硅粉在輸電線路工程混凝土中的應用
張 帆
1．簡介
硅作為粘接劑廣泛應用于精密鑄造、造紙、無機涂料、紡織、電子、耐火材料等行業，在建筑行業的也有應用。硅粉是硅鐵或金屬硅生產過程中由礦熱爐中的高純石英、焦炭和木屑還原產生的副產品，在冶煉中發生復雜的反應。其中，石英石與碳在1750℃時，還原反應產生不穩定的一氧化碳，在溫度高于2160℃時，SiO含氣化送出，遇到低于1100℃空氣時與氧反應，生成SiO2，冷卻后形成高細度顆粒，經收塵器過濾收集即是硅粉。硅粉的粒徑都小于1μm，平均粒徑為0.1μm左右，是水泥顆粒直徑的1／100，所以硅粉能高度分散于混凝土中，填充在水泥顆粒之間從而提高密實度，同時微硅粉具有很高的活性，能更快更全面的與水泥水化產生的氧氫化合物反應[1]。
本文對順姜II回500kV輸電線路工程中硅粉混凝土實驗資料及施工情況進行了分析，結果表明，在混凝土中加入少量硅粉后，技術指標明顯超過設計要求。混凝土各方面物理力學性能都能得到改善，顯著減少混凝土的離析和泌水，顯著提高混凝土的早期和后期強度，降低氯離子的滲透能力，有效提高混凝土的抗化學腐蝕和耐磨性能。
2．硅粉混凝土試驗
2.1試驗方法
根據混凝土配合比依據標準《JGJ52－92》，取得普通C20混凝土配合比。以此配比為基礎，在混凝土中加入定量硅粉，通過對添加前后混凝土試塊抗壓強度值的比較，確定硅粉對混凝土的影響。
混凝土性能依據標準《GB/T50081－2002》《GBJ107－87》進行實驗。
2.2試驗用各組分材料
水泥：普通硅酸鹽水泥（P.O 32.5），其各項指標符合GB175－1999要求，試驗編號2006-00196，其3天強度為13.7MPa，28天強度為45.3MPa。
硅粉：北京建筑材料科學研究總院無機非金屬發展部制粉末硅，性能指標見表1，其品質符合國標，等級可達II級，可作為活性混和材料，亦可用于鋼筋混凝土和無筋混凝土。
表1 硅粉性能指標
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燒失量/％
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Cl離子含量/％
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SiO2含量/％
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含水量/％
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密度（kg/m3）
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5.75
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0.01
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92.4
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0.7
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1750
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砂子、石骨料：性能見表2，符合《JGJ52－92》中砂標準和5～40mm連續級配標準。
表2 砂石骨料性能指標
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項目
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表觀密度/（kg/m3）
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堆積密度/（kg/m3）
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含泥量/％
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泥塊含量/％
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針片狀含量/％
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壓碎指標/％
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空隙率/％
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細度模數/vf
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石子
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2620
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1630
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0.8
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0.2
|
10
|
11
|
38
|
/
|
|
砂
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2610
|
1640
|
2.6
|
0.4
|
/
|
/
|
37
|
2.7
|
2.3試驗結果
硅粉摻量：硅粉在混凝土中摻量太少，對混凝土性能改善不大，但是摻量太多，則混凝土太粘，不易施工，且干縮變形大，抗凍性差，因此，摻硅粉時，須盡量找出最優摻量才能獲得最佳結果。一般情況下，摻量在10％以內效果較為滿意。硅粉合適摻量一般根據所用硅粉，水泥種類和骨料性質，選擇幾個硅粉摻量，如1、3、5％等（與混凝土中水泥用量的比值），值得注意的是硅粉價格較高，在確定硅粉的最佳摻量時，要考慮技術經濟指標[2]。
根據配合比見表3，水泥、砂石骨料的量一定，加入不同量的硅粉，見表4，對試塊（150×150×150mm）進行強度試壓實驗，實驗結果見表5，由實驗結果可以看出，加入硅粉后，實際強度均大于設計強度。
表3 C20配合比
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材料名稱編號
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水泥用量（kg/m3）
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砂子用量（kg/m3）
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石子用量（kg/m3）
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潔凈水用量（kg/m3）
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2006－00006
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305
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717
|
1220
|
168
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表4 硅粉摻加量
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材料名稱
編號
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水泥用量（kg）
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砂子用量（kg）
|
石子用量（kg）
|
潔凈水用量（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 實驗結果
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項目
編號
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設計強度
等級
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實測塌落度(mm)
|
抗壓強度/（單位）
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7d 14d 28d
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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．試驗結果分析
試驗表明：對于普通混凝土，在其他成分一定的情況下，隨著硅粉摻入量的增加，改善了混凝土的和易性，混凝土強度也隨之顯著提升。設計強度等級為C20的混凝土，7d強度為設計強度的88％，28d強度則為設計強度的224％，提升混凝土強度效果是非常明顯的。
硅粉對混凝土的影響機理主要是硅粉滲入水泥混凝土后能很好地填充于水泥空隙之中，使漿體更微密，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，它與游離的Ca(OH)結合，與水泥水化凝膠C-S-H共同工作，形成穩定的硅酸鈣水化物2CaO.SiO2.H2O，該水化物凝膠強度高于Ca(OH)晶體，從而增加混凝土的強度，使誘導期縮短，具有早強的特性，并提高致密度[1]。
4．硅粉混凝土其他性能分析
硅粉是一種經濟、高效的高強高性能混凝土礦物外加劑。混凝土中摻入硅粉，能配制高強高性能混凝土，延長混凝土使用壽命，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高標號的硅粉混凝土[3]。摻入硅粉混凝土中具有多方面優越性能：（1）提高混凝土早期強度和最終強度。蒸氣溫度為80℃，混凝土一天的抗壓強度為不摻硅粉的2倍；采用蒸壓養護，則幾乎達3倍；采用標準養護，混凝土的抗壓強度也明顯提高[4]；（2）增加混凝土的致密度?？節B性能提高5-18倍，抗化能力提高4倍以上[5]；（3）改善混凝土離析和泌水性能。硅粉摻入量愈多，混凝土材料愈難以離析和泌水。當摻入量達15%時，混凝土坍落度即使達15~500px，也幾乎不產生離析和泌水；當摻入量達20~30%時，將該混凝土直接放入水中也不會產生離析。由于硅粉對混凝土離析和泌水性能的改善，摻加硅粉可以配置水下不離散混凝土，以用于海港、隧道、水壩等水下工程[4]；（4）提高混凝土的抗滲性、抗化學腐蝕性和比電阻。由于硅粉的摻入提高了混凝土的密實性，大大減少了水泥空隙，所以提高了硅粉混凝土的抗滲性能。當混凝土中硅粉摻入量為10~20%時，還能顯著改善了混凝土的抗化學腐蝕性，而且對鋼筋的耐腐蝕性也有改善。這是因為密實性的提高和SiO2含量增加，有效地阻止了酸離子的侵入和腐蝕作用。另外，由于硅粉比電阻很高（可達1.2×1011ΩNaN，90~150℃），所以混凝土比電阻可提高1.9~16倍[5]。
5．結論
從順姜II回線路硅粉使用的例子，可以說明硅粉使混凝土各方面物理力學性能都能得到改善，提高了混凝土的抗壓性能，顯著減少混凝土的離析和泌水，降低氯離子的滲透能力，有效提高混凝土的抗化學腐蝕和耐磨性能，尤其是顯著提高混凝土的早期和后期強度。輸電線路建設不同于一般建筑行業，具有作業范圍零散、工程量大、受外部因素影響較大且各種外部因素的不可預知等特點。在這種情況下，采用各種技術手段來有效的規避各種外部因素帶來的不利影響，對今后的線路施工有著重要意義及幫助作用。以順姜II回500kV線路工程為例，混凝土中摻加硅粉對于輸變電工程混凝土技術性能是非常有意義的，它主要適用于搶建工期工程，例如在基礎完工后5天必須具備組塔條件，在混凝土中摻入粉末硅可以有效的提升混凝土的早期強度，使之得以實現。因此，硅粉混凝土可以大大縮短基礎施工周期，尤其適用于搶建工程，具有相當大的經濟效益和實用意義。
6．參考文獻
1 陳兵主編. 微硅粉在混凝土工程中的應用. 新型建筑材料. 2000年11期
2 惠榮炎主編. 硅粉混凝土及其應用. 中國鐵道出版社. 1995－08
3 趙宏主編. 高性能C70泵送硅粉混凝土在小浪底工程中的應用. 中國水利. 2004年12期
4 佚名. EBS-S硅灰在混凝土工程中的應用. 成都東藍星科技發展有限公司. 2006－01
5 李明仕主編. 白石水庫泄洪排沙底孔硅粉混凝土的施工. 水利水電技術. 1998年09期
