稻殼灰細(xì)度和摻量對(duì)水泥及膠砂性能的影響研究

張思雨，丁麗芳，姚雪濤

（河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

1 研究背景

我國(guó)水稻每年總產(chǎn)量為 2億多噸，占世界總產(chǎn)量的30%。而稻谷在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生約 20% 的稻殼，我國(guó)每年會(huì)產(chǎn)生 4000 萬(wàn)噸以上的稻殼。大部分稻殼作為農(nóng)業(yè)廢棄物堆積或者在野外焚燒，對(duì)道路交通安全和生態(tài)環(huán)境造成極大的不良影響。因此，如何更加有效地利用稻殼，對(duì)解決上述問(wèn)題都具有重要的意義。

隨著建筑行業(yè)的繁榮發(fā)展，混凝土需求和產(chǎn)量不斷增大，需要的礦物摻合料越來(lái)越多，傳統(tǒng)的粉煤灰、礦渣粉資源變得緊張，這些傳統(tǒng)的廢棄物也已變成稀缺資源，價(jià)格不斷飆升，尋求新的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的礦物摻合料勢(shì)在必行。

稻殼灰是一種性能非常好的火山灰活性材料，將稻殼灰作為混凝土摻合料進(jìn)行利用，不僅可以節(jié)約熟料水泥，減少生產(chǎn)水泥時(shí)的 CO2排放量，還可避免稻殼堆積對(duì)環(huán)境的影響，節(jié)約耕地，改善環(huán)境。使用稻殼灰替代水泥在國(guó)內(nèi)已經(jīng)成為混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)研究方向，綠色環(huán)保混凝土是未來(lái)混凝土材料發(fā)展的必然趨勢(shì)，研究稻殼灰代替水泥配制混凝土更是具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本研究采用稻殼灰以不同細(xì)度和摻量取代部分水泥，通過(guò)水泥物理性能和水泥膠砂強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，分析了稻殼灰取代水泥的可行性，為稻殼灰混凝土的研究提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 稻殼灰相關(guān)性能研究

2.1.1 試樣制備

因市售稻殼灰多為未經(jīng)處理的不均勻顆粒狀態(tài)，故在試驗(yàn)前要對(duì)稻殼灰進(jìn)行粉磨均化處理，才能得到真正意義上可用于混凝土的稻殼灰。處理前后的對(duì)比照片詳見(jiàn)圖 1。

本項(xiàng)目采用米淇行星式球磨機(jī)對(duì)稻殼灰進(jìn)行粉磨。行星式球磨機(jī)是針對(duì)粉碎、研磨粉體進(jìn)行設(shè)計(jì)的，研磨產(chǎn)品最小粒度可至 0.1μm。其工作原理是利用磨料與試料在研磨罐內(nèi)高速翻滾，對(duì)物料產(chǎn)生強(qiáng)力剪切、沖擊、碾壓達(dá)到粉碎、研磨、分散、乳化物料的目的。

圖1 原狀稻殼灰和粉磨之后的稻殼灰

通過(guò)激光粒度測(cè)試及 45μm 篩余來(lái)評(píng)價(jià)稻殼灰細(xì)度及粉磨時(shí)間對(duì)稻殼灰細(xì)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1。

表1 不同粉磨時(shí)間對(duì)稻殼灰細(xì)度的影響

由表 1 可以看出，隨著稻殼灰粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，稻殼灰 D50 粒徑和 45μm 篩余均逐漸降低，稻殼灰越來(lái)越細(xì)，粉磨 20min 稻殼灰比原灰明顯細(xì)得多，但粉磨40min 的稻殼灰比粉磨 30min 的稻殼灰 45μm 篩余只下降 0.3%，也就是說(shuō)粉磨達(dá)到一定時(shí)間，稻殼灰的細(xì)度很難再增加。從激光粒度分析和篩余結(jié)果來(lái)看，稻殼灰粉磨時(shí)間不宜超過(guò) 30min，粉磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)只會(huì)造成能源浪費(fèi)。

2.1.2 化學(xué)分析

通過(guò) XRD 試驗(yàn)可知該稻殼灰試樣的主要化學(xué)組成是 SiO2、低溫鈉長(zhǎng)石、KCl，不含有對(duì)人體有害的組分，具體化學(xué)組成見(jiàn)表 2。

由表 2 可知，稻殼灰中的 SiO2含量在 70% 以上，理論上應(yīng)具有良好的活性效應(yīng)，結(jié)合 45μm 篩余結(jié)果與粉煤灰接近，可作為礦物摻合料替代粉煤灰，用于混凝土生產(chǎn)，可以改善混凝土的性能。

表2 稻殼灰的主要化學(xué)組分 %

2.2 其他原材料

（1）水泥：選用河北京蘭 P·O42.5 水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表 3、表 4。

表3 水泥的主要性能指標(biāo)

表4 水泥的主要化學(xué)組分 %

（2）粉煤灰：選用保定大唐Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表 5。

表5 粉煤灰的主要性能指標(biāo) %

（3）砂：保定滿城中砂，細(xì)度模數(shù) 2.6，屬于 Ⅱ區(qū)中砂，級(jí)配良好，其他性能指標(biāo)見(jiàn)表 6。

表6 砂的主要性能指標(biāo)

（4）水：飲用水。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究中膠砂試驗(yàn)的目的是為稻殼灰混凝土研究提供參考，所以膠砂試驗(yàn)所使用的原材料為常規(guī)混凝土所用品種，并未選用基準(zhǔn)水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂。

試驗(yàn)依據(jù)為 GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》和 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》中相關(guān)規(guī)定。

礦物摻合料的細(xì)度對(duì)其性能的發(fā)揮至關(guān)重要，將粉磨時(shí)間為 0min、20min、30min、40min 的稻殼灰統(tǒng)一等質(zhì)量取代 15% 的水泥，對(duì)比分析粉磨時(shí)間對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間及抗壓強(qiáng)度的影響，編號(hào)記作D1、D2、D3、D4。

由于礦物摻合料自身不能發(fā)生水化反應(yīng)，必須在有水泥熟料水化產(chǎn)生足夠數(shù)量的 Ca(OH)2條件下逐漸發(fā)揮其火山灰效應(yīng)，所以，礦物摻合料替代水泥量是有一定限度的。為尋找稻殼灰的適宜取代范圍，將粉磨時(shí)間為 30min 的稻殼灰，等質(zhì)量取代 10%、15%、20%、25%、30% 水泥，對(duì)比分析稻殼灰摻量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間及抗壓強(qiáng)度的影響，編號(hào)記作 D5、D3、D6、D7、D8。

將粉煤灰按 10%、15%、20%、25%、30% 的摻量等質(zhì)量取代水泥，并制備膠砂試件，與稻殼灰所制膠砂試件的強(qiáng)度作對(duì)比分析，編號(hào)記作 F1、F2、F3、F4、F5。

3 結(jié)果及分析

3.1 水泥物理性能試驗(yàn)

稻殼灰對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間的影響結(jié)果見(jiàn)表 7，為便于觀察分析，依據(jù)表 7 繪制出趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖 2～5。

表7 稻殼灰對(duì)水泥物理性能的影響

圖2 粉磨時(shí)間與標(biāo)稠用水量的關(guān)系

圖2 表明：（1）稻殼灰的加入，增大了水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，其中未經(jīng)粉磨的原狀灰對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響最大，比基準(zhǔn)組增加 7%；（2）隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量呈降低的趨勢(shì)；（3）粉磨 30min 與 40min 的稻殼灰水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量接近。

分析其原因，原狀灰顆粒大小不一，呈不規(guī)則形狀，其摻入增加了水泥的需水量；而粉磨過(guò)程在減小稻殼灰顆粒粒徑的同時(shí)改善了其顆粒表面形態(tài)，使其產(chǎn)生類似于粉煤灰的滾珠效應(yīng)，從而逐漸降低水泥的標(biāo)稠用水量；粉磨 30min 和粉磨 40min 所得稻殼灰的顆粒區(qū)別很小，所以對(duì)標(biāo)稠用水量的影響也很接近。

圖3 粉磨時(shí)間與凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系

圖3 表明：（1）隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，初凝時(shí)間呈先增加后降低趨勢(shì)，但變化較平緩；（2）隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，終凝時(shí)間呈降低的趨勢(shì)，變化比較明顯；（3）原狀灰與粉磨 20min 稻殼灰的影響效果較為明顯，其他粉磨時(shí)間的稻殼灰對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間影響不大。

分析其原因，稻殼灰的摻入增大了水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，從而導(dǎo)致了凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)；稻殼灰的火山灰效應(yīng)在水泥水化反應(yīng)中后期才會(huì)被激發(fā)，所以不同粉磨時(shí)間的稻殼灰對(duì)初凝時(shí)間影響區(qū)別不大；原狀灰和粉磨20min 稻殼灰因顆粒粒徑較大，活性較低，不能完全被激發(fā)參與水化反應(yīng)，導(dǎo)致終凝時(shí)間延長(zhǎng)較多。

圖4 稻殼灰摻量與標(biāo)稠用水量的關(guān)系

圖4 表明：隨著稻殼灰摻量的增加，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量呈增加的趨勢(shì)。

分析其原因，由于稻殼灰需水量高于水泥，所以隨著摻量的增長(zhǎng)，需水量不斷增加。

圖5 表明：隨著稻殼灰摻量的增加，初凝與終凝時(shí)間均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

分析其原因，由于標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨著稻殼灰摻量增加不斷增長(zhǎng)，所以凝結(jié)時(shí)間被延長(zhǎng)。

圖5 稻殼灰摻量與凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系

表8 稻殼灰及粉煤灰對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

圖6 和圖 7 表明：（1）原狀灰的摻入，使得水泥膠砂抗折和抗壓強(qiáng)度均大幅下降；（2）隨著粉磨時(shí)間的增加，水泥膠砂抗折和抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；（3）

3.2 膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)

稻殼灰對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響及粉煤灰對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響結(jié)果見(jiàn)表 8，為便于觀察分析，根據(jù)表 8 繪制出趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖 6～9。粉磨 30min 稻殼灰與粉磨 40min 稻殼灰對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響接近。

分析其原因，未經(jīng)粉磨的原狀灰活性很難被激發(fā)，無(wú)法補(bǔ)償所取代水泥的強(qiáng)度；隨著粉磨時(shí)間的增加，稻殼灰粒徑逐漸變小，活性增加，逐步參與到水化反應(yīng)中，使得膠砂強(qiáng)度逐步增長(zhǎng)；粉磨 30min 和粉磨 40min所得稻殼灰的顆粒區(qū)別很小，所以對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響也很接近。

圖6 粉磨時(shí)間與抗折強(qiáng)度的關(guān)系

圖7 粉磨時(shí)間與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖8 不同摻量稻殼灰與粉煤灰的抗折強(qiáng)度對(duì)比

圖9 不同摻量稻殼灰與粉煤灰的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖8 和圖 9 表明：（1）隨著稻殼灰摻量的增加，7d 抗折和抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；（2）隨著稻殼灰摻量的增加，28d 抗折和抗壓強(qiáng)度呈先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)；（3）在 15% 摻量時(shí)，28d 抗折和抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。

分析其原因，由于稻殼灰的火山灰效應(yīng)主要作用于后期水化反應(yīng)，從而對(duì)早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較少，致使早期強(qiáng)度隨摻量增加而降低；在水化反應(yīng)后期，稻殼灰中的SiO2在二次水化反應(yīng)中能生成更多的 C-S-H 凝膠，并且也能更加密實(shí)的填充水泥砂漿內(nèi)部的孔隙，使得膠砂強(qiáng)度增長(zhǎng)；同時(shí)隨著稻殼灰摻量的增加，則是相對(duì)降低了水泥砂漿中的水泥含量，致使強(qiáng)度下降，這兩種強(qiáng)度變化趨勢(shì)隨著稻殼灰摻量的增加而交替處于主導(dǎo)地位，致使水泥膠砂后期強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在15% 摻量時(shí)達(dá)到最大值。

由圖 8 和圖 9 還可以看出：隨著摻量的增加，摻稻殼灰和摻粉煤灰的膠砂試件強(qiáng)度接近，且變化趨勢(shì)相似。說(shuō)明稻殼灰對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響與粉煤灰相近，可以替代粉煤灰用作混凝土摻合料。

4 結(jié)論

（1）稻殼灰取代部分水泥摻入后，會(huì)增加水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間，其影響隨粉磨時(shí)間的增加而減小，隨稻殼灰摻量的增加而加大。

（2）稻殼灰取代部分水泥摻入后，其水泥膠砂強(qiáng)度隨粉磨時(shí)間的增加而增加，隨稻殼灰摻量增加呈先增大后減小趨勢(shì)。

（3）稻殼灰對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響與粉煤灰相近，可以替代粉煤灰用作混凝土摻合料。

（4）綜合考慮上述試驗(yàn)結(jié)果，稻殼灰的最佳粉磨時(shí)間為 30min，最佳摻量為 15%。