度來評價。
　　 硅粉的 SiO 2 含量越高、顆粒越細，對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狀，相對密度低 (2. 2 ～ 2.5g / ㎝ 3 ) ，表觀密度為 200 ～ 300kg /m 3 ，空隙率高達 90 ％以上；硅粉顆粒極細，比表面積為 1 5 ～ 25m 2 /g ，平均粒徑 0.1μm 左右，約為水泥的 1/100 ，屬納米級顆粒；硅粉主要成分是無定型的活性 SiO 2 , —般占 85 ％以上：硅粉燒失量一般小于 6 ％，火山灰活性指數(shù)多大于 85 ％。試驗用慕湖公司產(chǎn)硅粉的細度 (45μm 篩篩余 )3.7 ％，燒失量 0.49 ％，含水率 0.37 ％，活性指數(shù) 90.1 ％，化學(xué)成分見表 1 。

表 1 硅粉化學(xué)成分 %

　　硅粉雖為工業(yè)廢料，對環(huán)境有嚴重污染，但摻入混凝土后，不僅能夠減少環(huán)境污染，還能顯著改善混凝土的性能。我國于 1985 年在四川漁子溪二級水電站廠房混凝土中首次試用硅粉混凝土 ( 硅粉摻量為 3 ％ -7 ％ ) ，達到了預(yù)期效果。之后，硅粉混凝土在我國范厝、安康、東風(fēng)、二灘、小浪底、飛來峽、紫坪鋪等水利水電工程、大橋、高層建筑、高速公路路面等工程中應(yīng)用，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益。目前，硅粉已成為生產(chǎn)高強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機理
　　 硅粉在混凝土中的作用機理，包含硅粉的火山灰效應(yīng)和微填料效應(yīng)。硅粉在混凝土中與水接觸后，部分小顆粒迅速溶解，并與水泥水化產(chǎn)生的 Ca(OH) 2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣 (C — S — H) 凝膠，均勻分布于水泥顆粒之中，這就是硅粉的火山灰效應(yīng)。由于 C — S — H 凝膠的強度高于水化產(chǎn)物 Ca(OH) 2 的強度，因此， C — S — H 凝膠的生成不僅提高了混凝土結(jié)構(gòu)的密度，還有利于提高混凝土結(jié)構(gòu)的強度。且因硅粉微粒極細，所以硅粉的火山灰反應(yīng)往往在加入水泥或混凝土后的幾小時內(nèi)就發(fā)生，大量試驗研究表明，在有硅粉存在的情況下，水泥水化早期產(chǎn)物中的 Ca(OH) 2 含量隨著齡期的延長變得越來越少，甚至完全反應(yīng)。
　　 硅粉替代水泥后，極細的球狀小顆粒將填充于水泥顆?？障吨?，改善水泥顆粒級配和粒徑分布，使水泥漿體密實；硅粉二次水化產(chǎn)物又堵塞毛細管通道，使大孔和連通孔減少，水泥漿體更加密實。硅粉的這種物理填充和二次水化產(chǎn)物填充作用，稱為硅粉的微填料效應(yīng)。因此，在硅粉的微填料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)作用下，水泥漿體中早期水化產(chǎn)物 Ca(OH) 2 減少，結(jié)晶細化，混凝土內(nèi)部的小孔增加，孔隙分布的均勻性提高，水泥漿與集料的粘結(jié)力增強，硅粉混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能均得到改善。

2 硅粉混凝土的基本物理力學(xué)性能

2 ． 1 新拌混凝土的和易性
　　 硅粉的比表面積非常大，顆粒表面濕潤需要大量水分，使得新拌混凝土的大量自由水被硅粉粒子所約束，混凝土內(nèi)部很難有多余的水分溢出：另一方面，硅粉微粒堵塞了新拌混凝土向毛細孔。所以，在混凝土中摻入硅粉，混凝土的粘聚性和保水性提高，但流動度大大降低，且流動度降低值一般隨著硅粉用量的增加而增大。硅粉對水泥標準稠度的影響見表 2 。

表 2 硅粉對水泥標準稠度的影響

　　從表 2 中看出，摻入硅粉使硅酸鹽水泥的標準稠度用水量明顯增大。有研究認為保持流動性不變，每立方米混凝土中每加入 1 ㎏硅 粉，需要增加 1 ㎏ 用水量。因此，為了保證硅粉混凝土的強度和必需的流動性，在混凝土中摻入硅粉的同時，必須摻加高效減水劑。一般國內(nèi)多用萘系高效減水劑，摻量在 1 ％左右。高強混凝土生產(chǎn)中，為降低水灰比，有時減水劑摻量達到 2 ％ -3 ％。

2 ． 2 硅粉混凝土的強度
　　 粉煤灰、硅粉共摻等量取代水泥，硅粉混凝土的抗壓強度 ( 試驗中外摻減水劑 1.0 ％，水灰比為 0.50) 試驗結(jié)果見表 3 。

表 3 粉煤灰、硅粉共摻混凝土的抗壓強度

注：水泥為 52.5 硅酸鹽水泥 ; 粉煤灰為Ⅱ級 ; 骨料為人工碎石料 ; 混凝土坍落度為 3 ～ 7 ㎝。

　　根據(jù)表 3 分析可知： (1) 混凝土中摻入 10 ％的硅粉等量取代水泥，混凝土 7 、 28 、 90d 的抗壓強度分別提高 21 ％、 42 ％、 39% 。研究還表明，硅粉混凝土的強度發(fā)展稍慢，硅粉對混凝土強度發(fā)展的作用主要在 3 ～ 28d ，但適量的硅粉將使混凝土的絕對強度大大提高。在硅粉摻量 20 ％以內(nèi)，混凝土的強度一般隨著硅粉摻量的增加而提高；摻量超過 20 ％時，硅粉對混凝土強度的貢獻率明顯下降，甚至不再隨硅粉摻量的增大而增加。 (2) 比較 B3 和 B4 在摻入 30 ％粉煤灰和 5 ％硅粉的混凝土抗壓強度比單摻 30 ％粉煤灰的混凝土提高。因為在混凝土中同時摻入粉煤灰和硅粉后，水泥、粉煤灰、硅粉 3 種粉體材料的粒徑處于不同的數(shù)量級，優(yōu)化了顆粒級配，更加有助于填充集料間空隙，并能與水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH) 2 充分反應(yīng)，生成 C — S--H 凝膠，增大 C-S-H 凝膠的數(shù)量和體積，減少 Ca(OH) 2 的數(shù)量?？朔藛螕椒勖夯一炷猎缙趶姸鹊秃蛦螕焦璺刍炷梁笃趶姸劝l(fā)展緩慢的缺陷，并能獲得更好的和易性，使粉煤灰與硅粉達到“優(yōu)勢互補”，進一步改善混凝土的性能，獲得較好的早期強度、后期強度、施工性能和耐久性能。

2.3 硅粉混凝土的干縮性

　　在混凝土中加入硅粉后，由于硅粉的微填料效應(yīng)，硅粉自身吸水率大，新拌混凝土的泌水量大大減少，且硅粉混凝土早期水化反應(yīng)加快，早期強度提高，彈性模量增大，而徐變和應(yīng)力松弛減小。因此，硅粉混凝土發(fā)生塑性開裂 ( 多在混凝土澆筑抹面后至混凝土終凝前 ) 和出現(xiàn)早期 (28d 前 ) 收縮裂縫的機會較普通混凝土大大增多，且隨著硅粉摻量的增大而增大，而后期 (60d 以后 ) 因硅粉混凝土孔隙細小、結(jié)構(gòu)致密、水分遷移困難、體積變化趨勢相對平緩，其收縮量與普通混凝上相近或減小。
　　 高小建等的研究還表明，外摻硅粉不僅使混凝土表面出現(xiàn)裂縫的時間提前，而且裂縫貫穿整個混凝土表面所需的時間縮短，最終裂縫條數(shù)、裂縫總長度、開裂面積、最大開裂寬度增加。例如，當水分蒸發(fā)速度達 0.5kg /(m 2 · h) 以上時，硅粉混凝土極有可能發(fā)生塑性開裂，而普通混凝土這一限值可達到 1.0kg ／ (m 2 · h) 。有資料表明，摻有硅粉的混凝土 , 7d 齡期的干縮值為普通混凝土的 2 倍左右， 且占全部干縮值的 30 ％～ 45 ％。飛來峽和黃河小浪底水利工程的施工中得出，硅粉混凝土出現(xiàn)塑性開裂和早期干縮的機率比普通混凝土高得多。因此，在高氣溫、低濕度、高風(fēng)速情況下澆筑硅粉混凝土，應(yīng)特別注意防范混凝土產(chǎn)生塑性開裂和早期收縮。

2 ． 4 硅粉混凝土的熱學(xué)性能
　　 在混凝土中加入硅粉后，通常 3d 前的水化速度和溫度升高加快，熱峰提前出現(xiàn)，但混凝土的最終水化熱比普通混凝土下降，絕熱溫升值有所降低，特別是在水灰比較低時更顯著。這對減少大體積混凝土內(nèi)部溫升引起的開裂非常有利。試驗表明，水灰比為 0.35 、水泥摻量 77 ％、粉煤灰摻量為 23 ％或 15 ％、膠材總量為 213 kg /m 3 的混凝土，摻 8 ％硅粉與不摻硅粉的混凝土相比， 28d 的抗壓強度提高 9 ％， 3d 前的絕熱溫升速度加快 ,3d 之后的絕熱溫升速度趨同，最高絕熱溫升值降低 2.3 ℃ 。

3 硅粉混凝土的耐久性
　　 混凝土的耐久性包括抗?jié)B性、抗凍性、抗磨蝕性、抗化學(xué)浸蝕性、抑制堿骨料反應(yīng)能力等。國內(nèi)外研究證明，在混凝土中加入硅粉，對改進混凝十的耐久性大有幫助。

3 ． 1 抗?jié)B性與抗凍性
　　 混凝土中摻入硅粉后，混凝土的抗?jié)B性能顯著提高，比對混凝土的增強作用更大。在強度相等的情況下，硅粉混凝土的抗?jié)B能力比不摻硅粉的混凝土提高約 1 倍。
　　 在水泥用量為 100kg /m 3 的混凝土中摻入 10 ％的硅粉，其滲透系數(shù)可從 1. 6 × 10 -7 m /s 減至 4 × 10 -10 m /s, 改善后混凝土的滲透性相當于水泥用量為 40 0 ㎏ /m 3 的普通混凝土。南京水利科學(xué)研究院曾對摻與不摻硅粉的混凝土分別加壓 12MP 阿維持 24h 后劈開試件檢測其滲水高度，不摻硅粉與摻 5 ％、 10 ％硅粉混凝土的滲水高度分別為 9.5mm 、 5.2mm 、 4.8mm 。
　　 由于硅粉的微填料效應(yīng)，摻入硅粉的混凝土，密實度增強，抗?jié)B能力提高，抗凍能力改善。試驗表明，膠凝材料用量為 21 6 ㎏ /m 3 、摻 40 ％粉煤灰和 0.004 ％引氣劑的混凝土，抗凍融循環(huán)僅達到 50 次；而原材料品種相同，膠凝材料用量為 23 6 ㎏ /m 3 ，摻 35 ％粉煤灰、 5 ％硅粉和 0.006 ％引氣劑的混凝土，抗凍融循環(huán)達到 350 次。

3 ． 2 抗磨蝕性
　　 表 4 列出了東風(fēng)拱壩中孔邊墻混凝土 CI 和粉煤灰、硅粉共摻混凝土 C2 的抗磨蝕性能。

表 4 混凝土的抗磨蝕性能

　　從表 4 看出，在混凝土中摻入硅粉后，混凝土試樣的抗磨蝕能力提高。同未摻硅粉的混凝土試樣 CI 相比，硅粉混凝土的抗空蝕能力一般提高 1.8 倍左右，抗沖磨能力提高近 0.3 倍。另有試驗表明，隨著硅粉摻量的增加，混凝土的抗磨蝕能力提高。但當硅粉摻量大于 20 ％時，混凝土的強度和抗磨蝕能力不再隨著硅粉摻量的增加而增加，甚至開始下降。

3 ． 3 抗化學(xué)侵蝕性
　　 硫酸鹽以離子形式擴散到混凝土中與其中的 Ca(OH) 2 反應(yīng)，形成鈣礬石膨脹，使硬化混凝土產(chǎn)生破壞?；炷林袚饺牍璺劭擅黠@降低混凝土滲透性及減少游離 Ca(OH) 2 , 有效抵抗 SO 4 2- 、 CI - 的滲透，減少 CI - 侵入混凝土后腐蝕鋼筋產(chǎn)生順筋裂縫，從而提高混凝土抗侵蝕性。這一優(yōu)越性對海工混凝土極有益。表 5 是應(yīng)用電通量實驗計算出不同配合比混凝土中的 CI - 擴散系數(shù)。實驗采用普通 52.5 硅酸鹽水泥和 FDN-5 減水劑。

表 5 不同配合比的混凝土中 CI - 擴散系數(shù)

　　從表 5 看出，單摻硅粉的混凝土擴散系數(shù)最小，說明硅粉混凝土能有效抵抗 CI - 侵蝕。 Detwiler 等的研究還證明，隨著時間的延長， CI - 滲透的能力大幅度降低。

3 ． 4 硅粉對混凝土堿骨料反應(yīng)的抑制作用
　　 水泥中的堿性氧化物 (Na 2 O 、 K 2 O) 與骨料中的 SiO 2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在骨料表面生成復(fù)雜的堿 - 硅酸凝膠，這種凝膠吸水后產(chǎn)生很大的體積膨脹 ( 可增大 3 倍以上 ) ，從而引起混凝土脹裂破壞。硅粉加入混凝土后，對堿骨料反應(yīng)有明顯的預(yù)防控制作用。因為硅粉微粒改善了水泥膠結(jié)材料的密封性，混凝土內(nèi)部小孔多且均勻，極細的硅粉微粒表面又吸附了混凝土內(nèi)部有限的自由水，從而減少了水分通過漿體的運動速度，使堿骨料反應(yīng)必需的水分減少，抑制了堿骨料反應(yīng)。在混凝土中添加 5 ％ -10 ％的硅粉，混凝土的膨脹量可減少 10 ％ -20 ％?！闾砑?10 ％的硅粉，即可充分控制堿骨料反應(yīng)。

4 硅粉混凝土的主要用途
　　 硅粉的超細度和高含量的無定型 SiO 2 ，使其在混凝土中微集料效應(yīng)和高火山灰效應(yīng)發(fā)揮得淋漓盡致。除了顯著改善混凝土的物理力學(xué)性能外，幾乎對混凝土耐久性的所有方面都有幫助，尤其在配制 C80 以上的高強混凝土和高性能混凝土，以及配制特殊環(huán)境條件下的高耐久性混凝土 ( 如水工抗沖耐磨混凝土、海工混凝土等 ) ，使用硅粉通常是取得良好技術(shù)經(jīng)濟效益的有效途徑。

4 ． 1 水工抗沖耐磨混凝土
　　 磨損沖擊和空蝕破壞是水電站泄水建筑物常見的工程病害之一。尤其是當水流流速很高、水流中加帶砂石等磨損介質(zhì)時，這種破壞更為嚴重。如水電站沖砂閘、泄水孔、溢洪道等部位的混凝土，往往承受高速水流沖刷和氣蝕作用，易遭受磨蝕破壞，且修補困難。工程實踐表明，在這些地方使用硅粉混凝土能夠解決這一問題。例如，貴州東風(fēng)水電站拱壩泄水中孔 ( 兼作排砂孔 ) ，設(shè)計泄水量為 580m 3 /s ，平均流速為 36.83m /s ， 1993 年 2 月使用 : 水泥 275 ㎏、粉燥灰 53 ㎏、硅灰 29 ㎏、，中石 68 2 ㎏ 、小石 55 8 ㎏ 、砂 728 ㎏、水 12 5 ㎏ ，摻入復(fù)合外加劑 1 ％，水灰比為 0.35 ，在該部位澆筑硅粉混凝土代替鋼襯。從 1994 年 8 月投入使用至今，該部位多次承受高速水流沖刷，硅粉混凝土表而仍完好無損，抗沖耐磨效果良好。

4 ． 2 海工混凝土
　　 長期受海水浸泡的海工鋼筋混凝土，很容易遭受 CI - 滲透而引起鋼筋銹蝕破壞。為此 ,2004 年建成的主要服務(wù)于上海洋山港國際深海集裝箱碼頭工程的東海大橋，其橋墩基礎(chǔ)最初計劃采用環(huán)氧樹脂作保護層來防止鋼筋銹蝕。后來考慮環(huán)氧樹脂的使用壽命、成本、抵抗 CI - 滲透能力等不利因素，而改用摻硅粉、礦渣粉、粉煤灰等摻和料來提高混凝土的抗 CI - 滲透能力。杭州灣跨海大橋工程、蘇通江海大橋工程等同樣使用硅粉來提高混凝土的抗 CI - 滲透能力。實踐證明，混凝土中摻入硅粉，能夠提高混凝土的抗 CI - 滲透能力，減少鋼筋的銹蝕。

4 ． 3 高強混凝土
　　 高強混凝土多指抗壓強度高于 50MPa 的混凝土 , 主要用于城市高層建筑和大跨度橋梁。如美國芝加哥 一幢 77 層高的大樓，下部 1/3 采用 C80 高強硅粉混凝土后，使柱子斷面尺寸由原來 C30 混凝土的 7 0 ㎝× 7 0 ㎝ 減小到 42. 5 ㎝× 42.5 ㎝ ，截面積減小 63 ％；不僅節(jié)約成本，還大大增加了使用空間。目前利用外摻硅粉和高效減水劑技術(shù)，可以配制 C110 高強和高流動性混凝土。

4 ． 4 公路混凝土
　　 利用硅粉的微填料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，在路面混凝土中適當摻加硅粉 , 可顯著提高混凝土的路面性能，包含提高抗折強度、疲勞強度、耐磨強度等。而且，在相同設(shè)計使用年限下 , 硅粉混凝土路面的投資比普通混凝土路面降低 11 ％左右，維護費用出減少，具有明顯技術(shù)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。利用硅粉混凝土修復(fù)混凝土路面，還可充分發(fā)揮硅粉混凝土早期強度高的優(yōu)點 , 縮短路面修復(fù)引起的交通中斷時間。

4 ． 5 噴射混凝土
　　 在混凝土中摻入硅粉后，能夠顯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彈量，增大噴射混凝土的一次成型厚度 , 縮短工期。在歐美國家， 75 ％的噴射混凝土都摻入硅粉。

5 硅粉混凝土的應(yīng)用技術(shù)要點

5 ． 1 硅粉的適宜摻量
　　 當硅粉摻量顯著增加時，硅粉對混凝土的強度貢獻率下降 ( 也稱效率指數(shù)下降 ) 。有實驗表明，當硅粉取代水泥大于 20 ％時，其效率指數(shù)顯著降低；當大于 30% 時，混凝土的強度反而下降，混凝土出現(xiàn)塑性開裂和早期收縮裂縫的風(fēng)險加大，并且，當硅粉摻量過高時，新拌混凝土變得非常黏稠，施工振實難度也增大。由于硅粉產(chǎn)量有限，價格達 250 0 ～ 4000 元 /t ，硅粉摻量加大，還會增加混凝土的成本。因此，在實際工程中，混凝土硅粉摻量一般為 5 ％～ 15 ％。

5 ． 2 硅粉必須同高效減水劑結(jié)合使用
　　 在混凝土中摻入硅粉，必須同時摻入高效減水劑，才能保障混凝土必需的流動性和硅粉對混凝土的增強作用。但應(yīng)特別注意高效減水劑與混凝土中其它材料的適應(yīng)性。因此，必須結(jié)合工程特點和擬用原材料的性質(zhì)，通過試拌混凝土實驗確定硅粉、外加劑和其它膠凝材料的摻量及相應(yīng)的相對最佳混凝土配合比。另外，高效減水劑加入低水灰比的硅粉混凝土，當硅粉摻量較大或環(huán)境溫度較高時，混凝土的坍落度損失會加快。因此，對運輸距離較長或采用泵送混凝土施工的硅粉混凝土，應(yīng)控制硅粉摻量或添加緩凝劑。

5 ． 3 硅粉混凝土的拌和與運輸
　　 高等級硅粉混凝土很黏稠，拌合時采用強制式拌合機，攪拌時間應(yīng)比普通混凝土延長 30~60s; 從拌合機出料后，應(yīng)盡量縮短運輸時間，及時入倉攤鋪、振搗，努力減少坍落度損失。

5 ． 4 硅粉混凝土的養(yǎng)護
　　 工程實踐表明，千方百計控制硅粉混凝土的裂縫是硅粉混凝土施工的關(guān)鍵。為此，硅粉混凝土的養(yǎng)護要比普通混凝土提前?；炷翝仓戤吅蠼K凝前，必須立即用噴霧方法來減少水分蒸發(fā)或采用塑料薄膜覆蓋或噴灑混凝土養(yǎng)護劑養(yǎng)護，保持混凝土表而濕潤，但不宜出現(xiàn)水流和可見水滴；混凝土終凝后，應(yīng)繼續(xù)覆蓋塑料薄膜或噴灑養(yǎng)護劑或在表面覆蓋濕透的草袋并灑水養(yǎng)護，使混凝土始終處于潮濕狀態(tài)，養(yǎng)護時間宜不少于 28d 。南京水利科學(xué)研究院林寶玉、吳紹章曾研究了減少硅粉混凝土塑性開裂和早期干縮的措施，包含延長混凝土潮濕養(yǎng)護時間、將硅粉制成漿劑、摻用膨脹劑、保水劑等。這些措施應(yīng)用于工程后，均產(chǎn)生了很好的效果。

6 結(jié) 語
　　 由于硅粉混凝土具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能和耐久性能，硅粉已成為水利工程、交通工程、海港工程、建筑工程、耐火材料等行業(yè)的重要摻合料，成為現(xiàn)代高性能混凝土的關(guān)鍵組分，在工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。但由于硅粉資源有限，價格昂貴，開展采用部分硅粉與其它工業(yè)廢料合成復(fù)合摻合料來配制高性能混凝土的研究工作，既有利于降低混凝土生產(chǎn)成本，也有利于環(huán)境保護和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。