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[摘 要]硅灰混凝土是一种性能极大改善的混凝土，其抗压强度可以达到80MPa以上，其他的性能也有改善。对于道路工程是一种很好的外掺剂，在一些对道路有特殊的路段添加硅粉，有助于提高其强度、耐久性、抗冻性、耐磨性等。
[关键词]硅灰；混凝土；路用性能；抗压强度
中图分类号：U214 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）08-0093-02
1.硅灰的发展现状
1.1概述
硅灰（Silica Fume）是铁合金厂在冶炼硅铁合金或金属硅时，从烟尘中收集的一种飞灰，亦称硅粉。当硅石、焦炭和生铁在电炉中共冶，温度达到1700～2000℃以上，部分硅与空气中的氧反应生成一氧化硅，一氧化硅烟气在上升过程中进一步氧化成二氧化硅，并冷却凝聚成细微的球状颗粒用收尘器加以回收，就得到硅灰。它为暗灰色的粉状颗粒，平均粒径为0.1lm左右，密度为2.2g/，松堆密度为0.18～0.23g/，空隙率高达90%以上，通过氮吸附法测定的比表面积大约为25～35/g，比水泥的比表面积（约0.4/g）大50～100倍。硅粉在混凝土中的应用能达到节能、经济、环境保护和节省资源的目的，掺入硅灰可得到绿色混凝土及高强混凝土，并对混凝土的碱骨料反应有一定的预防控制作用，可提高结构物的安全度，延长使用寿命。
1.2硅灰的组成成分
硅灰混凝土是指用部分硅灰代替水泥而配合而成的混凝土。其组成成分包括水泥、硅灰、水、砂、石、减水剂、引气剂。掺入硅灰的混凝土必须加入减水剂。
硅灰的组成成分中大部分为（通常在90%以上）， 除此之外还有、CaO、MgO等。
2.硅灰的作用机理
混凝土的密实工艺核心是充填空隙，即混凝土中粗骨料、细骨料、水泥浆相互间充填的空隙率越小，混凝土就越密实，其性能就越好。硅灰的细度很细，而水泥颗粒平均粒径一般是硅灰颗粒粒径的50～100倍。用硅灰取代一部分水泥后，可充分充填在水泥空隙里，使混凝土的密实性增强。具体来说：
2.1火山灰效应
研究表明，由于硅灰的掺入，硅粉中高含量高活性的SiO2小颗粒迅速溶解，并与水泥水化产生的对强度不利的Ca（OH）2反应生成新的物质C-S-H凝胶，即所谓火山灰效应，从而降低溶液中Ca（OH）2浓度，加速水泥的水化过程.这些来源于硅灰和Ca（OH）2的C-S-H凝胶多生成于水泥水化的C-S-H凝胶孔隙中，从而提高水泥石的密实度。
2.2微填充效应
根据硅灰和水泥的颗粒及比表面积计算，每个水泥颗粒周围，大约可围绕着10万个硅灰粒子，使水泥浆体密实.硅灰的二次水化作用生成新的物质堵塞毛细管通道，使大孔减少，水泥浆体更加密实.硅粉的这种物理填充和二次水化产物的充填作用，称之为微填充效应.同时硅灰掺入还将发挥矿物减水和增加结构粘性的双重作用，使混凝土拌和物的流动性和稳定性得到协调统一，从而有效防止混凝土离析和泌水现象发生，并起到改善混凝土的受力方式的作用，因而混凝土的力学性能也相应得到了提高。
2.3孔隙溶液化学反应
在水泥硅灰水化体系中，硅灰与水泥的比率提高，则水化产物的Ca-Si比降低，相应的C-S-H凝膠就会结合更多的如铝（Al）和碱金属（K，Na）等其它离子，从而大幅度降低孔隙的碱金属离子浓度.这就是所谓的孔隙溶液化学效应.增加硅灰用量，则孔隙溶液的pH值降低，这是由于碱金属离子和Ca（OH）2与硅灰反应而消耗引起的，能够有效降低甚至消除碱-硅酸反应的危害.同时，硅灰还可提高混凝土的电阻率和大幅度降低氯离子的渗透率，从而提高混凝土的耐久性.综上所述，硅灰在混凝土中的作用机理可简述为：普通混凝土内部不密实，水泥呈碎石状、有棱角.由于孔隙中水表面张力作用，颗粒间不完全接触，似开敞式结构排列；加入减水剂后，消除水的表面张力作用，颗粒接触，孔隙率减少，但是集料和水泥颗粒之间的孔隙依然存在；再加入硅灰后，由于硅灰颗粒小，且为球形状，硅灰颗粒可填充其间，并与Ca（OH）2反应，生成新物质，堵塞孔道，大孔隙减少，生成的C-S-H晶体强度高、稳定性。
综上所述，硅灰在混凝土中的作用机理可简述为：普通混凝土内部不密实，水泥呈碎石状、有棱角.由于孔隙中水表面张力作用，颗粒间不完全接触，似开敞式结构排列；加入减水剂后，消除水的表面张力作用，颗粒接触，孔隙率减少，但是集料和水泥颗粒之间的孔隙依然存在；再加入硅灰后，由于硅粉颗粒小，且为球形状，硅灰颗粒可填充其间，并与Ca（OH）2反应，生成新物质，堵塞孔道，大孔隙减少，生成的C-S-H晶体强度高、稳定性好，减少了大晶格的CH晶体和钙矾石数量，同时，由于硅灰混凝土不泌水，浆体-集料不存在水膜，改善了过渡区的结构，因而提高了混凝土强度。
3.硅灰混凝土的路用性能
3.1硅灰混凝土的力学性质
硅灰能有效减少混凝土与钢筋界面水分的积聚，改善钢筋混凝土的粘结性。 在水灰（胶）比和混凝土配合比相同条件下，掺硅粉的混凝土的抗压强度明显高于普通混凝土。试验结果与试验配合比见表1。实验研究表明，混凝土中硅灰掺量超过 20%，硅灰混凝土的抗压强度不再随硅灰掺量的增加而提高；在硅灰掺量不超过 20%时，硅粉混凝土的弹性模量随硅粉掺量的增加而增大，但两者之间无明确的线性关系。路用硅灰混凝土中的硅灰掺量一般为10%左右。
3.2硅灰混凝土的抗冻性
随着冻融循环次数增加，混凝土的断裂韧度、断裂能、抗压强度及相对动弹模损失率均有不同程度的衰减，其衰减趋势不相同。水灰比越大，混凝土随冻融循环次数增加损伤程度越大。引气剂能够大幅度降低由于冻融循环造成的混凝土结构的损伤。硅灰的掺加可以改善混凝土内部微观结构，减少空隙率，一定掺量的硅灰可以提高混凝土的抗压强度以及混凝土的抗冻性。随着冻融循环次数的增加，混凝土表面、断裂面损伤程度明显增加，水泥石中的微孔及微裂缝增多，破坏多集中发生在水泥石与骨料界面薄弱区，最终导致了水泥石结构的疏松和粗细骨料的脱粘，使结构发生破坏。因此，降低水灰比、改善气孔结构和掺加一定量的掺合料以及优化水泥石和骨料界面过渡区的显微结构，都是提高混凝土抗冻耐久性的重要措施。
3.3硅灰混凝土的耐磨性
普通混凝土相比，掺减水剂混凝土和硅灰混凝土单位磨耗量分别提高28%和42%。这是由于硅灰的掺入，球状小颗粒的硅粉可填充在水泥颗粒间的空隙中，将有效改善水泥颗粒级配和粒径分布，并与Ca（OH）2反应，生成新物质，堵塞凝胶孔，大孔隙减少，浆体-集料间的粘结力增强，从而形成结构致密和过渡区不明显的均匀整体，在宏观上表现为硅灰混凝土耐磨性能的提高。此外，硅灰混凝土对脆性和抗疲劳性也有所改善。
4.结论
硅灰混凝土为绿色材料，它是利用工业废灰——硅灰取代混凝土中一部分水泥，减少了水泥的用量，达到节能节料、改善环境的目的，具有较高的经济价值和环保价值。硅灰混凝土的性能要比普通混凝土的性能好很多，特别是抗压强度的改善。但其目前售价较高，在道路工程中，只有在特殊需要的路段才会考虑使用。
参考文献
[1]蒋应军，刘根昌，梁峰.掺硅粉混凝土在路面工程中的应用研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2007（3）：028.
[2]蒋应军，陈忠达，梁峰.硅粉对混凝土路用性能的影响[J].公路，2005（12）：174-177.
[3]李立寒，张南鹭.道路工程材料[M].北京：人民交通出版社， 2010.
[4]申爱琴.道路工程材料[M].北京：人民交通出版社，2010.
[5]程瑶，张美霞.绿色高强混凝土—硅灰混凝土[J].安全与环境工程，2002，9（3）：33-36.
[6]王月，安明喆，余自若.活性粉末混凝土耐久性研究现状综述[J].混凝土，2013（8）：12-16.
[关键词]硅灰；混凝土；路用性能；抗压强度
中图分类号：U214 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）08-0093-02
1.硅灰的发展现状
1.1概述
硅灰（Silica Fume）是铁合金厂在冶炼硅铁合金或金属硅时，从烟尘中收集的一种飞灰，亦称硅粉。当硅石、焦炭和生铁在电炉中共冶，温度达到1700～2000℃以上，部分硅与空气中的氧反应生成一氧化硅，一氧化硅烟气在上升过程中进一步氧化成二氧化硅，并冷却凝聚成细微的球状颗粒用收尘器加以回收，就得到硅灰。它为暗灰色的粉状颗粒，平均粒径为0.1lm左右，密度为2.2g/，松堆密度为0.18～0.23g/，空隙率高达90%以上，通过氮吸附法测定的比表面积大约为25～35/g，比水泥的比表面积（约0.4/g）大50～100倍。硅粉在混凝土中的应用能达到节能、经济、环境保护和节省资源的目的，掺入硅灰可得到绿色混凝土及高强混凝土，并对混凝土的碱骨料反应有一定的预防控制作用，可提高结构物的安全度，延长使用寿命。
1.2硅灰的组成成分
硅灰混凝土是指用部分硅灰代替水泥而配合而成的混凝土。其组成成分包括水泥、硅灰、水、砂、石、减水剂、引气剂。掺入硅灰的混凝土必须加入减水剂。
硅灰的组成成分中大部分为（通常在90%以上）， 除此之外还有、CaO、MgO等。
2.硅灰的作用机理
混凝土的密实工艺核心是充填空隙，即混凝土中粗骨料、细骨料、水泥浆相互间充填的空隙率越小，混凝土就越密实，其性能就越好。硅灰的细度很细，而水泥颗粒平均粒径一般是硅灰颗粒粒径的50～100倍。用硅灰取代一部分水泥后，可充分充填在水泥空隙里，使混凝土的密实性增强。具体来说：
2.1火山灰效应
研究表明，由于硅灰的掺入，硅粉中高含量高活性的SiO2小颗粒迅速溶解，并与水泥水化产生的对强度不利的Ca（OH）2反应生成新的物质C-S-H凝胶，即所谓火山灰效应，从而降低溶液中Ca（OH）2浓度，加速水泥的水化过程.这些来源于硅灰和Ca（OH）2的C-S-H凝胶多生成于水泥水化的C-S-H凝胶孔隙中，从而提高水泥石的密实度。
2.2微填充效应
根据硅灰和水泥的颗粒及比表面积计算，每个水泥颗粒周围，大约可围绕着10万个硅灰粒子，使水泥浆体密实.硅灰的二次水化作用生成新的物质堵塞毛细管通道，使大孔减少，水泥浆体更加密实.硅粉的这种物理填充和二次水化产物的充填作用，称之为微填充效应.同时硅灰掺入还将发挥矿物减水和增加结构粘性的双重作用，使混凝土拌和物的流动性和稳定性得到协调统一，从而有效防止混凝土离析和泌水现象发生，并起到改善混凝土的受力方式的作用，因而混凝土的力学性能也相应得到了提高。
2.3孔隙溶液化学反应
在水泥硅灰水化体系中，硅灰与水泥的比率提高，则水化产物的Ca-Si比降低，相应的C-S-H凝膠就会结合更多的如铝（Al）和碱金属（K，Na）等其它离子，从而大幅度降低孔隙的碱金属离子浓度.这就是所谓的孔隙溶液化学效应.增加硅灰用量，则孔隙溶液的pH值降低，这是由于碱金属离子和Ca（OH）2与硅灰反应而消耗引起的，能够有效降低甚至消除碱-硅酸反应的危害.同时，硅灰还可提高混凝土的电阻率和大幅度降低氯离子的渗透率，从而提高混凝土的耐久性.综上所述，硅灰在混凝土中的作用机理可简述为：普通混凝土内部不密实，水泥呈碎石状、有棱角.由于孔隙中水表面张力作用，颗粒间不完全接触，似开敞式结构排列；加入减水剂后，消除水的表面张力作用，颗粒接触，孔隙率减少，但是集料和水泥颗粒之间的孔隙依然存在；再加入硅灰后，由于硅灰颗粒小，且为球形状，硅灰颗粒可填充其间，并与Ca（OH）2反应，生成新物质，堵塞孔道，大孔隙减少，生成的C-S-H晶体强度高、稳定性。
综上所述，硅灰在混凝土中的作用机理可简述为：普通混凝土内部不密实，水泥呈碎石状、有棱角.由于孔隙中水表面张力作用，颗粒间不完全接触，似开敞式结构排列；加入减水剂后，消除水的表面张力作用，颗粒接触，孔隙率减少，但是集料和水泥颗粒之间的孔隙依然存在；再加入硅灰后，由于硅粉颗粒小，且为球形状，硅灰颗粒可填充其间，并与Ca（OH）2反应，生成新物质，堵塞孔道，大孔隙减少，生成的C-S-H晶体强度高、稳定性好，减少了大晶格的CH晶体和钙矾石数量，同时，由于硅灰混凝土不泌水，浆体-集料不存在水膜，改善了过渡区的结构，因而提高了混凝土强度。
3.硅灰混凝土的路用性能
3.1硅灰混凝土的力学性质
硅灰能有效减少混凝土与钢筋界面水分的积聚，改善钢筋混凝土的粘结性。 在水灰（胶）比和混凝土配合比相同条件下，掺硅粉的混凝土的抗压强度明显高于普通混凝土。试验结果与试验配合比见表1。实验研究表明，混凝土中硅灰掺量超过 20%，硅灰混凝土的抗压强度不再随硅灰掺量的增加而提高；在硅灰掺量不超过 20%时，硅粉混凝土的弹性模量随硅粉掺量的增加而增大，但两者之间无明确的线性关系。路用硅灰混凝土中的硅灰掺量一般为10%左右。
3.2硅灰混凝土的抗冻性
随着冻融循环次数增加，混凝土的断裂韧度、断裂能、抗压强度及相对动弹模损失率均有不同程度的衰减，其衰减趋势不相同。水灰比越大，混凝土随冻融循环次数增加损伤程度越大。引气剂能够大幅度降低由于冻融循环造成的混凝土结构的损伤。硅灰的掺加可以改善混凝土内部微观结构，减少空隙率，一定掺量的硅灰可以提高混凝土的抗压强度以及混凝土的抗冻性。随着冻融循环次数的增加，混凝土表面、断裂面损伤程度明显增加，水泥石中的微孔及微裂缝增多，破坏多集中发生在水泥石与骨料界面薄弱区，最终导致了水泥石结构的疏松和粗细骨料的脱粘，使结构发生破坏。因此，降低水灰比、改善气孔结构和掺加一定量的掺合料以及优化水泥石和骨料界面过渡区的显微结构，都是提高混凝土抗冻耐久性的重要措施。
3.3硅灰混凝土的耐磨性
普通混凝土相比，掺减水剂混凝土和硅灰混凝土单位磨耗量分别提高28%和42%。这是由于硅灰的掺入，球状小颗粒的硅粉可填充在水泥颗粒间的空隙中，将有效改善水泥颗粒级配和粒径分布，并与Ca（OH）2反应，生成新物质，堵塞凝胶孔，大孔隙减少，浆体-集料间的粘结力增强，从而形成结构致密和过渡区不明显的均匀整体，在宏观上表现为硅灰混凝土耐磨性能的提高。此外，硅灰混凝土对脆性和抗疲劳性也有所改善。
4.结论
硅灰混凝土为绿色材料，它是利用工业废灰——硅灰取代混凝土中一部分水泥，减少了水泥的用量，达到节能节料、改善环境的目的，具有较高的经济价值和环保价值。硅灰混凝土的性能要比普通混凝土的性能好很多，特别是抗压强度的改善。但其目前售价较高，在道路工程中，只有在特殊需要的路段才会考虑使用。
参考文献
[1]蒋应军，刘根昌，梁峰.掺硅粉混凝土在路面工程中的应用研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2007（3）：028.
[2]蒋应军，陈忠达，梁峰.硅粉对混凝土路用性能的影响[J].公路，2005（12）：174-177.
[3]李立寒，张南鹭.道路工程材料[M].北京：人民交通出版社， 2010.
[4]申爱琴.道路工程材料[M].北京：人民交通出版社，2010.
[5]程瑶，张美霞.绿色高强混凝土—硅灰混凝土[J].安全与环境工程，2002，9（3）：33-36.
[6]王月，安明喆，余自若.活性粉末混凝土耐久性研究现状综述[J].混凝土，2013（8）：12-16.