摻稻殼灰活性粉末混凝土配合比試驗

朱鵬+李宗陽+屈文俊+毛文婷

摘要：通過試驗研究了摻稻殼灰的活性粉末混凝土（RPC）的配合比，根據(jù)最大密實度理論對摻稻殼灰的RPC進行了基本配合比設計；試驗比較了石英砂和天然砂2種細集料對RPC性能的影響；對不同水膠比的RPC進行試驗，推薦了適宜水膠比；以稻殼灰替代硅灰，試驗研究不同稻殼灰替代率對RPC的流動性、強度及耐久性的影響。結(jié)果表明：采用天然砂替代石英砂作為細骨料對RPC抗折強度、抗壓強度及流動度影響不大；摻稻殼灰的RPC的適宜水膠比為0.20～0.22；隨著稻殼灰替代硅灰摻量的增加，其收縮率降低且隨齡期增長變化減緩，同時其抗氯離子滲透性能有所下降；建議根據(jù)不同使用性能要求選擇稻殼灰部分或完全替代硅灰的RPC。

關(guān)鍵詞：稻殼灰；活性粉末混凝土；強度；流動性；收縮；抗氯離子滲透性能；水膠比

中圖分類號：TU528.2 文獻標志碼：A

0 引 言

活性粉末混凝土（RPC）是通過提高材料組分的細度與活性，減小材料內(nèi)部的缺陷（孔隙與微裂縫）來獲得高強度、高韌性、高耐久性的新型水泥基復合材料[1-2]。RPC原材料包括活性組分、高效減水劑和短細鋼纖維等，其中活性組分通常由優(yōu)質(zhì)水泥、硅灰、細石英砂（粒徑小于1 mm）等構(gòu)成[3]。

RPC中水泥用量比較高（600～900 kg·m-3），造成了較大的資源和能源消耗。同時，RPC中硅灰作為主要的活性摻和料，摻量（質(zhì)量分數(shù)）為20%（水泥摻量）以上，且價格昂貴，資源較為匱乏，石英粉等細集料的使用也增加了RPC的成本，都使其在工程中的推廣應用受到限制[4-5]。另外，較高的水泥用量不僅增加了生產(chǎn)水泥所需的資源和能源消耗，還造成了不利的環(huán)境影響，如粉塵和煙塵污染、溫室效應等。因此，為了降低RPC的成本，節(jié)約資源，減少能耗和保護環(huán)境，發(fā)展有良好經(jīng)濟環(huán)保性能的綠色活性粉末混凝土具有重大意義。

遵循綠色活性粉末混凝土的發(fā)展方向，在常規(guī)的水泥-硅灰二元膠凝體系基礎(chǔ)上，有關(guān)學者合理利用工業(yè)廢渣，在RPC中復合摻入粉煤灰、礦渣等活性摻和料，形成了水泥-硅灰-礦渣（粉煤灰）三元或水泥-硅灰-粉煤灰-礦渣四元膠凝材料體系，在減少硅灰或水泥用量的同時，進一步提高RPC的性能（如耐久性）[6-8]。

研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)的稻殼灰（Rice Husk Ash，RHA）富含90%以上的無定形SiO2，具有巨大比表面積和高火山灰活性[9-10]，可作為一種理想的混凝土活性礦物摻料。各國已有一些學者對稻殼灰混凝土各方面的性能進行了相關(guān)研究，包括工作性能[11-12]、孔隙特性[13-14]、強度[15-16]及耐久性能[15，17]，稻殼灰不僅可以提高混凝土的強度，還可以改善混凝土的耐久性。此外，稻殼灰來源廣泛，對其進行合理利用具有良好的經(jīng)濟環(huán)保效益[18]。因此可將稻殼灰作為一種綠色環(huán)保的新型活性摻料應用于混凝土中。本文的主要研究內(nèi)容是稻殼灰對RPC的強度、工作性能以及耐久性能的影響。

1 原材料

水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學成分見表1，物理性能見表2[19]；硅灰由上海某公司生產(chǎn)，其平均粒徑為0.26 μm，比表面積大于20 m2·g-1，化學成分見表3；石英砂粒徑為200～650 μm，平均粒徑為280 μm；篩分后天然砂粒徑為150～8 000 μm，平均粒徑約為300 μm；高效減水劑為上海建筑科學研究院研制生產(chǎn)的TF-8101B聚羧酸高性能減水劑，固含量（質(zhì)量分數(shù)，下文同）為41%，減水率為31.8%。

2 試件制備和試驗方法

2.1 試件制備

本文試件的制作養(yǎng)護方法參照《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）[20]，為控制流動度，設計如下攪拌制度：①將稱量好的各種膠凝材料干拌1 min；②加入70%水和70%的減水劑，攪拌3 min；③加入砂子，攪拌1 min；④加入剩余30%水和30%減水劑，攪拌5 min。攪拌完成后，將拌和物澆注于試模中，在振動臺（頻率為50 Hz）上振動3～4 min，振搗密實后成型。

采用標準養(yǎng)護方法：試件成型后在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h后拆模，然后放置于混凝土標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至試驗齡期，溫度為（20±2） ℃，濕度為90%以上。

2.2 試驗方法

根據(jù)《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）[21]進行流動度試驗，根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）進行抗壓強度及抗折強度試驗。3 稻殼灰性能試驗

稻殼灰尚處于試驗研究階段，沒有標準化生產(chǎn)，不同地區(qū)和不同生產(chǎn)條件下的稻殼灰存在較大的差異，因此需要對試驗采用的稻殼灰進行相關(guān)的物理化學檢測。本文試驗采用的稻殼灰為江西某廠自主生產(chǎn)的無碳稻殼灰，并在試驗前將本次使用的稻殼灰用球磨機進行30 min的球磨處理，以增加稻殼灰的細度。

3.1 化學成分與密度

采用X射線熒光光譜儀測定稻殼灰的化學成分，結(jié)果如表4所示。

采用李氏瓶法測定稻殼灰的密度，測定結(jié)果為2.28 g·cm-3。

3.2 粒徑分布

采用激光粒度儀測定稻殼灰的粒徑分布，測定結(jié)果如圖1所示。稻殼灰的平均粒徑為37.4 μm。

3.3 需水量比

參照《高強高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T 18736—2002）[22]設計基準組配合比和稻殼灰組配合比，由于稻殼灰與粉煤灰的活性以及粒徑分布較為接近，試驗中稻殼灰用量參照磨細粉煤灰。其中標準砂符合《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）[20]要求?；鶞式M和稻殼灰組配合比如表5所示，其需水量比（質(zhì)量比）分別由3個試件結(jié)果取平均值獲得。

由表5可知，稻殼灰的需水性比水泥大，水泥基材料中摻入稻殼灰可能會在一定程度上降低拌和物的流動性。

3.4 活性指數(shù)

參照《高強高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T 18736—2002）[22]以及《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）[20]測試稻殼灰活性指數(shù)，其中標準砂符合規(guī)范[20]要求。摻稻殼灰配合比及28 d抗壓強度和抗折強度如表6所示，強度結(jié)果均為3個試件測試結(jié)果的平均值。

由試驗結(jié)果可知，本文試驗所采用的稻殼灰的抗壓強度比為82.8%，大于62%，說明稻殼灰具有火山灰活性[23]。表7為稻殼灰火山灰效應分析結(jié)果。

根據(jù)抗壓強度比得到的活性指數(shù)只能反映摻和料是否有火山灰活性，而不能反映摻和料火山灰活性的高低。蒲心誠[24]提出以“火山灰活性效應強度貢獻率”來反映摻和料的火山灰活性高低，計算得到稻殼灰活性指數(shù)為0.58，反映了其火山灰活性與水泥火山灰活性的比值，說明基本達到活性摻和料要求。4 配合比設計

本文采用稻殼灰作為活性粉末混凝土中的摻和料，與硅灰、水泥一起形成三元膠凝材料混合體系。根據(jù)基于Dinger-Funk方程[25]最緊密堆積模型的配合比設計方法[26]，進行活性粉末混凝土的配合比設計。

首先測得各固體原材料的粒徑分布，如圖2所示。然后確定目標函數(shù)、調(diào)節(jié)函數(shù)以及相關(guān)限制條件。按基于Dinger-Funk方程的配合比設計方法求解，結(jié)果見圖2及表8。

由圖2及表8可知，對于摻有稻殼灰的活性粉末混凝土，當各固體原材料如水泥、硅灰、稻殼灰、石英砂的配合比為1∶0.18∶0.13∶1.03時，體系可接近最密實堆積狀態(tài)，由此選定最佳配合比，如表9所示。

5 細集料對比試驗

試驗研究石英砂和天然砂2種細集料對RPC性能的影響。進行流動度、抗壓強度及抗折強度試驗 ，不同細集料試驗配合比如表10所示，測試結(jié)果 由表11可知：對于摻有稻殼灰的活性粉末混凝土，采用經(jīng)過篩分的天然砂作為細骨料，其流動度比摻石英砂的RPC略高；其抗折強度與摻石英砂的RPC相近，抗壓強度略低于摻石英砂的RPC。

天然砂的級配較石英砂更為連續(xù)，分布更均勻，如圖3所示，能與其他固體原材料顆粒形成更為緊密的堆積狀態(tài)?；贒inger-Funk方程的配合比設計結(jié)果（圖3）也表明，采用天然砂的RPC配合比計算曲線與目標曲線擬合程度略優(yōu)于石英砂。由于石英砂具有優(yōu)良的質(zhì)地，其SiO2含量高，莫氏硬度高，且顆粒圓整光潔，雜質(zhì)少，而天然砂成分復雜，雜質(zhì)含量較多，因此，摻天然砂的RPC強度略低于摻石英砂的RPC強度。

采用天然砂替代石英砂作為細骨料對RPC強度及流動度的影響不大。以下試驗均采用天然砂作為RPC的細骨料。6 水膠比試驗

在以上得出的設計最佳配合比基礎(chǔ)上進行水膠比試驗，試驗所用減水劑采用其廠家推薦用量，即膠凝材料質(zhì)量的2%。表12為稻殼灰活性粉末混凝土水膠比試驗配合比。根據(jù)相關(guān)文獻[27]，[28]，活性粉末混凝土水膠比范圍為0.16～0.24，試驗以0.02為差值進行摻有稻殼灰活性粉末混凝土在不同水膠比下的強度及流動度試驗，每種配合比的抗壓強度、抗折強度以及流動度分別由3個試件取平均值獲得，試驗結(jié)果如表13所示。

由表13可知：對于摻有稻殼灰的活性粉末混凝土的流動性，水膠比影響較大，隨水膠比的增大，拌和物的流動度增大；當水膠比在0.20～0.24之間時，拌和物流動性很好，很容易振搗成型；當水膠比為0.18時，拌和物較粘稠，但仍具有較好的流動性。

對于摻有稻殼灰的活性粉末混凝土，其抗折強度及抗壓強度隨著水膠比的增大總體呈逐漸減小的趨勢，當水膠比從0.22增大到0.24時，抗壓強度有明顯下降。當水膠比從0.16增大到0.18時，抗壓強度略有增大，這可能是由于在水膠比為0.16時，混凝土拌和物的流動性較差，在成型過程中不易振搗密實，從而影響了其抗壓強度。

綜合考慮強度和流動性，稻殼灰活性粉末混凝土的適宜水膠比為0.20～0.22。7 稻殼灰替代硅灰試驗

7.1 流動度、抗壓強度及抗折強度

稻殼灰以0%，20%，40%，60%，80%，100%的替代率替代RPC中的硅灰，配合比見表14，試驗研究不同替換率對RPC性能（抗壓強度、抗折強度、流動度）的影響。每種配合比的抗壓強度、抗折強度及流動度分別由3個試件結(jié)果取平均值獲得，結(jié)果如表15所示。 由表15可知，稻殼灰替代硅灰時不同替代率對RPC強度及流動性能的影響為：

（1）在水泥用量不變的情況下，隨著稻殼灰替代硅灰摻量的增加，RPC的流動性逐漸下降。當?shù)練せ姨娲杌覔搅砍^60%時，拌和物流動性明顯變差，流動度為160 mm。

稻殼灰比表面積很大，稻殼灰微觀粒子中存在大量微米尺度的蜂窩狀稻殼纖維網(wǎng)絡孔[29]，這些孔隙能夠吸附混凝土漿體中的水分，具有表面吸水效應[30]，尤其在低水膠比下，這種對水分的吸附作用更為顯著，從而降低了漿體中的自由水，使拌和物流動性下降。此外，減水劑的減水機理是通過吸附在膠凝材料的顆粒表面上釋放出顆粒表面的包裹水，而稻殼灰粒子的表面積絕大部分為孔隙內(nèi)表面，對于內(nèi)表面吸附的表面水，減水劑無法使其釋放出來，在有稻殼灰的情況下，減水劑的減水效果受到較大影響。因此當?shù)練せ覔搅吭龃髸r，拌和物的流動性逐漸減小。

（2）在水泥用量不變的情況下，隨著稻殼灰替代硅灰摻量的增大，RPC的抗折強度和抗壓強度總體呈逐漸下降的趨勢。當?shù)練せ姨娲蕿?0%時，RPC的7 d抗壓強度為58.8 MPa，28 d抗壓強度為85.5 MPa。

稻殼灰的化學成分中SiO2含量較高，與硅灰相差不大，但可能由于煅燒溫度和制度的影響，其晶體SiO2的含量偏高，影響了稻殼灰的活性發(fā)揮，因此稻殼灰的火山灰活性比硅灰低。隨著稻殼灰替代硅灰摻量的逐漸增加，RPC的強度逐漸降低。其次，從礦物摻和料的物理填充效應來看，隨著稻殼灰和硅灰摻入比例的改變，體系的密實度也產(chǎn)生了相應的變化。當硅灰的替代量過大時（超過60%），體系的堆積密實度下降[26]，從而影響了最終的強度。此外，隨著稻殼灰摻量的增大，拌和物的流動性下降。當?shù)練せ彝耆娲杌視r，拌和物流動性較差，試件在成型過程中不易振搗密實，因此試件的密實度有所降低，從而影響了其強度發(fā)展。

值得注意的是，根據(jù)最大密實度理論，硅灰與稻殼灰存在一個最佳比例摻量，使體系的堆積密實度最大，此時獲得的強度應該較高，但試驗結(jié)果卻顯示，隨著稻殼灰替代硅灰摻量的增加，RPC的強度呈逐漸下降的趨勢。這說明RPC的最終強度同時受摻和料的物理填充效應和火山灰活性的影響，且火山灰活性對RPC強度的影響更為顯著。

（3）根據(jù)流動度、抗折強度和抗壓強度試驗結(jié)果可知：稻殼灰部分或完全替代硅灰時，其流動度可以接受，抗折強度和抗壓強度較高；稻殼灰完全替代硅灰時，其流動度為160 mm，28 d抗折強度為10.4 MPa，28 d抗壓強度為78.2 MPa。

7.2 收縮性能

選取稻殼灰替代硅灰的替代率分別為0%，40%，100%的配合比（試件RS-0，RS-2，RS-5）進行收縮性試驗，配合比見表14。參照《水泥膠砂干縮試驗方法》（JC/T 603—2004）[31]，試驗結(jié)果見表16，其中每個數(shù)值為3個試件結(jié)果取平均值。

由表16分析稻殼灰替代硅灰不同替代率對RPC收縮性能的影響為：

與單摻硅灰相比，稻殼灰部分替代硅灰（替代率為40%）和完全替代硅灰時，RPC在各齡期的收縮率都小于單摻硅灰的RPC，且其收縮率隨齡期增大變化較緩慢，這是由于火山灰活性較低和粒徑相對較大的稻殼灰替代硅灰的摻入減少了由于硅灰的高火山灰活性導致的自收縮效應[32-33]。

7.3 抗氯離子滲透性能

參照ASTM C1202-2010規(guī)范[34]，采用NEL-PEU型混凝土電通量測定儀進行RPC抗氯離子滲透性能的檢測。稻殼灰以0%，40%和100%替代RPC中的硅灰，試驗研究不同替換率對RPC抗氯離子滲透性能的影響，配合比見表14。每種配合比的電通量分別由3個試件取平均值獲得，試驗結(jié)果見表17。

由表17可知，隨著稻殼灰替代硅灰的替代率增加，RPC的抗氯離子滲透性能逐漸下降。相對于不摻稻殼灰的RPC，部分替代硅灰（40%）的RPC電通量上升了73.5%，這是由于硅灰具有更高的火山灰活性，促進二次水化反應產(chǎn)生C-S-H凝膠，使RPC結(jié)構(gòu)更加致密[35]，稻殼灰部分替代硅灰雖然抗氯離子性能下降，但仍然很好；當?shù)練せ彝耆娲杌視r，相對于不摻稻殼灰的RPC電通量上升了212.2%，雖然稻殼灰的火山灰活性效應和微觀顆粒對氯離子的物理吸附固化作用優(yōu)異，但可能由于稻殼灰對拌和物流動性的降低作用，使得稻殼灰完全替代硅灰情況下，摻稻殼灰RPC的密實度有所下降，所以其抗氯離子滲透性能受到較大影響。8 結(jié) 語

（1）采用X射線熒光光譜儀測定稻殼灰的化學成分，本文所采用的稻殼灰的主要活性成分為SiO2；采用李氏瓶法測定稻殼灰的密度為2.28 g·cm-3；采用激光粒度儀測定稻殼灰的粒徑分布，平均粒徑為37.4 μm；需水量比為107%；抗壓強度比為82.8，活性指數(shù)為0.58，其具有一定的火山灰活性。

（2）根據(jù)最大密實度理論，選擇水泥、硅灰、稻殼灰、石英砂基本配合比為1∶0.15∶0.1∶1.0。

（3）試驗比較石英砂和天然砂2種不同細集料對RPC性能的影響，結(jié)果表明：采用天然砂替代石英砂作為細骨料對RPC抗折強度、抗壓強度及流動度影響不大。

（4）隨著水膠比的增大（0.16～0.24），摻稻殼灰的RPC流動性增大，抗壓強度和抗折強度總體呈下降趨勢。綜合流動度、抗壓強度和抗折強度試驗結(jié)果，摻稻殼灰RPC的適宜水膠比為0.20～0.22。

（5）隨著稻殼灰替代硅灰摻量的增加，RPC的流動度下降，當替代率超過60%時，流動度顯著變差，為160 mm；抗壓強度和抗折強度總體呈平穩(wěn)下降趨勢，當替代率為60%時，RPC的7 d抗壓強度為58.8 MPa，28 d抗壓強度為85.5 MPa。

（6）隨著稻殼灰替代硅灰摻量的增加，其收縮率降低且隨齡期增長變化緩慢。

（7）隨著稻殼灰替代硅灰摻量的增加，其抗氯離子滲透性能有所下降，稻殼灰在100%替代硅灰時，氯離子滲透仍極低。

（8）綜合流動度、抗折強度、抗壓強度及耐久性以及經(jīng)濟性和環(huán)保性等，建議根據(jù)不同使用性能要求選擇稻殼灰部分或完全替代硅灰的RPC。

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