摘 要:高性能混凝土是最近十几年出现的混凝土新品种,也是至今为止性能最为完善的混凝土,今后它将会逐步替代普通混凝土在绝大多数的各类建筑物中使用。硅灰作为一种掺和料,能够大幅度提高混凝土的性能,同时也变废为宝减少了环境污染。本文简述了硅灰在高性能混凝土中的应用情况。
关键词:高性能混凝土;纳米材料;硅灰;性能
纳米材料在高性能混凝土中的运用主要是指纳米粉末作为掺合料在配置混凝土时掺入,参与水化反应,从而使混凝土各项性能得到显著改善。其中,运用的最多的便是硅粉。这里先解释两个概念:
1 纳米材料
纳米( nm)是一个长度单位, 1纳米等于10 - 9米,也就是十亿分之一米的长度,这个长度只是一个中等原子直径的十几倍。纳米材料是指由尺寸小于100nm (011 -100nm)的纳米粒子(又称为超微颗粒)构成的材料的总称。由于纳米粒子是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。根据物理形态划分,纳米材料大致可分为纳米粉末(纳米颗粒) 、纳米纤维(纳米管、纳米线) 、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。
2 高性能混凝土(HPC)
高性能混凝土一词是从英文Hight Performance Con2certe (HPC)翻译过来的。在吴中伟,廉慧珍所著《高性能混凝土》一书中,高性能混凝土被定义为:高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术能有重点地予以保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。因此,高性能混凝土在配置上的特点是低水胶化,选用优质原材料,并除水泥、水、集料外,必须参加足够数量的矿物料掺料和高效外加剂。曾有学者预言,高性能混凝土是21世纪的混凝土,是近期混凝土技术的主要发展方向。
硅粉( silica fume)又称为硅灰,它是指用高纯度石英冶炼金属硅和硅铁合金的工厂从烟尘中收集的超细粉末,是在埋电弧炉中用焦碳或木片将石英还原为单质硅,其SiO2 蒸气在低温区氧化成SiO2 并凝聚成的无定形的球状玻璃颗粒。平均粒径一般为(011 - 012um) ,比水泥颗粒细两个数量级。它实际上是纳米颗粒,亚微米级颗粒及少量微米级颗粒组成的混合物。用于混凝土的硅粉, SiO2 含量应大于90% ,其中活性的(在饱和石灰水中可溶) SiO2 应达40%以上,因而具有很高活性。
硅粉作为掺和料的研究始于斯堪的纳维亚国家,尽管20世纪50年代人们对硅粉作用就有所认识和初步的研究,但应用于实际工程中是从70年代开始的,而我国对硅粉的研究历史不长,仅仅20多年时间,据有关资料显示,在实际运用中硅粉的掺量一般控制在5% - 20%之间,同时要用高效减水剂来调节需水量。这是因为在混凝土中使用硅粉,如不掺减水剂,想保持相同的流动度,则必然要增加用水量、水灰比增加,即使掺了硅粉,混凝土强度也上不去,这也是过去硅粉在混凝土中未推广使用的原因。硅粉和减水剂的联合使用保证了掺用硅粉的混凝土水灰比不变,即用水量不增加,也能达到与未掺硅粉的混凝土具有相同的流动度且掺硅粉混凝土强度等性能得到大幅度提高。硅粉对高性能混凝土的贡献主要体现在以下几个方面:
1 硅粉对高性能混凝土强度的影响
尽管应用纯水泥也可配制成抗压强度高达100MPa的HPC,但硅粉的使用会使这一目的容易达到得多。而对于制备强度超过100MPa的混凝土,硅粉的使用几乎不可缺少。这是因为在混凝土结构中,孔隙率对强度的影响有着决定性的作用,减小孔隙率,对混凝土的强度会有极大的提高。硅粉由于具有极小的颗粒直径,可填充水泥石中的较多孔隙,大大降低了水化浆体中的隙孔尺寸,改善了孔隙尺寸分布,减小了水泥石的孔隙率,从而使强度提高。
2 硅粉对高性能混凝土的耐久性的影响
(1)抗冻性:混凝土中掺入适量的硅粉后,会具有良好的抗冻性。有资料显示,掺入5%的硅粉就可以改善混凝土的抗冻性。掺量增加到15% - 20%时,抗冻效果会更好,也就是说不用掺入防冻剂也能产生良好的抗冻效果。
(2)抗渗性:由于硅粉颗粒小,比水泥颗粒细两个数量级,可以充填到水泥颗粒中间的空隙中,使混凝土密实,同时硅粉的二次水化作用即与水泥水化产物中的Ca(OH) 2 反应,生成水化硅酸钙凝胶体,新的生成物堵塞混凝土中渗透通道,所以使混凝土的抗渗能力增强。
(3)抗化学侵蚀性: 在混凝土中掺入硅粉后,一方面,由于减少了水泥用量,也就减少了受腐蚀的内部因素,因为当混凝土处在有侵蚀性介质的环境中时,侵蚀性介质会与水泥石中水化生成的Ca (OH) 2 和C3A水化物发生反应,逐渐使混凝土破坏。另一方面,硅粉的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中时,会成为大量水化物沉积的核心,随着水化龄期的进展,这些细微颗粒及其水化反应产物填充水泥石孔隙,改善了混凝土孔结构,这些从而减少了有害离子传递速度及减少了可溶性的Ca (OH) 2 和钙矾石( 3CaO ·Al2O3 ·3CaSO4 ·32H2O)的生成,使混凝土抵抗盐类腐蚀,尤其是对氯盐及硫酸盐类的腐蚀能力得到极大的提高。
总得来说,当混凝土中掺入硅粉后会对其性能带来很大的增强和改变。目前对硅粉的运用主要体现在高强混凝土方面。而对于这一目标的实现,由于硅粉的掺入,只需普通材料,普通工艺可配置,具有广泛的实用意义;用于它能大幅度降低水泥用量,因此也具有很好的经济效益。此外,如能大量推广硅粉混凝土的运用,由它而带来的缩小结构断面、减少材料消耗、加快施工周期、解决工程中出现的特殊要求等,其经济效益将更加可观。
参考文献
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