電廠稻殼灰水泥砂漿流動(dòng)度及力學(xué)性能研究

劉宜思，龐建勇,2，姜平偉，蘇 強(qiáng)，張 琴

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

稻殼中含有豐富的無定性SiO2，其經(jīng)焚燒后得到的稻殼灰(Rice husk ash，RHA)富含納米級(jí)SiO2[1]。納米SiO2能與水泥的主要水化產(chǎn)生Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)得到水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，提高水泥砂漿的力學(xué)性能，但納米顆粒所具有較高的表面活性和火山灰效應(yīng)，會(huì)降低水泥漿體的工作性能[2-4]。同時(shí)電廠汽化爐焚燒后的RHA作為一種生物質(zhì)摻合料，并且是一種大量的可再生廢棄資源。所以探究RHA在建筑材料上的合理應(yīng)用，符合綠色建筑的發(fā)展理念。

文獻(xiàn)[5]研究了稻殼在600℃條件下燃燒的產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)其中含有大量納米級(jí)SiO2顆粒和蜂窩狀孔隙，RHA具有高火山灰活性。文獻(xiàn)[6]將低溫RHA和礦物摻合料摻入水泥基材料，并對(duì)力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]研究了水泥基在不同RHA摻量下的比表面積、凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)RHA的摻入會(huì)使水泥比表面積增加，降低其工作性能，延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間。文獻(xiàn)[8]等研究了RHA混凝土的耐高溫性能，發(fā)現(xiàn)摻入5%RHA的混凝土耐高溫性能優(yōu)于普通混凝土。

上述國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了試驗(yàn)室控溫條件下(低于600℃)焚燒獲得的RHA在水泥基材料的微觀形態(tài)以及強(qiáng)度等方面的應(yīng)用，該環(huán)境下取得的RHA，焚化要求極高，且不易大量獲取。所以本文特選取電廠(燃燒溫度600～650℃)產(chǎn)RHA，以不同水灰比的水泥砂漿配合比為基準(zhǔn)，用RHA代替部分水泥加入到水泥砂漿中。探究稻殼灰水泥砂漿(Rice husk ash cement mortar，RHA-CM)力學(xué)性能，為推動(dòng)電廠RHA的應(yīng)用，緩解RHA廢棄物造成的環(huán)境壓力提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

RHA：湖北華電襄陽(yáng)發(fā)電有限公司發(fā)電殘余RHA，化學(xué)成分以SiO2(85.6%)為主，同時(shí)含有少量K2O(2.51%)CaO(2.44%)Fe2O3(0.56%)MgO(0.51%)。水泥：P·O42.5普通硅酸鹽水泥；砂：標(biāo)準(zhǔn)砂；拌合水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

設(shè)定RHA摻量設(shè)置為凝膠材料(RHA+水泥)總質(zhì)量的5%、10%、15%共3個(gè)梯度，并設(shè)置不摻RHA的空白組作為對(duì)照。同一RHA摻量試驗(yàn)組設(shè)置4個(gè)不同水灰比，分別為0.5、0.54、0.58、0.62。其他條件保持一致，計(jì)算所得配合比如表2所示。

表1 RHA-CM試驗(yàn)配比

表2 RHA-CM試驗(yàn)結(jié)果

1.2.2試件制作及測(cè)試方法

1)流動(dòng)度的測(cè)量與需水量比的確定

將水泥砂漿攪拌，入模，然后利用搗棒從外向內(nèi)均勻振搗10次；然后啟動(dòng)跳桌，以一次/s的頻率跳動(dòng)25次；跳動(dòng)結(jié)束后，對(duì)水泥砂漿底面取最長(zhǎng)直徑及與之垂直的直徑進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算其平均值(取整數(shù))。所得結(jié)果即為水泥砂漿的流動(dòng)度。

由于RHA在水泥砂漿中的吸水作用未知，故設(shè)計(jì)不同水灰比以觀察不同稻殼灰摻量下的水泥砂漿流動(dòng)度，以確定稻殼灰摻量與需水量比的關(guān)系。參照規(guī)范GB/T 18736-2017《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》中礦物摻合料需水量的實(shí)驗(yàn)方法，RHA-CM需水量比的確定方法為：以受檢水泥砂漿流動(dòng)度在基準(zhǔn)水泥砂漿流動(dòng)度±5mm范圍內(nèi)時(shí)所加入的拌和水量為用水量，即

(1)

式中：Rw表示受檢水泥砂漿的需水量比，%；Wt表示受檢水泥砂漿的用水量，g；225為基準(zhǔn)水泥砂漿的用水量，g。

2)水泥砂漿試件的制備與養(yǎng)護(hù)

每一種配合比各制作6塊40mm×40mm×100mm的試件用于測(cè)試其抗折強(qiáng)度，6塊100mm×100mm×100mm用于測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。試塊于20℃恒溫條件下放入飽和Ca(OH)2溶液中養(yǎng)護(hù)，并在7d和28d的時(shí)測(cè)試其力學(xué)性能。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流動(dòng)度分析

從圖1可以看出，對(duì)同一RHA摻量的水泥砂漿，隨著水灰比的增大，水泥砂漿的流動(dòng)度也逐漸增加，而水灰比一定的水泥砂漿，隨RHA摻量的增加，其流動(dòng)度逐漸降低。這主要是由于RHA活性較高，摻入到水泥砂漿后會(huì)促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的速率，消耗了較多RHA-CM中的自由水；同時(shí)RHA顆粒的巨大比表面積以及蜂窩狀結(jié)構(gòu)造成其較強(qiáng)的吸水性，減少了RHA-CM中的自由水含量。因而在較低水灰比環(huán)境下，RHA-CM的工作性能受到不利影響，流動(dòng)度降低。

圖1 不同RHA摻量下水灰比與流動(dòng)度

同時(shí)在圖1中發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)水泥砂漿(RHA摻量為0，水灰比0.5)的流動(dòng)度為224mm。而N-1、A-2、B-3與C-4的流動(dòng)度基本處于同一水平線上，即RHA摻量分別為5%、10%和15%時(shí)，水灰比分別為0.54、0.58和0.62可以使相應(yīng)RHA摻量的水泥砂漿與標(biāo)準(zhǔn)配比的水泥砂漿流動(dòng)度基本一致。

2.2 力學(xué)性能分析

1) 抗折分析

從圖2(a)～(b)中可以看出，水灰比超過0.54時(shí)，隨著RHA摻量的增加，RHA-CM的7d和28d的抗折性能均得到了明顯的提高，且0.54的水灰比以及10%摻量的RHA對(duì)其抗折性能的提高最為顯著，其7d和28d抗折性能的提高較標(biāo)準(zhǔn)砂漿分別可達(dá)到12.4%和15.3%。同時(shí)可以看到，水灰比為0.5時(shí)，RHA的摻入對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響并不明顯，這主要由于水灰比過小，RHA的吸水作用導(dǎo)致水泥砂漿和易性較差，流動(dòng)度降低，致使RHA-CM的工作性能下降，RHA的增強(qiáng)作用不明顯。而當(dāng)水灰比大于0.54時(shí)，由于含水量過大，流動(dòng)度過高，不利于RHA-CM的硬化，導(dǎo)致其抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

圖2(c)為RHA-CM7d抗折強(qiáng)度和28d抗折強(qiáng)度的比值(在本文中簡(jiǎn)稱為β)。從圖中可以看出，在RHA摻量相同的情況下，β的變化趨勢(shì)與7d及28d抗折強(qiáng)度基本一致。而在同一水灰比的情況下，隨著RHA摻量的增加，β的值越來越低。β的值越大，代表其抗折強(qiáng)度的增加過程越穩(wěn)定?？梢娤嗤琑HA摻量的情況下，28d抗折強(qiáng)度越大，β越大，抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)過程越穩(wěn)定。而相同水灰比條件下，RHA的摻量越高，β越小，說明RHA對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)過程穩(wěn)定性具有負(fù)面作用，RHA的摻量越高，水泥砂漿強(qiáng)度增加過程的穩(wěn)定性越差。

(a)7d抗折強(qiáng)度

(b)28d抗折強(qiáng)度

(c)7d與28d抗折強(qiáng)度比圖2 7d與28d抗折強(qiáng)度及其抗折強(qiáng)度比

由此表明RHA的摻量與水灰比對(duì)水泥砂漿抗折性能的影響是交互的，所以借助Matlab數(shù)值計(jì)算軟件，選取f(x,y)為28d的RHA-CM抗折強(qiáng)度目標(biāo)函數(shù)，其中x為水灰比，y為RHA摻量(%)。得到曲面如圖3及擬合公式(2)，并且擬合度較高，R2為0.934。并可以得到曲面峰值出現(xiàn)在為水灰比0.54，RHA摻量為10%位置處，此時(shí)本試驗(yàn)條件下的RHA-CM的28d抗折性能最優(yōu)。

圖3 28d抗折強(qiáng)度與水灰比及RHA摻量關(guān)系曲面圖

f(x,y)=6.878+0.1877*x+2.303*y-

0.1557*x2+0.162*x*y-0.4732*y2(R2=0.934)

(2)

2)抗壓分析

從圖4可以看出，相同條件下的RHA-CM的7d抗壓強(qiáng)度與28d抗壓強(qiáng)度與相應(yīng)的抗折強(qiáng)度變化基本一致，可以得到RHA對(duì)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度值與抗壓強(qiáng)度值有相近的增強(qiáng)作用。在此不再多做描述。

(a)7d抗壓強(qiáng)度

(b)28d抗壓強(qiáng)度

(c)7d與28d抗壓強(qiáng)度比圖4 7d與28d抗壓強(qiáng)度及其抗壓強(qiáng)度比

應(yīng)用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)RHA-CM的28d抗壓性能進(jìn)行曲面擬合，如圖5所示，擬合曲面公式見式(3)。同樣的得到在為水灰比0.54，RHA摻量為10%位置處，此時(shí)本試驗(yàn)條件下RHA-CM的28d抗壓性能最優(yōu)。

圖5 28d抗壓強(qiáng)度與水灰比及RHA摻量關(guān)系曲面圖

f(x,y)=27.95+1.54*x+15.02*y-

0.9194*x2+0.9964*x*y-3.257*y2(R2=0.9734)

(3)

式中：x為水灰比，y為RHA摻量(%)，f(x,y)為28d抗壓強(qiáng)度，R2為決定系數(shù)。

3 微觀分析

從圖6(a)中可以看到，電廠RHA中的大量無定性納米級(jí)SiO2，均勻分散于水泥漿體中具有“微集料作用”，即起到細(xì)微集料的作用，改善水泥砂漿級(jí)配，將有害孔轉(zhuǎn)化為無害孔[9-10]。同時(shí)，無定性SiO2在水泥水化過程與其主要產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)一步的反應(yīng)生成C-S-H凝膠[11-12]，并為接下來生成的水化產(chǎn)物提供了成核點(diǎn)，使得C-S-H凝膠等直接影響水泥砂漿強(qiáng)度的物質(zhì)能更好的連接在一起，提高RHA-CM內(nèi)部的密實(shí)度[13]，從而提高RHA-CM的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。另外，RHA中的K+、Fe2+離子能夠提高RHA-CM中的電解質(zhì)濃度，加速硅酸鹽組分的水化過程，有利于C-S-H凝膠的產(chǎn)生[14]，兩種作用共同作用，使得水泥砂漿具有更好的力學(xué)性能。

(a)二次水化C-S-H凝膠 (b)15%RHA摻量 圖6 RHA-CM基體電鏡照片

而當(dāng)RHA摻量提高到15%及以上時(shí)，由于水化產(chǎn)物的總量限制，RHA的微集料作用無法很好的體現(xiàn)；相反的，大量RHA顆粒未發(fā)生水化反應(yīng)，導(dǎo)致水泥砂漿之中存在較多的孔洞如圖6(b)所示，進(jìn)而導(dǎo)致水泥砂漿的力學(xué)性能下降。而從水灰比的角度看，當(dāng)RHA摻量在5%～10%時(shí)，由于RHA蜂窩狀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致其較強(qiáng)的吸水作用[15]，并且C-S-H凝膠也會(huì)增加RHA-CM的粘稠度。故而使得水灰比為0.5的RHA-CM流動(dòng)度降低，和易性較差，進(jìn)而造成力學(xué)性能的降低。而當(dāng)水灰比大于0.54時(shí)，又會(huì)因?yàn)樗冶冗^大導(dǎo)致離析等不利影響，同樣會(huì)降低RHA-CM的力學(xué)強(qiáng)度。因此，能使RHA在RHA-CM充分發(fā)揮增強(qiáng)作用的摻量應(yīng)為10%，水灰比應(yīng)為0.54。

4 結(jié)論

(1)電廠RHA的摻入會(huì)降低水泥砂漿的流動(dòng)性，影響混凝土的和易性和力學(xué)性能。水灰比一定時(shí)，RHA-CM的流動(dòng)度與RHA摻量呈反比。根據(jù)試驗(yàn)擬合得到了RHA-CM需水量比與RHA摻量的關(guān)系公式。

(2)電廠RHA對(duì)RHA-CM的力學(xué)強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，但會(huì)降低強(qiáng)度增加過程的穩(wěn)定性。當(dāng)水灰比0.54，RHA摻量為10%時(shí)，RHA-CM的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

(3)電廠RHA中含有大量無定性SiO2與水泥水化主要產(chǎn)物Ca(OH)2生成C-S-H凝膠，并具有“微集料效應(yīng)”，是RHA能夠提高水泥砂漿力學(xué)性能的主要原因。但RHA摻量較多會(huì)導(dǎo)致大量RHA顆粒未發(fā)生水化反應(yīng)，導(dǎo)致水泥砂漿之中存在較多的孔洞，力學(xué)性能降低。