硅粉在土木工程中的应用

1硅粉的成份及收集
铁合金厂生产过程中，工业硅及硅铁在高温熔炼过程中会排出大量带有粉尘的高温废气。这种废气直接排入大气会造成严重的环境污染，而废气中粉尘主要的含量是SiO2粉尘，它是高温气化SiO2冷凝形成的细小球形颗粒，几乎在重量上占90％左右。而这种硅粉又是重要的原材料，它可以广泛地应用于建筑工程、水利工程、耐火材料等领域，市场前景极其广阔。因此，对废气处理,收集硅粉,是既有利于环保又具有很高经济价值的一举两得的好事。
通过铁合金厂收集到的硅粉，一般还需经过提纯、加密,最终成为商品硅粉，商品硅粉在工程上又称为硅灰、硅微粉、微硅粉。它的主要成份是SiO2，其次还有少量的Al2O3、CaO、K2O、Fe2O3、MgO等物质。下面就是我公司硅粉的成份。[1]
试验项目 Sio2 Al2o3 Cao K2o Fe2o3 Mgo H2o Na2o 烧失量
指标(%) 90.36 0.11 0.25 2.0 0.36 1.09 1.21 0.30 4.14

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％[2][3]。
2．硅粉在混凝土中的作用机理
生产的硅粉平均粒径度为0.1um，仅为水泥平均粒径的几百分之一，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。硅粉还具有火山灰反应，即硅粉接触拌合水后，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微粒效应，能改善新拌混凝土的泌水和粘聚性。主要作用表现为：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[4]③抗冻性：测试表明硅粉混凝土在经过300～500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]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，表现了硅粉使混凝土早强的特性，有资料介绍，硅粉能将混凝土18小时强度可提高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[4]。
3．硅粉混凝土的应用
在混凝土中加入硅粉及缓凝减水剂等，其性能得以改善，因此被广泛使用，目前主要应用于：①水利工程：硅粉混凝土有良好的防水、抗渗、耐冲磨和抗空蚀性。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，如辽宁鞍山国际大酒店C50砼、北京市财税大楼C110砼等，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，仪征化纤公司用硅粉混凝土修筑公路，24小时后抗压即达25Mpa以上，超过设计要求的C20，28天达50Mpa以上，超过要求的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：混凝土中掺入硅粉大大增加致密度，同时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。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粘附性和凝聚性，大幅度降底回弹量，增大喷射混凝土一次成型厚度。在欧美，75％的喷射混凝土中掺加了硅粉，而在挪威和瑞典，硅粉则是喷射混凝土必备材料。
4．硅粉在耐火材料上的作用
硅粉作为一种新原料，在耐火行业普遍使用，它对不定形耐火材料的改善有重要作用，表现为：①传统耐火材料中有众多孔隙，硅粉充填于孔隙中，提高了体积密度和降低气孔率，强度可以明显增强。②硅粉有很强的活性，在水中能形成胶体粒子，加入适量的分散剂，可增强其流动性，从而改善浇注料的性能。③硅粉在水中易形成－Si－OH基，具有较强的亲水性和活性，能增强耐火材料的凝聚，同时对高温性能有较大的改善，并可延长耐火制品的使用寿命。

硅粉在耐火行业得到广泛应用。实际应用在以下几方面：①代替纯铝氧化泥作耐火材料。②作添加剂生产不定形和定形耐火制品，使其强度、高温性能大大地改善。③作盛钢桶整体的浇注结合促凝剂。④作其他耐火制品的粘聚剂、结合剂、促凝剂、添加剂。
5．硅粉用于其他用途

1)水泥工业：在水泥中添加硅粉后，性能得到改善，质量、标号都大大提高。

2)橡胶工业：橡胶加一定量硅粉后，其延伸率、抗撕裂性和抗老化度有很大提高，这种橡胶还具有良好的介电性，吸水能力低。

3)作防结块剂：代替云母或硅藻土作防止肥料颗粒结块的原料。

4)作球团粘合剂：硅粉的表面积大，吸附性强，在国外作球团矿的粘合剂取得显著效果。

5)在水玻璃行业：可代替石英矿，生产出模数为4的水玻璃。

6)在油田井下固井的使用：吉林油田、辽河油田、克拉玛依油田等，都大量使用硅粉，并有很好的使用效果。

7)在绝缘材料、防水材料、油漆、涂料、印刷工业等都得到应用。
由于硅粉具有高细度、高活性、高纯度等优良特性，在很多领域被逐步地认识使用，作为一种新产品有广阔的发展和应用前景。
6．结束语
我国目前拥有上千座硅铁及工业硅炉，年产的硅粉约25万吨，而现在上环保设备能收集的仅仅为5万吨，[5]而现在的硅粉的市场价为3000元／吨。因此，在直接污染环境的同时，每年通过烟囱排走了6亿元。因此，硅粉作为一种不可再生的资源对它的收集不但是一个环境效益，更是一个具有广阔经济价值的市场。