硅灰 (Silica Fum e) 是鐵合金廠在冶煉硅鐵合金或金屬硅時, 從煙塵中收集的一種飛灰, 亦稱硅粉。 當硅石、 焦炭和生鐵在電爐中共冶, 溫度達到1700～ 2000°C 以上, 部分硅與空氣中的氧反應生成一氧化硅, 一氧化硅煙氣在上升過程中進一步氧化成二氧化硅, 并冷卻凝聚成細微的球狀顆粒用收塵器加以回收, 就得到硅灰。 它為暗灰色的粉狀顆粒, 平均粒徑為 011Lm 左右, 密度為 212g?cm 3, 松堆密度為 0118～ 0123g?cm 3, 空隙率高達 90% 以上, 通過氮吸附法測定的比表面積大約為 25～35m 2?g, 比水泥的比表面積 (約 014m 2?g) 大 50～100 倍。 硅粉在混凝土中的應用能達到節能、 經濟、環境保護和節省資源的目的, 摻入硅灰可得到綠色混凝土及高強混凝土, 并對混凝土的堿骨料反應有一定的預防控制作用, 可提高結構物的安全度, 延長使用壽命。

2 綠色硅灰混凝土
       隨著人口爆炸、 生產發展, 地球承受的負擔劇增, 其中以資源枯竭、 環境破壞最為嚴重, 使人類生存受到威脅。 1992 年里約熱內廬世界環境會議后,綠色事業受到全世界的重視[1 ]。 綠色的涵義隨著認識的提高不斷擴大, 主要包括:
(1) 節約資源、 能源;
(2) 不破壞環境, 更應有利于環境;
(3) 可持續發展, 保證人類后代能健康、 幸福地生存下去。
       長期以來, 人們對混凝土進行了大量的研究工作, 但大多是為了滿足人類對混凝土材料性能的需求[2 ]。 而對于如何考慮自然環境的因素, 使混凝土的生產和使用有利于環境保護和生態平衡, 盡量減輕給環境造成的負擔, 從自然環境、 生態平衡的角度出發進行的研究很少。 進入 20 世紀 80 年代后期以來, 保護地球環境, 尋求與自然的和諧, 走可持續發展之路成為全世界共同關心的課題。 

       水泥混凝土作為最大宗的人造材料, 到 2000 年止世界水泥年產量超過 15 億噸, 混凝土年產量超過 120 億噸,對資源、 能源的需求和對環境的影響十分巨大。 而作為混凝土主要原料的水泥實是一種不可持續發展的產品, 是人所周知的污染源。 在制造水泥時石灰石分解生成石灰, 同時排出大量的二氧化碳、 粉塵和二氧化硫等, 給地球環境造成負擔。 生產 1 噸水泥大約要排出 1 噸 CO 2, 目前全世界每年 CO 2的排放量大約為 100 億噸, 其中由于生產水泥而產生的 CO 2 氣體約占 1?10, 是產生溫室效應氣體的大戶。 同時水泥的燒成反應所需要能量在我國是由化石類燃料燃燒獲得的, 每燒制 1 噸水泥熟料耗標準煤 178kg, 由此還將產生 CO 2 和 SO 2 等有害氣體, 以溫室效應和酸雨的形式增加對地球環境的負荷。 而溫室效應的結果是地球變暖, 氣候反常, 物種滅絕, 疾病流行, 給人類帶來巨大的危害。 因此, 混凝土能否長期維持作為最主要的建筑結構材料, 關鍵在于能否成為綠色材料。 綠色高性能混凝土是混凝土發展的方向, 是混凝土的未來。以部分工業廢料或其它摻合料代替水泥后, 配制出的混凝土不僅經濟, 而且有利于環境保護。 硅灰為鐵合金廠生產的工業廢料, 如不加處理就排放出去會嚴重污染環境。 目前, 國內外廠家充分認識到硅灰的實用價值及對環境的影響, 已采取各種措施進行回收和處理。 在水泥混凝土中摻入硅灰后,減少了水泥熟料的用量, 節省了礦物質資源。 同時硅灰本身也是一種工業廢灰, 它的重新利用對改善環境、 減少二次污染起到了很重要的作用。 因此, 硅灰混凝土為綠色混凝土, 它不但有利于開辟建材新資源節約水泥, 而且對減少大氣污染、 環境污染和保護入體健康也是十分有利的。
3 高強硅灰混凝土
       硅灰作為有效的摻合料摻入新拌混凝土中后,可改善混凝土的和易性, 配制出高強和超高強混凝土。 試驗證明, 硅灰是配制高強和高性能混凝土的優質超細粉摻合料[3 ]。
3.1 硅灰對水泥漿體的作用機理
       計算表明, 用 15% 的硅灰代替水泥, 在混凝土拌合物中, 每 6418m g, 硅酸鹽水泥大約有 2 000000 粒硅灰。 硅灰顆粒如此之細, 它們可以在很早的幾小時發生火山灰反應, 使水泥漿集料界面變得密實。 在硅酸鹽水泥水化時, 硅灰將以細分散的無定形富硅的形態存在于 Ca (OH ) 2 中, 鈣離子與硅經過火山性的反應化合形成硅——鈣水化物。 這些水化硅酸凝膠體的形成, 改善了水泥石的孔結構,使混凝土致密, 物理力學性能大大提高。 在硬化混凝土中, 硅灰粒子由于填充了水泥顆粒之間的空隙, 從而增加了固體材料之間的密實性。 圖 1 和圖2 分別為硅酸鹽水泥漿與添加硅灰的水泥漿的結構模式, 反映了硅灰對水泥粒子間的填充性。
3.2 對新拌混凝土性能的影響
3.2.1 和易性
       水泥硅灰混凝土的用水量, 隨硅灰摻量的增加而增大。 在用水量不變的情況下, 隨著硅灰的摻入和摻量的增加, 混凝土的坍落度明顯減小。 一般硅灰摻量在 5% 左右時, 對需水量影響不大, 但若再增加摻量則需水量呈直線上升, 可達 130%。 但它可用摻高效減水劑來抵消。 硅灰的摻入使混凝土的粘聚性好, 且離析傾向小, 泌水作用大幅度下降。
3.2.2 凝結時間和水化熱
       摻硅灰混凝土比同強度的末摻硅灰的凝結時間長, 特別是硅灰摻量較多時。 部分水泥由硅灰代替后, 通常使前 3d 的水泥速度和溫度升高加快, 但最終水化熱有所降低, 特別是水膠比低時更顯著。
3.3 對硬化混凝土性能的影響
3.3.1 強度
       硅灰混凝土的相對強度發展通常稍慢, 但硅灰使得混凝土的絕對強度大大提高。 在常溫養護時,硅灰對混凝土強度發展的主要作用在 3d 到 28d,硅灰混凝土 28d 的抗壓強度一般較高。 表 1 為幾種水泥漿體的級配和與其相應的混凝土 (集料總質量不變, 配比有調整) 的抗壓強度。
3.3.2 耐久性
       硅灰的摻入使混凝土的密實度明顯提高 , 從而滲透性降低, 抗化學侵蝕性提高, 預防混凝土中鋼筋的銹蝕, 使混凝土的耐久性大大改善。
3.3.3 含氣量
       隨著硅灰取代率的增加, 為獲得所要求的含氣量, 引氣劑的用量將顯著增大。 這是由于硅灰用量增加, 其總比表面積顯著增加以及含碳量也增大所造成的。硅灰混凝土現已在高層建筑、 廠房的大跨度梁、 海上鉆井平臺、 高速公路、 隧洞、 橋梁以及大壩消能池等工程中大量使用, 收到了明顯的經濟效果和社會效益。 利用高強混凝土的高強、 早強和高變形模量的特點, 可以大幅度縮減建筑物墻、 柱的截面并增加建筑使用面積, 同時提高了結構剛度、 減
少高層房屋的壓縮量與水平荷載下的橫向位移。 如美國芝加哥一幢 77 層大廈建設中, 下部 1?3 采用C 80 硅灰混凝土, 使柱子斷面尺寸由原來 (C 30混凝土) 的 70×70 (cm 2) 減小到 4215×4215 (cm 2) , 截面積減小 60% 以上, 節約了成本, 同時使可使用空間大大增加, 安全度大大提高。 實踐證明, 硅灰混凝土能增加建筑物的使用壽命, 降低平時的維修費用。
4 硅灰對混凝土堿骨料反應的預防控制作用
       隨著建設事業的發展, 混凝土材料在工程中獲得了更加廣泛的應用。 一般情況下, 鋼筋混凝土結構實際上往往只對混凝土的強度特別感興趣, 而忽略了混凝土的耐久性。 很多工程的鋼筋混凝土結構物的早期劣化和耐久性降低已經成為具有普遍性的問題, 它直接影響結構物的安全使用和服務年限。 混凝土結構物產生劣化的因素很多, 主要有凍融循環、 溫度變化、 荷載作用、 鹽害、 碳化、 設計施工上的人為因素及堿骨料反應等, 其中由堿骨料反應(AA R ) 引起的混凝土結構物的裂縫損傷、 破壞而作為一個突出的課題[4 ]。堿骨料反應是指水泥中的堿性氧化物與骨料中的活性二氧化硅發生化學反應, 在骨料表面生成復雜的堿—硅酸凝膠, 其吸水后會產生很大的體積膨脹 (體積可增大 3 倍以上) , 從而導致混凝土產生膨脹開裂而破壞。 堿骨料反應使混凝土的強度等性質發生顯著變化, 抗拉強度約降低 30%～ 50%。 由于抗拉強度降低, 混凝土產生裂縫, 對含筋量少的混凝土可能導致結構失去抗拉能力, 引起鋼筋抗剪、 粘結強度降低, 從而導致結構物的破壞。 堿骨料反應開始是在 30 年代美國西部地區的堤壩、 公路、橋梁等混凝土結構物發生異常膨脹, 產生裂縫而發現的。 進入 70 年代后, 不斷從歐洲、 南非等地傳來堿骨料反應引起的結構損傷報告, 堿骨料反應作為一個世界性的普遍問題被提了出來。 在日本海沿岸, 許多港灣建筑、 橋梁等, 建成后不到 1 年的時間, 混凝土表面開裂、 剝落, 鋼筋銹蝕外露, 主要原因是堿骨料反應。 北京的三元立交橋橋墩, 建成后不到兩年, 個別地方發生“人字形”的裂紋, 也是堿骨料反應的結果。 對受堿骨料反應破壞的結構物,修補起來比較困難, 效果也比較差, 因此最好的辦法是積極地采取預防措施。在混凝土中摻加硅灰, 對堿骨料反應有明顯的預防控制作用。 硅灰添加量為 5%～ 10% 時混凝土的膨脹量可減少 10%～ 20% , 其控制效果根據反
       應性骨料及硅灰的種類而不同。 實驗研究表明, 硅灰對堿骨料反應的控制作用主要表現在以下幾個方面:
(1) 加硅灰后, 由于硅灰顆粒很細, 拌制混凝土時需增加用水量, 結果改變了混凝土中的空隙率,緩和了局部壓力。
(2) 硅灰比表面積大, 可吸附堿離子, 降低了混凝土細孔溶液中氫氧離子的濃度, 生成含鈣量高的非膨脹性凝膠體。 氫氧離子的濃度降到某一限度以下時不發生堿骨料反應。
(3) 添加硅灰后, 由于其粒徑小, 所以它最先和水化氫氧化物反應, 生成的未硬化堿—硅酸凝膠充填于孔隙結構中, 并且反應要消耗一定量的堿骨料反應需要的氫氧化鈣, 使氫氧化均勻分布, 從而控       制了有害膨脹。硅灰對堿骨料反應的預防控制作用, 有效提高了混凝土的耐久性, 延長結構物的使用壽命。 同時也是減少混凝土的生產量, 實現減輕環境負荷的重要途徑。
5 結 論
(1) 硅灰混凝土為綠色材料, 它是利用工業廢灰——硅灰取代混凝土中一部分水泥, 減少了水泥的用量, 達到節能節料、 改善環境的目的, 具有較高的經濟價值和環保價值。
(2) 硅灰混凝土為高性能混凝土, 28d 強度可達 90～ 100M Pa, 比一般混凝土提高強度 50% , 具有高強、 早強和高變形模量的特點, 可提高結構剛度、 減少高層房屋的壓縮量水平荷載下的橫向位移, 安全可靠, 前景廣闊。
(3) 在混凝土中添加硅灰可有效控制堿骨料反應。 硅灰混凝土的添加量為 5%～ 10% 時, 混凝土的膨脹量可減少 10%～ 20% , 一般添加量在 10%時可充分控制堿骨料反應。 因此, 硅灰混凝土       提高了結構物的安全度和耐久性, 延長了使用壽命。 同時減少混凝土的生產量, 減輕了環境負荷。