常锋

摘  要：硅粉比表面积大，颗粒极细，其主要的化学式是SiO2，硅粉中二氧化硅的含量越高，细度越细在碱性溶液中的活性就越大，其对混凝土的改性效果也就越好。硅粉能够改善硬化水泥浆体的微结构，具有很高的火山灰活性，通常使用其作为一种辅助性的胶凝材料;硅粉作为掺合料在混凝土中可以替代部分的水泥，并改善水泥颗粒粒径分布和级配。

关键词：硅粉;火山灰;水化反应

中图分类号：TU528        文献标志码：A

0 引言

以石英岩碎石、生铁为原料，焦炭为还原剂，冶炼硅铁合金时，在高温下石英被还原为硅，随即与铁生成硅铁合金。在此过程中约有10%～15%的硅（Si） 化为蒸汽后，通过烟道随气流上升与氧结合成一氧化硅，并逸出炉外，与冷空气中的氧相遇结合生成烟雾二氧化硅，接着受冷凝结为细小的球状微珠，采用适当收尘设施将这种粉尘收集起来，这种粉尘即为硅粉。

1 硅粉的性质

硅粉根据其含碳量的不同，颜色也存在不同程度的变化，一般为灰色。硅粉的颗粒极细，与水泥颗粒相比，水泥颗粒比其大2个数量级，平均粒径一般在0.15 μm左右，拥有极大的比表面积20 m2/g;与粉煤灰的实际密度相似，硅粉的密度约为2.1 g/cm3～2.5 g/cm3，松散密度约为200 kg/m3～300 kg/m3，约为水泥的1/3;硅粉的主要化学成分为SiO2，几乎都呈非晶态，SiO2的细度和含量是硅粉的主要评价指标，其细度越细，含量越高，在碱性溶液中的活性就越大（活性的SiO2在饱和石灰水中可溶达40%以上），其对混凝土的改性效果也就越好。一般将硅粉作为混凝土中的掺合料时，硅粉中SiO2的质量分数应基本不低于90%，表1是几个国家对硅粉中不同成分的有关规定。

2 硅粉改善混凝土强度的作用机理

2.1 水泥的硬化

2CaO·SiO2和3CaO·SiO2是水泥的主要成分（表2），重量约占水泥的75%，水泥硬化、水化的反应，其实质上就是从一种低溶解度的固体溶解之后，生成另一种比其溶解度更低的固体产物，水泥颗粒与水接触后开始离解出OH-、Ca2+和SiO32-，随着浓度的增加，向生成氢氧钙石和水化硅酸钙的方向发展。水泥水化、硬化的主要反应如下：

2（3Ca·SiO2）+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca（OH）2

2（Ca·SiO2）+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2

2.2 水化反应生成的氢氧化钙

氢氧化钙晶体会在水泥的水化反应过程中大量生成，以六方板状晶体析出氢氧化钙;随着氢氧化钙含量的提高，可使水泥浆体的 pH 值升到 12 以上，对强度的贡献相对较弱，仅对护筋和提高抗碳化性能有益;此时则需要掺加一些活性掺合料来消耗部分的氢氧化钙，以此提高强度和改善耐久性。

2.3 活性掺合料硅粉的作用机理

2.3.1 硅粉的火山灰效应

硅粉可以作為一种辅助性胶凝材料来改善硬化水泥浆体的微结构，具有很高的火山灰活性，其原因首先是在常温下硬化的水泥浆体通常由未水化的水泥颗粒、水泥水化产物、水、少量空气以及由水和空气占有的孔隙网所组成，是一个3相多孔体;硅粉平均粒径约为0.1μm，大概是硅酸盐水泥颗粒粒径的1%，同时其比表面积非常大，所以在水泥水化时可以作为水泥水化所需要的晶核，从而加速水泥水化;但硅粉作为矿物掺合料，二氧化硅是其主要的矿物成分，二氧化硅是酸性氧化物，可以与中强碱氢氧化钙发生反应，于是便发生二次水化反应，二次水化反应生成了比氢氧化钙更具有胶凝性的产物水化硅酸钙胶凝体?（C—S—H），这样便消耗了氢氧化钙，且生成了强度更高、稳定性更优的低碱性水化硅酸钙;该反应使胶凝体的组成得到优化，质量得到提高，同时增强了水泥石与集料界面的黏结力;生成的硅酸钙凝胶体也不会在低pH值的酸性溶液里分解，导致使用硅粉配制的硬化水泥浆体对酸性介质有一定的抵御能力，这对盐霜、碳化、渗析也有较强的抵抗能力。

（0.8～1.5）Ca（OH）2+SiO2+{n-（0.8～1.5）H2O→（0.8～1.5）CaO·SiO2·nH2O} （1）

（1.5～2.0）CaO·SiO2·nH2O+xSiO2+yH2O→（0.8～1.5）CaO·SiO2·qH2O （2）

2.3.2 硅粉的微集料效应

掺入混凝土中的硅粉，可以替代部分的水泥，由于硅粉颗粒粒径极细，极细的球状小颗粒就填充于水泥颗粒的空隙之中，不仅密实了水泥浆体，而且了改善水泥颗粒级配和粒径分布;硅粉二次的水化产物硅酸钙胶凝体又具有堵塞毛细管通道的作用，这样就可以使连通孔和大孔大量减少，更加密实了水泥浆体，从而使硬化水泥浆体的微结构得到改善，混凝土的耐久性能和物理力学性能也一并得到改善。所谓微集料的微填料效应，就是硅粉的这种二次水化产物的填充作用和物理填作用。

3 硅粉在混凝土中的掺量

硅粉的掺加量、外加剂的种类和掺加量、水胶比的大小以及其他火山灰用作掺合料的选择和使用量等是硅粉混凝土的主要应用条件;对这些应用条件有针对性地进行研究，掌握硅粉对水泥浆体微结构的作用机理，从而使硅粉对混凝土的改善作用更有效。在混凝土中将硅粉作为添加剂一般都是对混凝土有特殊要求的，但一般硅粉使混凝土达到某种特殊要求的同时，也同样会存在不利的影响，这就需要对硅粉在混凝土中的应用条件进行针对性地研究，以充分发挥其积极的一面，减小其不利的影响，争取取得更好的技术经济效果。硅粉在水泥浆体和混凝土中应用时同其他外加剂的应用一样，水胶比也存在最优的范围，若超过该最优范围，则会影响硅粉对硬化水泥浆体和混凝土微结构的改善作用。当掺量过小则不能发挥其火山灰效应和微集料效应，若掺量过大，由于硅粉的比表面积大，需水量大，所以混凝土自身的收缩也会增大。因此，根据一些学者所做的实验研究，一般将硅粉的掺量限制在5%～10%，并使用高效减水剂来调节需水量;同时，在利用硅粉时也要必须注意水泥、硅粉、外加剂之间的相容性的问题。

4 硅粉对混凝土的不利影响

表面易开裂的硅粉混凝土是因为基底干混凝土吸湿作用或表面蒸发失水引起的失水，使掺有硅粉的混凝土产生塑性收缩，从而导致可能的表面开裂。硅粉混凝土不易泌水且水灰比低，浇筑后如果混凝土表面水份泌水速度小于蒸发速度，则会在初凝后就发生不易察觉的塑性收缩裂缝，一般第二天混凝土终凝后便出现肉眼可见的裂缝。

混凝土体积的收缩主要是由混凝土的冷缩和干缩综合发展形成，院士吴中伟的观点是混凝土中引起干缩的主要原因是水份的散失，这些失散的水份存在于各种孔隙中，孔隙分布的水份在骨料中、水泥石中以及水泥石与骨料、钢筋与水泥石交界处，孔隙分胶孔、毛细孔与气孔3种，气孔的开口最大，气孔中还存在着自由水。其中气孔与毛细孔的数量取决于加水量与制作条件，胶孔比毛细孔更小，胶孔约占凝胶体积的0.25～0.33，硅粉混凝土的毛细孔与胶孔相对要多一些，总孔隙率小，其中气孔更少，其干缩及自收缩偏大。因此，为了避免和减轻由于干缩引起的开裂，采用使混凝土产生适当膨胀的方法改善混凝土的收缩性，除此以外加强养护。

5 结语

硅粉具有极大的比表面积，颗粒粒径极细的性质，SiO2的细度和含量是硅粉性质主要的评价指标，其中当二氧化硅的细度越細，含量越高时，其在碱性溶液中的活性就越大，对混凝土的改性效果也就越好。作为一种辅助性的胶凝材料，硅粉用来改善硬化水泥浆体的微结构，具有很高的火山灰活性;将硅粉作为掺和料掺入混凝土中，采用最优的掺比可以使硅粉对混凝土改善效果达到最好。与此同时还要最大程度地避免硅粉对混凝土的不利影响。

参考文献

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