硅粉混凝土與人居環(huán)境

1 引言

　　“人居環(huán)境”是人類社會發(fā)展到20 世紀后期才提出的概念，它標志著人類對待自然的態(tài)度從根本上發(fā)生了轉(zhuǎn)變。吳良鏞院士指出，“人類住區(qū)不僅僅是指住房、一個城市、鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村的體形，它所指的是人類活動的全過程，包括居住、工作、教育、衛(wèi)生、文化、娛樂等，以及維護這些活動而進行實體結(jié)構(gòu)的有機結(jié)合[ 1 ]?！比司迎h(huán)境的核心是人，人居環(huán)境以滿足人類居住的需要為目的。人居環(huán)境與建筑材料密切相關，建筑材料的進步改善了人類的生存環(huán)境，其性能影響著人居環(huán)境的質(zhì)量。開發(fā)并使用性能優(yōu)良的新型材料，是人類合理地解決生存與發(fā)展，實現(xiàn)“與自然協(xié)調(diào)，與環(huán)境共生”的一個重要方面[ 2 ]。

2 硅粉及硅粉混凝土

　　硅粉是近20 年發(fā)展起來的一種高活性材料，因為具有良好的火山灰性質(zhì)和微粒填充作用，已廣泛地用作混凝土的摻合料。硅粉也稱硅灰、硅塵或二氧化硅，是硅鐵和硅金屬生產(chǎn)中的工業(yè)塵埃，它是在冶煉硅、鐵合金時由電弧爐中高純度石英與焦碳發(fā)生還原反應而生成的。硅粉具有以下特性：① 它是一種非常細的粉末，主要成分是顆粒極細(0.1～0.2μm)的無定型的SiO2，它的平均粒徑比水泥小100 倍，表面積約為1 5～2 0 m2/g ；②因為硅是從蒸汽冷凝而得，故其粉末具有非常完美的球狀形態(tài)；③這種粉末含有85％～95％以上玻璃態(tài)的活性SiO2；④ 硅粉的比重為22~25，松散容重為200～300 kg/m3。硅粉摻入混凝土后，對新拌和硬化混凝土的作用與上述幾個特性有關。硅粉的主要品質(zhì)指標是它的SiO2 含量和細度。S i O 2 含量越高、細度越細，其對混凝土的改性效果也越好[ 3 ]。目前，硅粉的應用，主要是摻入混凝土中作硅粉混凝土。硅粉混凝土已在不少國家獲得應用，在人居環(huán)境的建設中發(fā)揮了重要的作用。

3　硅粉混凝土對人居環(huán)境的影響

3.1 房屋結(jié)構(gòu)

　　人類的生存與發(fā)展離不開一定的房屋結(jié)構(gòu)，隨著人類文明的不斷進步，高層建筑已成為現(xiàn)代社會科學和技術發(fā)達的標志之一，是人口密度增大，城市功能集中的必然產(chǎn)物，也是人類不斷向新的高度挑戰(zhàn)，不斷探索新的建造技術，開發(fā)新型建筑體系和材料的體現(xiàn)。高層建筑為人類提供了高密度、大容量的居住或工作空間，給現(xiàn)代人的生活和工作帶來許多方便，同時對城市環(huán)境、居住條件以及生活方式也帶來諸多影響。高層建筑的發(fā)展同樣推動了結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，人們對結(jié)構(gòu)材料的工作性能提出了更高的要求，由于承重墻等結(jié)構(gòu)的要求，除了高工作度外，在實際應用中還希望結(jié)構(gòu)材料具有高的強度和耐久性。高強度混凝土是其中應用的十分廣泛的一種結(jié)構(gòu)材料。利用火山灰質(zhì)混合材料作添加劑，是目前國內(nèi)外配制高強混凝土用的最多的方法，而使用硅粉時將很容易制成抗壓強度高達100 MPa 的高性能混凝土，對于制備強度超過100 MPa 的混凝土，硅粉的使用則幾乎是不可缺少的。使用硅粉后，由于硅粉的顆粒很小，比水泥顆粒小20～100 倍，可以填充到水泥顆粒中間的空隙中；同時硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中孔隙結(jié)構(gòu)，極大地降低了水化漿體中的孔隙尺寸，改善了孔隙尺寸分布[ 4 ] ，

　　于是使強度增加，滲透性降低。同時，在高層建筑施工中，盡管樓板可以完全在工廠預制，現(xiàn)場吊裝，但是有些建筑物為了提高其整體性，仍然需要采用現(xiàn)澆樓板的施工方法，泵送大流動性混凝土有效地解決了這一問題，而摻入硅粉是制備大流動性混凝土的基本途徑之一。在新拌硅粉混凝土中，硅粉在混合料中起“滾珠”的作用，從而使泵送和灌注更為容易；由于硅粉微珠的潤滑作用，也減少了用水量。另外，由于硅粉混凝土的強度貢獻主要在28d 之前，因此可以加快施工模板的周轉(zhuǎn)，提高施工的進度。除此之外，由于微硅粉具有高活性，在 Al2O3 成份存在的前提下，更易生成莫來石相，使耐火材料的高溫強度、熱震性明顯提高，因此硅粉混凝土還是一種優(yōu)良的耐火材料，十分適合在高層建筑中使用。由此可見，硅粉混凝土作為一種性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，在高層建筑物的建設中大有可為。

3.2 交通環(huán)境

　　作為具有自然屬性與社會屬性的人類，同時還需要一定的交通環(huán)境來滿足彼此間的聯(lián)系與交流，例如，海港，道路，橋梁等。而交通環(huán)境的運營及發(fā)展，也對材料提出了更加深入的要求。在寒冷地區(qū)，海岸及近海的混凝土結(jié)構(gòu)，除了遭受凍融作用外，還受潮汐的干濕作用，以及遭受海水浪花的沖擊，這部分的混凝土最容易損壞。而高性能混凝土的出現(xiàn)，則很有效地解決了這些問題。硅粉作為制備高性能混凝土材料的一種外摻合料，在解決這些病害時的作用是尤為顯著的。當硅粉摻量少于15％時，在一個很寬的水灰比范圍內(nèi)，硅粉能增強混凝土的抗凍性和抗鹽蝕性能，甚至比增加抗壓強度還顯著。摻硅粉混凝土的抗凍性可以從含氣量方面來做考察。研究表明，摻硅粉的空氣－孔參數(shù)、引氣量性能都比普通混凝土要好，從而提高了混凝土的抗凍性能。另外，在硅粉混凝土內(nèi)摻入高效減水劑，可以生產(chǎn)出滲透性能很低，強度很高的混凝土，十分適合寒帶混凝土結(jié)構(gòu)和寒冷地區(qū)近海結(jié)構(gòu)工程。硅粉混凝土也曾用于近海結(jié)構(gòu)的水下維修，降低滲透性和提高抗磨損性能，很適宜于惡劣環(huán)境下的維修工程[ 5 ]。另一方面，在路用混凝土中摻加適當?shù)墓璺勰茱@著提高混凝土的路用性能?；炷凉仿访娴膿p壞是不可避免的。用硅粉混凝土進行路面修補，由于硅粉混凝土的早期強度高，路面修復時間較短，從而減少了路面修復施工時所引起的路面交通中斷時間。同時，由于硅粉混凝土的耐磨性能較好，因此也是一種優(yōu)異的路面材料。在隧道等工程施工中，需要進行噴射混凝土施工，硅粉混凝土在這一領域也有其獨到之處?；炷林袚饺牍璺酆螅@著改善了塑性混凝土粘附性能和凝聚性，大幅度降低了回彈量，增大噴射混凝土一次成型厚度，縮短工期，節(jié)省了工程造價。在歐美國家，75% 的噴射混凝土都摻入硅灰，而挪威和瑞典，硅粉是噴射混凝土的必備材料?？傊?，硅粉混凝土在交通建設方面的應用十分廣泛，而且已經(jīng)日益成為一種交通建設不可或缺的工程材料，其應用的前景十分可觀。

3.3 自然環(huán)境

　　自然環(huán)境是人居環(huán)境的基礎，人們的生產(chǎn)和生活以及具體的人居環(huán)境建設活動都離不開更為廣泛的自然背景。理想的人居環(huán)境應實現(xiàn)人與自然的和諧統(tǒng)一，實現(xiàn)人與自然的可持續(xù)發(fā)展。建筑材料是人與自然相互作用的媒介，在很大程度上影響著人居環(huán)境與自然的和諧性。當前，大量使用的傳統(tǒng)硅酸鹽混凝土不僅浪費資源和能源，而且破壞生態(tài)環(huán)境，不利于人居環(huán)境的建設 [6]，發(fā)展生態(tài)水泥混凝土已成為實現(xiàn)人居環(huán)境與自然可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。生態(tài)水泥就是利用各種廢棄物，包括各種工業(yè)廢料，廢渣以及城市生活垃圾作為原材料制造的水泥[ 7 ]。近年來，已經(jīng)出現(xiàn)了多種生產(chǎn)生態(tài)水泥混凝土的技術，硅粉混凝土就是利用廢棄物生產(chǎn)生態(tài)水泥混凝土的一種典型方法。在普通硅酸鹽水泥中添加硅粉，可以大摻量地利用工業(yè)副產(chǎn)品(粉煤灰和礦粉等)和廢料(化學廢料和碎玻璃等)作為摻合料，其中外摻合料的摻入量最高可達60% 以上，而所生產(chǎn)的水泥可用于生產(chǎn)高強混凝土在內(nèi)的多種混凝土，同時大量地減少了高價耗能的水泥熟料的用量。這種水泥采用比普通水泥少3 0 % ～50% 的水泥熟料，所產(chǎn)生的環(huán)境破壞也比較小[ 8 ]，從而實現(xiàn)了人居環(huán)境與自然環(huán)境的和諧發(fā)展。硅粉混凝土利廢的作用機理在于硅粉與各種粉磨礦物摻合料之間的復合作用，提高了膠凝材料的火山灰效應，增加了體系中微粒間的化學交互、誘導激發(fā)作用，因此提高了粉體的化學活性[ 9 ]，實現(xiàn)了大摻量的廢物利用。由此可見，硅粉混凝土的出現(xiàn)是改善自然環(huán)境，促進人居環(huán)境與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的一條有效途徑。

4 結(jié)語

　　硅粉混凝土在人居環(huán)境的建設中正在發(fā)揮著日益重要的作用，大力發(fā)展硅粉混凝土并對硅粉混凝土的作用機理進行進一步的研究和探討，已經(jīng)成為人居環(huán)境建設的當務之急。另一方面，由于我國的硅灰產(chǎn)量有限、價格昂貴(2500 元/t)[10]，因此開展采用其它工業(yè)固體廢渣粉部分取代硅灰配制高性能混凝土的研究也應該得到大力的支持與重視。

參考文獻

1　吳良鏞.開拓面向新世紀的人居環(huán)境學.建筑學報，1995,(3)：9.

2　楊靜.建筑材料與人居環(huán)境.北京.清華大學出版社，2001.

3　許增建,范旭東.高性能硅粉混凝土的探討.黑龍江水專學報，2005,(6) ：144～145.

4　李小敏.硅粉混凝土的強度和耐久性的研究進展. 建筑技術開發(fā)，2005,(1)：47.

5　馮乃謙.混凝土在海水中的耐久性.施工技術,1995,(11)：43.

6　孫志剛.我國摻合料及摻合料技術現(xiàn)狀和展望. 混凝土與制品，2004,(11)：106～110.

7　施惠生，袁玲.生態(tài)水泥的研究與進展.建筑材料學報，2003.(6)：166～172.

8　Konstantin SOBOLEV, Lefke-TRNC Metin ARIKAN, High VolumeMineral Additive for Eco-Cement,American Ceramic Society Bulletin-January2002.

9 　李愛武，王琮，楊崎，遲培云.復合超細粉提高混凝土耐久性的研究.低溫建筑技術，2004,(4)：10～11.

10 李家和，李秋義，呂寶玉.礦物質(zhì)摻合料對高強混凝土強度和微觀結(jié)構(gòu)的影響.哈爾濱師范大學自然科學學報，2002,(3)：73～78.