相較于普通混凝土，含有硅灰的混凝土在微觀結(jié)構(gòu)層面展現(xiàn)出鮮明的特質(zhì)，其結(jié)構(gòu)均勻性顯著提升。于低水膠比的情境下，硅灰的融入促使水泥石的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻演變。原本水泥石中的微結(jié)構(gòu)可能存在較多孔隙且結(jié)晶狀態(tài)相對(duì)良好的水化物，而在硅灰介入后，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛山Y(jié)晶不良的水化物主導(dǎo)構(gòu)建的體系，進(jìn)而形成一種孔隙率大幅降低且更為致密緊實(shí)的基質(zhì)構(gòu)造。伴隨著硅灰含量的逐步遞增，水泥石內(nèi)部發(fā)生了重要的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化，即氫氧化鈣（Ca(OH)?）向硅酸鈣水化物的轉(zhuǎn)變量持續(xù)增加。這一變化直接導(dǎo)致水泥石中的 CH 含量呈現(xiàn)出隨硅灰摻量上升而下降的趨勢(shì)。并且，剩余的 CH 與未添加硅灰的硅酸鹽水泥相較而言，其晶粒的形成更傾向于細(xì)小化，這種微觀結(jié)構(gòu)的改變對(duì)于提升水泥石的整體性能具有積極意義。
在普通硅酸鹽水泥中引入硅灰后，水化物中的化學(xué)組成比例發(fā)生了顯著變化，其中 Ca/Si 比值明顯減小。這一化學(xué)組成的改變賦予了水化物獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，使其具備更強(qiáng)的與其他離子相結(jié)合的能力。從宏觀性能表現(xiàn)來(lái)看，水泥石抗離子侵入的屏障作用得以強(qiáng)化，能夠更為有效地抵御外界有害離子的滲透侵蝕。同時(shí)，對(duì)于堿 – 骨料反應(yīng)這一可能?chē)?yán)重?fù)p害混凝土耐久性的問(wèn)題，也具備了更強(qiáng)的抑制能力，從而極大地提升了混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性與耐久性。
與此同時(shí)，硅灰在混凝土中還對(duì)骨料與水泥石之間的界面過(guò)渡區(qū)有著積極的改善作用。當(dāng)混凝土中摻有硅灰時(shí)，能夠促使骨料周?chē)恢旅艿臒o(wú)定形的 C – S – H 相所充分填充包裹。以含有 10%硅灰的水泥砂漿微觀結(jié)構(gòu)研究為例，在水化歷經(jīng) 28 天之后，對(duì)試樣進(jìn)行微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，其總孔隙率相較于未添加硅灰的對(duì)照組提高了 8%。深入探究其內(nèi)在原因，是由于硅灰與 Ca(OH)?之間的火山灰反應(yīng)呈現(xiàn)出高度均勻的分布特性，并非如傳統(tǒng)認(rèn)知中那樣集中于界面區(qū)域。相反，該反應(yīng)主要發(fā)生在漿體的毛細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部。這種獨(dú)特的反應(yīng)分布模式猶如在漿體內(nèi)部的毛細(xì)管道中設(shè)置了一道道“阻塞關(guān)卡”，在很大程度上有效堵塞了漿體內(nèi)部原本可能存在的毛細(xì)通道，使得孔隙率顯著降低。而孔隙率的降低直接關(guān)聯(lián)著混凝土強(qiáng)度的提升，尤其是在試樣硬化后期，強(qiáng)度的增長(zhǎng)更為明顯，為混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期承載與環(huán)境作用下的性能表現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
新拌混凝土作為水泥、水、集料以及外加劑相互交融混合而成的復(fù)雜體系，其性能的優(yōu)劣對(duì)于澆筑工程的質(zhì)量以及混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的耐久性均有著極為關(guān)鍵的影響。其中，和易性與流變性乃是新拌混凝土性能的核心表征要素。
諸多研究表明，硅灰的摻入能夠顯著增強(qiáng)混凝土拌合物的密實(shí)性。這是由于硅灰顆粒具有極高的細(xì)度與巨大的比表面積，它們能夠在混凝土體系中均勻分散，并填充于水泥顆粒、集料以及其他孔隙之間，從而減少了內(nèi)部空隙的存在，使得混凝土結(jié)構(gòu)更為致密。然而，硅灰的摻量并非越多越好。當(dāng)硅灰摻量達(dá)到 4% 以上時(shí)，混凝土拌和物的黏聚性會(huì)呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)。這一現(xiàn)象主要?dú)w因于硅灰的高活性以及其與水泥水化產(chǎn)物之間的相互作用，使得混凝土各組分之間的吸引力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致流動(dòng)性開(kāi)始變差。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與綜合分析發(fā)現(xiàn)，從整體性能平衡的角度考量，較為適宜的硅灰摻量約為水泥總用量的 2%。在此摻量下，混凝土既能保持良好的密實(shí)性，又能維持相對(duì)合適的和易性與流動(dòng)性。
進(jìn)一步研究水灰比為 0.35 的特定情境時(shí)發(fā)現(xiàn)，在停止攪拌后的 0 – 50 分鐘內(nèi)的任意時(shí)刻進(jìn)行坍落度測(cè)量，結(jié)果顯示坍落度會(huì)隨著硅灰摻量的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這一結(jié)果看似與之前硅灰摻量過(guò)高導(dǎo)致流動(dòng)性變差的結(jié)論相悖，但實(shí)則是由于在該水灰比條件下，硅灰的填充與分散作用在一定范圍內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)，改善了混凝土的工作性能。而當(dāng)硅灰摻量為 6% 時(shí)，混凝土的坍落度與擴(kuò)展度能夠同時(shí)達(dá)到最大值。這表明在這一摻量下，硅灰對(duì)混凝土流變性能的改善效果達(dá)到了一個(gè)峰值狀態(tài)，能夠使混凝土在施工過(guò)程中展現(xiàn)出最佳的流動(dòng)性與填充性，從而更易于進(jìn)行澆筑、振搗等施工操作，確?；炷两Y(jié)構(gòu)的均勻性與密實(shí)性。
]]>一、填充作用
二、火山灰反應(yīng)
三、成核作用
綜上所述，微硅粉通過(guò)填充作用、火山灰反應(yīng)和成核作用等多種方式，有效地改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土的性能和耐久性。
]]>2、制造高抗?jié)B(≥ P30 )、結(jié)構(gòu)自防水混凝土，用于地鐵、隧道、高層建筑物的地下室;
3、微硅粉粒度大小分布合理，致密性強(qiáng)，硬度大，耐磨性能好，可大幅度提高固化物的抗拉、抗壓、抗沖擊強(qiáng)度和耐磨性能，抗沖磨能力能提高0.5—2.5倍。
4、微硅粉能增大導(dǎo)熱系數(shù)，改變膠粘性和增加阻燃性能。
5、能降低環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)的放熱峰溫度，降低固化物的線膨脹系數(shù)和固化物的收縮率，從而消除內(nèi)應(yīng)力，防止開(kāi)裂。
6、由于微硅粉的粒度細(xì)，分布合理，能有效的減少和消除沉淀，分層現(xiàn)象；
7、微硅粉質(zhì)純，雜質(zhì)含量低，物化性能穩(wěn)定，使固化物具有良好的絕緣性能和抗電弧性能。
8、制造海工和化工混凝土，由于其高致密性能，有效阻止硫酸鹽及氯離子對(duì)混凝土的滲透、侵蝕，避免混凝土鋼筋受到腐蝕，從而延長(zhǎng)混凝土的壽命;
9、微硅粉的化學(xué)成分為二氧化硅(SiO2)，屬惰性物質(zhì)，與大部分酸、堿不起化學(xué)反應(yīng)，微硅粉均勻分布、覆蓋在物件表面，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，抗空蝕能力提高3—16倍。
10、微硅粉堆積密度?。阂环N在0.2-0.8之間，一種在1.0-2.2之間。作為聚合物填充材料，較其他礦物性填品用量少，裝載重量小，節(jié)省聚合物用量，因此可降低產(chǎn)品成本。
11、微硅粉抗凍性：微硅粉在經(jīng)過(guò)300—500次快速凍解循環(huán)，相對(duì)彈性模量隆低10—20%，而普通混凝土通過(guò)25—50次循環(huán)，相對(duì)彈性模量隆低為30—73%。因此可以提高混凝土的抗凍性。
12、微硅粉早強(qiáng)性：微硅粉混凝土使誘導(dǎo)期縮短，具有早強(qiáng)的特性。這些特性都是很好的!
13、微硅粉在水利、高速公路、橋梁工程項(xiàng)目中，混凝土不僅需要上述基本指標(biāo)，更對(duì)其耐磨、耐沖刷有非?？量痰囊螅瑩饺胛⒐璺鄯浅１匾?
14、微硅粉極強(qiáng)的活性，具有減水性能，適用于快速施工需要的早強(qiáng)、高強(qiáng)混凝土的外加劑; 隧道、地鐵、大型基坑結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中用于支護(hù)的高強(qiáng)噴射混凝土的外加劑;水下施工項(xiàng)目(如：橋墩、大壩、鉆井平臺(tái)等)用的混凝土的外加劑。
]]>微硅粉的價(jià)格構(gòu)成及波動(dòng)因素
由于微硅粉/硅灰屬于工業(yè)副產(chǎn)品，且為初級(jí)應(yīng)用產(chǎn)品，因此工廠生產(chǎn)的每批次微硅粉/硅灰質(zhì)量差異較大，甚至同一批次不同時(shí)段也有差異。這在冶煉工藝、爐溫和原材料不同的情況下尤為明顯。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)微硅粉分級(jí)和深度運(yùn)營(yíng)的公司較少，因此產(chǎn)品的分級(jí)和定價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為模糊，價(jià)格差異較大。從業(yè)近五年，我們接觸過(guò)常規(guī)售價(jià)從500元到6000元不等的硅灰/微硅粉。實(shí)際上，影響微硅粉價(jià)格的核心因素有三個(gè)：成本、需求和市場(chǎng)供應(yīng)。
微硅粉市場(chǎng)中的質(zhì)量問(wèn)題
供應(yīng)價(jià)格的背后，體現(xiàn)的是微硅粉的應(yīng)用價(jià)值。只有下游客戶(hù)應(yīng)用有效果，才愿意長(zhǎng)期采購(gòu)。很多放棄使用微硅粉的項(xiàng)目，被我們重新開(kāi)發(fā)成客戶(hù)，多數(shù)反饋過(guò)之前試驗(yàn)過(guò)微硅粉應(yīng)用，但是最終以失敗告終?；蛘呤?，試驗(yàn)時(shí)，效果尚佳，一到量產(chǎn)，就出現(xiàn)各種問(wèn)題。究其原因，很多情況下是微硅粉產(chǎn)品品質(zhì)的不穩(wěn)定導(dǎo)致。出現(xiàn)不穩(wěn)定，通常有兩種情況，一種是源頭質(zhì)檢能力弱，另一種情況是貿(mào)易商以次充好。短期內(nèi)發(fā)現(xiàn)，可能只是眼前的利潤(rùn)受損。如果應(yīng)用后才發(fā)現(xiàn)，就可能會(huì)產(chǎn)生橋梁、隧道、公路、大樓等應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，相較價(jià)格而言，微硅粉產(chǎn)品的品質(zhì)和穩(wěn)定性應(yīng)被視為優(yōu)先級(jí)更高的考量因素。
品質(zhì)管理措施
微硅粉生產(chǎn)源自冶煉副產(chǎn)，生產(chǎn)工序?qū)|(zhì)量影響較大，通常工廠不會(huì)對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的分級(jí)。微硅粉的品質(zhì)差異主要來(lái)源于冶煉爐類(lèi)型、爐溫分布、原材料質(zhì)量及還原劑的使用等。不同冶煉條件下的爐溫和材料揮發(fā)性影響粒徑和雜質(zhì)含量，不同原料成分和雜質(zhì)的差異也會(huì)影響微硅粉的純度、粒徑及穩(wěn)定性。
為了提升微硅粉品質(zhì)的穩(wěn)定性，裕陽(yáng)團(tuán)隊(duì)投入了大量精力進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和檢測(cè)。我們先后研發(fā)，低壓端功率監(jiān)控、紅外熱成像記錄溫度、原材料檢測(cè)數(shù)據(jù)分析等多種方法，并與國(guó)家級(jí)CNAS實(shí)驗(yàn)室合作檢測(cè)批次產(chǎn)品，以保證產(chǎn)品在穩(wěn)定性和一致性方面達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)。這些措施并未增加顯著成本，但在品質(zhì)提升方面成效顯著。據(jù)我們了解，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的公司如埃肯也在實(shí)施遠(yuǎn)程爐溫監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步推動(dòng)微硅粉生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和品質(zhì)提升。
國(guó)內(nèi)外微硅粉市場(chǎng)的發(fā)展
作為微硅粉應(yīng)用領(lǐng)域的后起之秀，我們還有很長(zhǎng)的路要走。近日，美國(guó)大選剛落下帷幕，微硅粉的美國(guó)出口之路也將迎來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前，裕陽(yáng)團(tuán)隊(duì)在內(nèi)貿(mào)和出口方面均有一定的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，并不斷加強(qiáng)品質(zhì)監(jiān)控。未來(lái)，我們非常愿意以開(kāi)放的心態(tài)分享我們的經(jīng)驗(yàn)，期待有更多的行業(yè)伙伴加入，共同促進(jìn)微硅粉應(yīng)用的多樣化發(fā)展，為建筑、耐材、材料領(lǐng)域帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)的選擇。
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流動(dòng)性對(duì)強(qiáng)度的影響
– 填充性更好：良好的流動(dòng)性使得硅灰能在混凝土等材料中更均勻地分布，更好地填充水泥顆粒之間的空隙，減少孔隙率，使材料結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而提高強(qiáng)度。
– 施工性能提升：流動(dòng)性好便于混凝土的攪拌、運(yùn)輸、澆筑和振搗等施工操作，能保證混凝土在施工過(guò)程中充分密實(shí)成型，避免因施工困難導(dǎo)致的內(nèi)部缺陷，進(jìn)而提高混凝土的整體強(qiáng)度。
強(qiáng)度對(duì)流動(dòng)性的影響
– 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：硅灰參與水泥水化反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密和穩(wěn)定。這種優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在一定程度上有利于保持較好的流動(dòng)性，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以防止顆粒之間過(guò)度團(tuán)聚或堵塞，使物料在流動(dòng)過(guò)程中更加順暢。
– 保水性增強(qiáng)：隨著強(qiáng)度的提高，材料的保水性能通常也會(huì)有所改善。硅灰與水泥水化產(chǎn)物形成的凝膠體能夠吸附和保持水分，減少水分的流失，從而使混凝土在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持一定的濕潤(rùn)狀態(tài)，有助于維持其流動(dòng)性。
]]>2、微硅粉灌漿料根據(jù)建筑類(lèi)型和地下地上腐蝕類(lèi)型，選用耐酸或耐堿的骨科/其中二氧化哇含量較高其耐酸性能越好，如常用的花崗石、玄武石和石英巖等耐酸性較好的石料，氧化鈣、氧化鎂含量高親愛(ài)見(jiàn)性能好，如白云石、石灰石和大理石等。
3、加厚鋼筋保護(hù)層。有腐蝕地下部位的保護(hù)厚度應(yīng)比設(shè)計(jì)加大5-15mm，以抵抗外部較長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕。
結(jié)構(gòu)外部采取涂刷包裹防腐：
當(dāng)需要特殊的高強(qiáng)混凝土?xí)r，用硅灰作為摻合料配制高強(qiáng)混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)可達(dá)100兆帕。國(guó)外許多重要的高層建筑，如美國(guó)的南瓦克大廈和德國(guó)法蘭克福的BfG大廈，都使用硅灰作為混凝土的增強(qiáng)劑。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家的重要混凝土水利水電工程中，如海上石油鉆井平臺(tái)、大跨度橋梁、隧道等工程中加入硅灰，可以提高防滲、抗磨和抗腐蝕性能，如挪威北海石油鉆井平臺(tái)、挪威斯托爾馬跨海大橋(301米跨度LC60輕集料混凝土建筑)、丹麥的大伯特海峽大橋、連接丹麥和瑞典的厄勒海峽大橋、美國(guó)金祖阿大壩主廠房的防滲混凝土面板、進(jìn)水口閘門(mén)、隧道和下部結(jié)構(gòu)。硅灰混凝土用于公路路面和機(jī)場(chǎng)跑道時(shí)，可以大大提高混凝土的早期強(qiáng)度和耐磨性。在公路路面的養(yǎng)護(hù)和維修中，可以提前通車(chē)，增加經(jīng)濟(jì)效益，如歐洲E-6和瑞典的E-18高速公路，以及倫敦非金屬處理廠的高耐磨地面處理。
在歐美，75%的噴射混凝土中摻有硅粉，而在挪威和瑞典，硅粉是噴射混凝土的必要材料。
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篩分法
稱(chēng)取一定量的微硅粉，將其緩緩倒入相應(yīng)目數(shù)的篩網(wǎng)里，如320目篩網(wǎng)，用清水均勻沖洗，直至篩網(wǎng)里的微硅粉不再落下，然后取出篩網(wǎng)內(nèi)殘留的微硅粉烘干、稱(chēng)量，通過(guò)公式計(jì)算粗細(xì)通過(guò)率，從而得出微硅粉的細(xì)度.
激光粒度分析法
利用激光在樣品中的散射光和衍射光的大小及強(qiáng)度，分析樣品中顆粒的粒徑分布情況，可準(zhǔn)確測(cè)量微硅粉的細(xì)度，能反映出不同粒徑區(qū)間的顆粒占比，操作簡(jiǎn)便、快速，結(jié)果準(zhǔn)確性高，廣泛應(yīng)用于科研和工業(yè)生產(chǎn).
透射電子顯微鏡法
通過(guò)電子束穿透微硅粉樣品，觀測(cè)顆粒的形貌和粒徑大小，可直觀地看到微硅粉顆粒的微觀形態(tài)和尺寸分布，能精確測(cè)量單個(gè)顆粒的粒徑，但制樣要求高、操作復(fù)雜、檢測(cè)速度慢，常用于對(duì)微硅粉細(xì)度要求極高或需要深入研究顆粒微觀結(jié)構(gòu)的情況.
氣體吸附法
在特定溫度和壓力下，使氣體吸附在微硅粉樣品表面，通過(guò)測(cè)量吸附氣體的量來(lái)計(jì)算微硅粉的比表面積，進(jìn)而反映其細(xì)度，適用于比表面積較大的微硅粉，可提供有關(guān)微硅粉表面特性和細(xì)度的間接信息.
沉降法
依據(jù)微硅粉顆粒在液體中的沉降速度與粒徑大小的關(guān)系來(lái)測(cè)定細(xì)度，顆粒粒徑越大，沉降速度越快，通過(guò)測(cè)量不同時(shí)間點(diǎn)的沉降量，計(jì)算出顆粒的粒徑分布和平均粒徑，操作簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度相對(duì)較低，受顆粒形狀和液體性質(zhì)影響大。
]]>英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)Stephanie Barnett博士致力于開(kāi)發(fā)更堅(jiān)固的混凝土，用于保護(hù)民用建筑抵抗恐怖襲擊，促進(jìn)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)能力的提升。她聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)故事，明白進(jìn)攻和防守是拉鋸平衡的兩端。聽(tīng)她演講，普通聽(tīng)眾很興奮，但軍事人員的反應(yīng)有時(shí)不太積極?！耙幻姽俑艺f(shuō)，’你如果制造出這種更加堅(jiān)固的抗爆抗沖擊材料，我們需要考慮的是如何穿透它。’”
Barnett告訴《大眾力學(xué)》。更好的混凝土逼迫掩體爆破者提高他們的技藝。長(zhǎng)期將伊朗視作潛在目標(biāo)的以色列，2005年要求美國(guó)提供新的、更強(qiáng)大的鉆地彈，最終在2009年得到5,000磅（2270kg）GBU-28 鉆地彈。與以前提供給以色列空軍 2,000 磅 （908kg）GBU-31v3鉆地彈相比，GBU-28的穿透能力大約提高到四倍。
如今，以色列再次提高了標(biāo)準(zhǔn)，要求擁有美國(guó)空軍 （USAF）的新型 GBU-72 “高級(jí) 5K 侵徹器” 鉆地彈。該鉆地彈尚未服役，去年 10 月（指2021 年10月）才首次進(jìn)行測(cè)試。如同GBU-28，GBU-72也是5000磅重的鉆地彈，但有了重大改進(jìn)——盡管空軍不會(huì)提供細(xì)節(jié)。
研發(fā)GBU-72以及以色列對(duì)它的迫切需求，似乎透露出一個(gè)信號(hào)，即在混凝土和鉆地彈之間悄無(wú)聲息的軍備競(jìng)賽中，混凝土正在獲勝。
在1985 年，美國(guó)空軍擁有了第一代現(xiàn)代鉆地彈。通用炸彈是在薄鋼殼內(nèi)裝滿(mǎn)炸藥，鉆地彈的外形較纖細(xì)、外殼較厚，內(nèi)裝的炸藥則較少。這種設(shè)計(jì)將所有重量集中在較小的面積，使其如同冰錐而不是榔頭，炸彈因此能夠擊穿混凝土或鉆入地層打擊深埋的目標(biāo)。如今使用的通用炸彈與 90 年代使用的相同，但鉆地彈則經(jīng)歷了幾代升級(jí)。在 2000 年代初期，空軍還與專(zhuān)業(yè)鋼鐵公司 Ellwood?National Forge Company 合作開(kāi)發(fā)了一種特殊類(lèi)型的鋼材，稱(chēng)為埃格林鋼（ Eglin Steel）。埃格林鋼是一種低碳、低鎳鋼，含微量鎢、鉻、錳、硅和其他元素，每一種元素都對(duì)期望的整體性能有貢獻(xiàn)。埃格林鋼是鉆地彈對(duì)標(biāo)的鋼材，近年來(lái)埃格林鋼被新的USAF-96 鋼替代，因?yàn)閁SAF-96鋼既擁有與埃格林鋼相似的性能，又更容易生產(chǎn)和加工。材料科學(xué)家以韌性和硬度辨識(shí)材料的兩種品質(zhì)，兩者間的平衡驅(qū)動(dòng)著武器與裝甲（矛與盾）之間的軍備競(jìng)賽。例如，當(dāng)一顆軟鉛彈擊中凱夫拉（芳綸纖維）防彈背心時(shí)，子彈會(huì)皺折變形，因缺乏硬度而失去能量。如果給子彈裝上堅(jiān)硬的外殼，凱夫拉防彈背心就防不住了。應(yīng)對(duì)的方法是加裝碳化硼等材料制成的超硬陶瓷板，防彈背心配上更堅(jiān)硬鎧甲，其堅(jiān)硬程度能使鋼殼子彈在撞擊時(shí)破碎。這又導(dǎo)致發(fā)明了特殊的穿甲彈，當(dāng)裝有硬鎢尖端的穿甲彈擊中陶瓷板時(shí)，陶瓷板會(huì)破碎，即發(fā)生脆性失效。
鉆地彈的軍備競(jìng)賽與之相似，但當(dāng)攻擊者擁有鋼鐵的優(yōu)勢(shì)時(shí)，防御還是基于混凝土的，而混凝土原本有其內(nèi)在劣勢(shì)。利茲大學(xué)混凝土技術(shù)專(zhuān)家Phil?Purnell教授說(shuō)：“混凝土天然是脆性的，它抗壓不錯(cuò)，抗拉不行。弱點(diǎn)在于抗拉能力和韌性”。Purnell 指出，雖然一些現(xiàn)代混凝土實(shí)際上比鋁更堅(jiān)固，但脆性是其致命弱點(diǎn)，并且會(huì)因開(kāi)裂失效。然而，被稱(chēng)作UHPC的混凝土類(lèi)型出現(xiàn)，情況發(fā)生了變化。以前，抗壓強(qiáng)度達(dá)到5,000 磅/平方英寸 （psi）（34.5MPa） 的混凝土被評(píng)為“高強(qiáng)度”，最好抗壓強(qiáng)度高達(dá)10,000 psi（69MPa）。新的 UHPC 可以承受 40,000 psi （276MPa）或更多。獲得更高的強(qiáng)度可以通過(guò)添加鋼纖維或其他纖維將混凝土變成復(fù)合材料。這些纖維將混凝土保持在一起，防止裂縫在混凝土中擴(kuò)展，降低脆性。Barnett 說(shuō)：“混凝土板不會(huì)出現(xiàn)少量大裂縫，而是很多小裂縫?！袄w維賦予混凝土更多的斷裂能?！?/p>
斷裂能定義為分裂材料所需的能量?；炷廖涨秩霃椡璧膭?dòng)能，使其破損、減速和停止侵徹。當(dāng)然，研究人員一直通過(guò)試驗(yàn)尋找用于UHPC的最佳纖維組成。越多越好，但也有限制。Purnell說(shuō)：“問(wèn)題是，如果加入超過(guò)百分之一的鋼纖維，纖維就會(huì)開(kāi)始結(jié)團(tuán)。技術(shù)訣竅是如何將超過(guò)百分之一的纖維混合分散到混凝土中?！?/p>
世界上各種團(tuán)隊(duì)一直在研究能夠很好混合纖維的技術(shù)。其中的大部分工作是軍隊(duì)開(kāi)展的；但正如Barnett所指出的，根據(jù)她的經(jīng)驗(yàn)，軍方時(shí)常會(huì)向民用研究人員請(qǐng)教，但對(duì)他們自己的工作守口如瓶。在抗沖擊混凝土領(lǐng)域，民用工程對(duì)此關(guān)注度不高，軍方可能在一定程度上領(lǐng)先于民用的同行。1991 年 1 月，美國(guó)在領(lǐng)導(dǎo)科威特的行動(dòng)時(shí)，美國(guó)情報(bào)部門(mén)發(fā)現(xiàn)了一些令人震驚的事情。伊拉克人在巴格達(dá)周?chē)ㄔ炝讼盗猩盥竦叵碌男轮笓]掩體，由幾英尺厚的鋼筋混凝土保護(hù)，估計(jì)美國(guó)空軍現(xiàn)有的2000磅鉆地彈無(wú)法破壞。為此，啟動(dòng)了制造一種新的5,000磅鉆地彈的緊急計(jì)劃。1月18日美國(guó)空軍提出需求，佛羅里達(dá)州埃格林空軍基地軍需局的空軍研究實(shí)驗(yàn)室立即開(kāi)始工作。沒(méi)有時(shí)間從頭開(kāi)始制作炸彈殼，就以多余的8 英寸榴彈炮炮管為基礎(chǔ)制作彈體，人工填充炸藥，裝上新的彈頭。不到一個(gè)月后，第一批原型彈就交付給了美國(guó)空軍；在一次火箭滑車(chē)測(cè)試中，新武器穿透了超過(guò)20多英尺（6米多）厚的混凝土。2月27日，兩枚作戰(zhàn)炸彈被空運(yùn)到戰(zhàn)區(qū)，由F-111F戰(zhàn)斗機(jī)投送。在伊拉克一個(gè)新掩體被擊中的六秒鐘后，煙霧從入口涌出，表明掩體被攻破和摧毀。這一天由一種連續(xù)六周開(kāi)發(fā)的彈藥記入檔案。但是，空軍會(huì)如此輕松地贏得下一輪的掩體攻防嗎？2012年，美國(guó)空軍啟動(dòng)一個(gè)項(xiàng)目，評(píng)估由UHPC建造的掩體所帶來(lái)的挑戰(zhàn)?？哲娮罱K開(kāi)發(fā)了自己版本的UHPC，被恰當(dāng)?shù)胤Q(chēng)為Eglin高強(qiáng)度混凝土，用于試驗(yàn)測(cè)試。美國(guó)空軍的研究結(jié)果是保密的，但一項(xiàng)公開(kāi)的中國(guó)研究將普通高強(qiáng)混凝土與纖維增強(qiáng)UHPC進(jìn)行了比較。彈丸擊穿了鋼筋混凝土標(biāo)靶，但UHPC標(biāo)靶抗住了，只有輕微的開(kāi)裂，彈丸“嵌入標(biāo)靶或從標(biāo)靶反彈”。美國(guó)空軍已經(jīng)擔(dān)心，即使是5000磅的炸彈也不夠，在2011年收到了30,000磅（13,620kg）的巨大炸彈“大型軍事侵徹器”（MOP）。這甚至比著名的、純以動(dòng)能摧毀最深最堅(jiān)硬掩體21,000磅（9534kg）重的 Massive Ordnance Air Blast（MOAB，或“炸彈之母”）還要大。MOP是一枚能飛的最大炸彈——只有B-2“幽靈”戰(zhàn)略轟炸機(jī)有能力（載其飛行）——所以較小的2000磅和5000磅的武器仍然需要，用于針對(duì)大部分較小的目標(biāo)。
經(jīng)過(guò)具體研究，空軍對(duì)MOP進(jìn)行了升級(jí)，后又再次升級(jí)。到2018年，MOP進(jìn)行了第四次升級(jí)。較小的武器進(jìn)行了類(lèi)似的升級(jí)。問(wèn)題在于，即使可造的最大炸彈，也可能不再能夠穿透由最堅(jiān)韌材料建造的掩體。位于多倫多的先進(jìn)材料開(kāi)發(fā)公司Gregory Vartanov博士聲稱(chēng)，高等級(jí)UHPC對(duì)于用現(xiàn)有鋼制炸彈來(lái)說(shuō)實(shí)在是太強(qiáng)了。“由以下材料制成的整體外殼侵徹器……埃格林鋼……無(wú)法穿透UHPC建造的掩體”，Vartanov在2021年2月發(fā)表在《航空航天與國(guó)防技術(shù)》雜志上的一篇文章中指出，他的依據(jù)是開(kāi)源的侵徹公式。
但這還不是故事的結(jié)局。UHPC很好，但更好的防護(hù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試。中國(guó)最近的研究介紹了功能梯度水泥基復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱(chēng)FGCC，由不同類(lèi)型和不同性能高性能混凝土層構(gòu)成。薄外層是超硬骨料增強(qiáng)的UHPC層；下面一厚層是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的混合纖維增強(qiáng)UHPC層，用以抵抗開(kāi)裂；最后，還有一層堅(jiān)韌的鋼纖維增強(qiáng)UHPC層。正如Purnell 解釋的，每層都有不同作用?！澳阌脠?jiān)硬的外層來(lái)破壞彈丸；然后是一個(gè)厚層，大量吸收其能量；之后，內(nèi)層那里捕捉碎片”，Purnell說(shuō)。該內(nèi)層是防剝落層，確保混凝土開(kāi)裂也不會(huì)有碎片（或“剝落”）進(jìn)入掩體。根據(jù)中國(guó)6月發(fā)表的研究，F(xiàn)GCC抵抗侵徹和爆炸的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于UHPC：“高強(qiáng)度纖維和粗骨料的協(xié)同作用，使侵徹深度、彈坑面積和侵徹?fù)p傷大幅減少“，Barnett說(shuō)，她研究過(guò)類(lèi)似的概念，這種將不同特性材料進(jìn)行分層疊加的技術(shù)，可能比任何單一材料更有效。專(zhuān)門(mén)針對(duì)吸收沖擊和爆炸，中國(guó)進(jìn)行了至少四年分層混凝土研究后，取得該最新研究成果。預(yù)計(jì)新的掩體將是非常難開(kāi)裂的堅(jiān)果。使鉆地彈變得更大、更具破壞力的空間有限，但還有其他方法。軍備競(jìng)賽可能不會(huì)沿同一路徑走下去，而會(huì)朝不同方向發(fā)展?！案叱羲傥淦魈峁┝艘环N攻擊堅(jiān)固的掩體的潛在新模式”，英國(guó)國(guó)防智庫(kù)RUSI的Justin Bronk說(shuō)。高超音速武器是以超過(guò) 5 馬赫速度穿越大氣層的導(dǎo)彈，配備了鎢侵徹器，如同“上帝之杖”，像穿甲彈一樣穿透分層的混凝土。這種武器沒(méi)有爆炸性彈頭，僅通過(guò)動(dòng)能造成破壞。Bronk還指出，并不總是需要實(shí)際摧毀掩體。你可以破壞入口，除掉天線，擊中正確的地方切斷與指揮掩體的通訊聯(lián)絡(luò)。在軍事術(shù)語(yǔ)中，它也可能是一個(gè)彈坑，即使掩體內(nèi)人員沒(méi)有受到傷害。
可以理解的是，美國(guó)空軍不會(huì)討論其目前的掩體破壞能力，也不會(huì)討論如何對(duì)付伊朗、中國(guó)或其他地方的潛在目標(biāo)。關(guān)于高強(qiáng)度混凝土的大多數(shù)軍事工作都屬于類(lèi)似的保密級(jí)別。美軍嚴(yán)重依賴(lài)空中力量來(lái)控制處于危險(xiǎn)之中的目標(biāo)。對(duì)手可能試圖將他們的指揮總部或核設(shè)施隱藏在地下，但鉆地彈使他們失去了避難所。在平淡無(wú)奇的混凝土技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行逐步改進(jìn)，如能削弱空中力量的優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略影響。
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和易性
– 由于微硅粉很細(xì)，它的比表面積大。在混凝土攪拌過(guò)程中，微硅粉顆?？梢蕴畛渌囝w粒之間的空隙，起到滾珠軸承的作用，使混凝土拌合物的流動(dòng)性提高。
– 不過(guò)，如果微硅粉過(guò)細(xì)，其巨大的比表面積會(huì)吸附更多的自由水，導(dǎo)致混凝土拌合物的粘聚性增大、流動(dòng)性降低，可能會(huì)出現(xiàn)干澀、難以振搗的情況。
強(qiáng)度
– 極細(xì)的微硅粉能更有效地填充混凝土中的微小孔隙，使混凝土更加密實(shí)。在混凝土硬化過(guò)程中，微硅粉與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)，生成更多的C – S – H（水化硅酸鈣）凝膠，提高混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度。
– 細(xì)度越高，這種填充和反應(yīng)效果通常越明顯，能顯著提升混凝土的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度。例如，對(duì)于一些對(duì)早期強(qiáng)度要求高的預(yù)制構(gòu)件，使用高細(xì)度微硅粉可以加快生產(chǎn)周期。
耐久性
– 高細(xì)度的微硅粉能夠減少混凝土內(nèi)部的連通孔隙，降低混凝土的滲透性。像氯離子、硫酸根離子等侵蝕性介質(zhì)就更難進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而提高混凝土的抗氯離子滲透性能和抗硫酸鹽侵蝕性能。
– 它還能增強(qiáng)混凝土的抗凍融性能。因?yàn)闇p少了孔隙，降低了凍融循環(huán)過(guò)程中因水結(jié)冰膨脹而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下更不容易損壞。
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