硅粉悬浮液的制备方法及其对混凝土性能的影响

郭旻琛 王远培 廖宏伟

（1.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001；2.中电建生态环境集团有限公司，广东 深圳 518100）

0 引言

硅粉又称硅灰，是在冶炼硅铁厂的烟气中收集得到的灰尘。目前市场上销售的硅粉一部分是收尘器收集后经过处理再销售的硅粉；另一部分是烟气经过收尘器收集后直接销售的硅粉[1]。硅粉的平均粒径是水泥的1/100，松装密度是水泥的1/3，约为300～400kg/m3。硅粉作为混凝土的增强材料在高强混凝土中应用较为广泛[2]，不仅可以提高混凝土的强度性能，还可以提高混凝土的耐久性能，曾用于葛洲坝水闸的修补和蓄水池的防渗，也曾用于三峡电站、二滩电站及上海杨浦大桥等工程的防渗及抗冲磨部位，另外作为高强度抗渗工程的上海黄浦江越江隧道和抗硫酸盐、氯酸盐的沿海水下采油平台工程也都较多地使用了硅粉混凝土[1]。香港青马大桥、江苏连云港木材码头、重庆大佛寺长江大桥成功应用硅粉混凝土来提高电阻率，遏制锈蚀的扩展[3]。但硅粉自身颗粒细、密度低、多为片状形态，在混凝土拌和楼称量环节的添加比较困难，对环境也会造成一定影响。

目前国内通常采用的方式是按照袋数直接倒在拌合机料斗中、运输皮带机皮带上或者按照每盘混凝土的拌和方量称好装袋投入到拌和机内。但无论采用哪种方法都是人工直接添加，存在着劳动强度大、污染环境、称量误差大，造成混凝土性能不稳定等。将硅粉以均匀悬浮液方式加入混凝土拌和楼的拌合机内，从而使添加环节快捷简便且保护环境。硅粉悬浮液的原理是将硅粉和水按照一定比例，加入某种材料（下文称为水溶性悬浮剂）拌制成浆体材料，使储存在容器内的浆液5～7d 内不会沉淀，拌和楼使用硅粉拌合混凝土时可以像称量水一样使用，能更有效地、更稳定地发挥出硅粉的性能。本文介绍硅粉悬浮液的制备方法，并分析其对混凝土性能的影响。

1 硅粉悬浮液的制备

1.1 水溶性悬浮剂简介

水溶性悬浮剂外观为白色或褐色粉末，是由植物性高分子物质制成，易溶解于水，形成带有粘稠性的水溶液，可以在碱性、酸性、中性条件下悬浮固体微粒，例如：细砂、重晶石粉、石英粉、滑石粉、碳酸钙粉、膨润土、硅藻土、硼砂、抛光粉、水泥、石膏粉、陶瓷釉粉、染料、颜料、氧化铝粉、氧化硅粉、铁粉、淀粉、木粉、饱和盐类、叶面肥、液体化肥等，使其成为可流动的、性质稳定液体，悬浮时间保持几十天甚至更长，不絮凝、不析水、不沉淀。

水溶性悬浮剂的悬浮机理主要是靠悬浮剂自身的大分子网状结构，将微颗粒悬浮在水中。

1.2 水溶性悬浮剂的特点

（1）水溶性悬浮剂完全由天然植物提取物配制而成，不含任何化学物质，绿色环保，使用安全；

（2）水溶性悬浮剂对水的条件要求比较宽松，地下水、河水、井水等，均可使用；

（3）水溶性悬浮剂耐酸、碱性好，适应的pH的范围为3～12。

1.3 水溶性悬浮剂的使用方法

（1）先将悬浮剂粉末加入水，配置成0.5%～1.0%的水溶液，再将固体微粒加入水溶液中，搅拌均匀。溶解时一边搅拌水，一边慢慢加入悬浮剂，搅拌溶解30～60min，使其达到最大悬浮力。

（2）也可以将悬浮剂粉按照一定的比例与被悬浮的粉状物质混合均匀，再溶解于水，配成悬浮液。

1.4 硅粉悬浮液的制备

先将悬浮剂加入到水中，在室温（20～25℃）条件下搅拌40～60min，然后将相应质量的硅粉加入搅拌好的悬浮剂水溶液中，继续在室温条件下搅拌40～60min，形成硅粉悬浮液，通过多次不同配比的试验，得出最合适的不会引起硅粉沉淀的比例（质量比）为：硅粉∶拌和用水∶水溶性悬浮剂=60∶200∶1。

2 硅粉混凝土配合比及物理力学性能试验

2.1 试验依据标准及引用标准

（1）《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）；

（2）《水工混凝土试验规程》（SL/T 352-2020）；

（3）《水工混凝土施工规范》（SL 677-2014）；

（4）《混凝土外加剂》（GB 8076-2008）。

2.2 硅粉混凝土试验用原材料

（1）水泥：采用天瑞集团水泥有限公司生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥（P · O42.5），其检测结果见表1所示。

表1 P·O42.5水泥检测结果

检测结果表明：该水泥所检测项目符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）中P·O 42.5水泥的技术要求。

（2）细骨料：采用贾峪石材厂生产的人工砂，按照《水工混凝土试验规程》（SL/T 352-2020）进行检测，其检测结果见表2、表3所示。

表2 人工砂筛分结果

表3 人工砂检测结果

检测结果表明：该人工砂所检测项目符合《水工混凝土施工规范》（SL 677-2014）中人工砂的技术要求。

（3）粗骨料：采用贾峪石材厂生产的5～20mm的人工碎石，按照《水工混凝土试验规程》（SL/T 352-2020）进行检测，其检测结果见表4所示。

表4 粗骨料检测结果

检测结果表明：该粗骨料所检测项目符合《水工混凝土施工规范》（SL 677-2014）中粗骨料的技术要求。

（4）减水剂：采用水电十一局外加剂厂生产的型号为SN-JG的聚羧酸高性能减水剂，按照《混凝土外加剂》（GB 8076-2008）进行检测，其检测结果见表5所示。

表5 高性能减水剂SN-JG检测结果

（5）硅粉：采用河南华融硅粉材料有限公司生产的硅粉。

（6）硅粉悬浮液：采用硅粉含量为23%的硅粉悬浮液。

2.3 硅粉混凝土试验

根据规范要求及混凝土拌合经验，以混凝土中加入硅粉为基准，与混凝土中加入等量硅粉的悬浮液进行对比，进行二组配合比试验。第一组（Ⅰ），两种配合比参数完全一致；第二组（Ⅱ），通过调节外加剂的掺量，使两种配合比的坍落度相同，经过试拌，具体试验参数确定如表6所示。

表6 混凝土配合比试验参数

根据混凝土配合比进行混凝土的拌制，具体试验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继续硬化混凝土性能试验检测，具体试验结果如表8 所示，7d 和28d 劈裂抗拉强度和抗压强度的对比如图1所示。

图1 S-1、S-2和S-3劈裂抗拉强度和抗压强度对比图

表7 试验用混凝土配合比及拌合物性能试验

表8 硬化混凝土性能试验检测结果

2.4 结果分析

根据试验结果及强度对比图，考虑试验误差，分析第一组试验结果可知，在相同的配合比条件下，使用硅粉悬浮液会使混凝土的坍落度减小，同时增大混凝土的抗压强度，相应地减小混凝土的劈裂抗拉强度，对电通量和非稳态氯离子迁移系数影响不大；分析第二组试验结果可知，在改变外加剂的掺量使混凝土的坍落度相同时，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度都有所减小，其电通量和混凝土非稳态氯离子迁移系数有所增大。

3 结束语

采用本文中的方法制备的硅粉悬浮液5～7d内不会沉淀，在实际应用过程中搅拌一次可多次使用，可通过机械设备自动加入，节约人力，提高工作效率；同时能提高计量精度，保证混凝土质量更稳定可靠；最重要的无扬尘，无污染，并且制备硅粉所使用的悬浮剂市场价格低廉，成本较低。通过试验研究发现使用硅粉悬浮液对混凝土性能没有太大的负面影响，在工程建设过程中可以与拌合楼建立有效连接，可带来一定的经济效益和社会效益。