任 杰

硅粉資源開(kāi)發(fā)利用研究工作始于20世紀(jì)50年代,到20世紀(jì)60年代末70年代初已有工程應(yīng)用。目前北歐、西歐、北美、日本、澳大利亞、南非、蘇聯(lián)等地區(qū)和國(guó)家已將硅粉廣泛應(yīng)用在水泥、混凝土、耐火注料、橡膠、化工等工業(yè),并已開(kāi)發(fā)了一批性能優(yōu)異的新產(chǎn)品。我國(guó)開(kāi)展硅粉綜合利用的工作雖然起步較晚,但進(jìn)展較快。如高強(qiáng)度混凝土、硅粉噴射混凝土、復(fù)合增強(qiáng)密度劑、硅粉砂漿、低水泥澆料等科研成果都已通過(guò)了部級(jí)或省、市級(jí)技術(shù)鑒定,并已在許多工程中應(yīng)用,技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著。有的應(yīng)用技術(shù)已接近或達(dá)到了國(guó)外20世紀(jì)80年代初的水平。

在我國(guó)高速橋梁工程中,橋面鋪裝應(yīng)用一直要求橋面混凝土具有較高抗?jié)B、抗裂性能。國(guó)內(nèi)也采用了很多的方法來(lái)解決相關(guān)技術(shù)難題,例如在橋面混凝土中摻加防水劑、摻加纖維合成材料等。筆者通過(guò)對(duì)硅粉混凝土的研究,加上對(duì)另外幾種方式的對(duì)比,試驗(yàn)證明硅粉混凝土作為橋面混凝土的可行性。

1 硅粉材料功能

硅粉,也稱硅微粉、微硅粉或硅灰,是工業(yè)生產(chǎn)硅或硅合金時(shí)的副產(chǎn)品,自20世紀(jì)50年代在挪威開(kāi)始對(duì)其在水泥混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行研究,且自20世紀(jì)70年代以來(lái),歐美各國(guó)對(duì)這種材料廣泛注意,開(kāi)展了大量研究工作,研究發(fā)現(xiàn)硅粉材料的引入,可使砂漿、混凝土的孔隙與滲透性大大降低,給強(qiáng)度和耐久性帶來(lái)明顯改善,因而有廣泛的使用范圍。

硅粉顆粒的平均粒徑一般為0.1 μ m～0.15 μ m,比表面積達(dá)2.0萬(wàn)m2/g～2.8萬(wàn) m2/g,約比粉煤灰大 50倍,比水泥粒徑大100多倍,摻入水泥混凝土中,可增加混凝土拌和韌柔潤(rùn)粘聚性和硬化混凝土填充致密性,具有顯著的超微粉集料效應(yīng)。硅灰在急劇冷凝的氣、液、固相變過(guò)程中,形成大小不一、表面光滑的球狀微粒在水泥混凝土中可起潤(rùn)滑減小顆粒之間內(nèi)摩擦阻力的作用,利于擴(kuò)散填充微孔隙,增強(qiáng)致密性的微細(xì)顆粒形態(tài)效應(yīng)明顯。

2 混凝土配制要點(diǎn)

2.1 硅粉的摻入方法

硅粉摻在混凝土中一般有兩種方法:1)內(nèi)摻;2)外摻,都要與減水劑配合使用。內(nèi)摻法——用硅粉代替水泥,又分等量代替和部分代替兩種,等量代替為硅粉摻量代替相等量的水泥,部分代替為1 kg硅粉代替 1 kg～3 kg水泥,作為研究一般摻量為5%～30%,水灰比一般保持不變。外摻法——硅粉像外加劑那樣摻在混凝土中,即水泥用量不減少的條件下?lián)饺牍璺?。摻量一般?%～10%。由于硅粉用法不同,所得混凝土的性能并不相同,外摻法所得混凝土的力學(xué)性能要高得多,但增加了混凝土中膠凝材料用量。在我們橋面混凝土應(yīng)用當(dāng)中,為了保證在較小水泥用量前提下,達(dá)到一般橋面混凝土C40強(qiáng)度要求,我們采用了外摻方法來(lái)處理硅粉混凝土。

2.2 硅粉的最優(yōu)摻量

硅粉在混凝土中摻量太少,對(duì)混凝土性能改善不大,但是摻量太多,則混凝土太粘,不易施工,且干縮變形大,抗裂性變差,因此,摻硅粉時(shí),應(yīng)找出最優(yōu)摻量才能獲得最佳結(jié)果。一般情況下,摻量在10%以內(nèi)效果較為滿意。硅粉合適摻量一般根據(jù)所用硅粉、水泥種類和骨料性質(zhì),選擇幾個(gè)硅粉摻量,如3%,5%,7%,10%等,成型混凝土試件,繪制 R—SF(強(qiáng)度—硅粉摻量)曲線確定。值得注意的是硅粉價(jià)格高于水泥原料價(jià)格,在確定硅粉的最佳摻量時(shí),也要考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.3 減水劑的摻量選擇

經(jīng)過(guò)試拌發(fā)現(xiàn),在混凝土中使用硅粉,如不摻減水劑,想保持相同的坍落度,則必須要增加用水量,導(dǎo)致水灰比增加,摻硅粉混凝土的強(qiáng)度也上不去,這也是過(guò)去硅粉未在混凝土中大規(guī)模推廣使用的原因之一。硅粉與減水劑聯(lián)合使用,特別是與高效減水劑聯(lián)合使用,摻用硅粉水灰比不變,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坍落度,硅粉混凝土強(qiáng)度等性能得到大幅度提高。

使用硅粉,建議使用萘系高效減水劑,既能達(dá)到減水效果,也能控制成本。萘系減水劑在硅粉混凝土中的摻量,一般為膠材用量的1%以內(nèi),摻量過(guò)大,混凝土泌水率必然上升,導(dǎo)致工作性下降。

對(duì)于所選用的減水劑品種、型號(hào)和所用混凝土原材料,選用幾個(gè)摻量,如0.3%,0.6%,0.9%,1.2%,測(cè)量混凝土的坍落度(S),繪制坍落度—減水劑摻量曲線,并考慮成本,確定最佳摻量,也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定減水劑摻量,例如摻硅粉10%,對(duì)于H1和UNF型減水劑,一般摻量為膠材用量的0.6%左右。

3 硅粉混凝土特性

3.1 新拌硅粉混凝土的性能特點(diǎn)

粘性大,在混凝土的運(yùn)輸和施工過(guò)程中不易離析分層,與石灰?guī)r、河砂等材料粘結(jié)性好,用于橋面鋪裝時(shí)泵送效果好。在澆灌振實(shí)后,表面不泌水,不易產(chǎn)生沉縮裂縫,混凝土表面較為光滑,但對(duì)硅粉混凝土要早期養(yǎng)護(hù)及時(shí)。

3.2 硬化后混凝土的性能特點(diǎn)

1)抗壓強(qiáng)度。摻硅粉后,混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯增加。如摻10%的硅灰,配合減水劑使用,比不摻硅粉時(shí)的抗壓強(qiáng)度可提高35%～58%。C40試件28 d強(qiáng)度達(dá)到54 MPa。2)抗拉強(qiáng)度。通過(guò)以普通混凝土為試樣,摻入10%硅粉時(shí),28 d齡期的抗拉強(qiáng)度比不摻的提高12%。在粉煤灰混凝土中摻入10%硅粉時(shí),也得到相同的結(jié)果。說(shuō)明硅粉混凝土能夠滿足橋面鋪裝混凝土抗裂性能要求。3)抗?jié)B性。由于硅粉的摻入,使混凝土的密實(shí)性得到提高,從而提高了其抗?jié)B性。內(nèi)摻5%硅粉的混凝土,與不摻硅粉的進(jìn)行滲透高度比試驗(yàn),前者的抗?jié)B性比后者提高6倍。硅粉混凝土抗?jié)B等級(jí)大于S12,滿足橋梁工程中橋面混凝土設(shè)計(jì)中的最高要求。4)抗凍性。硅灰摻入混凝土中,改善了其微孔結(jié)構(gòu),減少了可凍水量,因此抗凍性有明顯提高。使用摻10%硅粉、水灰比0.5,膠凝材料總量為400 kg/m3的硅粉混凝土做抗凍試驗(yàn),凍融300次,其相對(duì)動(dòng)彈模為78%;而有相同含氣量的不摻硅粉的普通混凝土,凍融500次,其相對(duì)動(dòng)彈模就下降到50.2%。此外,硅灰混凝土的抗凍性還與水泥用量和減水劑的摻量等因素有關(guān)。5)抗磨性。對(duì)硅粉混凝土試件進(jìn)行抗磨性試驗(yàn),采用膠凝材料325 kg/m3的混凝土試件,28 d齡期在相同沖磨時(shí)間下,所選用的含硅粉10%的混凝土的磨損率為0.95 kg/(h?m3),而未摻硅灰的磨損率為1.61 kg/(h?m3),即硅粉混凝土的磨損率比未摻明顯降低。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)硅粉混凝土的試驗(yàn),證明硅粉是混凝土中高活性優(yōu)質(zhì)摻料,它能明顯改善混凝土各項(xiàng)技術(shù)性能?？纱偈顾喔叨确稚?早期水化,硅粉的火山灰活性不斷和水泥水化物Ca(OH)2起反應(yīng),也加速水泥水化,從而改變水泥混凝土的孔結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu),使混凝土更加實(shí)密,提高了混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性,耐磨性能大幅度改善;硅粉和粉煤灰及緩凝型高效減水劑三摻,可克服單摻粉煤灰早期強(qiáng)度低,也能克服單摻硅粉混凝土早期收縮大的缺點(diǎn),可取代水泥,降低水化熱溫升,有利于防止早期性開(kāi)裂。硅粉混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)滿足橋面鋪裝混凝土性能要求。在推廣中,隨著更高減水率外加劑的出現(xiàn),硅粉的摻量能否控制在10%左右,將可以降低因過(guò)多硅粉引起混凝土的自收縮變形,又可保證硅粉強(qiáng)度和耐久性能,同時(shí)也能夠節(jié)約成本。

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