一
硅粉在混凝土中的作用
硅粉是冶煉硅鐵合金或工業硅時的副產品，通過煙道排出的硅蒸汽令其氧化并冷收塵而得。硅粉是所有摻合料中性能最好的一種，同時也是價格最貴的摻合料。一般只在高強、高耐久性混凝土中使用。
硅粉主要成份為SiO2，其平均粒徑為0.1μm，為水泥平均粒徑的幾百分之一。在混凝土中填充顆粒空隙，提高體積密度和降低孔隙率。同時硅粉在混凝土中具有火山灰反應，硅粉水化形成的富硅凝膠，強度高于Ca(OH)2晶體，與水泥水化凝膠C-S-H共同工作。
國家對硅粉的品質有相應的國家標準要求。在化學性能上主要要求SiO2含量≥85％，燒失量≤6％，含水率≤3%。在物理性能上主要要求比表面積≥15000m2/kg。在膠砂性能上要求火山灰活性指數≥85%～90％。典型硅粉的主要性能指標見表1。
表1 成都某公司硅粉性能指標
二
硅粉填充系數的量化計算
作為超細礦物摻合料，硅粉的平均粒徑度為0.1μm，僅為水泥平均粒徑的幾百分之一，主要用來配制高強高性能混凝土，摻入水泥混凝土后能很好地填充于水泥顆粒空隙之中，使漿體更致密。
硅粉的填充系數可以用下式求得：
式中：
u4——硅粉的填充系數；
ρSi——硅粉的密度（kg/m3)；
SSi——硅粉的比表面積(m2/kg)。
其物理意義為，我們在混凝土配合比設計過程中可以用1千克硅灰取代u4千克對比試驗的水泥，充分利用了硅灰的填充功能，實現硅粉的準確合理利用
表2 硅灰填充系數與取代系數的對照
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比表面積 |
10000 |
12000 |
15000 |
18000 |
20000 |
22000 |
|
填充系數 |
4.8 |
5.2 |
5.8 |
6.4 |
6.7 |
7.1 |
|
取代系數 |
0.21 |
0.19 |
0.17 |
0.16 |
0.15 |
0.14 |
表2解釋了不同比表面積的硅灰在取代水泥用量差別很大的原因
三
硅粉活性指數的量化計算
1.硅粉活性指數測定試驗
測定試驗膠砂和對比膠砂的抗壓強度，以二者抗壓強度之比確定硅粉試樣的活性指數。試驗膠砂和對比膠砂材料用量見表3。
表3 測定硅粉活性指數試驗中試驗膠砂和對比膠砂材料用量
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膠砂種類 |
水泥（g） |
硅粉（g） |
標準砂（g） |
水（ml） |
28d強度 |
|
對比膠砂 |
450 |
—— |
1350 |
225 |
R0=50 |
|
試驗膠砂 |
405 |
45 |
1350 |
225 |
R4=75 |
2.結果計算
（1）硅粉活性指數的國家標準計算方法：
硅粉28d活性指數按下式計算：
式中：
A28——28d活性指數（%）；
R0——對比砂漿28d抗壓強度（MPa）；
R4——試驗砂漿28d抗壓強度（MPa）。
計算結果精確至1%。
（2）硅粉活性系數的準確計算方法（定義為活性系數）
根據對比膠砂可知，450克水泥提供強度50MPa，則405克水泥提供的強度為0.9R0=45MPa；那么，試驗膠砂提供的強度包括405克水泥提供的強度（即0.9R0=45MPa）與45克硅粉提供的強度（即R4-0.9R0=30MPa）；則硅粉的活性系數由下式求得：
式中：
αSi——硅灰的活性系數；
R0——對比砂漿28d抗壓強度（MPa）；
R4——試驗砂漿28d抗壓強度（MPa）。
硅灰的取代系數用δSi表示，其數值為活性系數的倒數，則代入數據可得硅灰的活性系數αSi=6，硅灰的取代系數δSi= 0.17。
這樣，本例中我們在混凝土配合比設計過程中可以用1千克硅灰取代6千克與對比試驗相同的水泥，或者用0.17千克硅灰取代1千克與對比試驗相同的水泥。這種設計思路在水泥和硅粉用量的計算方面實現了適量取代，準確合理地使用了硅粉。
四
硅粉的物理力學性能指標
1.質量指標
硅灰質量指標應滿足表4的要求。
表4 硅粉質量指標
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項目 |
指標 |
|
比表面積（m2/kg）不小于 |
18000 |
|
二氧化硅（%）不小于 |
85 |
2.試驗依據
（1）比表面積按《水泥比表面積測定方法（勃氏法）》（GB/T8074）進行。
（2）SiO2含量按《水泥化學分析方法》（GB/T176）進行。
五
硅粉的合理使用
硅粉接觸拌合水后，首先形成富硅的凝膠，并吸收水分，凝膠在尚未水化的水泥顆粒間聚集，逐漸包裹水泥顆粒，水化產物Ca(OH)2與上述硅凝膠的表面反應生成C-S-H凝膠，該水化物凝膠強度高于Ca(OH)2晶體。C-S-H凝膠的產生多處于水泥水化的C-S-H凝膠孔隙中，大大提高了混凝土的結構密度。因此具有優異的火山灰效應和填充效應，能改善混凝土拌合物的泌水和黏聚性。
1.硅粉的主要作用
（1）增加強度
用硅粉代替部分水泥加到混凝土中，增加了密度和凝聚力，使混凝土抗壓抗折強度大大增強，摻入5％～10％的硅粉，抗壓強度可提高10%～30%，抗折強度提高10％以上。
（2）增加致密度
硅粉可均勻地充填于水泥顆粒空隙之中，使混凝土更加致密，克服了混凝土常見的空隙弊病，對滲水性、碳化深度進行測試，結果表明，抗滲性可提高5～18倍，抗碳化能力提高4倍以上。
（3）抗凍性
經過國家大劇院C100混凝土測試證明,摻硅粉混凝土在經過1500次快速凍融循環，相對動彈性模量降低1％～2％，而普通混凝土僅通過25～50次循環，相對動彈性模量降低36％～73％。
（4）早強性
硅粉加入混凝土后，與游離的Ca(OH)2結合，從而降低Ca+2和OH—的濃度，使誘導期縮短，促進C2S水化，表現了硅粉提高混凝土早強的特性，有資料介紹，硅粉能將混凝土18h強度可提高30％。
（5）抗沖磨、抗空蝕性
我國水工建筑物60％以上受不同程度的沖磨、空蝕破壞。經測試表明，硅粉混凝土比普通混凝土抗沖磨能力高0.5～2.5倍，抗空蝕能力提高3～16倍。
2.硅粉在混凝土中的應用
在混凝土中加入硅粉和緩凝減水劑，其性能得以改善，因此被廣泛使用，目前主要應用：
（1）水利工程
硅粉混凝土有良好的防水、抗滲、耐沖磨和抗侵蝕性。廣泛用于修建電站、水壩、河道等，目前硅粉在二灘電站、紫坪鋪水利樞紐、黃河小浪底水利樞紐工程中大量使用，取得了很好效果。
（2）建筑工程
混凝土中加入硅粉后具有早強性、高強性，大量實用于廠房建設、高層建筑，如中國國際大劇院C100、廣州塔C100混凝土、天津117大樓C100混凝土等工程項目，既可縮短工期，又可經濟地增加強度。
(3)公路建設
充分利用硅粉混凝土的高強、耐磨和早強性能，可以修建高等級公路、機場跑道、路面的搶修、公路隧道等，用硅粉混凝土修筑公路，24h后抗壓即達25MPa以上，28d達50MPa以上，超過設計要求的C40，抗磨能力提高一倍，半天形成通車能力。
(4)港口、橋梁、鹽水工程
混凝土中摻入硅粉增加致密度，同時摻硅粉混凝土具有很高的電阻率，不易形成銹蝕大電池，遏制了銹蝕的擴展。杭州灣跨海大橋、香港青馬大橋、江蘇連云港木材碼頭、重慶大佛寺長江大橋就是成功應用范例。
(5)噴射混凝土
硅粉加入噴射混凝土中能顯著改善塑性混凝土的黏附性和凝聚性，大幅度降低回彈量，增大噴射混凝土一次成型厚度。在歐美，75％的噴射混凝土摻加硅粉，而在挪威和瑞典，硅粉是噴射混凝土必備材料。
