稻殼灰對水泥基及混凝土性能影響的試驗研究

王維紅，孟云芳，王德志，周 波

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021;2.銀川能源學(xué)院，銀川 750105)

0 引 言

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，混凝土對摻合料的用量也越來越大，優(yōu)質(zhì)的摻合料可以提高混凝土強(qiáng)度、耐久性、改善工作性能及其他物理力學(xué)性能，對保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、降低能耗、提高工農(nóng)業(yè)廢料的綜合利用，發(fā)展綠色高性能混凝土有著極其重要的作用。稻殼灰是一種新型的礦物摻合料，它是由稻殼燃燒后得到的農(nóng)業(yè)廢料。我國是個農(nóng)業(yè)大國，每年稻殼產(chǎn)量近4 000萬t[1,2]，然而并沒有大規(guī)模的合理利用途徑。在大多數(shù)碾米企業(yè)中，稻殼都是自然堆放或焚燒，既占用土地資源，又污染周邊環(huán)境，還是潛在的火災(zāi)隱患。

稻殼中SiO2含量一般在15%～20%，保守估計在10%～20%[3]。如此計算每年從稻殼中理論上至少可以獲得400萬噸SiO2[4]。而燃燒后的稻殼灰中SiO2含量在90%以上[5]，無定形活性SiO2含量根據(jù)稻殼燃燒方式的不同，其活性也不盡相同[6]利用稻殼灰的活性，可以改善水泥基及混凝土的性能[7,8]。本試驗以寧夏中糧集團(tuán)鍋爐房生產(chǎn)的稻殼灰為原料，研究稻殼灰水泥基材料的物理力學(xué)研究及單摻稻殼灰及與粉煤灰按一定比例復(fù)摻后對混凝土力學(xué)性能及抗氯離子滲透性能的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

(1)水泥(C)：采用寧夏賽馬牌PO42.5R水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為45.2 MPa；

(2)粉煤灰(FA)：采用寧夏青銅峽熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，化學(xué)成分見表1；

(3)稻殼灰(RHA)：采用寧夏中糧米業(yè)輕工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)大米脫出的稻殼，經(jīng)鍋爐房燃燒后而得到的稻殼灰，稻殼灰粉體顆粒大小不均勻，呈多棱角不規(guī)則形狀，其微觀形貌分析圖見圖1、圖2，化學(xué)成分見表1；

表1 粉煤灰、稻殼灰的主要化學(xué)成分 %

(4)細(xì)集料：采用人工水洗山砂，細(xì)度模數(shù)為2.78，含泥量為2.1%；

(5)粗集料：采用寧夏鎮(zhèn)北堡產(chǎn)的天然粗骨料人工碎石，粒徑為連續(xù)級配為5～25 mm，壓碎指標(biāo)6.4%，含泥量0.8%；

(6)減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，減水率為25%；

(7)試驗用水：采用管道飲用水。

圖1 稻殼灰1 000倍SEM圖Fig.1 Rice husk ash SEM figure 1 000 times

圖2 稻殼灰5 000倍SEM圖Fig.2 Rice husk ash SEM figure 5 000 times

1.2 試驗方法

(1)水泥試驗：按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346-2001)和 《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)的規(guī)定測試稻殼灰礦物摻合料對水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、水泥凝結(jié)時間和水泥膠砂強(qiáng)度的影響。

(2)混凝土強(qiáng)度試驗：按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)進(jìn)行；試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體。試驗采用YAW-4306型微機(jī)控制萬能試驗機(jī)。

(3)混凝土抗氯離子滲透性能試驗：按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)進(jìn)行，試模采用Φ100，高50 mm的圓柱體試模成型，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56 d進(jìn)行試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 粉磨時間及摻量對水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時間的影響

將粉磨0、5、15、30、45、60 min的稻殼灰統(tǒng)一等質(zhì)量替代10%水泥，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時間試驗。根據(jù)稻殼灰對水泥標(biāo)稠、凝結(jié)時間的影響結(jié)果表2，繪制出其影響趨勢圖3、圖4。由圖3、圖4可看出，稻殼灰的加入增大水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，其中原狀稻殼灰對水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的增加最大，比基準(zhǔn)組增加8.0%，隨著粉磨時間的延長，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量是降低的。由圖4可以看出，稻殼灰對水泥的初凝時間和終凝時間的影響，隨著粉磨時間的增加，水泥的初凝時間先增加后降低，當(dāng)粉磨45 min時，水泥初凝時間與基準(zhǔn)組相當(dāng)，稻殼灰的加入，延長了水泥的終凝時間，原狀及粉磨5 min稻殼灰的效果最明顯，其他粉磨時間的稻殼灰對水泥終凝時間影響不大。

表2 稻殼灰對水泥物理性能影響結(jié)果Tab.2 Effcet of rice husk ash on cement physical properties

圖3 稻殼灰粉磨時間對水泥標(biāo)稠用水量的影響Fig.3 Effect of rice husk ash grinding time on cement standard consistency water consumption

圖4 稻殼灰摻量對水泥標(biāo)稠用水量的影響Fig.4 Effect of rice husk ash content on cement standard consistency water consumption

以粉磨45 min稻殼灰為例，等質(zhì)量替代10%、15%、20%、25%、30%水泥，考查稻殼灰摻量對水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時間的影響。試驗結(jié)果如表2所示，影響趨勢圖如圖5、圖6所示，根據(jù)試驗結(jié)果繪制試驗結(jié)果表明當(dāng)?shù)練せ覔搅繌?增加到30%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較基準(zhǔn)組分別增加2.9%，5.8%，8.3%，10.5%和13%，延長了初凝時間和終凝時間，其中初凝時間影響較大，終凝時間影響不大。

圖5 稻殼灰粉磨時間對水泥凝結(jié)時間的影響Fig.5 Effect of rice husk ash grinding time on cement setting time

圖6 稻殼灰摻量對水泥凝結(jié)時間的影響Fig.6 Effect of rice husk ash content on cement setting time

2.2 粉磨時間對水泥膠砂強(qiáng)度的影響

礦物摻合料的細(xì)度對其活性的發(fā)揮至關(guān)重要，將稻殼灰分別粉磨0，5，15，30，45，60 min統(tǒng)一替代10%水泥進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗，測得7，28 d的膠砂強(qiáng)度試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，摻入稻殼灰后，早期膠砂強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，摻原狀稻殼灰膠砂強(qiáng)度明顯低于粉磨后稻殼灰膠砂強(qiáng)度，這是因為早期時，稻殼灰的活性還未充分發(fā)揮而且細(xì)度對稻殼灰的活性有影響，28 d齡期時，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，稻殼灰的活性被激發(fā)，在稻殼灰粉磨45 min內(nèi)，隨著粉磨時間的增加膠砂強(qiáng)度不斷增加，在粉磨45 min時，稻殼灰的活性最大，但當(dāng)粉磨時間為60 min時，稻殼灰膠砂強(qiáng)度沒有增加反而降低，說明粉磨時間的增長，稻殼灰的活性并不是一直增加，這主要是因為當(dāng)粉磨時間過長，稻殼灰顆粒減小而且表面粗糙度進(jìn)一步增加，使顆粒產(chǎn)生二次團(tuán)聚，可能還會使細(xì)小的顆粒填充較大顆粒內(nèi)部孔隙使稻殼灰的活性降低，所以稻殼灰適宜粉磨時間為45 min。

表3 水泥膠砂強(qiáng)度試驗結(jié)果 MPa

2.3 稻殼灰對混凝土強(qiáng)度的影響

由膠砂強(qiáng)度試驗結(jié)果可以看出，粉磨45 min稻殼灰的活性最大，所以稻殼灰粉磨時間選擇45 min,本試驗以單摻稻殼灰，復(fù)摻稻殼灰/粉煤灰等質(zhì)量取代水泥，來研究稻殼灰對混凝土力學(xué)性能的影響。混凝土配合比及試驗結(jié)果如表4所示。

從試驗結(jié)果可以看出，隨著稻殼灰摻量的增加，混凝土早期齡期強(qiáng)度是逐漸降低的，混凝土養(yǎng)護(hù)到28和56 d時，混凝土的強(qiáng)度是先增加后降低，稻殼灰為20%的摻量時混凝土強(qiáng)度最高。與JZ組混凝土相比，摻稻殼灰的混凝土7和28 d齡期的強(qiáng)度總體上較低，養(yǎng)護(hù)到56 d齡期之后其抗壓強(qiáng)度超過了JZ組，這可能是因為稻殼灰細(xì)小顆?？梢蕴畛浠炷羶?nèi)部孔隙，而且稻殼灰中含有活性無定形SiO2，會與水泥水化后生成的氫氧化鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)來提高混凝土強(qiáng)度，而其活性主要體現(xiàn)在在水泥水化后期，稻殼灰的活性遠(yuǎn)不及水泥，所以大摻量的稻殼灰勢必會降低混凝土的強(qiáng)度[9]。以稻殼灰摻量20%范圍內(nèi)，粉煤灰摻量為15%的情況下，考查10%、15%、20%三種摻量稻殼灰與粉煤灰復(fù)摻后對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，與JZ組混凝土相比，復(fù)摻稻殼灰/粉煤灰混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與單摻稻殼灰混凝土相似，與單摻稻殼灰相比，復(fù)摻稻殼灰/粉煤灰的效果更優(yōu)。從試驗結(jié)果上來看，混凝土的最優(yōu)配比為：水泥375 kg/m3、稻殼灰50 kg/m3、粉煤灰75 kg/m3、砂700 kg/m3、石1 050 kg/m3。

表4 混凝土配合比及強(qiáng)度對比試驗結(jié)果 kg/m3

2.4 稻殼灰對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

因鋼筋銹蝕造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞已屢見不鮮，據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，40%以上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因鋼筋銹蝕而產(chǎn)生破壞，而引起鋼筋銹蝕的主要原因就是氯離子侵蝕[10]，為了提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗氯離子侵蝕能力，延長建筑物使用壽命，保障其安全可靠的運行，所以，本試驗采用RCM法和電通量兩種試驗方法對基準(zhǔn)混凝土與最優(yōu)組進(jìn)行對比試驗，檢驗稻殼灰改善混凝土抗氯離子滲透性能的效果，為水利工程的應(yīng)用提供一些參考。表5為混凝土養(yǎng)護(hù)到56 d時的對比試驗結(jié)果。

表5 抗氯離子滲透試驗配合比及試驗結(jié)果Tab.5 Mix proportion and test result of resistance to chloride ion penetration

由試驗結(jié)果可知，摻礦物摻合料后，混凝土6 h電通量值明顯低于基準(zhǔn)混凝土。其中加入稻殼灰后的R10F15組混凝土通過的電通量最少，與JZ組氯離子擴(kuò)散系數(shù)相比，摻礦物摻合料混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降28%～55%，其中R10F15組混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降達(dá)55%。根據(jù)試驗結(jié)果評價標(biāo)準(zhǔn)可知，該混凝土的氯離子滲透性很低。由此可知，稻殼灰可有效提高混凝土抗氯離子滲透性能。這主要是因為稻殼灰都充分發(fā)揮了其級配效應(yīng)，填充了水泥顆粒和粉煤灰顆粒之間，增加粉體間的密實度，從而提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

3 結(jié) 語

(1)摻入稻殼灰后，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加，合適的粉磨時間和摻量對水泥漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量影響不大；隨著稻殼灰摻量的增加，水泥的初凝和終凝時間均延長，稻殼灰粉磨45 min，摻量10%時復(fù)合膠凝材料的凝結(jié)時間與水泥接近。

(2)水泥膠砂強(qiáng)度試驗表明：粉磨時間對稻殼灰的活性有一定的影響，稻殼灰對水泥7 d早期膠砂強(qiáng)度是不利的，合適的粉磨時間可使28 d水泥膠砂強(qiáng)度得到提高，稻殼灰粉磨時間45 min時，水泥膠砂強(qiáng)度達(dá)到最大。

(3)作為摻合料加入混凝土中，對混凝土56 d齡期的強(qiáng)度增長較大，超過了基準(zhǔn)組混凝土?；炷恋淖顑?yōu)配比為：水泥375 kg/m3、稻殼灰50 kg/m3、粉煤灰75 kg/m3、砂700 kg/m3、石1 050 kg/m3。

(4)混凝土抗氯離子滲透性能試驗顯示，加入稻殼灰后，混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯降低，表明RCM法和電通量法試驗結(jié)果一致，稻殼灰可以顯著改善混凝土抗氯離子滲透性能，氯離子滲透性能排列順序為：R10F15>F25>JZ 。

通過實驗表明，稻殼灰在對提高混凝土抗壓強(qiáng)度，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)特征方面有些重要的作用，而高活性的稻殼灰有著和硅灰活性相媲美的美譽，相對于硅灰而言，稻殼灰的資源豐富，價格低廉，若用到高性能混凝土中會大大降低工程造價。如何獲取工程材料規(guī)模的稻殼灰，實現(xiàn)活性稻殼灰的推廣應(yīng)用，是我們要解決的問題。研究學(xué)者，在制備稻殼灰研究中，研制出了多種稻殼灰焚燒裝置，根據(jù)學(xué)者提出的“兩段煅燒法”，設(shè)計出了半工業(yè)化制備稻殼灰燃燒裝置，大大提高了高活性稻殼灰的制備量，但這些技術(shù)還不能滿足一次性大量生產(chǎn)稻殼灰，要想大規(guī)模生產(chǎn)高活性稻殼灰，還需要進(jìn)一步的研究。但是相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來，大規(guī)模高活性的稻殼灰生產(chǎn)技術(shù)定能逐漸成熟起來。

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