硅粉懸浮液的制備方法及其對混凝土性能的影響

郭旻琛 王遠培 廖宏偉

（1.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001；2.中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，廣東 深圳 518100）

0 引言

硅粉又稱硅灰，是在冶煉硅鐵廠的煙氣中收集得到的灰塵。目前市場上銷售的硅粉一部分是收塵器收集后經過處理再銷售的硅粉；另一部分是煙氣經過收塵器收集后直接銷售的硅粉[1]。硅粉的平均粒徑是水泥的1/100，松裝密度是水泥的1/3，約為300～400kg/m3。硅粉作為混凝土的增強材料在高強混凝土中應用較為廣泛[2]，不僅可以提高混凝土的強度性能，還可以提高混凝土的耐久性能，曾用于葛洲壩水閘的修補和蓄水池的防滲，也曾用于三峽電站、二灘電站及上海楊浦大橋等工程的防滲及抗沖磨部位，另外作為高強度抗?jié)B工程的上海黃浦江越江隧道和抗硫酸鹽、氯酸鹽的沿海水下采油平臺工程也都較多地使用了硅粉混凝土[1]。香港青馬大橋、江蘇連云港木材碼頭、重慶大佛寺長江大橋成功應用硅粉混凝土來提高電阻率，遏制銹蝕的擴展[3]。但硅粉自身顆粒細、密度低、多為片狀形態(tài)，在混凝土拌和樓稱量環(huán)節(jié)的添加比較困難，對環(huán)境也會造成一定影響。

目前國內通常采用的方式是按照袋數直接倒在拌合機料斗中、運輸皮帶機皮帶上或者按照每盤混凝土的拌和方量稱好裝袋投入到拌和機內。但無論采用哪種方法都是人工直接添加，存在著勞動強度大、污染環(huán)境、稱量誤差大，造成混凝土性能不穩(wěn)定等。將硅粉以均勻懸浮液方式加入混凝土拌和樓的拌合機內，從而使添加環(huán)節(jié)快捷簡便且保護環(huán)境。硅粉懸浮液的原理是將硅粉和水按照一定比例，加入某種材料（下文稱為水溶性懸浮劑）拌制成漿體材料，使儲存在容器內的漿液5～7d 內不會沉淀，拌和樓使用硅粉拌合混凝土時可以像稱量水一樣使用，能更有效地、更穩(wěn)定地發(fā)揮出硅粉的性能。本文介紹硅粉懸浮液的制備方法，并分析其對混凝土性能的影響。

1 硅粉懸浮液的制備

1.1 水溶性懸浮劑簡介

水溶性懸浮劑外觀為白色或褐色粉末，是由植物性高分子物質制成，易溶解于水，形成帶有粘稠性的水溶液，可以在堿性、酸性、中性條件下懸浮固體微粒，例如：細砂、重晶石粉、石英粉、滑石粉、碳酸鈣粉、膨潤土、硅藻土、硼砂、拋光粉、水泥、石膏粉、陶瓷釉粉、染料、顏料、氧化鋁粉、氧化硅粉、鐵粉、淀粉、木粉、飽和鹽類、葉面肥、液體化肥等，使其成為可流動的、性質穩(wěn)定液體，懸浮時間保持幾十天甚至更長，不絮凝、不析水、不沉淀。

水溶性懸浮劑的懸浮機理主要是靠懸浮劑自身的大分子網狀結構，將微顆粒懸浮在水中。

1.2 水溶性懸浮劑的特點

（1）水溶性懸浮劑完全由天然植物提取物配制而成，不含任何化學物質，綠色環(huán)保，使用安全；

（2）水溶性懸浮劑對水的條件要求比較寬松，地下水、河水、井水等，均可使用；

（3）水溶性懸浮劑耐酸、堿性好，適應的pH的范圍為3～12。

1.3 水溶性懸浮劑的使用方法

（1）先將懸浮劑粉末加入水，配置成0.5%～1.0%的水溶液，再將固體微粒加入水溶液中，攪拌均勻。溶解時一邊攪拌水，一邊慢慢加入懸浮劑，攪拌溶解30～60min，使其達到最大懸浮力。

（2）也可以將懸浮劑粉按照一定的比例與被懸浮的粉狀物質混合均勻，再溶解于水，配成懸浮液。

1.4 硅粉懸浮液的制備

先將懸浮劑加入到水中，在室溫（20～25℃）條件下攪拌40～60min，然后將相應質量的硅粉加入攪拌好的懸浮劑水溶液中，繼續(xù)在室溫條件下攪拌40～60min，形成硅粉懸浮液，通過多次不同配比的試驗，得出最合適的不會引起硅粉沉淀的比例（質量比）為：硅粉∶拌和用水∶水溶性懸浮劑=60∶200∶1。

2 硅粉混凝土配合比及物理力學性能試驗

2.1 試驗依據標準及引用標準

（1）《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）；

（2）《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL/T 352-2020）；

（3）《水工混凝土施工規(guī)范》（SL 677-2014）；

（4）《混凝土外加劑》（GB 8076-2008）。

2.2 硅粉混凝土試驗用原材料

（1）水泥：采用天瑞集團水泥有限公司生產的強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥（P · O42.5），其檢測結果見表1所示。

表1 P·O42.5水泥檢測結果

檢測結果表明：該水泥所檢測項目符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）中P·O 42.5水泥的技術要求。

（2）細骨料：采用賈峪石材廠生產的人工砂，按照《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL/T 352-2020）進行檢測，其檢測結果見表2、表3所示。

表2 人工砂篩分結果

表3 人工砂檢測結果

檢測結果表明：該人工砂所檢測項目符合《水工混凝土施工規(guī)范》（SL 677-2014）中人工砂的技術要求。

（3）粗骨料：采用賈峪石材廠生產的5～20mm的人工碎石，按照《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL/T 352-2020）進行檢測，其檢測結果見表4所示。

表4 粗骨料檢測結果

檢測結果表明：該粗骨料所檢測項目符合《水工混凝土施工規(guī)范》（SL 677-2014）中粗骨料的技術要求。

（4）減水劑：采用水電十一局外加劑廠生產的型號為SN-JG的聚羧酸高性能減水劑，按照《混凝土外加劑》（GB 8076-2008）進行檢測，其檢測結果見表5所示。

表5 高性能減水劑SN-JG檢測結果

（5）硅粉：采用河南華融硅粉材料有限公司生產的硅粉。

（6）硅粉懸浮液：采用硅粉含量為23%的硅粉懸浮液。

2.3 硅粉混凝土試驗

根據規(guī)范要求及混凝土拌合經驗，以混凝土中加入硅粉為基準，與混凝土中加入等量硅粉的懸浮液進行對比，進行二組配合比試驗。第一組（Ⅰ），兩種配合比參數完全一致；第二組（Ⅱ），通過調節(jié)外加劑的摻量，使兩種配合比的坍落度相同，經過試拌，具體試驗參數確定如表6所示。

表6 混凝土配合比試驗參數

根據混凝土配合比進行混凝土的拌制，具體試驗配合比及拌合物性能如表7 所示，使拌合好的混凝土成型并繼續(xù)硬化混凝土性能試驗檢測，具體試驗結果如表8 所示，7d 和28d 劈裂抗拉強度和抗壓強度的對比如圖1所示。

圖1 S-1、S-2和S-3劈裂抗拉強度和抗壓強度對比圖

表7 試驗用混凝土配合比及拌合物性能試驗

表8 硬化混凝土性能試驗檢測結果

2.4 結果分析

根據試驗結果及強度對比圖，考慮試驗誤差，分析第一組試驗結果可知，在相同的配合比條件下，使用硅粉懸浮液會使混凝土的坍落度減小，同時增大混凝土的抗壓強度，相應地減小混凝土的劈裂抗拉強度，對電通量和非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數影響不大；分析第二組試驗結果可知，在改變外加劑的摻量使混凝土的坍落度相同時，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度都有所減小，其電通量和混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數有所增大。

3 結束語

采用本文中的方法制備的硅粉懸浮液5～7d內不會沉淀，在實際應用過程中攪拌一次可多次使用，可通過機械設備自動加入，節(jié)約人力，提高工作效率；同時能提高計量精度，保證混凝土質量更穩(wěn)定可靠；最重要的無揚塵，無污染，并且制備硅粉所使用的懸浮劑市場價格低廉，成本較低。通過試驗研究發(fā)現使用硅粉懸浮液對混凝土性能沒有太大的負面影響，在工程建設過程中可以與拌合樓建立有效連接，可帶來一定的經濟效益和社會效益。