微硅粉：从工业副产品到高性能材料添加剂

微硅粉：从工业副产品到高性能材料添加剂

微硅粉（硅灰）是一种在冶炼硅铁或工业硅过程中产生的副产品，主要由无定形、粉末状的二氧化硅组成。它具有极高的比表面积和火山灰活性，广泛应用于高性能混凝土、耐火材料、冶金等行业。本文将详细介绍微硅粉的定义、历史、物理化学性质及其在多个领域的具体应用。

什么是微硅粉？

微硅粉（学名“硅灰”，英文名 Microsilica 或 Silica Fume ），是冶炼硅铁或工业硅时，通过烟道排出的硅蒸汽氧化后，经特别设计的收尘器收集的工业烟尘，即无定形、粉末状的二氧化硅（ SiO2 ）。

原材料 冶炼炉 预除尘和风机 袋式收尘器 微硅粉

微硅粉的历史

• 1947年第一次在美国专利中提到
• 1950年第一次在挪威进行混凝土试验
• 1971年第一次在商品混凝土应用
• 七十年代初期在挪威允许应用于混凝土
• 1980年挪威产量约55000吨/年
• 1987年有产品标准（加拿大、ASTM，等等）
• 自2000年国内环保控制，大量收集生产，广泛应用

微硅粉的物理性质

• 颗粒尺寸：大多数颗粒为亚微米，平均粒径0.15微米，约比水泥颗粒小一百倍。
• 颗粒形状:平滑球形颗粒。比重约2.2（水泥典型值3.1）。 比表面积范围在15000 ~ 30000 m2/kg （采用氮吸附法BET测试）
• 颜色随C、Fe2O3含量增高而色泽由白、灰白到灰、深灰变化。

微硅粉的化学性质

• 二氧化硅含量大于85％，无定形的活性硅，具有火山灰活性能与Ca(OH)2反应，烧失量小于6％
• 炉气上升也夹带着杂质，如游离C、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O等。

产品规格

根据堆积密度不同分为三种：

1. 直接收尘的微硅粉，我们称之为原灰，其堆积密度130~180kg/m3。
2. 为了运输和工程应用的方便，对原灰进行加密处理。经过加密的微硅粉，堆积密度320-350kg/m3为半加密。堆积密度600-700kg/m3为全加密。

根据二氧化硅含量不同分为三种：

微硅粉的应用

在高性能混凝土中的作用

• 可降低氯离子和海水对混凝土的侵蚀性
• 可以使混凝土拥有极高的电阻系数
• 可以提高建筑物如飞机跑道、航母甲板、高速公路等的抗磨损性
• 可以拥有较强的抗化学腐蚀能力

在耐火材料行业中的作用

• 传统耐火材料中有众多孔隙，微硅粉充填于孔隙中，提高了体积密度和降低气孔率，强度可明显增强
• 微硅粉有强的活性，在水中能形成胶体粒子，加入适量的分散剂，可增强流动性，从而改善浇注性能
• 微硅粉在水中易形成—Si-OH基，具有较强的亲水性和活性，能增强耐火材料的凝聚，同时对高温性能有较大的改善，并可延长耐火制品的使用寿命
• 代替纯铝氧化泥作耐火材料，节省成本

其他应用

• 应用于水泥工业 这种类似于混凝土添加材料，目前一些国家在不断发展这方面的应用，研制各种混合水泥，质量优于普通水泥。
• 作化肥的防结块剂
• 作硅酸盐砖的原料
• 利用二氧化硅粉尘制取树脂及其他高分子有机化合物为主的聚合物产品，并用作黑、白碳黑、滑石、石棉、气溶剂等物的代用品，作为添加材料

微硅粉的具体应用领域

1. 用于砂浆与砼中：

• 高层建筑物、海港码头、水库大坝、水利、涵闸、铁路、公路、桥梁、地铁、隧道、机场跑道、砼路面以及煤矿巷道锚喷加固等。

2. 材料工业中：

• 高档高性能低水泥耐火浇注料及预制件，使用寿命是普通浇注料的三倍，耐火度提高约100℃，高温强度及抗热震性能都明显改善。已普遍应用于：焦炉、炼铁、炼钢、轧钢、有色金属、玻璃、陶瓷及发电等行业。
• 大型铁沟及钢包料、透气砖、涂抹修补料等。
• 自流型耐火浇注材料及干湿法喷射施工应用。
• 氧化物结合碳化硅制品（陶瓷窑窑具、隔焰板等）。
• 高温型硅酸钙轻质隔热材料。
• 电瓷窑用刚玉莫来石推板。
• 高温耐磨材料及制品。
• 刚玉及陶瓷制品。
• 目前除在浇注型耐火材料中普遍使用之外，在电熔和烧结型耐火材料亦获得大量应用。

3. 新型墙体材料、饰面材料：

• 墙体保温用聚合物砂浆、保温砂浆、界面剂。
• 水泥基聚合物防水材料。
• 轻骨料保温节能砼及制品。
• 内外墙建筑用腻子粉加工。

4. 其他用途：

• 硅酸盐砖原料。
• 生产水玻璃。
• 用做有机化合物的补强材料。因其成份与气相法生产的白炭黑相近。可以用在橡胶、树脂、涂料、油漆、不饱合聚酯等高分子材料中用作填充补强材料。
• 化肥行业中用作防结块剂。

微硅粉的主要功能

1. 水泥或混凝土掺合剂

• 微硅粉能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。在水泥基的砼、砂浆与耐火材料浇注料中，掺入适量的硅灰，可起到如下作用：
• 显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能。
• 具有保水、防止离析、泌水、大幅降低砼泵送阻力的作用。
• 显著延长砼的使用寿命。特别是在氯盐污染侵蚀、硫酸盐侵蚀、高湿度等恶劣环境下，可使砼的耐久性提高一倍甚至数倍。
• 大幅度降低喷射砼和浇注料的落地灰，提高单次喷层厚度。
• 是高强砼的必要成份，已有C150砼的工程应用。
• 具有约5倍水泥的功效,在普通砼和低水泥浇注料中应用可降低成本.提高耐久性。
• 有效防止发生砼碱骨料反应。
• 提高浇注型耐火材料的致密性。在与Al2O3并存时，更易生成莫来石相，使其高温强度，抗热振性增强。
• 具有极强的火山灰效应，拌合混凝土时，可以与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，形成胶凝产物，填充水泥石结构，改善浆体的微观结构，提高硬化体的力学性能和耐久性。
• 微硅粉为无定型球状颗粒，可以提高混凝土的流变性能。
• 微硅粉的平均颗粒尺寸比较小，具有很好的填充效应，可以填充在水泥颗粒空隙之间，提高混凝土强度和耐久性。

2. 耐火材料添加剂

• 优质微硅粉主要被用作高性能耐火浇注料、预制件、钢包料、透气砖、自流型耐火浇注料及干湿法喷射材料。在高温陶瓷领域，如：氧化物结合碳化硅制品，高温型硅酸钙轻质隔热材料，电磁窑用刚玉莫来石推板，高温耐磨材料及制品，刚玉及陶瓷制品，赛龙结合制品等，微硅粉的使用具有高流动性、低蓄水量、高致密度和高强度等特点。

3. 冶金球团粘合剂

• 微硅粉用水调和制球团后进行自然干燥或烧结，不另加粘结剂，球团中杂质很少，可返回电炉作为冶炼材料。

4. 化工产品分散剂

• 为了防止某些化工合成粉体结块，可用微硅粉取代较贵的处理材料，代替部分分散隔离及或增加效果，广泛用于微细农药、化肥、灭火剂等产品。