復(fù)摻凹土—稻殼灰水泥膠砂力學(xué)性能研究

(大連大學(xué) 遼寧 大連 116622)

一、引言

隨著十九大以來藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)工作的不斷貫徹落實(shí)，綠色發(fā)展已成為時(shí)代主題。目前，通過稻殼來發(fā)電是一種新途徑，在中國已經(jīng)有比較多的企業(yè)將稻殼當(dāng)成燃料來進(jìn)行發(fā)電，這不僅有助于減少了傳統(tǒng)發(fā)電使用的煤炭，更合理的利用不可再生能源，還可以更加科學(xué)的處理稻殼。在未來的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，稻殼發(fā)電將是一種充滿美好前景新型產(chǎn)業(yè)。但是稻殼發(fā)電的同時(shí)，也不可避免會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品稻殼灰，稻殼灰的比重比粉煤灰還要小，而且其還具有比較大的體積，如果不能妥善處理的話，還會(huì)空氣造成嚴(yán)重污染。因此，粉煤灰的處理和利用問題已引起人們廣泛的關(guān)注，合理利用粉煤灰渣已成為解決環(huán)境污染的關(guān)鍵一環(huán)。

相關(guān)研究[1-8]發(fā)現(xiàn)稻殼灰中約含有20%～25%的無定型Si，通過焚燒以及濃酸等處理方法制得的稻殼灰具有相當(dāng)好的火山灰活性性質(zhì)。稻殼灰與粉煤灰相類似，可作為摻和料等量替代水泥加入到混凝土中，既減少了水泥的用量以此降低成本，同時(shí)在水泥水化的后期階段，其較好的火山灰活性還可以有效的提高混凝土相關(guān)性能。早在1977年，Metha[9]開展了有關(guān)稻殼灰部分取代水泥的相關(guān)研究，結(jié)果表明當(dāng)?shù)練せ胰〈嗦蕿?0%時(shí)的混凝土其抗壓強(qiáng)度要比普通的混凝土高，甚至在3d、7 d早期的強(qiáng)度得到同樣的結(jié)果。80年代，國內(nèi)有較少的關(guān)于用稻殼灰摻和水泥的報(bào)道。90年代初，南京水科研究院的王昌義的團(tuán)隊(duì)研究出了一種較適合農(nóng)村來用的燒制高活性的稻殼灰的有關(guān)技術(shù)以及在其混凝土中的相關(guān)應(yīng)用研究。其后的約二十年時(shí)間里面，國內(nèi)有部分學(xué)者相繼展開有關(guān)稻殼灰在混凝土性能改善效果中的應(yīng)用研究。Ismail和AWaliuddin[10]等的研究得到混凝土的密度以及塌落度和稻殼灰的摻量有關(guān)，摻入量增加后會(huì)降低混凝土的塌落度、密度。余其俊[11]在研究了火山灰活性的稻殼灰對混凝土強(qiáng)度以及相關(guān)耐久性能的影響后，結(jié)果顯示在混凝土里面添加入稻殼灰之后強(qiáng)度得到了提高，而且在水膠比較大時(shí)其強(qiáng)度提高的幅度也更大，同時(shí)混凝土的抗腐蝕的能力、抗碳化和抗?jié)B等性能也得到了較好的改善。王維紅[12]利用稻殼灰的有效活性，將稻殼灰作為摻和料加入混凝土中拌和，研究單摻稻殼灰以及稻殼灰-硅灰-粉煤灰按一定取代量復(fù)摻后對混凝土的相關(guān)力學(xué)性能的影響，并借助SEM和XRD的相關(guān)技術(shù)對其進(jìn)行微觀機(jī)理分析。

國內(nèi)外大多集中于單摻材料制備水泥膠砂以及混凝土的研究，對于復(fù)摻材料改善水泥膠砂以及混凝土性能研究才剛剛起步。本文通過對稻殼灰特性的研究和分析，將稻殼灰和凹土作為摻合料摻入水泥中，將制備的摻和水泥膠砂的抗壓、抗折強(qiáng)度與對照組水泥對比，探究稻殼灰和凹土在水泥膠砂中的利用前景，并為生物質(zhì)發(fā)電廠解決廢棄灰渣提供途徑。

二、單摻稻殼灰水泥膠砂力學(xué)性能

(一)試驗(yàn)原材料及其性質(zhì)

稻殼灰是生物發(fā)電廠在 650℃-800℃情況下稀氧燃燒所產(chǎn)稻殼而得。利用大型行星球磨儀(如圖2.1)與經(jīng)激光粒度分布儀(如圖2.2)研磨成比表面積不同的稻殼灰，圖2.3為稻殼灰研磨后示圖。

考慮到凹土-稻殼灰與水泥中含有過多不同成分的摻合物發(fā)生反應(yīng)從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多樣性，所以采用強(qiáng)度等級為42.5MPa的普通硅酸鹽水泥為實(shí)驗(yàn)材料，凹土使用的是淮安盱眙某企業(yè)生產(chǎn)的凹土，減水劑使用的是南京蘇博特公司產(chǎn)的聚羧酸減水劑，標(biāo)準(zhǔn)砂為廈門艾思?xì)W公司所生產(chǎn)，滿足GB/T17671中的技術(shù)要求。

圖2.1 行星球磨儀 圖2.2 激光粒度分布儀

圖2.3 稻殼灰研磨后示意圖 圖2.4 凹土

(二)試驗(yàn)主要使用儀器

水泥膠砂攪拌機(jī)是使用的水泥廠、專業(yè)院校、科研單位、建設(shè)單位試驗(yàn)通常所用的試驗(yàn)儀器。本實(shí)驗(yàn)用是型號(hào)為NLD-3型水泥膠砂流動(dòng)度測定儀，膠砂的制備流程嚴(yán)格按照照GB /T 2419-2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》中的相關(guān)規(guī)定要求進(jìn)行。壓力試驗(yàn)機(jī)是型號(hào)為YAM-3000壓力試驗(yàn)機(jī)，符合GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于加荷測定試塊的強(qiáng)度相關(guān)規(guī)定，且具有動(dòng)態(tài)顯示、結(jié)果保存等優(yōu)點(diǎn)。養(yǎng)護(hù)箱用的型號(hào)HBY-40B 型的水泥(砼)恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱。

(三)不同粒徑RHA水泥膠砂試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥)稱重450g，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，規(guī)范養(yǎng)護(hù)，測試如下圖：

圖2.5 不同比表面積RHA水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度

結(jié)論：(1)稻殼灰一定程度上可以改善試塊性能，從力學(xué)性能的角度來分析數(shù)據(jù)，有效的改善區(qū)間為0%～30%，而在30%～50%區(qū)間里效果呈下降趨勢;

(2)再結(jié)合流動(dòng)性能綜合，在RHA粒徑的比表面積為6000cm2/g左右時(shí)為最佳。

因此，在0%～30%取代量區(qū)間用RHA比表面積為6000cm2/g左右繼續(xù)開展試驗(yàn)。

(四)相同粒徑 RHA 水泥膠砂試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.取代量0-30%RHA的水泥膠砂試驗(yàn)

試驗(yàn)用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥)稱重450g，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，規(guī)范養(yǎng)護(hù)，測試如下表：

表2.1 比表面積大小為 6100cm2/g RHA 水泥膠砂試驗(yàn)結(jié)果(1)

圖2.6 比表面積大小為 6100cm2/g RHA 水泥膠砂抗壓抗折圖(1)

結(jié)論：總體來看，在0%～15%區(qū)間內(nèi)抗折強(qiáng)度逐步上升到最大；另一方面抗壓強(qiáng)度在10%取代量時(shí)達(dá)到峰值，在這之后的抗壓卻逐漸降低；從5%～15%取代量中，做更為細(xì)化試驗(yàn)。

2.取代量5-15%RHA的水泥膠砂試驗(yàn)

試驗(yàn)用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥)稱重450g，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，規(guī)范養(yǎng)護(hù)，測試如下表：

表2.2 比表面積大小為 6100cm2/gRHA 水泥膠砂試驗(yàn)結(jié)果(2)

圖2.7 比表面積大小為6100cm2/g RHA 水泥膠砂抗壓抗折圖(2)

結(jié)論：由以上數(shù)據(jù)可以看出RHA可以改善力學(xué)性能，在摻量為5%～15%區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)RHA摻入時(shí)抗折性能近乎不變，抗壓性能逐漸提高且在10%時(shí)達(dá)到最大值。綜合以上可得，當(dāng)RHA微粒的比表面積達(dá)到6000cm2/g左右,可以得出取代量為10%時(shí)綜合性能提升最佳。

三、復(fù)摻凹土-稻殼灰水泥膠砂力學(xué)性能

(一)復(fù)摻凹土-稻殼灰水泥膠砂試驗(yàn)

此節(jié)主要在前文基礎(chǔ)上研究不同的制作工藝以及不同取代量下的凹土對水泥膠砂各項(xiàng)性能的影響。

1.濕法制得凹土取代水泥膠砂試驗(yàn)

試驗(yàn)用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥以及濕法制得的凹土)稱重450g(其中RHA45g)，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，添加些許減水劑，規(guī)范養(yǎng)護(hù)，測試如下表：

表3.1 濕法制得凹土水泥膠砂試驗(yàn)結(jié)果

2.干法制得凹土取代水泥膠砂試驗(yàn)

試驗(yàn)用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥以及干法制得的凹土)稱重450g(其中RHA45g)，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，添加些許減水劑，規(guī)范養(yǎng)護(hù)，測試如下表：

表3.2 干法制得凹土水泥膠砂試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)RHA微粒的比表面積達(dá)到6000cm2/g左右，取代量為10%時(shí)，凹土取代量在2%時(shí)相對性能有顯著的提高，干法制得的凹土需水量較濕法制得的凹土大且性能略微下降。

四、結(jié)論

為研究稻殼灰及凹土作為摻合料對水泥膠砂力學(xué)性能的影響，探究稻殼灰及凹土的發(fā)展?jié)摿?。做不同摻比稻殼灰、凹土水泥膠砂試驗(yàn)測試其力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

1.單摻RHA時(shí)，當(dāng)RHA微粒的比表面積達(dá)到6000cm2/g左右時(shí)，RHA微粒可以很好改善水泥膠砂的抗壓、抗折強(qiáng)度；在0%-30%取代量這個(gè)有著較好改善的區(qū)間段發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)大致呈拋物線狀且在10%左右時(shí)改善的比例最佳。

2.當(dāng)復(fù)摻稻殼灰和凹土?xí)r，通過固定RHA的取代量以及比表面積來縮小試驗(yàn)范圍，可以得出：當(dāng)RHA微粒的比表面積達(dá)到6000cm2/g左右，取代量為10%時(shí)，凹土取代量在2%時(shí)性能相對得到了最大的改善。