硅粉在输电线路工程混凝土中的应用
张 帆
1．简介
硅作为粘接剂广泛应用于精密铸造、造纸、无机涂料、纺织、电子、耐火材料等行业，在建筑行业的也有应用。硅粉是硅铁或金属硅生产过程中由矿热炉中的高纯石英、焦炭和木屑还原产生的副产品，在冶炼中发生复杂的反应。其中，石英石与碳在1750℃时，还原反应产生不稳定的一氧化碳，在温度高于2160℃时，SiO含气化送出，遇到低于1100℃空气时与氧反应，生成SiO2，冷却后形成高细度颗粒，经收尘器过滤收集即是硅粉。硅粉的粒径都小于1μm，平均粒径为0.1μm左右，是水泥颗粒直径的1／100，所以硅粉能高度分散于混凝土中，填充在水泥颗粒之间从而提高密实度，同时微硅粉具有很高的活性，能更快更全面的与水泥水化产生的氧氢化合物反应[1]。
本文对顺姜II回500kV输电线路工程中硅粉混凝土实验资料及施工情况进行了分析，结果表明，在混凝土中加入少量硅粉后，技术指标明显超过设计要求。混凝土各方面物理力学性能都能得到改善，显著减少混凝土的离析和泌水，显著提高混凝土的早期和后期强度，降低氯离子的渗透能力，有效提高混凝土的抗化学腐蚀和耐磨性能。
2．硅粉混凝土试验
2.1试验方法
根据混凝土配合比依据标准《JGJ52－92》，取得普通C20混凝土配合比。以此配比为基础，在混凝土中加入定量硅粉，通过对添加前后混凝土试块抗压强度值的比较，确定硅粉对混凝土的影响。
混凝土性能依据标准《GB/T50081－2002》《GBJ107－87》进行实验。
2.2试验用各组分材料
水泥：普通硅酸盐水泥（P.O 32.5），其各项指标符合GB175－1999要求，试验编号2006-00196，其3天强度为13.7MPa，28天强度为45.3MPa。
硅粉：北京建筑材料科学研究总院无机非金属发展部制粉末硅，性能指标见表1，其品质符合国标，等级可达II级，可作为活性混和材料，亦可用于钢筋混凝土和无筋混凝土。
表1 硅粉性能指标
烧失量/％ | Cl离子含量/％ | SiO2含量/％ | 含水量/％ | 密度（kg/m3） |
5.75 | 0.01 | 92.4 | 0.7 | 1750 |
砂子、石骨料：性能见表2，符合《JGJ52－92》中砂标准和5～40mm连续级配标准。
表2 砂石骨料性能指标
项目 | 表观密度/（kg/m3） | 堆积密度/（kg/m3） | 含泥量/％ | 泥块含量/％ | 针片状含量/％ | 压碎指标/％ | 空隙率/％ | 细度模数/vf |
石子 | 2620 | 1630 | 0.8 | 0.2 | 10 | 11 | 38 | / |
砂 | 2610 | 1640 | 2.6 | 0.4 | / | / | 37 | 2.7 |
2.3试验结果
硅粉掺量：硅粉在混凝土中掺量太少，对混凝土性能改善不大，但是掺量太多，则混凝土太粘，不易施工，且干缩变形大，抗冻性差，因此，掺硅粉时，须尽量找出最优掺量才能获得最佳结果。一般情况下，掺量在10％以内效果较为满意。硅粉合适掺量一般根据所用硅粉，水泥种类和骨料性质，选择几个硅粉掺量，如1、3、5％等（与混凝土中水泥用量的比值），值得注意的是硅粉价格较高，在确定硅粉的最佳掺量时，要考虑技术经济指标[2]。
根据配合比见表3，水泥、砂石骨料的量一定，加入不同量的硅粉，见表4，对试块（150×150×150mm）进行强度试压实验，实验结果见表5，由实验结果可以看出，加入硅粉后，实际强度均大于设计强度。
表3 C20配合比
材料名称编号 | 水泥用量（kg/m3） | 砂子用量（kg/m3） | 石子用量（kg/m3） | 洁净水用量（kg/m3） |
2006－00006 | 305 | 717 | 1220 | 168 |
表4 硅粉掺加量
材料名称 编号 | 水泥用量（kg） | 砂子用量（kg） | 石子用量（kg） | 洁净水用量（kg） | 硅含量 （kg） |
2006－03706 | 1.029375 | 2.419875 | 4.1175 | 1.89 | 0.2 |
2006－03754 | 1.029375 | 2.419875 | 4.1175 | 1.89 | 0.15 |
2006－04073 | 1.029375 | 2.419875 | 4.1175 | 1.89 | 0.1 |
2006－04347 | 1.029375 | 2.419875 | 4.1175 | 1.89 | 0.05 |
2006－04044 | 1.029375 | 2.419875 | 4.1175 | 1.89 | 0 |
2006－04045 | 1.029375 | 2.419875 | 4.1175 | 1.89 | 0 |
表5 实验结果
项目 编号 | 设计强度 等级 | 实测塌落度(mm) | 抗压强度/（单位） |
7d 14d 28d |
2006－03706 | C20 | 45 | 17.4 | / | 44.8 |
2006－03754 | C20 | 45 | 17.2 | / | 39.9 |
2006－04073 | C20 | 45 | 18 | / | 37.2 |
2006－04347 | C20 | 45 | 18.1 | / | 35.1 |
2006－04044 | C20 | 45 | 13.4 | / | 25.4 |
2006－04045 | C20 | 45 | 13.2 | / | 25.6 |
3．试验结果分析
试验表明：对于普通混凝土，在其他成分一定的情况下，随着硅粉掺入量的增加，改善了混凝土的和易性，混凝土强度也随之显著提升。设计强度等级为C20的混凝土，7d强度为设计强度的88％，28d强度则为设计强度的224％，提升混凝土强度效果是非常明显的。
硅粉对混凝土的影响机理主要是硅粉渗入水泥混凝土后能很好地填充于水泥空隙之中，使浆体更微密，提高体积密度和降低孔隙率。同时硅粉在混凝土中具有“火山灰反应”，硅粉水化形成的富硅凝胶，它与游离的Ca(OH)结合，与水泥水化凝胶C-S-H共同工作，形成稳定的硅酸钙水化物2CaO.SiO2.H2O，该水化物凝胶强度高于Ca(OH)晶体，从而增加混凝土的强度，使诱导期缩短，具有早强的特性，并提高致密度[1]。
4．硅粉混凝土其他性能分析
硅粉是一种经济、高效的高强高性能混凝土矿物外加剂。混凝土中掺入硅粉，能配制高强高性能混凝土，延长混凝土使用寿命，例小浪底工程的主要泄洪建筑物孔板洞、排沙洞、明流洞使用了C70高标号的硅粉混凝土[3]。掺入硅粉混凝土中具有多方面优越性能：（1）提高混凝土早期强度和最终强度。蒸气温度为80℃，混凝土一天的抗压强度为不掺硅粉的2倍；采用蒸压养护，则几乎达3倍；采用标准养护，混凝土的抗压强度也明显提高[4]；（2）增加混凝土的致密度。抗渗性能提高5-18倍，抗化能力提高4倍以上[5]；（3）改善混凝土离析和泌水性能。硅粉掺入量愈多，混凝土材料愈难以离析和泌水。当掺入量达15%时，混凝土坍落度即使达15~500px，也几乎不产生离析和泌水；当掺入量达20~30%时，将该混凝土直接放入水中也不会产生离析。由于硅粉对混凝土离析和泌水性能的改善，掺加硅粉可以配置水下不离散混凝土，以用于海港、隧道、水坝等水下工程[4]；（4）提高混凝土的抗渗性、抗化学腐蚀性和比电阻。由于硅粉的掺入提高了混凝土的密实性，大大减少了水泥空隙，所以提高了硅粉混凝土的抗渗性能。当混凝土中硅粉掺入量为10~20%时，还能显著改善了混凝土的抗化学腐蚀性，而且对钢筋的耐腐蚀性也有改善。这是因为密实性的提高和SiO2含量增加，有效地阻止了酸离子的侵入和腐蚀作用。另外，由于硅粉比电阻很高（可达1.2×1011ΩNaN，90~150℃），所以混凝土比电阻可提高1.9~16倍[5]。
5．结论
从顺姜II回线路硅粉使用的例子，可以说明硅粉使混凝土各方面物理力学性能都能得到改善，提高了混凝土的抗压性能，显著减少混凝土的离析和泌水，降低氯离子的渗透能力，有效提高混凝土的抗化学腐蚀和耐磨性能，尤其是显著提高混凝土的早期和后期强度。输电线路建设不同于一般建筑行业，具有作业范围零散、工程量大、受外部因素影响较大且各种外部因素的不可预知等特点。在这种情况下，采用各种技术手段来有效的规避各种外部因素带来的不利影响，对今后的线路施工有着重要意义及帮助作用。以顺姜II回500kV线路工程为例，混凝土中掺加硅粉对于输变电工程混凝土技术性能是非常有意义的，它主要适用于抢建工期工程，例如在基础完工后5天必须具备组塔条件，在混凝土中掺入粉末硅可以有效的提升混凝土的早期强度，使之得以实现。因此，硅粉混凝土可以大大缩短基础施工周期，尤其适用于抢建工程，具有相当大的经济效益和实用意义。
6．参考文献
1 陈兵主编. 微硅粉在混凝土工程中的应用. 新型建筑材料. 2000年11期
2 惠荣炎主编. 硅粉混凝土及其应用. 中国铁道出版社. 1995－08
3 赵宏主编. 高性能C70泵送硅粉混凝土在小浪底工程中的应用. 中国水利. 2004年12期
4 佚名. EBS-S硅灰在混凝土工程中的应用. 成都东蓝星科技发展有限公司. 2006－01
5 李明仕主编. 白石水库泄洪排沙底孔硅粉混凝土的施工. 水利水电技术. 1998年09期