稻殼灰生態(tài)混凝土的力學(xué)及植生性能

摘要： 【目的】 利用工業(yè)發(fā)電過程中產(chǎn)生的廢棄稻殼灰替代硅灰制備稻殼灰生態(tài)混凝土，改善生態(tài)混凝土的強(qiáng)度和植生性能，降低生態(tài)混凝土制造成本的同時保護(hù)生態(tài)環(huán)境?！痉椒ā?采用稻殼灰部分代替硅灰作為膠凝材料，保持硅灰和稻殼灰質(zhì)量之和不變，對稻殼灰代替硅灰進(jìn)行第1次配比設(shè)計，研究水和膠凝材料的質(zhì)量比（水膠比）、稻殼灰替代率對稻殼灰生態(tài)混凝土強(qiáng)度的影響，確定最佳水膠比和稻殼灰替代率的取值范圍；進(jìn)行第2次配比設(shè)計，采用Design Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，研究水膠比、稻殼灰替代率和孔隙率對稻殼灰生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響，確定最佳水膠比和稻殼灰代替率，并采用狗牙根、黑麥草、高羊茅3種草本植物驗(yàn)證稻殼灰生態(tài)混凝土的植生性能?！窘Y(jié)果】隨著稻殼灰替代率的增大，稻殼灰生態(tài)混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最佳稻殼灰替代率為55%；3種草本植物均能夠在稻殼灰生態(tài)混凝土中正常生長，高羊茅植生性能最佳?！窘Y(jié)論】 稻殼灰可以替代硅灰用作膠凝材料，制備的稻殼灰生態(tài)混凝土具有良好的力學(xué)性能和植生性能。

關(guān)鍵詞： 生態(tài)混凝土； 稻殼灰； 強(qiáng)度； 植生性能； 響應(yīng)面法

中圖分類號： TB4； TQ324.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：

龔芳媛， 王書岳， 杜政陽， 等. 稻殼灰生態(tài)混凝土的力學(xué)及植生性能［J］. 中國粉體技術(shù)， 2024， 30（2）： 173-186.

GONG F Y， WANG S Y， DU Z Y， et al. Mechanical and vegetation properties of rice husk ash ecological concrete［J］. ChinaPowder Science and Technology， 2024， 30（2）： 173?186.

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，混凝土的需求不斷增加，導(dǎo)致碳排放和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。在混凝土制備過程中，對生態(tài)環(huán)境影響最大的是水泥生產(chǎn)和細(xì)集料河砂開采過程，制備1 t水泥產(chǎn)生的二氧化碳排放量約為0.8～1.3 t，細(xì)集料河砂開采中對森林的砍伐會影響沿岸植被的生態(tài)穩(wěn)定性［1-2］ 。為緩解制造混凝土引發(fā)的碳排放和生態(tài)環(huán)境破壞問題，越來越多的工業(yè)副產(chǎn)品如礦渣、粉煤灰、硅灰、偏高嶺土等被用來代替水泥作為輔助膠凝材料，其中采用具有火山灰性能的硅灰、粉煤灰等制備的膠凝材料性能較為優(yōu)良［3］ ?；鹕交姨匦圆牧显诨炷林械膽?yīng)用不僅有助于提升固廢利用率，還能提高混凝土的耐久性［4-5］ 。

各類環(huán)境友好型的混凝土因使用回收材料、減少對自然資源的消耗以及降低對自然環(huán)境的破壞而備受關(guān)注［6］ 。生態(tài)混凝土是一種使用廣泛的環(huán)境友好型混凝土，通過特定粒徑的粗骨料之間的嵌擠作用而形成基本結(jié)構(gòu)。生態(tài)混凝土具有較大的孔隙，可以連通水分、土壤、空氣和植物根系，可為植物及微生物的生長提供空間，進(jìn)而改善生態(tài)環(huán)境［7］ 。

稻米在我國年生產(chǎn)量超過0.4億t，其中每噸稻米產(chǎn)生大約0.2 t稻殼，根據(jù)氣候、稻米種類和處理方式的不同，這些稻殼會產(chǎn)生0.18～0.2 t的灰燼，處理不當(dāng)會影響生態(tài)環(huán)境［8］ 。稻殼中纖維素、木質(zhì)素及礦質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為40%、 30%、 17%，因此常被用作熱電站燃料，稻殼在一定的加熱條件下形成的灰燼成為具有一定使用價值的稻殼灰［9］ 。研究發(fā)現(xiàn)，稻殼灰的無定形二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%，具有良好的火山灰性能，有助于水泥混凝土性能的提高［4， 10］ 。Kang等 ［11］ 采用稻殼灰進(jìn)行超高性能混凝土的制備，發(fā)現(xiàn)稻殼灰的使用有效地提高了超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度。Kumar等［12］ 將棕櫚燃料灰和稻殼灰加入混凝土中，發(fā)現(xiàn)摻入稻殼灰的混凝土具有更好的耐久性能。Liu等［13］ 用稻殼灰部分取代水泥，并對稻殼灰混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究，建立了稻殼灰替代率的最佳模型。

將部分工業(yè)副產(chǎn)品作為輔助膠凝材料應(yīng)用到混凝土中，雖然可以減少水泥用量并改善混凝土的性能，但混凝土的產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定性往往難以保證，特別是常用來制備高性能混凝土的膠凝材料硅灰的價格較高，大用量推廣應(yīng)用受到限制。稻殼灰在組成成分上與硅灰相似，二者均可以通過水化反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鈣凝膠來提高混凝土的強(qiáng)度，因此可考慮將稻殼灰用來代替其他火山灰活性材料組成膠凝材料［14］ 。Lo等 ［9］ 將粉煤灰和稻殼灰部分取代普通硅酸鹽水泥制備透水混凝土，受稻殼灰、粉煤灰性能的影響，混凝土的漿體體積增大，致密性和抗壓強(qiáng)度提高。Tayeh等［15］ 認(rèn)為合理使用稻殼灰代替硅灰可以提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。Qureshi等［16］ 研究了4種輔助膠凝材料對再生混凝土強(qiáng)度和性能的影響，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%、10%的稻殼灰和硅灰制備的樣品均具有較好的強(qiáng)度和耐久性。Syed等［17］ 將稻殼灰和微硅粉2種材料應(yīng)用到改善鋼纖維水泥基材料的研究中，認(rèn)為稻殼灰和微硅粉的質(zhì)量均占膠凝材料總質(zhì)量的7.5%時鋼纖維水泥基材料具有最佳性能。

現(xiàn)有研究大多集中于稻殼灰作為火山灰材料對常規(guī)混凝土性能的影響，缺少將稻殼灰應(yīng)用于具有生態(tài)效益的混凝土結(jié)構(gòu)中，從而改善混凝的土力學(xué)性能及環(huán)境污染問題。國內(nèi)對生態(tài)混凝土的研究起步較晚，使用新型環(huán)保材料來代替已有摻合料的研究相對較少，因此，將稻殼灰代替硅灰應(yīng)用到生態(tài)混凝土中，可為優(yōu)質(zhì)摻合料在生態(tài)混凝土中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

稻殼灰生態(tài)混凝土由水、 水泥、 硅灰、 稻殼灰、 碎石和減水劑組成，本文中將造價較低的稻殼灰［5， 18］ 部分代替硅灰作為膠凝材料來使用。對稻殼灰代替硅灰進(jìn)行第1次配比設(shè)計時，保持硅灰和稻殼灰總質(zhì)量不變，研究水膠比、稻殼灰替代率對稻殼灰生態(tài)混凝土強(qiáng)度的影響，初步確定最佳水膠比和稻殼灰替代率的取值范圍；進(jìn)行第2次配比設(shè)計時，采用Design Expert軟件中的BoxBehnken Design模塊進(jìn)行第2次配合比方案設(shè)計，構(gòu)建響應(yīng)面模型，研究水膠比、 稻殼灰替代率和孔隙率對稻殼灰生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響，并采用狗牙根、 黑麥草、 高羊茅3種草本植物研究稻殼灰生態(tài)混凝土的植生性能。

1 材料與方法

1.1 原材料與儀器設(shè)備

原材料：普通硅酸鹽水泥（強(qiáng)度等級為42.5，濰坊山水水泥有限公司）；根據(jù)CECS 361—2013《生態(tài)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［19］ ，采用粒徑為19～26.5 mm的粗集料（安丘山水水泥有限公司），不采用細(xì)集料。硅灰（SiO 2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.5%，比表面積大于15 m 2 /g，河南鼎諾凈水材料有限公司）；稻殼灰（SiO 2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥85%，平均粒徑為10 μm，表觀密度為1 320 kg/m 3 ，魚臺創(chuàng)建保溫材料有限公司）。放大倍數(shù)分別為500、 1 000、 2 000時的稻殼灰掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖1所示。由圖可見，稻殼灰表面具有呈規(guī)則排列的類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元之間有一定的空隙，使得稻殼灰具有較大的比表面積，可以吸附更多水分［13］ 。

儀器與設(shè)備：JYW-2000型數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)（北京科達(dá)濟(jì)威實(shí)驗(yàn)儀器制造廠）；YA-2000D型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)（威海市試驗(yàn)機(jī)制造有限公司）；JSM-7800F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（上海百賀儀器科技有限公司）。

1.2 試件的制備

第1次配合比設(shè)計確定最優(yōu)水膠比和稻殼灰替代率的取值范圍。生態(tài)混凝土具有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)，通常要求膠凝材料必須完全包裹骨料，水膠比過小或過大均會造成生態(tài)混凝土成型困難，根據(jù)文獻(xiàn)［2， 20］ ，采用體積法進(jìn)行配合比設(shè)計，選擇水膠比分別為0.20、 0.25、 0.30、 0.35。稻殼灰因?yàn)榱捷^小無法充分填充水泥和硅灰之間的孔隙，這些孔隙可以保證生態(tài)混凝土具有良好的植生性能，但稻殼灰摻量過大會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低［16］ ，因此，稻殼灰替代率分別設(shè)為0、 20%、 40%、 60%、 80%、 100%。

根據(jù)文獻(xiàn)［21］，設(shè)定碎石質(zhì)量為1 420 kg，孔隙率為20%，膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%。每立方米稻殼灰生態(tài)混凝土第1次配合比設(shè)計材料質(zhì)量如表1所示。由表可知，共24組配方，每組配方按照養(yǎng)護(hù)齡期不同分別制備3個試件，養(yǎng)護(hù)齡期分別設(shè)為7、 28 d。

1.3 性能測試

1.3.1 力學(xué)性能

根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［22］ ，正方體抗壓強(qiáng)度試件的邊長為150 mm；棱柱體抗折強(qiáng)度試件的尺寸為600 mm×150 mm×150 mm（長度×寬度×高度）。稻殼灰生態(tài)混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

1.3.2 孔隙率

孔隙率對生態(tài)混凝土的強(qiáng)度和植生性能均有較大影響。隨著孔隙率的增大，結(jié)構(gòu)的膠結(jié)能力下降，植物生長的空間增大［11］ ?？刹捎门潘y試生態(tài)混凝土的孔隙率，孔隙率計算公式為式中： C為孔隙率； m 1 為容器與水的質(zhì)量； m 2 為試件取出后容器與水的質(zhì)量； ρ為水的密度； V為生態(tài)混凝土試件的體積。

1.3.3 植生性能

生態(tài)混凝土作為護(hù)坡材料使用時，要求所選草本植物應(yīng)適應(yīng)弱堿性、 根系較細(xì)且發(fā)達(dá)、抗旱性能強(qiáng)，能穿透一定厚度的生態(tài)混凝土到達(dá)天然土壤汲取養(yǎng)分，因此，選擇狗牙根、 黑麥草、 高羊茅進(jìn)行植生性能試驗(yàn)。植物的正常生長離不開土壤內(nèi)的水分和養(yǎng)分，在植物根系穿透生態(tài)混凝土扎到天然土壤之前，需要在生態(tài)混凝土孔隙中填充植生基材。由于生態(tài)混凝土內(nèi)孔隙空間pH顯弱堿性，植生基材由土壤、 水、 硫酸亞鐵、 復(fù)合肥按照質(zhì)量比為74∶24∶1∶1進(jìn)行配制。種植土壤pH為6.5～7，環(huán)境溫度為25～30 ℃，光照充足，種植過程中保持早晚澆等量的水。

在實(shí)際操作過程中，將植生基材攪拌成糊狀漿體后，把漿體充分填充到稻殼灰生態(tài)混凝土孔隙中，得到植生混凝土漿塊，然后將漿塊用天然土壤包裹放入亞克力模型盒中；采用表面播種法播種草籽，將面密度為30 g/m 2 的草種均勻播撒在植生混凝土漿塊的上部覆土中，用厚度約為1 cm的細(xì)土將草種覆蓋，形成的植生混凝土的植生容器如圖3所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

不同養(yǎng)護(hù)齡期時，稻殼灰替代率對不同水膠比的稻殼灰生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。水膠比為0.20時， 水泥未能形成漿體裹附在碎石表面，未達(dá)到成型要求。 由圖4（a）可知， 養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時，隨著稻殼灰替代率的增大，3種水膠比下稻殼灰生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這是由于稻殼灰比硅灰擁有更大的比表面積，需水量更大，影響前期水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程，但稻殼灰作為混凝土內(nèi)部進(jìn)行第2次水化反應(yīng)的反應(yīng)物，在早期發(fā)揮作用較小。由圖4（b）可知， ，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，隨著稻殼灰替代率的增大，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在水膠比為0.25、 0.35時，稻殼灰替代率為60%時稻殼灰混凝土抗壓強(qiáng)度最大，分別為9.32、 9.6 MPa；在水膠比為0.30時，稻殼灰替代率為40%時稻殼灰混凝土抗壓強(qiáng)度最大，為9.9 MPa，這是因?yàn)?，隨著膠凝材料水化反應(yīng)充分，混凝土內(nèi)部生成了可以改善強(qiáng)度的硅酸鈣凝膠，但稻殼灰替代率繼續(xù)增大后，因稻殼灰的需水量較多，膠凝材料的流動性逐漸降低，成型后的稻殼灰生態(tài)混凝土密實(shí)度降低，此外，稻殼灰的密度比硅灰的小，代替硅灰之后填充孔隙的能力相對較差，這些因素共同導(dǎo)致稻殼灰生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度減小。

不同養(yǎng)護(hù)齡期時，稻殼灰替代率對不同水膠比的稻殼灰生態(tài)混凝土的抗折強(qiáng)度的影響如圖5所示。7、 28 d抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出不同的變化趨勢，而最大抗折強(qiáng)度均出現(xiàn)在水膠比為0.30時。與抗壓強(qiáng)度不同，水膠比為0.30時的抗折強(qiáng)度與水膠比為0.25和0.35時具有相同的變化趨勢。由圖5（a）可知，養(yǎng)護(hù)期齡為7 d時隨著稻殼灰替代率的升高，3種水膠比下的生態(tài)混凝土抗折強(qiáng)度均逐漸減小，而在水膠比為0.35時，不含稻殼灰的生態(tài)混凝土的抗折強(qiáng)度低于水膠比為0.25時的抗折強(qiáng)度，且隨著稻殼灰替代率的增加，水膠比為0.25時抗折強(qiáng)度的變化趨勢較為明顯。這是因?yàn)樵谒z比較小時，稻殼灰本身的填充能力產(chǎn)生的強(qiáng)度要高于水化反應(yīng)帶來的強(qiáng)度變化，相對較高的強(qiáng)度在抗折試塊中可以產(chǎn)生較高的彎矩，從而影響7 d強(qiáng)度。由圖5（b）可知，養(yǎng)護(hù)期齡為28 d時隨著稻殼灰替代率的升高，3種水膠比下的抗折強(qiáng)度先增加后減小，稻殼灰替代率為60%時具有最大強(qiáng)度。

綜上， 稻殼灰生態(tài)混凝土的7、 28 d強(qiáng)度有不同的變化趨勢， 養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時， 3種水膠比下的稻殼灰生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著稻殼灰替代率的增大呈減小趨勢； 養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時， 稻殼灰生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著稻殼灰替代率先增大后減小， 在水膠比為0.30， 稻殼灰替代率為40%時抗壓強(qiáng)度最大為9.9 MPa； 在水膠比為0.30， 稻殼灰替代率為60%時抗折強(qiáng)度最大為2.01 MPa。

2.2 配合比的二次優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面法

采用Design Expert軟件中的BoxBehnken Design模塊進(jìn)行第2次配合比方案設(shè)計。根據(jù)第1次配合比設(shè)計的結(jié)果進(jìn)一步研究孔隙率、 水膠比、 稻殼灰替代率3種因素對稻殼灰生態(tài)混凝土強(qiáng)度和植生性能的交互影響，建立回歸方程確定最佳水膠比和稻殼灰替代率。

生態(tài)混凝土的特殊骨架決定了其自身孔隙結(jié)構(gòu)大部分由粗骨料堆積膠結(jié)而成。根據(jù)CECS 361—2013《生態(tài)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，本文中選擇粒徑為19～26.5 mm骨料且采用單級配，在目標(biāo)孔隙率為20%的條件下抗壓強(qiáng)度大于5 MPa，因此，孔隙率初步選取為20%、 25%、 30%。

水膠比主要影響稻殼灰生態(tài)混凝土的強(qiáng)度，也會間接影響孔隙率。在第1次配合比試驗(yàn)中，水膠比為0.20時，水泥未能形成漿體裹附在碎石表面，未達(dá)到成型要求，這是因?yàn)?，?dāng)水膠比較小時，水化反應(yīng)不充分，降低了膠凝材料的黏結(jié)力；當(dāng)水膠比較大時，易產(chǎn)生離析和流漿現(xiàn)象，較稀的膠凝材料漿體容易聚集到稻殼灰生態(tài)混凝土底部，影響稻殼灰生態(tài)混凝土的成型和強(qiáng)度，因此，隨著水膠比的增大，稻殼灰生態(tài)混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)水膠比為0.30、 養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，稻殼灰生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度均大于9 MPa，而在水膠比為0.35時并未產(chǎn)生離析現(xiàn)象，故水膠比初步選取為0.25、0.30、 0.35。

稻殼灰生態(tài)混凝土的抗壓、抗折試驗(yàn)結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，隨著稻殼灰替代率的增大，抗壓和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，根據(jù)第1次配合比設(shè)計結(jié)果可知，在水膠比為0.25和0.35，稻殼灰替代率60%時，抗壓強(qiáng)度最大，在水膠比為0.30，稻殼灰替代率40%時，抗壓強(qiáng)度最大。而3種水膠比下的抗折強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)相同的變化趨勢，抗折強(qiáng)度均在稻殼灰替代率60%時為最大值，因此，可能在稻殼灰替代率60%左右出現(xiàn)同時滿足最大抗壓強(qiáng)度和最大抗折強(qiáng)度的情況，故初步選取稻殼灰替代率為55%、 60%、 65%。

綜上，二次配合比的響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平如表2所示。響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2.2.2 回歸方程的建立

根據(jù)響應(yīng)面法采用二次模型對結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得到二次多項(xiàng)式回歸方程利用Design Expert軟件中的方差分析對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，一般認(rèn)為，Plt;0.01時為非常顯著，0.01≤P≤0.05為顯著，Pgt;0.05為不顯著［23］ ?；貧w方程的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，稻殼灰生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度、 抗折強(qiáng)度和孔隙率的二次多項(xiàng)式回歸方程的P值全部小于0.000 1，表明二次模型顯著性良好；在水膠比、 孔隙率和稻殼灰替代率這3個單因素中，3個因素均對抗壓強(qiáng)度的影響非常顯著，孔隙率和水膠比的影響程度基本一致，稻殼灰替代率的影響最?。豢紫堵蕦拐蹚?qiáng)度的影響非常顯著，水膠比和稻殼灰替代率的影響不顯著，3個因素的影響程度從大到小依次為孔隙率、 水膠比、稻殼灰替代率。

2.2.3 響應(yīng)面分析

水膠比、 孔隙率和稻殼灰生態(tài)混凝土強(qiáng)度的響應(yīng)面分析如圖6所示。由圖可知，當(dāng)水膠比為0.30時，隨著孔隙率的減小，稻殼灰生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值，水膠比對膠凝材料間水化反應(yīng)的影響較小，孔隙率對稻殼灰生態(tài)混凝土的強(qiáng)度影響較大。

水膠比、 稻殼灰替代率和稻殼灰生態(tài)混凝土強(qiáng)度的響應(yīng)面分析如圖7所示。由圖可知，稻殼灰替代率的改變對強(qiáng)度的影響較小，雖然稻殼灰具有較好的吸水能力，但在強(qiáng)度產(chǎn)生過程中起到主要作用的仍為膠凝材料間的水化反應(yīng)，稻殼灰替代率對強(qiáng)度影響較小，結(jié)合圖4、 6中所示的稻殼灰生態(tài)混凝土強(qiáng)度變化可以看出，稻殼灰具有與摻加硅灰水泥混凝土相似的強(qiáng)度。

孔隙率和稻殼灰替代率對強(qiáng)度的響應(yīng)面如圖8所示。由圖可知，稻殼灰生態(tài)混凝土的強(qiáng)度隨著孔隙率增大和稻殼灰替代率降低而增大，表明雖然稻殼灰和硅灰相比有較大的比表面積，可以進(jìn)行更充分的水化反應(yīng)產(chǎn)生數(shù)量更多的硅酸鈣凝膠，但是不足以改善因孔隙率變化引起的混凝土結(jié)構(gòu)變化。

2.2.4 最優(yōu)配比及驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)響應(yīng)面分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，當(dāng)孔隙率為20%、 水膠比為0.31、 稻殼灰替代率為55%時，最優(yōu)配比的預(yù)測值和實(shí)測值如表5所示。由表可見，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的實(shí)測值與預(yù)測值之間的誤差均小于5%，表明模型精度較高且優(yōu)化方案可信。采用最優(yōu)配比時，較未使用稻殼灰部分代替硅灰時的生態(tài)混凝土的強(qiáng)度［21， 24］ 提高了25%～43%。

綜上，以稻殼灰生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的最大值作為優(yōu)化目標(biāo)，采用Design Expert軟件得到的最優(yōu)配合比為：孔隙率為20%，水膠比為0.31，稻殼灰替代率為55%。

2.3 植生性能

3種植物在不同植生時間的生長狀況如圖9所示。由圖可見，植生時間為7 d時，黑麥草和高羊茅生長正常，黑麥草、 高羊茅的平均高度分別為3.4、 1.3 cm，狗牙根開始部分發(fā)芽；植生時間為14 d時，黑麥草、 高羊茅的平均高度分別為7.8、 5.8 cm，狗牙根部分發(fā)芽；植生時間為21 d時，狗牙根有明顯的生長，此時黑麥草、 高羊茅和狗牙根的平均高度分別為20.4、 19.4、 7.1 cm。

植物生長高度與覆蓋率隨植生時間的變化如圖10所示。由圖可得， 在溫度適宜、 濕度半飽和光照充足的條件下， 隨著種植時間增加， 高羊茅和黑麥草的生長狀況良好， 符合其出苗快、 生長迅速的特點(diǎn)，其中高羊茅雖然出芽時間較黑麥草晚， 但在植生時間為21 d時具有和黑麥草相當(dāng)?shù)拈L度。狗牙根的生長較為緩慢， 可能是因?yàn)楣费栏鶎θ跛岘h(huán)境較為敏感， 但根據(jù)其生長匍匐前進(jìn)的特點(diǎn)， 在植生時間為21 d時也可覆蓋土壤表面。狗牙根的發(fā)芽率雖有波動，但整體差異不明顯。

綜上， 3種草本植物均能正常生長，在種植時間為21 d時，植株高度最高可達(dá)20.4 cm，植物覆蓋率接近80%，稻殼灰生態(tài)混凝土的植生性能良好。

3 結(jié)論

保持硅灰和稻殼灰總質(zhì)量不變，對稻殼灰代替硅灰進(jìn)行第1次配比設(shè)計，研究水膠比、稻殼灰替代率對稻殼灰生態(tài)混凝土強(qiáng)度的影響，初步確定最佳水膠比和稻殼灰替代率的取值范圍；采用 DesignExpert軟件進(jìn)行第2次配合比方案設(shè)計，構(gòu)建響應(yīng)面模型，研究水膠比、稻殼灰替代率和孔隙率對稻殼灰生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響；采用狗牙根、 黑麥草、 高羊茅3種草本植物研究稻殼灰生態(tài)混凝土的植生性能。

1）在生態(tài)混凝土中用稻殼灰代替硅灰， 可以有效提高其強(qiáng)度。 護(hù)齡期為7 d時， 3種水膠比時的稻殼灰生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著稻殼灰替代率的增大逐漸減??； 養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時， 稻殼灰生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著稻殼灰替代率先增大后減小。 在水膠比為0.30， 稻殼灰替代率為 40% 時抗壓強(qiáng)度最大為 9.9 MPa， 在水膠比為 0.30， 稻殼灰替代率為 60% 時抗折強(qiáng)度最大為2.01。

2）根據(jù)響應(yīng)面分析，水膠比、 稻殼灰替代率、 孔隙率3個因素對稻殼灰生態(tài)混凝土的強(qiáng)度影響比較明顯，其中孔隙率的變化對強(qiáng)度影響最為明顯，因此，稻殼灰可以替代硅灰用于生態(tài)混凝土的制備，且稻殼灰生態(tài)混凝土具有良好的力學(xué)性能和植生性能。以稻殼灰生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的最大值作為優(yōu)化目標(biāo)，采用Design Expert軟件得到的最優(yōu)配合比為：孔隙率為20%，水膠比為0.31，稻殼灰替代率為55%。

3）在稻殼灰生態(tài)混凝土植生試驗(yàn)中，3種草本植物均能正常生長，在種植21 d時，植株高度最高可達(dá)20.4 cm，植物覆蓋率達(dá)80%

利益沖突聲明（Conflict of Interests）

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.，稻殼灰生態(tài)混凝土的植生性能良好。

作者貢獻(xiàn)（Author’s Contributions）

龔芳媛和王書岳進(jìn)行了方案設(shè)計，龔芳媛、 王書岳、 程雪佼、 杜政陽參與了論文的寫作和修改。所有作

者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The study was designed by GONG Fangyuan and WANG Shuyue. The manuscript was written and revised by

GONG Fangyuan，WANG Shuyue，DU Zhengyang and CHENG Xuejiao. All authors have read the last version of paper and consented for submission.

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Mechanical and vegetation properties of rice husk ash ecological concrete

GONG Fangyuan， WANG Shuyue， DU Zhengyang， CHENG Xuejiao

（School of Civil and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401，China）

Abstract

Objective In order to enhance the strength and planting performance of ecological concrete， while effectively utilizing the wasterice husk ash generated from industrial power generation.

Methods In this study，the mix design was conducted in two stages using the volume method. Initially，the first mix designfocused on investigating the water-binder ratio and the proportion of rice husk ash replacing silica fume as influencing factors.Different water-binder ratios （ 0. 20， 0. 25， 0. 30， 0. 35） were chosen，and the substitution ratesofrice husk ash for silica fumevaried from 0% to 100% （0，20%， 40%， 60%， 80%， 100%）， with a porosity of 20%and 7. 5% silica fume content. Subse?quently， the second mix design was carried out using response surface methodology， considering influencing factors such asporosity， water-binder ratio， and rice husk ash substitution rate. The objective was to optimize the mix design based on mechani?cal properties through multifactor analysis. Additionally， the planting performance was validated using three herbaceous plants：bermuda grass， ryegrass and tall fescue.

Results and Discussion At 7 days， as the substitution rate of rice husk ash increases， the strength of ecological concretedecreases gradually under the three different water-binder ratios. This is due to the larger specific surface area of rice husk ashcompared to silica fume， resulting in higher water demand that affects the early hydration process of cement. Rice husk ash， act?ing as a reactant for the secondary hydration reaction within the concrete， has a limited impact in the early stages. At 28 days，with the increase in rice husk ash substitution rate， both compressive and flexural strengths first increase and then decrease. Inthe compressive strength test， under water-binder ratios of 0. 25 and 0. 35， the compressive strength of ecological concretegradually increases from 0 to 60% substitution rate. At a water-binder ratio of 0. 3， lower rice husk ash substitution rates （0 to40%） lead to gradual strength enhancement of ecological concrete due to sufficient curing age allowing full hydration of thecementitious materials， resulting in additional formation of calcium silicate hydrate gel. However， under the water-binder ratioof 0. 25 and 0. 35 during the increase in rice husk ash substitution rate from 60% to 100%， and at a water-binder ratio of 0. 3during the increase in rice husk ash substitution rate from 40% to 100%， the compressive strength of ecological concretedecreases with higher rice husk ash substitution rates. In contrast， the flexural strength at 28 days exhibits similar patternsamong the three water-binder ratios： an increase in ecological concrete's flexural strength from 0 to 60% substitution rate，followed by a decrease in strength from 60% to 100% substitution rate of rice husk ash.

Conclusion In this study， rice husk ash is investigated as a potential replacementfor silica fume in the preparation of ecologicalconcrete，which exhibits good mechanical properties and planting performance. Using the response surface analysis， the factorssuch as water-binder ratio， rice husk ash substitution rate and porosity significantly affect on the concrete’s strength， with theporosity exhibiting the most significant effect on the strength change.Keywords： ecological concrete； rice husk ash； strength； plant growth performance； response surface method

（責(zé)任編輯：吳敬濤）