陳純森 技師
成功大學建築研究所 教授級專家
高雄大學土木環工系 副教授專技
壹、矽灰之產出
矽灰(silica fume)為超細粉之二氧化矽，為灰色或灰白色粉末，是電爐冶煉矽鐵合金或提煉工業矽材時的副產品，如照片1。其實二氧化矽本身是沒有顏色的材質，其顏色是來自其他的成分，例如碳元素與氧化物。冶煉矽鐵時，參見圖1，Si氣體與空氣中的氧氣會迅速氧化，而冷凝成超細矽質的粉體材料SiO2。ASTM C1240(ACI 116R)將矽灰定義為非常細小的非結晶型二氧化矽，可做為高反應性之卜作嵐材料。台灣煉製矽鐵之工廠不多，故矽灰之產量也較少。
矽鐵是矽與鐵組成的鐵合金。冶煉矽鐵是以焦炭、鐵屑、石英(或矽石)為原料，用電爐冶煉製成的鐵矽合金，由於矽和氧很容易結合成二氧化矽，所以矽鐵常於煉鋼時作為脫氧劑。矽鐵之成分與SiO2之含量分別如表1與表2。
照片1 矽灰樣品【1】
圖1 冶煉矽鐵產出矽灰
表1 矽鐵成分【3】
|
規格 |
Si |
P |
C |
S |
Al |
尺度 |
|
矽鐵#72 |
≥72% |
≤0.04% |
≤0.2% |
≤0.02% |
≤2% |
10-100mm |
|
矽鐵#75 |
≥75% |
≤0.04% |
≤0.2% |
≤0.02% |
≤2% |
表2 矽合金之SiO2含量【4】
|
矽合金種類 |
矽灰之SiO2含量(%) |
|
矽鐵50% |
61~84 |
|
矽鐵75% |
84~91 |
|
矽合金(98%) |
87~98 |
貳、矽灰之成分與性質
矽灰之顆粒甚小，粒徑約為0.1～0.2μm，為奈米級(Nanometer)尺寸，比重約為2.2，一般水泥之比重為3.1。矽灰鬆方之單位重為200~300kg/m3。ASTM C1240規定矽灰之二氧化矽含量必須超過85％，實際之成分樣本，如表3。
矽灰之比表面積(13,000~30,000m2/kg)平均為21,500m2/kg，約為水泥(300~400m2/kg)的30～100倍；飛灰(400~700m2/kg)的20～75倍；高爐爐渣粉(350~600m2/kg)的20~85倍。其耐火溫度高達1,600℃。ASTM C1240規定矽灰之比表面積至少15,000 m2/kg，且與水泥作用7天之加速卜作嵐強度活性指數最少須控制105%。矽灰屬於中性物質，一般矽灰之酸鹼度pH=6~7。
表3 矽灰之成分樣本(%)
|
文獻 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
Na2O |
K2O |
|
【1】 |
96.0 |
0.1 |
0.6 |
0.1 |
0.2 |
2.86 |
0.1 |
0.4 |
|
【2】 |
92.3 |
0.9 |
2.0 |
0.5 |
1.0 |
0.3 |
0.4 |
1.3 |
|
【4】 |
93.2 |
0.31 |
1.12 |
0.44 |
1.08 |
- |
0.1 |
1.37 |
叁、矽灰之利用
矽灰可改善混凝土的機械性質、水密性與耐久性，西元1952年最早探討矽灰的國家，為位於斯堪地那維亞半島的北歐國家，如冰島、瑞典與挪威等國。後來南非的學者，發現矽灰可以有效控制鹼骨材反應。美國工兵局(Corps of Engineers)在1983年才正式使用於公有工程。
由於矽灰之顆粒極細小，可以填充混凝土內部之空隙。且矽灰之比表面積超大，水化時大量加速卜作嵐反應，除了可以去除水化過程的有害鹼性物質、生成C-S-H膠體用以膠結粒料外，尚可提高混凝土之抗壓強度與潤滑的作用，是一種優質的卜作嵐材料。圖2為混凝土填加矽灰前、後之強度比較曲線，混凝土之強度顯然提昇許多，但對水泥漿之強度沒什影響，矽灰填加前後之試體均維持相同之水灰比。
圖2 混凝土填加矽灰前、後之強度比較【4】
矽灰之抵抗硫酸鹽侵蝕、氯鹽污染侵蝕或潮濕性之能力甚強，可以延長混凝土之使用年限。填加矽灰之混凝土尚可耐高溫、且降低混凝土施工成本。矽灰若摻入混合水泥(blended cement)6~8%，亦可降低鹼骨材之反應。
肆、品質管控
ASTM C1240規定矽灰與水泥之鹼骨材反應，於14天之砂漿膨脹必須減少80%以上；抗硫酸鹽之膨脹性，於一般之阻抗6個月時應小於0.1%，於高阻抗6個月時應小於0.05%，於超高阻抗1年時應小於0.05%。
工程會施工綱要規範第3373章矽灰混凝土規定：矽灰混凝土之水泥必須使用II型水泥，且矽灰用量不得超過水泥之10%。工程實務建議矽灰之填加量為5~8%，過量矽灰之混凝土其粘度較稠、坍度較小、工作度差，且泵送較難，須填加減水劑改善，或增加用水量。若用於高強度混凝土則應填加高效減水劑，水膠比約0.25時，抗壓強度可高達12,000psi，遠高於台北101金融大樓所使用之混凝土強度10,000psi。填加矽灰時，混凝土之攪拌時間需延長約30秒，且矽灰混凝土容易結團，最好不停攪拌以保證混合均勻，運送使用之時間必須縮短以防止坍度降低。由於矽灰之氧化鈣成分偏低，如果填加量過高會降低混凝土氫氧化鈣之膠結性，故矽灰混凝土雖可發揮超高之抗壓強度，但早期塑性裂損較敏感，使用之構造或部位必須謹慎評估，且養護期間最好維持14天，提高效果。
由於矽灰之顆粒極細小，包裝與運輸均極其不便，部分廠商將矽灰噴灑水氣使矽灰結成矽顆粒。但此種作法為不可逆之反應，矽灰顆粒不容易打碎也不易水化，故不能填加於混凝土作為卜作嵐材料，只能做為回填材料。
由於超細的矽灰是一種活潑未定形(amorphous)之非結晶物質，美國職業安全衛生管理局OSHA (Occupational Safety and Health
Administration)將其定位為危害物質，作業人員操作時必須格外小心。
伍、結語
使用矽灰之混凝土固然有諸多好處，但許多配套措施亦必須嚴謹管控，方能奏效。
參考文獻
【1】Effect of Silica Fume in Concrete,Vikas Srivastava , Alvin Harison , P.K.Mehta, Atul, Rakesh Kumar,National Conference on Recent Advances in Civil Engineering,IJIRSET,Nov.2013.
【2】亞東混凝土網頁資料。
【3】勁連企業公司網頁資料。
【4】Guide for the Use of Silica Fume in Concrete,ACI 234R-06.
【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載；未經允許請勿任意轉載】
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