硅粉混凝土与人居环境
混凝土 2007-01-12
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1 引言
“人居环境”是人类社会发展到20 世纪后期才提出的概念，它标志着人类对待自然的态度从根本上发生了转变。吴良镛院士指出，“人类住区不仅仅是指住房、一个城市、镇或乡村的体形，它所指的是人类活动的全过程，包括居住、工作、教育、卫生、文化、娱乐等，以及维护这些活动而进行实体结构的有机结合[ 1 ]。”人居环境的核心是人，人居环境以满足人类居住的需要为目的。人居环境与建筑材料密切相关，建筑材料的进步改善了人类的生存环境，其性能影响着人居环境的质量。开发并使用性能优良的新型材料，是人类合理地解决生存与发展，实现“与自然协调，与环境共生”的一个重要方面[ 2 ]。
2 硅粉及硅粉混凝土
硅粉是近20 年发展起来的一种高活性材料，因为具有良好的火山灰性质和微粒填充作用，已广泛地用作混凝土的掺合料。硅粉也称硅灰、硅尘或二氧化硅，是硅铁和硅金属生产中的工业尘埃，它是在冶炼硅、铁合金时由电弧炉中高纯度石英与焦碳发生还原反应而生成的。硅粉具有以下特性：① 它是一种非常细的粉末，主要成分是颗粒极细(0.1～0.2μm)的无定型的SiO2，它的平均粒径比水泥小100 倍，表面积约为1 5～2 0 m2/g ；②因为硅是从蒸汽冷凝而得，故其粉末具有非常完美的球状形态；③这种粉末含有85％～95％以上玻璃态的活性SiO2；④ 硅粉的比重为22~25，松散容重为200～300 kg/m3。硅粉掺入混凝土后，对新拌和硬化混凝土的作用与上述几个特性有关。硅粉的主要品质指标是它的SiO2 含量和细度。S i O 2 含量越高、细度越细，其对混凝土的改性效果也越好[ 3 ]。目前，硅粉的应用，主要是掺入混凝土中作硅粉混凝土。硅粉混凝土已在不少国家获得应用，在人居环境的建设中发挥了重要的作用。
3 硅粉混凝土对人居环境的影响
3.1 房屋结构
人类的生存与发展离不开一定的房屋结构，随着人类文明的不断进步，高层建筑已成为现代社会科学和技术发达的标志之一，是人口密度增大，城市功能集中的必然产物，也是人类不断向新的高度挑战，不断探索新的建造技术，开发新型建筑体系和材料的体现。高层建筑为人类提供了高密度、大容量的居住或工作空间，给现代人的生活和工作带来许多方便，同时对城市环境、居住条件以及生活方式也带来诸多影响。高层建筑的发展同样推动了结构材料的发展，人们对结构材料的工作性能提出了更高的要求，由于承重墙等结构的要求，除了高工作度外，在实际应用中还希望结构材料具有高的强度和耐久性。高强度混凝土是其中应用的十分广泛的一种结构材料。利用火山灰质混合材料作添加剂，是目前国内外配制高强混凝土用的最多的方法，而使用硅粉时将很容易制成抗压强度高达100 MPa 的高性能混凝土，对于制备强度超过100 MPa 的混凝土，硅粉的使用则几乎是不可缺少的。使用硅粉后，由于硅粉的颗粒很小，比水泥颗粒小20～100 倍，可以填充到水泥颗粒中间的空隙中；同时硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中孔隙结构，极大地降低了水化浆体中的孔隙尺寸，改善了孔隙尺寸分布[ 4 ] ，
于是使强度增加，渗透性降低。同时，在高层建筑施工中，尽管楼板可以完全在工厂预制，现场吊装，但是有些建筑物为了提高其整体性，仍然需要采用现浇楼板的施工方法，泵送大流动性混凝土有效地解决了这一问题，而掺入硅粉是制备大流动性混凝土的基本途径之一。在新拌硅粉混凝土中，硅粉在混合料中起“滚珠”的作用，从而使泵送和灌注更为容易；由于硅粉微珠的润滑作用，也减少了用水量。另外，由于硅粉混凝土的强度贡献主要在28d 之前，因此可以加快施工模板的周转，提高施工的进度。除此之外，由于微硅粉具有高活性，在 Al2O3 成份存在的前提下，更易生成莫来石相，使耐火材料的高温强度、热震性明显提高，因此硅粉混凝土还是一种优良的耐火材料，十分适合在高层建筑中使用。由此可见，硅粉混凝土作为一种性能优异的结构材料，在高层建筑物的建设中大有可为。
3.2 交通环境
作为具有自然属性与社会属性的人类，同时还需要一定的交通环境来满足彼此间的联系与交流，例如，海港，道路，桥梁等。而交通环境的运营及发展，也对材料提出了更加深入的要求。在寒冷地区，海岸及近海的混凝土结构，除了遭受冻融作用外，还受潮汐的干湿作用，以及遭受海水浪花的冲击，这部分的混凝土最容易损坏。而高性能混凝土的出现，则很有效地解决了这些问题。硅粉作为制备高性能混凝土材料的一种外掺合料，在解决这些病害时的作用是尤为显著的。当硅粉掺量少于15％时，在一个很宽的水灰比范围内，硅粉能增强混凝土的抗冻性和抗盐蚀性能，甚至比增加抗压强度还显著。掺硅粉混凝土的抗冻性可以从含气量方面来做考察。研究表明，掺硅粉的空气－孔参数、引气量性能都比普通混凝土要好，从而提高了混凝土的抗冻性能。另外，在硅粉混凝土内掺入高效减水剂，可以生产出渗透性能很低，强度很高的混凝土，十分适合寒带混凝土结构和寒冷地区近海结构工程。硅粉混凝土也曾用于近海结构的水下维修，降低渗透性和提高抗磨损性能，很适宜于恶劣环境下的维修工程[ 5 ]。另一方面，在路用混凝土中掺加适当的硅粉能显著提高混凝土的路用性能。混凝土公路路面的损坏是不可避免的。用硅粉混凝土进行路面修补，由于硅粉混凝土的早期强度高，路面修复时间较短，从而减少了路面修复施工时所引起的路面交通中断时间。同时，由于硅粉混凝土的耐磨性能较好，因此也是一种优异的路面材料。在隧道等工程施工中，需要进行喷射混凝土施工，硅粉混凝土在这一领域也有其独到之处。混凝土中掺入硅粉后，显著改善了塑性混凝土粘附性能和凝聚性，大幅度降低了回弹量，增大喷射混凝土一次成型厚度，缩短工期，节省了工程造价。在欧美国家，75% 的喷射混凝土都掺入硅灰，而挪威和瑞典，硅粉是喷射混凝土的必备材料。总之，硅粉混凝土在交通建设方面的应用十分广泛，而且已经日益成为一种交通建设不可或缺的工程材料，其应用的前景十分可观。
3.3 自然环境
自然环境是人居环境的基础，人们的生产和生活以及具体的人居环境建设活动都离不开更为广泛的自然背景。理想的人居环境应实现人与自然的和谐统一，实现人与自然的可持续发展。建筑材料是人与自然相互作用的媒介，在很大程度上影响着人居环境与自然的和谐性。当前，大量使用的传统硅酸盐混凝土不仅浪费资源和能源，而且破坏生态环境，不利于人居环境的建设 [6]，发展生态水泥混凝土已成为实现人居环境与自然可持续发展的重要途径。生态水泥就是利用各种废弃物，包括各种工业废料，废渣以及城市生活垃圾作为原材料制造的水泥[ 7 ]。近年来，已经出现了多种生产生态水泥混凝土的技术，硅粉混凝土就是利用废弃物生产生态水泥混凝土的一种典型方法。在普通硅酸盐水泥中添加硅粉，可以大掺量地利用工业副产品(粉煤灰和矿粉等)和废料(化学废料和碎玻璃等)作为掺合料，其中外掺合料的掺入量最高可达60% 以上，而所生产的水泥可用于生产高强混凝土在内的多种混凝土，同时大量地减少了高价耗能的水泥熟料的用量。这种水泥采用比普通水泥少3 0 % ～50% 的水泥熟料，所产生的环境破坏也比较小[ 8 ]，从而实现了人居环境与自然环境的和谐发展。硅粉混凝土利废的作用机理在于硅粉与各种粉磨矿物掺合料之间的复合作用，提高了胶凝材料的火山灰效应，增加了体系中微粒间的化学交互、诱导激发作用，因此提高了粉体的化学活性[ 9 ]，实现了大掺量的废物利用。由此可见，硅粉混凝土的出现是改善自然环境，促进人居环境与自然环境协调发展的一条有效途径。
4 结语
硅粉混凝土在人居环境的建设中正在发挥着日益重要的作用，大力发展硅粉混凝土并对硅粉混凝土的作用机理进行进一步的研究和探讨，已经成为人居环境建设的当务之急。另一方面，由于我国的硅灰产量有限、价格昂贵(2500 元/t)[10]，因此开展采用其它工业固体废渣粉部分取代硅灰配制高性能混凝土的研究也应该得到大力的支持与重视。
参考文献
1 吴良镛.开拓面向新世纪的人居环境学.建筑学报，1995,(3)：9.
2 杨静.建筑材料与人居环境.北京.清华大学出版社，2001.
3 许增建,范旭东.高性能硅粉混凝土的探讨.黑龙江水专学报，2005,(6) ：144～145.
4 李小敏.硅粉混凝土的强度和耐久性的研究进展. 建筑技术开发，2005,(1)：47.
5 冯乃谦.混凝土在海水中的耐久性.施工技术,1995,(11)：43.
6 孙志刚.我国掺合料及掺合料技术现状和展望. 混凝土与制品，2004,(11)：106～110.
7 施惠生，袁玲.生态水泥的研究与进展.建筑材料学报，2003.(6)：166～172.
8 Konstantin SOBOLEV, Lefke-TRNC Metin ARIKAN, High VolumeMineral Additive for Eco-Cement,American Ceramic Society Bulletin-January2002.
9 李爱武，王琮，杨崎，迟培云.复合超细粉提高混凝土耐久性的研究.低温建筑技术，2004,(4)：10～11.
10 李家和，李秋义，吕宝玉.矿物质掺合料对高强混凝土强度和微观结构的影响.哈尔滨师范大学自然科学学报，2002,(3)：73～78.
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