2.5 硅粉

2.5.1 硅粉的定义

硅粉又称硅灰，是工业电炉在高温熔炼工业硅及硅铁合金的过程中，随废气逸出的烟尘经收尘器从电弧炉烟气中收集到的、无定形二氧化硅含量很高的微细球形颗粒。在逸出的烟尘中，SiO₂含量约占烟尘总量的90%，颗粒度非常小，平均粒度接近纳米级，因此通常硅粉活性很高，多用于高强高性能混凝土中。

硅及硅合金冶炼过程中，在约2000℃高温电弧炉内，高纯度的石英被焦炭还原成硅，约有10%～15%的硅化为蒸气，进入烟道。硅蒸气在烟道内随气流上升，遇氧结合成一氧化硅（SiO），逸出炉外时，SiO遇冷空气与氧气进一步化合成为二氧化硅（SiO₂）。其主要化学反应过程如式（2.5-1）～式（2.5-3）所示。

硅粉作为一种工业固体废弃物，由于其本身质轻且易漂浮，若不经处理，则会成为一种危害环境的污染物。对于一个5000kVA的电弧炉来说，每天将产生10～20t硅粉，若直接排放到大气中，将严重污染环境，因此，大部分硅合金厂都有硅粉回收装置。硅粉回收装置一般有两种形式，直接收集（无余热回收）和间接收集（有余热回收）。直接收集的硅粉在炉内通风降温，出炉温度为200℃，然后进入集尘室，这种方法收集的硅粉含碳量多，烧失量大。间接收集的硅粉出炉温度为800℃，通过余热回收装置，硅粉温度降至150℃，然后到集尘室，这种硅粉在800℃温度下，碳已基本烧尽，故含碳量少，烧失量也少，硅粉质量高。

2.5.2 化学成分

由于硅及硅金冶炼原料和生产工艺的不同，硅粉的化学成分也存在着差异。作为掺和料来应用的硅粉要求含有85%以上的SiO₂，且绝大部分为无定形SiO₂，另外还含有少量的Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、CaO、Na₂O、K₂O和C等。非晶态SiO₂含量越多，则硅粉火山灰活性越大，二次水化反应能力越强。但高品质的硅粉的比例较小，因此有必要对低品质硅粉（SiO₂含量不大于85%）的开发和使用进行深入研究，以充分利用硅粉资源。表2.5-1列出了国内外部分厂家的硅粉化学成分。

2.5.3 颗粒形态

2.5.3.1 结构形态

硅粉在冷凝时的气、液、固相变过程中受表面张力的作用，所形成的硅粉都呈很规则的圆球状，且表面较为光滑。在水泥中掺入这种微小光滑的球状粉粒可以起到润滑作用，减小水泥颗粒之间的内摩擦力，从而改善混凝土的施工性能，并相应地降低用水量。此外，由于形成硅粉的冷凝过程非常快，一般来说，SiO₂来不及形成晶体，绝大部分呈无定形非晶态状，是一种具有很大表面活性的火山灰质材料，是优质的水泥、混凝土掺和料。

图2.5-1显示硅粉的XRD图谱为典型的玻璃态特征的弥散峰。衍射图中2θ=22.4°(CuKα)处的缓坡峰形状不是结晶衍射峰，而是典型的玻璃态特征弥散峰。将非晶态的硅粉加热至1100℃，X射线图上2θ=21.9°(CuKα)的第一个峰变成了α方晶石。

2.5.3.2 颜色

硅粉一般为青灰色或灰白色。若在原料中加木屑以增加碳含量，则硅粉会呈现黑色。采用无余热回收装置收集的硅灰，由于负荷表面上部气体温度在200～400℃，在这样低的温度下收集的硅粉含碳量多，多少有点暗灰色。采用带余热回收装置收集的硅粉，负荷表面上部气体温度大约为800℃，大部分碳被燃烧掉，故收集的硅粉含碳量低，呈白或灰白色。以往带余热回收装置的铁合金厂很少，因此，白色硅粉较少见。

2.5.3.3 形状

硅粉的颗粒极其细微。在电镜下观察呈球形，有时聚合成团絮状，其颗粒尺寸基本都在1μm以下，平均粒径为0.1μm，约为水泥粒径的1%，是一种超微细粉，如图2.5-2所示。平均密度约为2.2g/cm³，松散密度为250～300kg/m³，约为水泥的1/3。硅粉很细，具有巨大的比表面积，一般为20000～23000m²/kg，比粉煤灰大50倍左右，比水泥大50～100倍，在10%掺量下，火山灰活性指数通常可达110%以上，需水量比在130%～140%之间。

2.5.4 品质指标

近年来，硅粉作为混凝土掺和料在大中型水利水电工程混凝土中得到了成功应用，积累了较多的工程经验。2011年制定的国家标准GB/T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》，对用于水工混凝土的硅粉的总碱量、SiO₂含量、氯含量、含水率（粉料）、烧失量、需水量比、比表面积（BET法）、活性指数（7d快速法）、放射性、抑制碱-骨料反应性、抗氯离子渗透性等品质指标做出了具体规定。GB/T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》中硅粉的品质指标列于表2.5-2中。

硅粉相比水泥、矿渣、粉煤灰等材料密度和烧失量更小，但却具有相当大的比表面积，见表2.5-3。