摘 要:高性能混凝土是最近十幾年出現(xiàn)的混凝土新品種,也是至今為止性能最為完善的混凝土,今后它將會逐步替代普通混凝土在絕大多數(shù)的各類建筑物中使用。硅灰作為一種摻和料,能夠大幅度提高混凝土的性能,同時也變廢為寶減少了環(huán)境污染。本文簡述了硅灰在高性能混凝土中的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞:高性能混凝土;納米材料;硅灰;性能
納米材料在高性能混凝土中的運(yùn)用主要是指納米粉末作為摻合料在配置混凝土?xí)r摻入,參與水化反應(yīng),從而使混凝土各項性能得到顯著改善。其中,運(yùn)用的最多的便是硅粉。這里先解釋兩個概念:
1 納米材料
納米( nm)是一個長度單位, 1納米等于10 - 9米,也就是十億分之一米的長度,這個長度只是一個中等原子直徑的十幾倍。納米材料是指由尺寸小于100nm (011 -100nm)的納米粒子(又稱為超微顆粒)構(gòu)成的材料的總稱。由于納米粒子是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域,它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。因而納米材料具有異于普通材料的光、電、磁、熱、力學(xué)、機(jī)械等性能。根據(jù)物理形態(tài)劃分,納米材料大致可分為納米粉末(納米顆粒) 、納米纖維(納米管、納米線) 、納米膜、納米塊體和納米相分離液體等五類。
2 高性能混凝土(HPC)
高性能混凝土一詞是從英文Hight Performance Con2certe (HPC)翻譯過來的。在吳中偉,廉慧珍所著《高性能混凝土》一書中,高性能混凝土被定義為:高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)能有重點地予以保證:耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。因此,高性能混凝土在配置上的特點是低水膠化,選用優(yōu)質(zhì)原材料,并除水泥、水、集料外,必須參加足夠數(shù)量的礦物料摻料和高效外加劑。曾有學(xué)者預(yù)言,高性能混凝土是21世紀(jì)的混凝土,是近期混凝土技術(shù)的主要發(fā)展方向。
硅粉( silica fume)又稱為硅灰,它是指用高純度石英冶煉金屬硅和硅鐵合金的工廠從煙塵中收集的超細(xì)粉末,是在埋電弧爐中用焦碳或木片將石英還原為單質(zhì)硅,其SiO2 蒸氣在低溫區(qū)氧化成SiO2 并凝聚成的無定形的球狀玻璃顆粒。平均粒徑一般為(011 - 012um) ,比水泥顆粒細(xì)兩個數(shù)量級。它實際上是納米顆粒,亞微米級顆粒及少量微米級顆粒組成的混合物。用于混凝土的硅粉, SiO2 含量應(yīng)大于90% ,其中活性的(在飽和石灰水中可溶) SiO2 應(yīng)達(dá)40%以上,因而具有很高活性。
硅粉作為摻和料的研究始于斯堪的納維亞國家,盡管20世紀(jì)50年代人們對硅粉作用就有所認(rèn)識和初步的研究,但應(yīng)用于實際工程中是從70年代開始的,而我國對硅粉的研究歷史不長,僅僅20多年時間,據(jù)有關(guān)資料顯示,在實際運(yùn)用中硅粉的摻量一般控制在5% - 20%之間,同時要用高效減水劑來調(diào)節(jié)需水量。這是因為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,即使摻了硅粉,混凝土強(qiáng)度也上不去,這也是過去硅粉在混凝土中未推廣使用的原因。硅粉和減水劑的聯(lián)合使用保證了摻用硅粉的混凝土水灰比不變,即用水量不增加,也能達(dá)到與未摻硅粉的混凝土具有相同的流動度且摻硅粉混凝土強(qiáng)度等性能得到大幅度提高。硅粉對高性能混凝土的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
1 硅粉對高性能混凝土強(qiáng)度的影響
盡管應(yīng)用純水泥也可配制成抗壓強(qiáng)度高達(dá)100MPa的HPC,但硅粉的使用會使這一目的容易達(dá)到得多。而對于制備強(qiáng)度超過100MPa的混凝土,硅粉的使用幾乎不可缺少。這是因為在混凝土結(jié)構(gòu)中,孔隙率對強(qiáng)度的影響有著決定性的作用,減小孔隙率,對混凝土的強(qiáng)度會有極大的提高。硅粉由于具有極小的顆粒直徑,可填充水泥石中的較多孔隙,大大降低了水化漿體中的隙孔尺寸,改善了孔隙尺寸分布,減小了水泥石的孔隙率,從而使強(qiáng)度提高。
2 硅粉對高性能混凝土的耐久性的影響
(1)抗凍性:混凝土中摻入適量的硅粉后,會具有良好的抗凍性。有資料顯示,摻入5%的硅粉就可以改善混凝土的抗凍性。摻量增加到15% - 20%時,抗凍效果會更好,也就是說不用摻入防凍劑也能產(chǎn)生良好的抗凍效果。
(2)抗?jié)B性:由于硅粉顆粒小,比水泥顆粒細(xì)兩個數(shù)量級,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即與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH) 2 反應(yīng),生成水化硅酸鈣凝膠體,新的生成物堵塞混凝土中滲透通道,所以使混凝土的抗?jié)B能力增強(qiáng)。
(3)抗化學(xué)侵蝕性: 在混凝土中摻入硅粉后,一方面,由于減少了水泥用量,也就減少了受腐蝕的內(nèi)部因素,因為當(dāng)混凝土處在有侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境中時,侵蝕性介質(zhì)會與水泥石中水化生成的Ca (OH) 2 和C3A水化物發(fā)生反應(yīng),逐漸使混凝土破壞。另一方面,硅粉的細(xì)微顆粒均勻分散到水泥漿體中時,會成為大量水化物沉積的核心,隨著水化齡期的進(jìn)展,這些細(xì)微顆粒及其水化反應(yīng)產(chǎn)物填充水泥石孔隙,改善了混凝土孔結(jié)構(gòu),這些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 ·32H2O)的生成,使混凝土抵抗鹽類腐蝕,尤其是對氯鹽及硫酸鹽類的腐蝕能力得到極大的提高。
總得來說,當(dāng)混凝土中摻入硅粉后會對其性能帶來很大的增強(qiáng)和改變。目前對硅粉的運(yùn)用主要體現(xiàn)在高強(qiáng)混凝土方面。而對于這一目標(biāo)的實現(xiàn),由于硅粉的摻入,只需普通材料,普通工藝可配置,具有廣泛的實用意義;用于它能大幅度降低水泥用量,因此也具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。此外,如能大量推廣硅粉混凝土的運(yùn)用,由它而帶來的縮小結(jié)構(gòu)斷面、減少材料消耗、加快施工周期、解決工程中出現(xiàn)的特殊要求等,其經(jīng)濟(jì)效益將更加可觀。
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