稻殼灰對活性粉末混凝土強度的影響

何凌俠， 尹 健， 田冬梅， 劉玉瑩， 任海波， 桑正輝

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410004)

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稻殼灰對活性粉末混凝土強度的影響

何凌俠， 尹 健*， 田冬梅， 劉玉瑩， 任海波， 桑正輝

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410004)

研究了不同摻量、高低溫稻殼灰等量替代硅灰后對RPC試件的抗壓強度、抗折強度及折壓比的影響，并通過不同的養(yǎng)護制度(即熱水養(yǎng)護及蒸汽養(yǎng)護)測試綠色環(huán)保型RPC力學(xué)性能的發(fā)展規(guī)律.研究結(jié)果表明：低溫稻殼灰與硅灰在復(fù)摻作用下比單摻硅灰更有利于RPC強度的增長，且能更好地改善RPC的脆性；采用100 ℃熱水養(yǎng)護比蒸汽養(yǎng)護對RPC抗壓強度更有利，然而養(yǎng)護制度對其抗折強度的影響并不明顯.因此將稻殼灰作為綠色資源應(yīng)用于RPC中，在獲得超高性能的同時對降低成本與實現(xiàn)資源化再生利用均有指導(dǎo)性意義.

活性粉末混凝土；強度；稻殼灰；養(yǎng)護制度

活性粉末混凝土(簡稱RPC)具有極高的抗壓、抗彎拉強度及優(yōu)良的抗裂性能，因而成為土木工程技術(shù)人員關(guān)注的新型復(fù)合材料之一.其配制關(guān)鍵技術(shù)為：低水膠比、優(yōu)質(zhì)原材料、高活性超細礦物摻合料以及蒸壓養(yǎng)護制度等，使得RPC材料內(nèi)部孔隙與微裂縫等缺陷降到最低.活性粉末混凝土的誕生，解決了許多在環(huán)境因素作用下易開裂、耐久性能差等材料應(yīng)用性能問題[1].在RPC配制技術(shù)上，目前所采用的礦物摻合料有硅灰、粉煤灰、磨細礦渣等，其中硅灰是主要的礦物摻合料之一[2,3]，但由于硅灰資源有限，尋找可替代硅灰的高活性超細的礦物摻合料已成為目前解決該問題的關(guān)鍵所在[4].

稻殼灰是一種潛在利用資源，稻殼在我國年產(chǎn)量超過4 000萬噸，稻殼灰(簡稱RHA)是將稻谷殼在600 ℃以下控制焚燒，所得的低溫稻殼灰的主要成分為SiO2，并且此種SiO290%以上為無定型狀態(tài)[5].1938年，Martin研究表明，稻殼中含有15%～20%的無定型水合SiO2[6]，是水稻通過吸收少量的硅酸鹽聚合成的活性SiO2，因此稻殼灰屬于火山灰材料.國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者就RHA在高性能混凝土中的應(yīng)用進行了試驗研究，研究結(jié)果表明低溫稻殼灰中含有大量納米尺寸的SiO2及大量空隙，使其對混凝土有較強的增強改性作用[7]，這就使得低溫稻殼灰有了成為一種優(yōu)質(zhì)礦物摻合料的潛能.基于目前稻殼灰應(yīng)用活性粉末混凝土配制技術(shù)方面的文獻報道較少，因此，為尋求取代硅灰的新型高活性礦物摻合料、降低活性粉末混凝土生產(chǎn)成本，開展稻殼灰在活性粉末混凝土配制技術(shù)以及其對RPC性能影響規(guī)律的研究意義重大，同時也符合我國資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的發(fā)展方向.

1 試 驗

1.1 原材料

水泥(C)：湖南湘鄉(xiāng)南方水泥有限公司生產(chǎn)的PO 42.5普通硅酸鹽水泥.粉煤灰：湖南湘潭電廠生產(chǎn)的粉煤灰.硅灰(SF)：比表面積為22 000 m3/kg，平均粒徑0.1 μm左右，無定型SiO2的含量高達91%.砂：福建平潭生產(chǎn)的灌砂法專用砂.鋼纖維：蘇州龍宇鋼纖維有限公司生產(chǎn)的直徑0.2 mm，長約16 mm的鍍銅微絲.外加劑：聚羧酸高效減水劑，減水率大于25%.高溫、低溫稻殼灰：凱迪電力綠色能源發(fā)電廠所生產(chǎn)，其化學(xué)成分見表1.表1的檢測結(jié)果表明該稻殼灰的主要成分為SiO2，含量達到79.1%，其XRD測試圖譜如圖1(a)所示，圖譜中無明顯結(jié)晶特征峰，說明低溫RHA中SiO2具有較高活性，低溫稻殼灰由大量納米尺寸的SiO2粒子非緊密粘聚而形成的納米尺寸空隙[8]，導(dǎo)致其具有巨大的比表面積和超高火山灰活性，高溫RHA的測試圖譜雖然有彌散衍射峰，但仍有部分SiO2處于非晶狀態(tài).稻殼灰、硅灰的物理性能指標參照GB/T 18736-2002《高強高性能混凝土礦物外加劑》規(guī)范進行測試，測試結(jié)果見表2.

表1 稻殼灰的化學(xué)成分

表2 稻殼灰、硅灰物理性能

類別45μm篩余/%燒失量/%需水量比/%含水量/%活性指數(shù)/%28d高溫RHA(≥800℃)34.33.896.40.1104低溫RHA(≤600℃)26.53.697.30.6106硅灰1961000.1114

1.2 RPC配合比

活性粉末混凝土配合比見表3，水膠比為0.21，以不摻稻殼灰的活性粉末混凝土為基準組(S0、H0)，即稻殼灰替代率為0%；稻殼灰等量替代硅灰率分別為25%、33.3%、50%作為對比組(S1～S3、H1～H3).其中A代表低溫稻殼灰，B代表高溫稻殼灰；H表示熱水養(yǎng)護，S表示蒸汽養(yǎng)護，如H0、H1、H2、H3分別表示熱水養(yǎng)護制度下，稻殼灰的摻量為0%、25%、33.3%、50%.

表3 RPC擬定配合比

1.3 試件制備與養(yǎng)護制度

試件制備：首先將拌合物在20 L膠砂攪拌機中制作完成，然后將拌合物澆筑于40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)膠砂試模中.攪拌工藝為：先將砂、水泥、粉煤灰、稻殼、硅灰等粉末材料倒入攪拌鍋內(nèi)，干拌1.5 min；再將鋼纖維加入攪拌鍋，干拌1 min；隨后將混有減水劑的水倒入一半，攪拌2 min，再倒入最后一半水后攪拌2 min.在膠砂振動臺上振動1 min，用塑料薄膜覆蓋.

養(yǎng)護制度：采用100 ℃熱水養(yǎng)護(H)及90 ℃蒸汽養(yǎng)護(S)兩種養(yǎng)護制度.熱水養(yǎng)護：RPC澆筑工藝完成后，將試件移入養(yǎng)護室(20±2)℃，養(yǎng)護24 h后拆模，放進熱養(yǎng)水池，通過自制的溫度控制系統(tǒng)，將水池溫度控制在(90±5)℃，水池經(jīng)4 h升溫至(90±5)℃后，在熱養(yǎng)水池中養(yǎng)護72 h，然后在(90±5)℃的熱養(yǎng)水池中冷卻至常溫，養(yǎng)護至強度試驗齡期.蒸汽養(yǎng)護法：將拆模后的試件置于設(shè)置自制溫控系統(tǒng)的90 ℃蒸汽環(huán)境下進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間為72 h，待試件冷卻至常溫后置于標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至強度試驗齡期.

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 不同稻殼灰摻量對RPC抗壓強度的影響

圖2和表4分別為采取100 ℃的熱水養(yǎng)護方式，稻殼灰以25%、33.3%、50%的比例等量替代硅灰時RPC的抗壓強度試驗結(jié)果和強度發(fā)展曲線圖.圖2(a)表明，各組摻低溫稻殼灰RPC的抗壓強度隨硅灰被替代率的增大而增大，復(fù)摻作用下的各組RPC強度均高于單摻硅灰的H0組，且各組RPC的早期強度較高，均在45 MPa以上，而摻入50%稻殼灰的AH3組RPC試件雖然早期強度高于其他對比組13.5 MPa以上，而其28 d抗壓強度與稻殼灰摻量為33.3%的AH2組RPC試件抗壓強度基本相當.圖2(b)為RPC中不同摻量高溫RHA替代硅灰后對其強度的影響趨勢,結(jié)果表明摻入33.3%高溫稻殼灰的BH3組RPC的早期強度高于其他對比組，且呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢.表明不論是低溫稻殼灰還是活性較低的高溫稻殼灰，兩者與硅灰在復(fù)摻作用下更能充分發(fā)揮其填充效應(yīng)與火山灰效應(yīng)，對活性粉末混凝土的抗壓強度起到增強作用.

表4 RPC抗壓強度試驗結(jié)果

2.2 高、低溫稻殼灰對RPC強度的影響

不同品種稻殼灰摻入RPC中對其強度的影響規(guī)律如圖3所示.由圖3(a)可以看出，相同的養(yǎng)護制度下，同一齡期、相同摻量的低溫稻殼灰AH2、AH3組RPC的28 d抗壓強度大于所有摻高溫稻殼灰的BH組RPC試件的抗壓強度，表明煅燒溫度過高的高溫稻殼灰(≥800 ℃)，由于活性SiO2會轉(zhuǎn)變成結(jié)晶型從而降低稻殼灰的火山灰活性，這與文獻[8]的研究結(jié)論一致.而低溫稻殼灰(≤600 ℃)在一定摻量范圍內(nèi)，其摻量越大對RPC抗壓強度的增長效果越為明顯.圖3(b)中顯示不同品種稻殼灰對RPC抗折強度的影響規(guī)律，稻殼灰替代率為50%的AH3組的抗折強度仍然高于所有BH組，然而AH1組的早期抗折強度略低于所有BH組，其28 d抗折強度卻高于相同摻量的高溫稻殼灰BH1，表明低溫稻殼灰摻入量更低即硅灰摻量更高的RPC試件在早期水化速度過快，混凝土在熱養(yǎng)條件下內(nèi)部的微裂紋愈合與開裂交替進行現(xiàn)象更為嚴重，致使摻低溫稻殼灰的RPC試件有早期抗折強度不高，而28 d抗折強度較高溫稻殼灰增幅較明顯的現(xiàn)象.

2.3 高、低溫稻殼灰對RPC折壓比的影響

圖4為試驗采取100 ℃的熱水養(yǎng)護方式、不同品種稻殼灰以相同比例等量替代硅灰時RPC的折壓比(抗折強度與抗壓強度的比值)發(fā)展曲線圖.從圖4中可以看出，在熱養(yǎng)條件下，摻低溫稻殼灰的RPC試件28 d折壓比，與基準的RPC的折壓比0.194相比，均有不同程度的提高；而摻入高溫RHA的RPC試件，其折壓比普遍較基準混凝土的折壓比更低，且均低于摻低溫RHA的活性粉末混凝土試件.由此表明摻低溫稻殼灰的RPC試件無論摻量為多少，其折壓比均比未摻稻殼灰試件、摻高溫稻殼灰試件有所提高，原因在于低溫稻殼灰潛在的活性SiO2更多，其產(chǎn)生的火山灰效應(yīng)可以消耗更多的氫氧化鈣，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，強化RPC中骨料、鋼纖維與水泥漿的界面過渡區(qū)，與高溫稻殼灰相比，低溫稻殼灰摻入RPC中能減小混凝土界面過渡區(qū)的孔隙率，具有更致密的結(jié)構(gòu)，從而能更好地改善RPC的脆性.

2.4 養(yǎng)護制度對RPC強度的影響

圖5、圖6為低溫、高溫稻殼灰以不同比例替代硅灰摻入RPC試件后，分別采用100 ℃熱水養(yǎng)護(H)及90 ℃蒸汽養(yǎng)護(S)兩種熱養(yǎng)方式3 d后RPC的抗壓、抗折強度發(fā)展對比柱狀圖.

由表5、圖5(a)可知，熱養(yǎng)制度下RPC的抗壓強度略高于蒸養(yǎng)制度下的RPC試件，如H0組在熱養(yǎng)制度下較蒸養(yǎng)條件下強度增加了6.5 MPa；摻入RHA的RPC試件在熱養(yǎng)制度下的28 d抗壓強度均高于蒸養(yǎng)條件下的RPC試件，這表明同一配比條件下，熱養(yǎng)環(huán)境可顯著加速RPC試件中粉煤灰、礦渣、硅灰及稻殼灰的火山灰反應(yīng)[9]，生成大量低堿性水化硅酸鈣，并降低Ca(OH)2的含量，因此熱養(yǎng)生成的水化產(chǎn)物數(shù)量大于蒸養(yǎng)試件，即熱養(yǎng)條件下的試件強度要大于蒸養(yǎng)制度下的試件強度.由圖5(b)可知，不論高溫稻殼灰的摻量為多少，熱養(yǎng)制度下的RPC試件的抗壓強度亦高于蒸養(yǎng)下的RPC強度，表明活性較小的高溫稻殼灰摻入RPC試件中，在其微集料反應(yīng)起主導(dǎo)作用的情況下，熱水養(yǎng)護更有助于其填充RPC試件的毛細空隙，改善其微結(jié)構(gòu).從圖6中可以看出：不同的熱養(yǎng)方式對摻入稻殼灰后RPC試件的抗折強度影響規(guī)律并不明顯，表明熱養(yǎng)方式可能對其抗折強度影響不大，這可能是熱水養(yǎng)護與蒸汽養(yǎng)護的傳熱介質(zhì)不同所致[10]，兩種養(yǎng)護條件下的混凝土內(nèi)部溫度都較高，而后者是蒸汽，當其遇到冷混凝土表面時，會立刻凝結(jié)成水，釋放大量熱量，由于混凝土內(nèi)外溫差過大，會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多原始溫度微裂縫，從而對混凝土強度發(fā)展產(chǎn)生一定的不利影響，相比之下，熱水養(yǎng)護下的傳熱均勻，因此對混凝土內(nèi)部破壞力較小.

表5 不同養(yǎng)護制度下、不同品種RHA對RPC抗壓強度的試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 高溫、低溫稻殼灰與硅灰在復(fù)摻作用下更能充分發(fā)揮其填充效應(yīng)與火山灰效應(yīng)，對活性粉末混凝土的抗壓強度起到增強作用.

(2) 與高溫稻殼灰相比，低溫稻殼灰具有更高活性SiO2，在RPC中可以充分發(fā)揮其優(yōu)異的火山灰效應(yīng)，更有利于混凝土強度的增長.

(3) 摻低溫稻殼灰的RPC，其折壓比均高于未摻稻殼灰試件及摻高溫稻殼灰試件，因此低溫稻殼灰能更好地改善RPC的脆性.

(4) 采用100 ℃熱水養(yǎng)護比蒸汽養(yǎng)護更有助于活性礦物摻合料填充RPC的毛細空隙，改善其微結(jié)構(gòu)，對混凝土的抗壓、抗折強度增長效果更為明顯，且養(yǎng)護制度對抗折強度的影響要小于抗壓強度.

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責(zé)任編輯：羅 聯(lián)

Effect of Rice Husk Ash on the Strength of Reactive Powder Concrete

HELing-xia,YINJian*,TIANDong-mei,LIUYu-ying,RENHai-bo,SANGZheng-hui

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004 China)

This article via experiment data studies the law of development of RPC’s mechanical property after RHA(rice husk ash) replaced the silica fume with RHA under low /high temperature and different volume. By means of experiment data tests the law of development of green-environmental RPC’s mechanical property during different curing systems(which are heat water curing and steam curing).The result shows that among the reactive powder concrete, under the mixed environment of RHA and silica fume, RPC gets higher intense,and can improve the brittleness of RPC better.The study also finds that compared with the environment of 90 ℃ steam curing system, the RPC test group shows the obvious compressive strength against the reactive powder concrete under the 100 ℃ heat water curing system, but little effect on folding strength. So it has a guiding significance,not only RHA is applied to RPC as a green resource but also it has high performance in the same time,which can reduce the cost and realize resource recycling.

reactive powder concrete；strength；rice husk ash；curing systems

2015-11-05

湖南省科技廳工業(yè)支撐計劃項目(2011GK3093)

尹健(1970—)，男，湖南 洞口人，教授，博士生導(dǎo)師. E-mail:csuyj700930@csu.edu.cn

TU528.041

A

1000-5900(2016)02-0023-06