稻殼灰混凝土的耐久性研究

劉利鋒

(大連華興國典裝飾工程有限公司,遼寧大連 116024)

稻殼灰混凝土的耐久性研究

劉利鋒

(大連華興國典裝飾工程有限公司,遼寧大連 116024)

采用稻殼灰,0-30%等量替代水泥后配制工作性能優(yōu)良的新拌混凝土中,并研究了28天養(yǎng)護(hù)后混凝土的耐久性能。研究結(jié)果表明,混凝土中摻加了稻殼灰后,混凝土的28天抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到100MPa, 稻殼灰混凝土的抗?jié)B性能夠得到顯著提高。同時(shí)稻殼灰混凝土的抗硫酸鹽侵蝕和抗凍性均得到有效改善,400次凍融循環(huán)動(dòng)彈模損失不超過10%,質(zhì)量損失不超過0.5%。

混凝土 稻殼灰 耐久性

20世紀(jì)以來，憑借其價(jià)格低廉、制備簡單、原材料豐富、良好的耐久性和抗壓強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，水泥混凝土成為當(dāng)今世界最主要的建筑材料[1～2]。然而，隨著資料的消耗，傳統(tǒng)的發(fā)展方式正得到制約，人們對水泥混凝土材料的各方面要求也逐步得到提高，水泥混凝土正逐步向高強(qiáng)高性能、綠色、多功能化方向發(fā)展。研究綠色高性能混凝土與資源環(huán)境的相互作用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

我國每年會產(chǎn)生5000萬噸的稻殼廢渣[3～4]，除了極小部分用于動(dòng)物飼料、釀酒發(fā)酵、田間肥料等用途外，絕大部分作為廢棄物或焚燒，對環(huán)境和交通運(yùn)輸安全造成了極大的危害[5]。如何解決稻殼垃圾已經(jīng)成為了急需解決的問題。國內(nèi)外研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，稻殼中含有約30%的無定型硅，在適當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行焚燒而制備的稻殼灰具有很好的微集料填充效應(yīng)和火山灰活性，可以取代粉煤灰和高爐礦渣[6～7]。解決了稻殼資源利用問題的同時(shí)，也很好的改善了水泥混凝土的性能。與此同時(shí)摻加稻殼灰能夠讓稻殼灰水泥混凝土能夠更好的反射陽光的淺色，可以降低建筑能耗，抵御全球氣候變暖[8]。國內(nèi)外的研究學(xué)者已經(jīng)對稻殼灰混凝土進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。A.A. IkPong和D.C. OkPala[9]研究了低溫稻殼灰混凝土的性能(低溫稻殼灰部分取代水泥，取代量為20%和30%)。研究結(jié)果表明在達(dá)到相同的工作性，摻加稻殼灰的混凝土拌合物的需水量比未摻加稻殼灰的混凝土拌合物的需水量要大。M.S. Ismail和A.M. Waliuddi[10]研究了稻殼灰的細(xì)度和摻量對高強(qiáng)混凝土工作性的影響。研究表明稻殼灰的細(xì)度對混凝土的工作性基本沒影響，但混凝土的塌落度和密度隨著稻殼灰摻量的增加而降低。P.Chindaprasirt[11]對稻殼灰砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行了細(xì)致的試驗(yàn)研究質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～40%的稻殼灰部分替代水泥)。結(jié)果表明稻殼灰砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能得到了改善。通過進(jìn)一步的觀察和分析發(fā)現(xiàn)，正是由于Ca(OH)2含量和C/S比例的降低才提高了稻殼灰砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能。歐陽東[12]對納米SiO2低溫稻殼灰混凝土進(jìn)行了研究，研究表明低溫稻殼灰對高強(qiáng)混凝土有增強(qiáng)改性的作用，當(dāng)?shù)蜏氐練せ?0～20%替代水泥時(shí)，可以提高高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度10MPa以上。這種增強(qiáng)效果遠(yuǎn)勝于其它摻合料。馮慶革[13]等研究了不同齡期下高活性稻殼灰混凝土的強(qiáng)度特性和孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明隨著稻殼灰摻量的不斷增加，稻殼灰混凝土的強(qiáng)度顯著增加。7d齡期和28d齡期下的稻殼灰混凝土獲得了較高的強(qiáng)度增長率。稻殼灰部分替代水泥后，混凝土的孔結(jié)構(gòu)得到顯著改善，孔隙率降低，無害孔增多。稻殼灰混凝土強(qiáng)度提高的主要原因來自于Ca(OH)2量的減少以及混凝土孔結(jié)構(gòu)的改善。

本文通過使用稻殼灰(0-30%)等量替代水泥后，摻入制備成稻殼灰混凝土。并通過試驗(yàn)方法研究了稻殼灰混凝土的耐久性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥，本試驗(yàn)使用的水泥為大連小野田P.O 42.5R水泥，水泥的化學(xué)組成如表1所示。試驗(yàn)用砂為河砂，其顆粒級配如表2所示。砂的細(xì)度模數(shù)為2.9。試驗(yàn)所用碎石為5-16mm和16-26.5mm兩種粒徑碎石摻配使用。大、小碎石級配和性能如表3，4所示。兩種碎石的摻配比例為大：小=6：4。

表1 水泥原材料化學(xué)組成Tab.1 Chemical proportion of P.O 42.5R cement

表2 河砂的級配Tab.2 Grading of prepared sand

表3 碎石的級配Tab.3 Grading of prepared gravel

表4 碎石的性能指標(biāo)Tab.4 Properties indices of prepared gravel

1.2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用0.25水膠比，水泥用量為480kg/m3，砂率為40%，細(xì)集料用量為650kg/m3，粗集料用量為1050kg/m3，稻殼灰由南京蘇曼源科技有限公司提供。外加劑為大連銘源全有限公司生產(chǎn)的聚羧酸型高效減水劑。成型100×100×100mm混凝土試件，混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比設(shè)計(jì)Tab.5 Mixing proportion of prepared concrete

采用標(biāo)準(zhǔn)測試方法分別測試了7d、14d和28d稻殼灰混凝土的抗壓強(qiáng)度。與此同時(shí)，稻殼灰混凝土滲透性試驗(yàn)采用電通量法進(jìn)行測定?？沽蛩猁}侵蝕試驗(yàn)根據(jù)國標(biāo)GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，評價(jià)指標(biāo)為稻殼灰混凝土質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)。抗凍性測試試驗(yàn)根據(jù)國標(biāo)GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快凍法進(jìn)行。主要測試指標(biāo)和計(jì)算指標(biāo)為外觀質(zhì)量觀察、相對動(dòng)彈模和稻殼灰混凝土質(zhì)量損失率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 稻殼灰混凝土力學(xué)性能

稻殼灰混凝土的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表6所示。摻加了稻殼灰后，稻殼灰混凝土試件28d抗壓強(qiáng)度均可超過100MPa。同齡期中相較于混凝土空白試件，抗壓強(qiáng)度均有不同程度的增強(qiáng)。當(dāng)?shù)練せ覔搅繛?0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果達(dá)到最佳。由于稻殼灰的吸水性，新拌混凝土的工作性受到了一定程度的影響。稻殼灰具有較高的活性，因此在水泥水化反應(yīng)過程中起到促進(jìn)的作用，從而提高稻殼灰混凝土的早期強(qiáng)度。隨著水化的不斷進(jìn)行，稻殼灰還會在混凝土孔隙中起到填充作用，降低混凝土中的孔隙率，改善系統(tǒng)的孔隙結(jié)構(gòu)，繼而對后期的抗壓強(qiáng)度起到了增強(qiáng)的效果[14]。

表6 稻殼灰混凝土的抗壓強(qiáng)度Tab.6 Compressive strength of rice husk ash concrete

2.2 稻殼灰混凝土抗?jié)B透性性能

稻殼灰混凝土的抗氯離子滲透性測試結(jié)果如圖1所示。相較于空白混凝土試件C0，稻殼灰的摻入對混凝土的抗氯離子滲透性有很好的改善作用。試件C1，C2和C3的電通量分別降低了53.9%、42.3%和33.9%。稻殼灰憑借其活性、密實(shí)堆等效應(yīng)共同作用，使得稻殼灰混凝土的孔隙情況得到有效的優(yōu)化，毛細(xì)孔含量和連通孔隙率降低，水化產(chǎn)物分布更加均勻。這些微觀尺度的改善最終有效的改善了稻殼灰混凝土的滲透性[15]。

圖1 稻殼灰混凝土的抗氯離子滲透性Fig.1 Impermeability performance of rice husk ash concrete

2.3 稻殼灰混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性性能

稻殼灰混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能力如圖2所示。由圖2可知，稻殼灰混凝土受到硫酸鹽侵蝕后，其質(zhì)量損失率受稻殼灰的影響較大。摻有稻殼灰的混凝土，質(zhì)量損失率較空白混凝土試件有顯著的下降。稻殼灰能夠有效的改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，最終改善稻殼灰混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能力。

圖2 稻殼灰混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能Fig.2 Sulfate resistance performance of rice husk ash concrete

2.4 稻殼灰混凝土的抗凍性

稻殼灰混凝土在凍融循環(huán)條件下相對動(dòng)彈模和質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果如圖3和4所示。由圖3所示，稻殼灰混凝土在經(jīng)過400次凍融循環(huán)后，其相對動(dòng)彈模仍在90%以上。試件C0、C1、C2和C3的相對動(dòng)彈模分別為88.7%、94.8%、92.4%和90.8%。這一結(jié)果表明低水膠比的混凝土本身具有較高的本征抗凍性。當(dāng)?shù)練せ疫M(jìn)一步的加入到混凝土中，其動(dòng)彈模損失進(jìn)一步減少。

圖3 稻殼灰混凝土凍融循環(huán)相對動(dòng)彈模結(jié)果Fig.3 Elastic mode loss of rice husk ash concrete after 400 freeze-thaw cycles

圖4 稻殼灰混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失率結(jié)果Fig.4 Mass loss of rice husk ash concrete after 400 freezethaw cycles

從稻殼灰混凝土質(zhì)量損失率結(jié)果分析可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下稻殼灰混凝土經(jīng)過400次凍融循環(huán)后質(zhì)量變化不大，4組混凝土質(zhì)量損失率均未超過0.5%。質(zhì)量損失最少的為試件C1，可見稻殼灰的摻入顯著提高了混凝土材料的抗凍融循環(huán)能力。

3 結(jié)語

本文通過使用稻殼灰等量替代水泥，摻入水泥混凝土中，對稻殼灰混凝土進(jìn)行了力學(xué)、耐久性方面的研究。采用該方法制備的稻殼灰混凝土具有良好的工作性，同時(shí)稻殼灰的摻入增強(qiáng)了混凝土的抗壓強(qiáng)度，28天抗壓強(qiáng)度可達(dá)到100MPa以上。同時(shí)，稻殼灰混凝土的抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕以及抗凍性均有明顯的改善情況。其中稻殼灰10%的等量替代水泥的效果最佳，力學(xué)性能、抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕以及抗凍性的改善效果最為明顯。

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劉利鋒,男,漢族,大連華興國典裝飾工程有限公司員工。