硅粉混凝土與人居環(huán)境

1 引言

　　“人居環(huán)境”是人類社會(huì)發(fā)展到20 世紀(jì)后期才提出的概念，它標(biāo)志著人類對(duì)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(gè)城市、鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村的體形，它所指的是人類活動(dòng)的全過程，包括居住、工作、教育、衛(wèi)生、文化、娛樂等，以及維護(hù)這些活動(dòng)而進(jìn)行實(shí)體結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合[ 1 ]。”人居環(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(guān)，建筑材料的進(jìn)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(shí)現(xiàn)“與自然協(xié)調(diào)，與環(huán)境共生”的一個(gè)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?yàn)榫哂辛己玫幕鹕交倚再|(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(shí)由電弧爐中高純度石英與焦碳發(fā)生還原反應(yīng)而生成的。硅粉具有以下特性：① 它是一種非常細(xì)的粉末，主要成分是顆粒極細(xì)(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?yàn)楣枋菑恼羝淠茫势浞勰┚哂蟹浅Ｍ昝赖那驙钚螒B(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(duì)新拌和硬化混凝土的作用與上述幾個(gè)特性有關(guān)。硅粉的主要品質(zhì)指標(biāo)是它的SiO2 含量和細(xì)度。S i O 2 含量越高、細(xì)度越細(xì)，其對(duì)混凝土的改性效果也越好[ 3 ]。目前，硅粉的應(yīng)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(yīng)用，在人居環(huán)境的建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用。

3　硅粉混凝土對(duì)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(jìn)步，高層建筑已成為現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)和技術(shù)發(fā)達(dá)的標(biāo)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(shù)，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(shí)對(duì)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(dòng)了結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，人們對(duì)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(shí)際應(yīng)用中還希望結(jié)構(gòu)材料具有高的強(qiáng)度和耐久性。高強(qiáng)度混凝土是其中應(yīng)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(qiáng)混凝土用的最多的方法，而使用硅粉時(shí)將很容易制成抗壓強(qiáng)度高達(dá)100 MPa 的高性能混凝土，對(duì)于制備強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度增加，滲透性降低。同時(shí)，在高層建筑施工中，盡管樓板可以完全在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)度貢獻(xiàn)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(jìn)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(qiáng)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(shè)中大有可為。

3.2 交通環(huán)境

　　作為具有自然屬性與社會(huì)屬性的人類，同時(shí)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(yùn)營及發(fā)展，也對(duì)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(shí)的作用是尤為顯著的。當(dāng)硅粉摻量少于15％時(shí)，在一個(gè)很寬的水灰比范圍內(nèi)，硅粉能增強(qiáng)混凝土的抗凍性和抗鹽蝕性能，甚至比增加抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)?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(jìn)行路面修補(bǔ)，由于硅粉混凝土的早期強(qiáng)度高，路面修復(fù)時(shí)間較短，從而減少了路面修復(fù)施工時(shí)所引起的路面交通中斷時(shí)間。同時(shí)，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(jìn)行噴射混凝土施工，硅粉混凝土在這一領(lǐng)域也有其獨(dú)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(jià)。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。總之，硅粉混凝土在交通建設(shè)方面的應(yīng)用十分廣泛，而且已經(jīng)日益成為一種交通建設(shè)不可或缺的工程材料，其應(yīng)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(chǔ)，人們的生產(chǎn)和生活以及具體的人居環(huán)境建設(shè)活動(dòng)都離不開更為廣泛的自然背景。理想的人居環(huán)境應(yīng)實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧統(tǒng)一，實(shí)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(dāng)前，大量使用的傳統(tǒng)硅酸鹽混凝土不僅浪費(fèi)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(shè) [6]，發(fā)展生態(tài)水泥混凝土已成為實(shí)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(shù)，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(xué)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(dá)60% 以上，而所生產(chǎn)的水泥可用于生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土在內(nèi)的多種混凝土，同時(shí)大量地減少了高價(jià)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(shí)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(jī)理在于硅粉與各種粉磨礦物摻合料之間的復(fù)合作用，提高了膠凝材料的火山灰效應(yīng)，增加了體系中微粒間的化學(xué)交互、誘導(dǎo)激發(fā)作用，因此提高了粉體的化學(xué)活性[ 9 ]，實(shí)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(jìn)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(shè)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(duì)硅粉混凝土的作用機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討，已經(jīng)成為人居環(huán)境建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。另一方面，由于我國的硅灰產(chǎn)量有限、價(jià)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(yīng)該得到大力的支持與重視。

參考文獻(xiàn)

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

2　楊靜.建筑材料與人居環(huán)境.北京.清華大學(xué)出版社，2001.

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4　李小敏.硅粉混凝土的強(qiáng)度和耐久性的研究進(jìn)展. 建筑技術(shù)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(shù),1995,(11)：43.

6　孫志剛.我國摻合料及摻合料技術(shù)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(jìn)展.建筑材料學(xué)報(bào)，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(fù)合超細(xì)粉提高混凝土耐久性的研究.低溫建筑技術(shù)，2004,(4)：10～11.

10 李家和，李秋義，呂寶玉.礦物質(zhì)摻合料對(duì)高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2002,(3)：73～78.