稻殼砂漿性能試驗研究

李　坦， 劉肖凡， 商海星， 趙　炎

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

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稻殼砂漿性能試驗研究

李坦， 劉肖凡， 商海星， 趙炎

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

摘要：為研究稻殼對砂漿性能的影響，分別用不同摻量稻殼等體積替代沙子制備標(biāo)準(zhǔn)試塊，測定抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明：能提高砂漿強(qiáng)度，稻殼摻量為45%，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最大；微觀分析表明稻殼表面凹凸不平的特性有助于增強(qiáng)稻殼與水泥水化產(chǎn)物的緊密黏結(jié)，使稻殼砂漿強(qiáng)度有一定提高；稻殼的摻入降低砂漿導(dǎo)熱系數(shù)，稻殼摻量為50%時導(dǎo)熱系數(shù)最小。

關(guān)鍵詞：稻殼；砂漿；抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度；導(dǎo)熱系數(shù)

1引言

稻谷加工成大米后，留下大量稻殼，其重量約為稻谷總重量的1/5[1]。全球稻谷每年產(chǎn)量約5億噸，我國產(chǎn)量位居世界首位，約2億噸，可產(chǎn)生4 000萬噸稻殼[2]。目前稻殼的處理有兩個途徑，一是作為燃料，燃燒既造成環(huán)境污染又浪費大量資源；二是直接堆放田間作為肥料，稻殼的表面木質(zhì)素排列整齊密實，將纖維組織緊緊包圍，使其不易發(fā)酵腐爛。這兩種方法對稻殼的利用率都很低。稻殼質(zhì)量較輕，保溫性能較好且耐腐蝕能力強(qiáng)，吸水后體積無變化，易于壓實，有利于拌合均勻和提高混合料的密實度[3]。將稻殼作為一種綠色建筑材料進(jìn)行研究與應(yīng)用具有一定的價值。

早在20世紀(jì)80年代開始，交通部公路科學(xué)研究所的高漢忠[4]等人通過在水泥砂漿中摻入稻殼后制成了稻殼水泥混凝土，研究表明稻殼混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.23 W/(m·K)；抗壓強(qiáng)度為8—15 MPa，抗折強(qiáng)度為2—6 MPa。沈陽建筑大學(xué)的田悅[5]等研究了稻殼粉對C30混凝土性能的影響，研究表明稻殼粉摻量可以顯著提高混凝土后期強(qiáng)度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳睿[6]用稻殼、砂、水泥、粉煤灰、水為原材料制備的稻殼砂漿新型墻體材料，其密度約為水泥的50%，與水泥砂漿相比較，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有一定提高。筆者直接用水泥、原狀稻殼、砂和水經(jīng)過特定拌制成型工藝制備稻殼砂漿；以稻殼等體積替代砂為變量，通過測定強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)選出最佳配合比。

2試驗材料和方法

2.1原材料

水泥為P·O42.5級普通硅酸鹽水泥。水為普通自來水。砂為級配良好、粒徑為0—2.5 mm的工程用砂。稻殼為除塵后的原狀稻殼，其堆積密度為93—160 kg/m3，本次試驗測定為100 kg/m3。

2.2試驗設(shè)計

2.2.1配合比設(shè)計

試驗以稻殼摻量為變量。稻殼摻量為等體積替代砂的用量，設(shè)計8種不同配合比的試樣進(jìn)行試驗。稻殼砂漿各材料質(zhì)量配合比見表1。

表1稻殼砂漿各材料質(zhì)量配合比/(kg/m3)

試樣編號水水泥砂稻殼A030021215400A1300212138610A2300212123220A3300212107830A4300212100135A530021292440A630021284745A730021277050

2.2.2試件制作工藝及養(yǎng)護(hù)

考慮到稻殼輕質(zhì)吸水特性，先將稻殼和工程砂攪拌60 s使其充分均勻混合，然后加入水泥和70%的水?dāng)嚢?20 s，最后倒入剩下30%的水?dāng)嚢?0 s，攪拌結(jié)束后分三層鋪滿試件模具，用振搗棒逐層輕微插搗20—40 s，抹平后用雙手輕微振動20次后靜置48 h。這樣的攪拌成型工藝可以有效避免稻殼攪拌不均勻及上浮現(xiàn)象。靜置結(jié)束后拆除模具并放入溫度(20±2)℃、濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗的試件分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后進(jìn)行強(qiáng)度試驗；測定導(dǎo)熱系數(shù)試驗的試件養(yǎng)護(hù)26 d拿出養(yǎng)護(hù)室，擦干表面并放入溫度(60±5)℃的烘烤箱48 h，烘干至恒質(zhì)進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測定。

2.2.3測定方法

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[7-10]對稻殼砂漿進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗?？箟簭?qiáng)度試驗確定試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試件如圖1所示?？拐蹚?qiáng)度試驗確定試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試件如圖2所示?？箟簭?qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗每組均為三個試塊，結(jié)果取三個測值的算術(shù)平均值。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[11]進(jìn)行稻殼砂漿導(dǎo)熱系數(shù)測定，確定試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，每組兩個試塊，試件如圖3所示。

圖1　抗壓強(qiáng)度試驗試件

圖2　抗折強(qiáng)度試驗試件

圖3　導(dǎo)熱系數(shù)試驗試件

3試驗結(jié)果分析

3.1稻殼砂漿強(qiáng)度的測定及結(jié)果分析

7 d和28 d試件實測抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度如表2所示。

圖4表示養(yǎng)護(hù)7 d和28 d稻殼砂漿抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，圖5表示養(yǎng)護(hù)7 d和28 d稻殼砂漿抗折強(qiáng)度變化規(guī)律。由圖4和圖5可知，各齡期稻殼砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度變化趨勢一樣；稻殼摻量在0%—20%范圍內(nèi)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d稻殼砂漿強(qiáng)度均先降低后增大，隨著稻殼摻量增加，7 d齡期稻殼砂漿強(qiáng)度由于養(yǎng)護(hù)時間不足未出現(xiàn)明顯變化，28 d齡期稻殼砂漿強(qiáng)度不斷增加，說明稻殼摻量大于20%時，其對砂漿早期強(qiáng)度無影響，對砂漿后期強(qiáng)度的提高有較大促進(jìn)作用；當(dāng)?shù)練搅窟_(dá)到45%時，稻殼砂漿的強(qiáng)度基本無明顯變化，甚至出現(xiàn)小幅下降現(xiàn)象，說明稻殼摻入量大于45%時，其對砂漿強(qiáng)度提高的促進(jìn)作用在減弱。

表2各齡期試件抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值/MPa

試樣編號7d抗壓強(qiáng)度28d抗壓強(qiáng)度7d抗折強(qiáng)度28d抗折強(qiáng)度A02.523.850.521.00A11.753.580.270.86A22.013.690.480.90A32.484.090.531.24A42.494.980.551.32A52.515.350.551.48A62.525.480.561.62A72.485.410.531.56

圖4　不同齡期稻殼砂漿抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

圖5　不同齡期稻殼砂漿抗折強(qiáng)度變化規(guī)律

各組稻殼砂漿試件28 d強(qiáng)度表現(xiàn)為：抗壓強(qiáng)度A6>A7>A5>A4>A3>A0>A2>A1，抗折強(qiáng)度A6>A7>A5>A4>A3>A0>A2>A1。由此可得出：試件A6也即是稻殼摻量為45%時，制備砂漿抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度最大且較純砂漿抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度有明顯提高。出現(xiàn)這種變化原因是稻殼的吸水率較大達(dá)到100%且吸水后體積無變化，早期對強(qiáng)度影響不大，但后期水化過程中水分不斷釋放使水化反應(yīng)更徹底，稻殼砂漿強(qiáng)度有一定提高。

3.2稻殼砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的測定及結(jié)果分析

由強(qiáng)度試驗知試樣A6強(qiáng)度最大，因此選取試樣A6和對比組A0、A5、A7做導(dǎo)熱系數(shù)試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6　稻殼砂漿導(dǎo)熱系數(shù)值

圖6為稻殼砂漿各試件導(dǎo)熱系數(shù)測定值。由圖6知稻殼的摻入量越大，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)越小，四種試樣導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系為A0>A5>A6>A7且滿足A0=1.7A5=1.9A6=2.0A7,說明加入稻殼可以降低砂漿導(dǎo)熱系數(shù)，提高砂漿的保溫性能。隨著稻殼摻量的增加，砂漿導(dǎo)熱系數(shù)降低的幅度越小，說明對導(dǎo)熱系數(shù)而言稻殼摻量存在一個最優(yōu)值，并非摻量越多性能越好。

稻殼砂漿導(dǎo)熱系數(shù)最小為0.277 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于其他常見墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)，如黏土多孔磚導(dǎo)熱系數(shù)0.58 W/(m·K)，普通紅磚導(dǎo)熱系數(shù)0.81W/(m·K)等。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料保溫性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，稻殼的摻入使得砂漿導(dǎo)熱系數(shù)減小，保溫性能提高，當(dāng)?shù)練饺肓繛?0%時，稻殼砂漿保溫性能最好。

3.3微觀機(jī)理分析

圖7為稻殼外表面結(jié)構(gòu)，圖8為稻殼與砂漿接觸界面。由圖7和圖8可知，稻殼外表面凹凸不平，均勻分布著錐形突起，具有較大摩擦力和機(jī)械咬合力，這種特性有助于稻殼與砂漿界面粘結(jié)牢固，使得稻殼砂漿強(qiáng)度有所提高。

圖7　100倍稻殼電鏡掃描圖片

圖8　80倍A6電鏡掃描圖片

圖9為A0試件電鏡掃描圖，圖10為A6試件電鏡掃描圖。由圖9可知純砂漿A0內(nèi)部結(jié)構(gòu)較疏松，由圖10可知稻殼砂漿A6內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，材料較細(xì)化，這是因為水泥水化反應(yīng)過程中稻殼不斷釋放水分促使水化反應(yīng)更徹底，水化產(chǎn)物與周圍物質(zhì)間粘結(jié)較為緊密，整體性較好，使得稻殼砂漿強(qiáng)度有所提高。

圖9　400倍A0電鏡掃描圖片

圖10　400倍A6電鏡掃描圖片

稻殼導(dǎo)熱系數(shù)較小為0.06 W/(m·K)[12]，由圖6知純砂漿導(dǎo)熱系數(shù)為0.562 W/(m·K),稻殼摻入砂漿均勻混合成稻殼砂漿，導(dǎo)熱系數(shù)較純砂漿導(dǎo)熱系數(shù)會有所降低；原狀稻殼因其殼狀結(jié)構(gòu)，均勻分布在砂漿中部分稻殼會形成閉合的空腔，空腔內(nèi)的空氣導(dǎo)熱系數(shù)很低，進(jìn)而降低稻殼砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)。

4結(jié)論

(1)稻殼替代砂的體積在10%—50%范圍內(nèi)，對砂漿早期的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度影響不大，后期影響比較顯著。

(2)稻殼替代砂的體積45%時，制備砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最大且較純砂漿強(qiáng)度有一定提高，說明摻入適量稻殼可以提高砂漿強(qiáng)度。

(3)稻殼吸水率高但吸水后體積無變化，水化過程中水分不斷釋放使水化反應(yīng)更徹底，且外表面凹凸不平，均勻分布著錐形突起，有助于增強(qiáng)稻殼與水泥水化產(chǎn)物的粘結(jié)，提高砂漿的強(qiáng)度。

(4)摻入稻殼后，砂漿導(dǎo)熱系數(shù)均小于純砂漿導(dǎo)熱系數(shù)，說明摻入稻殼可以提高砂漿保溫性能，尤其摻入量為50%時效果最佳。

(5)綜合稻殼砂漿抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的測定值，取稻殼摻入量為45%時砂漿強(qiáng)度和保溫性能最佳，符合實際應(yīng)用。

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The experimental study on the mechanical properties of rice husk mortar

LITan,LIUXiao-fan,SHANGHai-xing,ZHAOYan

(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

Abstract：This paper explores the effects of rice hull on mortar.Different dosage of rice hull replacing the same volume of sand preparation of standard test pieces to test the compressive strength and rupture strength and thermal conductivity. The result is that the rice hull can improve the strength and 45% is especially obvious; microscopic analysis shows that the characteristics of rice husk uneven surface can enhance the bond of rice husk and cement hydration products, improving the strength of rice husk mortar; the rice hull can reduce the thermal conductivity and 50% is especially obvious.

Key words：rice husk; mortar; compressive strength; flexural strength; thermal conductivity

收稿日期：2016-03-17.

作者簡介：李坦(1989-)，男，碩士研究生，E-mail: 1009823446@qq.com. 通信作者：劉肖凡(1981-)，男，副教授，E-mail:534798@qq.com.

文章編號：2095-7386(2016)02-0062-05

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2016.02.011

中圖分類號：TU 528

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A