微硅粉在高性能混凝土中的应用探讨
返回一、微硅粉在我国的生产和在混凝土中应用的现状
我国对微硅粉的应用研究和回收利用起步较晚,大部分硅铁生产企业对微硅粉的回收不够重视,一些规模较大的企业尽管回收了微硅粉,但没有发现其中的价值,而且这些回收来的微硅粉二氧化硅含量大多数都不达标,尚属粗放型的工业副产品。近几年,由于国家对环保的重视,逐步加强了对污染企业的管理,特别是国内对高强混凝土需求的增加,许多铁合金生产企业配备了收尘设备,并开发、引进了加密技术。使得我国微硅粉产品得到迅猛发展。
我国微硅粉主要应用于混凝土和耐火材料领域。微硅粉混凝土已应用在重要工程如建造高层大厦、抗冲刷磨损、抗渗漏等工程,早在1986年我国已将硅砂浆应用于葛洲坝水闸的修补和2000-3000m3蓄水池的防渗,三峡电站、二滩电站、紫坪铺电站、黄河小浪底电站、福建水口电站、青海龙羊峡电站等水利水电工程和上海杨浦大桥、香港青马跨海大桥、江苏连云港木材码头等工程的防渗及抗冲磨部位,以及用于高强度抗渗工程如上海黄埔江越江隧道工程,微硅粉混凝土还用于抗硫酸盐、氯酸盐、钢筋防锈和提高耐久性工程,如我国在沿海建造的水下采油平台等,目前随着我国高铁和核电项目的快速发展,微硅粉也得到大力推广和使用,如京沪高铁 、沪宁高铁、福建闽清核电、广东台山核电等。
二、微硅粉的属性
1、概述
微硅粉(学名“硅灰”,Microsilica或Silica Fume),系在冶炼硅铁合金或工业硅时,通过烟道排出的硅蒸汽氧化后,经特别设计的收尘器收集得到的无定形、粉末状的二氧化硅(SiO2)。微硅粉平均粒径在0.15~0.20μm,比表面积为15000~20000m2/kg,具有极强的表面活性。近20年来,微硅粉在国内外建筑、化工、冶金等领域获得了广泛的应用。其中大量的微硅粉主要用于水泥或混凝土掺合料,以改善水泥或混凝土的性能,配制具有超高强(C80以上)、耐磨、耐冲刷、耐腐蚀、抗渗透、抗冻、早强的特种混凝土,用于大坝、大型水库、水电、海港码头、铁路桥梁、高速公路、飞机场跑道、隧道及超高层建筑等工程。
2、微硅粉的物理性质
(1)颜色:微硅粉是硅铁或金属硅生产过程中由矿热炉中的高纯石英、焦炭和木屑还原产生的副产品,主要成分是SiO2,一般微硅粉的颜色在浅灰和深灰之间,SiO2本身是无色的,其颜色主要取决于碳和氧化铁的含量,碳含量越高,颜色越暗;另外加密的硅粉要比自然硅粉颜色暗。
(2)粒径:微硅粉的平均粒径为0.15~0.20μm左右,是水泥颗粒直径的1/100,所以硅粉能高度分散于混凝土中,填充在水泥颗粒之间而提高密实度,同时微硅粉具有很高的活性,能更快更全面的与水泥水化产生的氧氢化合物反应。
(3)比表面积:15000-20000m2/kg
(4) 比重的密度:硅粉主要有两种供应形态,即原态微硅粉和增密微硅粉。
a、原态微硅粉,即通过收尘器直接收集得到的产品,松散容积约为150-300kg/m3,原态硅粉一般采用袋装运输,由于密度很小,长途运输效率较低,使用时多采用人工直接破袋将微硅粉倒人混凝土搅拌机,工作环境粉尘大,工作效率低。
b、增密微硅粉,为解决原态微硅粉不宜长途运输及效率低的问题,开发出了提高微硅粉松散密实度的微硅增密技术。这种技术使原态微硅粉在压缩空气流的作用下,滚动聚集成小的颗粒团,从而将微硅粉的松散容积提高到 350-700 kg/m3,大大方便了使用,增密微硅粉小颗粒团的颗粒凝聚力较弱,在混凝土搅拌机中的搅拌过程非常容易散开,因此微硅粉颗粒能在骨料投料后投入搅拌机,以保证增密微硅颗粒团散开和良好的分散。
下表为微硅粉与水泥、矿渣、粉煤灰等的物理性能比较,由表可见,硅粉的比重约为水泥的2/3,但密度却只有水泥的1/6左右。
项目 | 硅粉 | 水泥 | 矿渣 | 粉煤灰 |
比重 N/m3 | 21000 | 31500 | 29000 | 21000 |
密度 kg/m3 | 200-300 | 1200-1400 | 1000-1200 | 900-1000 |
比表面积 m2/kg | 20000 | 200-500 | - | 200-600 |
(5)颗粒形态与矿相结构:硅灰在形成过程中,因相变的过程中受表面张力的作用,形成了非结晶相无定形圆球状颗粒,且表面较为光滑,有些则是多个圆球颗粒粘在一起的团聚体。它是一种比表面积很大,活性很高的火山灰物质。掺有硅灰的物料,微小的球状体可以起到润滑的作用。
3、微硅粉的化学成分
微硅粉的化学成分见下表,以TOPKEN®90系列微硅粉化学指标为例:
检验项目 | 检测值 | 标准要求 |
SiO2(%) | 90. 49 | ≥85 |
K2O(%) | 1. 35 | |
Na2O(%) < | 0. 31 | |
Fe2O3(%) | 0. 67 | |
CL-(%) | ≤ 0.02 | |
PH(%) | 7. 3 |
三、硅粉在混凝土中的具体应用
1、工作原理
硅粉具有颗粒细(平均颗粒粒径为0.1um,仅为水泥颗粒的几百分之一)、表面积大(15000m2/kg)的特点。混凝土中加入硅粉后,其作用有
(1)物理作用。因颗粒细,它填充了水泥颗粒之间的孔隙,使浆体更致密,改善了水泥、骨料的微观组织结构,从而提高了混凝土材料的宏观物理—力学性能(强度、抗渗性、耐久性、弹性模量等)。
(2)化学反应作用。硅粉中的主要成份二氧化硅(SiO2 )在碱性激发条件下,能与水泥水化析出的Ca(OH2)起反应,生成具有水硬性质的硅酸盐胶体—水化硅酸钙凝胶(又称CSH凝胶),这些凝胶堵塞在毛细管中,使毛细管孔变小,而且不连续,从而大大提高了混凝土密实性。并且水化硅酸钙凝胶强度远大于Ca(OH)2 凝胶。因此,硅粉具有火山灰效应和微粒效应两种优点,能改善新拌混凝土的泌水性和粘聚性,达到全面提高混凝土质量的目的。
2、硅粉在改善和提高混凝土性能方面的表现
(1)提高混凝土早期强度和最终强度
当微硅粉对水泥的取代率为30%以内时,蒸气温度为80℃,砂浆一天的抗压强度为不掺微硅粉的2倍,(100MPa);若无采用蒸压养护,则几乎达3倍(150MPa);采用标准养护,砂浆的抗压强度也明显提高。当微硅粉与高效碱水剂复合使用时,可使混凝土的水胶比(W/C+Si)降至0.13-0.18,水泥颗粒之间被硅粉填充密实,混凝土的抗压强度为不掺硅粉的3-5倍。
混凝土中掺入微硅粉增加了起反应的硅含量,在电镜下观察,掺硅混凝土的水泥石空隙中有晶体生长。另外,微硅粉颗粒很细小,均匀地填充了混凝土微孔。国外用水泥注入法测定,无论哪种养护条件,掺微硅粉的混凝土水泥石微孔容积均明显减少。
(3)改善混凝土离析和泌水性能
浇灌混凝土之后,往往产生水从混凝土中分离出来的现象,即在表层形成水膜,也称之为浮浆,使上层混凝土分布不均匀,影响建筑质量。国外研究证明,微硅粉掺入量即取代率Si/(Si+C)愈多,混凝土材料愈难以离析和泌水。当取代率达15%时,混凝土坍落即使达15-20cm,也几乎不产生离析和泌水;当取代率达20-30%时,将该混凝土直接放入自来水中也不宜产生离析。由于微硅粉对混凝土离析和泌水性能的改善,使掺微硅粉混凝土可以用作海港、隧道等水下工程。
(4)提高混凝土的抗渗性、抗化学腐蚀性和比电阻
由于微硅粉的掺入提高了混凝土的密实性,大大减少了水泥空隙,所以提高了微硅粉混凝土的抗渗性能。国外研究认为,当混凝土中微硅粉取代率为10-20%时,显著改善了混凝土的抗渗性、抗化学腐蚀性,而且对钢筋的耐腐蚀性也有改善。这时因为密实性的提高和SiO2含量增加,有效地阻止了酸离子的侵入和腐蚀作用。另外,由于微硅粉比电阻很高(可达1.2×1011Ω·cm,90~150℃),所以混凝土比电阻可提高1.9~16倍。
3、硅粉混凝土的施工方法
(1)硅粉混凝土的拌和。用搅拌机拌和,按配方将材料准确称量,投料次序为水→石子→砂→水泥→硅粉→用搅拌机搅拌1.5min,然后加入外加剂一胶乳再搅拌1.5min出机。混凝土拌好的象征是:各种材料拌和均匀,流动性好,不离析,塌落度控制在3cm以内,超过4cm则不得使用。
(2)硅粉混凝土的运输。拌好的硅粉混凝土水平运输和垂直运输时间不得超过10min。
(3)硅粉混凝土的入仓浇筑。浇筑过程应1次浇完,不得中途停止。由于机械故障等原因产生冷缝,应停止浇筑,等先浇混凝土具有一定强度(一般等24h后),按施工缝处理后(处理方法与基面处理相同),再浇筑剩余部分混凝土。浇筑宜从左或右向一个方向入仓,经平仓后,先用插入式振捣器,后用平板振捣器提浆,振捣时间较普通混凝土稍长一些,要振捣密实不能漏振。平仓振捣后收抹面的工人应抓紧拍打出浆并抹面,一般应收抹3次~4次,使其表面光滑平整,无空洞、麻面和无贯穿性裂缝,不平整度控制在5mm以内。
(4)养护。新浇硅粉混凝土经振捣收抹后停1h~3h(根据现场气温具体确定),立即加盖塑料薄膜,防止雨淋和表面蒸发产生裂缝,24h内严禁人踩或堆放杂物。经36h~48h后,去掉塑料膜,加盖草袋,按水工混凝土养护规程及时洒水养护。
4、混凝土中掺用微硅粉时应注意的问题:
(1)配合比设计
a、 相容性:微硅粉应与减水剂、粉煤灰、矿粉、纤维等相容性良好。
b、 坍落度:由于其填隙效应,混凝土的粘滞性较高,因此掺微硅粉混凝土的坍落度设计要求比普通混凝土高2~3cm;
c、 掺入量:制造高强度及喷射混凝土,微硅粉掺入量为水泥量的6~12%;对于水下工程混凝土,其掺量略高;而将微硅粉作为助泵剂使用时,掺入量减为2%左右。通过配合比试验确定最终配合比。
(2)加料与搅拌
a、 通常混凝土工业使用增密型微硅粉,因此可选择人工加料或自动加料。
b、 由于微硅粉独有的超细特性,微硅粉要求在骨料投料后立即投入,不得将粉状微硅粉加入已拌和妥的混凝土中。
c、 掺入微硅粉混凝土的搅拌时间比普通混凝土要延长30~40s,以获得良好的均匀性。
d、掺入微硅粉混凝土的运输没有特别要求,与普通混凝土相同。注意一点就是运输时间不得超过10min。
(3)浇注和养护
a、微硅粉混凝土的振捣要求密实,不得漏振、欠振,也不得过振。一般振捣时间为10~30s;
b、要求混凝土连续供应,以防止冷接茬,造成隐患。接茬时间不得超过100min;
c、 微硅粉混凝土养护过程中防止水份的过早蒸发非常重要。因此,浇注完毕,立即覆膜、并铺设麻袋、浇水养护。
(2)增加混凝土致密度