一
硅粉在混凝土中的作用
硅粉是冶炼硅铁合金或工业硅时的副产品，通过烟道排出的硅蒸汽令其氧化并冷收尘而得。硅粉是所有掺合料中性能最好的一种，同时也是价格最贵的掺合料。一般只在高强、高耐久性混凝土中使用。
硅粉主要成份为SiO2，其平均粒径为0.1μm，为水泥平均粒径的几百分之一。在混凝土中填充颗粒空隙，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，强度高于Ca(OH)2晶体，与水泥水化凝胶C-S-H共同工作。
国家对硅粉的品质有相应的国家标准要求。在化学性能上主要要求SiO2含量≥85％，烧失量≤6％，含水率≤3%。在物理性能上主要要求比表面积≥15000m2/kg。在胶砂性能上要求火山灰活性指数≥85%～90％。典型硅粉的主要性能指标见表1。
表1 成都某公司硅粉性能指标
二
硅粉填充系数的量化计算
作为超细矿物掺合料，硅粉的平均粒径度为0.1μm，仅为水泥平均粒径的几百分之一，主要用来配制高强高性能混凝土，掺入水泥混凝土后能很好地填充于水泥颗粒空隙之中，使浆体更致密。
硅粉的填充系数可以用下式求得：
式中：
u4——硅粉的填充系数；
ρSi——硅粉的密度（kg/m3)；
SSi——硅粉的比表面积(m2/kg)。
其物理意义为，我们在混凝土配合比设计过程中可以用1千克硅灰取代u4千克对比试验的水泥，充分利用了硅灰的填充功能，实现硅粉的准确合理利用
表2 硅灰填充系数与取代系数的对照
|
比表面积 |
10000 |
12000 |
15000 |
18000 |
20000 |
22000 |
|
填充系数 |
4.8 |
5.2 |
5.8 |
6.4 |
6.7 |
7.1 |
|
取代系数 |
0.21 |
0.19 |
0.17 |
0.16 |
0.15 |
0.14 |
表2解释了不同比表面积的硅灰在取代水泥用量差别很大的原因
三
硅粉活性指数的量化计算
1.硅粉活性指数测定试验
测定试验胶砂和对比胶砂的抗压强度，以二者抗压强度之比确定硅粉试样的活性指数。试验胶砂和对比胶砂材料用量见表3。
表3 测定硅粉活性指数试验中试验胶砂和对比胶砂材料用量
|
胶砂种类 |
水泥（g） |
硅粉（g） |
标准砂（g） |
水（ml） |
28d强度 |
|
对比胶砂 |
450 |
—— |
1350 |
225 |
R0=50 |
|
试验胶砂 |
405 |
45 |
1350 |
225 |
R4=75 |
2.结果计算
（1）硅粉活性指数的国家标准计算方法：
硅粉28d活性指数按下式计算：
式中：
A28——28d活性指数（%）；
R0——对比砂浆28d抗压强度（MPa）；
R4——试验砂浆28d抗压强度（MPa）。
计算结果精确至1%。
（2）硅粉活性系数的准确计算方法（定义为活性系数）
根据对比胶砂可知，450克水泥提供强度50MPa，则405克水泥提供的强度为0.9R0=45MPa；那么，试验胶砂提供的强度包括405克水泥提供的强度（即0.9R0=45MPa）与45克硅粉提供的强度（即R4-0.9R0=30MPa）；则硅粉的活性系数由下式求得：
式中：
αSi——硅灰的活性系数；
R0——对比砂浆28d抗压强度（MPa）；
R4——试验砂浆28d抗压强度（MPa）。
硅灰的取代系数用δSi表示，其数值为活性系数的倒数，则代入数据可得硅灰的活性系数αSi=6，硅灰的取代系数δSi= 0.17。
这样，本例中我们在混凝土配合比设计过程中可以用1千克硅灰取代6千克与对比试验相同的水泥，或者用0.17千克硅灰取代1千克与对比试验相同的水泥。这种设计思路在水泥和硅粉用量的计算方面实现了适量取代，准确合理地使用了硅粉。
四
硅粉的物理力学性能指标
1.质量指标
硅灰质量指标应满足表4的要求。
表4 硅粉质量指标
|
项目 |
指标 |
|
比表面积（m2/kg）不小于 |
18000 |
|
二氧化硅（%）不小于 |
85 |
2.试验依据
（1）比表面积按《水泥比表面积测定方法（勃氏法）》（GB/T8074）进行。
（2）SiO2含量按《水泥化学分析方法》（GB/T176）进行。
五
硅粉的合理使用
硅粉接触拌合水后，首先形成富硅的凝胶，并吸收水分，凝胶在尚未水化的水泥颗粒间聚集，逐渐包裹水泥颗粒，水化产物Ca(OH)2与上述硅凝胶的表面反应生成C-S-H凝胶，该水化物凝胶强度高于Ca(OH)2晶体。C-S-H凝胶的产生多处于水泥水化的C-S-H凝胶孔隙中，大大提高了混凝土的结构密度。因此具有优异的火山灰效应和填充效应，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）增加强度
用硅粉代替部分水泥加到混凝土中，增加了密度和凝聚力，使混凝土抗压抗折强度大大增强，掺入5％～10％的硅粉，抗压强度可提高10%～30%，抗折强度提高10％以上。
（2）增加致密度
硅粉可均匀地充填于水泥颗粒空隙之中，使混凝土更加致密，克服了混凝土常见的空隙弊病，对渗水性、碳化深度进行测试，结果表明，抗渗性可提高5～18倍，抗碳化能力提高4倍以上。
（3）抗冻性
经过国家大剧院C100混凝土测试证明,掺硅粉混凝土在经过1500次快速冻融循环，相对动弹性模量降低1％～2％，而普通混凝土仅通过25～50次循环，相对动弹性模量降低36％～73％。
（4）早强性
硅粉加入混凝土后，与游离的Ca(OH)2结合，从而降低Ca+2和OH—的浓度，使诱导期缩短，促进C2S水化，表现了硅粉提高混凝土早强的特性，有资料介绍，硅粉能将混凝土18h强度可提高30％。
（5）抗冲磨、抗空蚀性
我国水工建筑物60％以上受不同程度的冲磨、空蚀破坏。经测试表明，硅粉混凝土比普通混凝土抗冲磨能力高0.5～2.5倍，抗空蚀能力提高3～16倍。
2.硅粉在混凝土中的应用
在混凝土中加入硅粉和缓凝减水剂，其性能得以改善，因此被广泛使用，目前主要应用：
（1）水利工程
硅粉混凝土有良好的防水、抗渗、耐冲磨和抗侵蚀性。广泛用于修建电站、水坝、河道等，目前硅粉在二滩电站、紫坪铺水利枢纽、黄河小浪底水利枢纽工程中大量使用，取得了很好效果。
（2）建筑工程
混凝土中加入硅粉后具有早强性、高强性，大量实用于厂房建设、高层建筑，如中国国际大剧院C100、广州塔C100混凝土、天津117大楼C100混凝土等工程项目，既可缩短工期，又可经济地增加强度。
(3)公路建设
充分利用硅粉混凝土的高强、耐磨和早强性能，可以修建高等级公路、机场跑道、路面的抢修、公路隧道等，用硅粉混凝土修筑公路，24h后抗压即达25MPa以上，28d达50MPa以上，超过设计要求的C40，抗磨能力提高一倍，半天形成通车能力。
(4)港口、桥梁、盐水工程
混凝土中掺入硅粉增加致密度，同时掺硅粉混凝土具有很高的电阻率，不易形成锈蚀大电池，遏制了锈蚀的扩展。杭州湾跨海大桥、香港青马大桥、江苏连云港木材码头、重庆大佛寺长江大桥就是成功应用范例。
(5)喷射混凝土
硅粉加入喷射混凝土中能显著改善塑性混凝土的黏附性和凝聚性，大幅度降低回弹量，增大喷射混凝土一次成型厚度。在欧美，75％的喷射混凝土掺加硅粉，而在挪威和瑞典，硅粉是喷射混凝土必备材料。
